（通信与信息系统专业论文）利用窄带fbg实现rof系统中ssb调制的研究.pdf

中文摘要 摘要：r o f 技术充分结合光纤和高频无线电波传输的特点，可实现大容量、低成 本的射频信号有线传输和超过1 g b i t s 的超宽带无线接入，也可作为决定整体通信 质量的“最后一公里 接入技术。其覆盖面广、易于动态管理和维护等特点，使 其具有巨大的应用前景。而提高r o f 系统的传输性能是r o f 系统应用的首要任务。 实现快速、高效、准确地传输对r o f 系统的实用有重要意义。 然而在r o f 通信系统中，光纤色散对信号传输的影响，除了有传统光通信系 统中相同的部分脉冲展宽之外，更重要的是体现在色散引起的输出幅度随光 纤传输长度的周期性起伏变化方面。也就是说在r o f 系统中，双边带幅度调制会 产生色散所致衰减。这将严重影响r o f 系统中的信号传输，导致信号在光纤中的 传输距离严重受限。本文为减小和抑制色散所致衰减效应进行研究，所得主要工 作成果如下： 1 ) 本文详细地对r o f 系统中色散所致衰减问题进行了理论推导和模拟仿真，明 确了色散所致衰减的具体原因检波后出现多项同频不同相的信号干涉。得 出了r f 信号频率、光纤传输长度、光纤色散系数和光载波频率四项参数共同 决定色散所致衰减幅度和衰减的周期性。并确立了r o f 系统色散所致衰减的 解决办法系统s s b 调制方式。 2 ) 对现在提出的比较流行的几种实现r o f 系统中副载波s s b 调制方法进行较详 细的比较分析，选择各方面较优的利用窄带f b g 实现r o f 系统中s s b 调制方 法。并对其抑制色散所致衰减效应进行了详细的理论推导和模拟仿真。并在仿 真中证明了，在r o f 系统中，使用一般的光纤光栅进行边带滤波有困难，需 利用窄带f b g 来完成滤波，实现信号的单边带调制。 3 ) 最后进行了初步实验探索。主要对窄带f b g 实现对r o f 系统中双边带信号滤 波过程进行了详尽的实验和分析。检测双边带信号通过窄带f b g 滤波后，成 为单边带信号的光谱图，结果基本符合分析预期。初步验证了利用窄带f b g 实现r o f 系统中s s b 调制，可以较好的抑制r o f 系统中色散所致衰减情况， 进而可以明显提高r o f 系统的传输性能。 关键词：r o f ；窄带f b g ；s s b 调制；色散所致衰减 分类号：t n 9 2 9 匕立交通太堂亟堂僮j 金塞旦墨! b 堡! a b s t r a c t a b s t r a c t ：c o m b i n i n gt h ef e a t u r e so ff i b r et r a n s m i s s i o na n dh i g hf r e q u e n c yr a d i o t r a n s m i s s i o n ，r o ft e c h n o l o g y c a nr e a l i z eh i g hc a p a c i t y ，l o wc o s tr fw i r e l i n e t r a n s m i s s i o n ，o v e r1g b i t su l t r aw i d e b a n da c c e s s ，a n d ”l a s tm i l e a c c e s st e c h n o l o g y w i t hb r o a dc o v e r a g ea n de a s ym a i n t a i n a n c e ，r o ft e c h o n o g yw i l lb ew i d e l ya p p l i e di n t h ef u t u r e a n df i r s t ，w em u s ti m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h et r a n s m i s s i o nt or e a l i z e r o fc o m m e r c i a l s or a p i d ，e f f i c i e n ta n da c c u r a t et r a n s m i s s i o ni sv e r yi m p o r t a n tf o r r o f s y s t e mc o m m e r c i a l i nr o fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，d i s p e r s i o ni m p a c tn o to n l yh a v ep u l s ew i d e n e d ，b u t a l s o ，m o r ei m p o r t a n t l y , r e f l e c to u t p u ts t r e n g t hc y c l i c a lc h a n g e sw i t ht h el e n g t ho ff i b e r i no t h e rw o r d s ，d s bm o d u l a t i o nw i l lp r o d u c ed e c a yb yd i s p e r s i o n t h i sw i l ls e r i o u s l y a f f e c ts i g n a lt r a n s m i s s i o ni nr o f e v e nt r a n s m i s s i o nd i s t a n c eo fs i g n a li nf i b e rw i l lb e s e v e r e l yc o n s t r a i n e d t h i sp a p e rs t u d yt h em e t h o do fr e d u c i n ga n di n h i b i t i n ge f f e c to f d e c a yc a u s e db yd i s p e r s i o n t h ep r i m a r ya c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) t h i sp a p e rc o m p l e t e st h e o r e t i c a ld e r i v a t i o n a n ds i m u l a t i o no fd e c a yc a u s e db y d i s p e r s i o ni nr o f , a n dc l e a rt h er e a s o no fd e c a yc a u s e db yd i s p e r s i o n - - - - - s e v e r a l s i g n a l si n t e r f e r e n c eo fs a m ef r e q u e n c yd i f f e r e n tp h a s ea f t e rd e t e c t i o n r fs i g n a l f r e q u e n c y , f i b e rd i s t a n c e ，d i s p e r s i o nc o e f f i c i e n ta n do p t i c a lc a r r i e rf r e q u e n c yf o u r p a r a m e t e r sd e c i d es t r e n g t ha n dc y c l i c a lo fd e c a yc a u s e db yd i s p e r s i o n f i n a l l y , w e f i n dt h es o l u t i o no fd e c a yc a u s e db yd i s p e r s i o n - - s s bm o d u l a t i o n 2 ) c o m p a r ea n da n a l y z es e v e r a lm e t h o d so fr e a l i z i n gs s b m o d u l a t i o ni nr o et h e n w ec h o s es s bm o d u l a t i o nb a s e do nn a r r o w b a n df b gw ea c h i e v ed e t a i l e d t h e o r e t i c a ld e r i v a t i o na n ds i m u l a t i o nf o ri n h i b i t i n gd e c a yc a u s e db yd i s p e r s i o n a n d i ns i m u l a t i o nw ep r o v et h a tu s eo fg e n e r a lf b gh a v ed i f f i c u l t i e sw i t hf i l t e r i n g ，s o w em u s tu s en a r r o w b a n df b gt oc o m p l e t es s b 3 ) f i n a l l y , w et a k es o m ep r e l i m i n a r ye x p e r i m e n t st oe x p l o r e w ef o c u so nf i l t e r i n g p r o c e s so fd s bs i g n a l ，a n dd e t e c ts s bs ig n a ls p e c t r u m s i n c er e s u l t si nl i n ew i t h e x p e c t a t i o n s ，i tp r e l i m i n a r i l yp r o v e t h a tu s eo fn a r r o w - b a n df b gt or e a l i z es s bi n r o fc a l li n h i b i t i n gd e c a yc a u s e db yd i s p e r s i o nb e t t e r s op e r f o r m a n c eo fr o f t r a n s m i s s i o nc a nb es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d k e y w o r d s ：r o f ；n a r r o w b a n df b g ；s s bm o d u l a t i o n ；d e c a yc a u s e db yd i s p e r s i o n c 1 a s s n o ：t n 9 2 9 索引 b sb a s es t a t i o n基站 m um a i nu n i t 主站 c oc e n t r a lo f f i c e中心节点 l ol o c a lo s c i l l a t o r 本地振荡器 a p a c c e s sp o i n t接入点 a m a m p l i t u d em o d u l a t i o n 调幅 p dp h o t od e t e c t o r 光电探测管 l 玎r a d i of r e q u e n c y 射频 i fi n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y中频 f p f a b r yp e r o t 法布里一珀罗 r a ur e m o t ea c c c s su n i t 远端接入单元 s m fs t a n d a r dm o d ef i b e r 标准单模光纤 i t s i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s智能交通系统 m z mm a c h z e h n d e rm o d u l a t o r 马赫曾德尔调制器 d s bd o u b l es i d eb a n d双边带 s s b s i n g l es i d eb a n d 单边带 d f bd i s t r i b u t e df e e d b a c kb r a g g 分布反馈布拉格( 光纤激光器) f b gf i b e rb r a g gg r a t i n g 光纤布拉格光栅 s b ss t i m u l a t e db r i l l o u i ns c a t t e r i n g 受激布里渊散射 o s a o p t i c a ls p e c t r u ma n a l y s i s 光谱分析仪 v s gv e c t o rs i g n a lg e n e r a t o r矢量信号发生器 l p fl o wp a s sf i l t e r 低通滤波器 e d f ae r b i u md o p e df i b e ra m p l i f i e r掺铒光纤放大器 b e r tb i te r r o rr a t et e s t e r 误码仪 n l 屹n o nr e t u mz e r o非归零码 g s mg l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s 全球移动通讯系统 u m t su n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m 通用移动通信系统 o t d m o p t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 光时分复用技术 d w d md e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 密集波分复用 5 8 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名彦锣卢 签字日期：立缈孑年多月，；日 导师签名： 签字日期：刃扩年 6 月l 日 ， 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其它人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：廖锻肉 签字日期：j 渺孑年占月，多日 致谢 本论文的工作是在我的导师宁提纲教授的悉心指导下完成的，宁提纲教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 宁提纲老师对我的关心和指导。 宁提纲教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向宁提纲老师表示衷心的谢意。 宁提纲教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，祁春慧、路慧敏等同学对我论文中的r o f 系 统理论研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 1 引言 1 绪论 当今信息社会对包括声音、数据和图像等多媒体通信的需求越来越迫切，人 们希望能在任何时候都可以向个人提供这些通信业务，所以宽带移动通信引起了 极大的研究兴趣。移动通信经历了第一代和第二代，完成了从模拟技术向数字技 术的转变，现正在向第三代( 3 g ) 过渡，并且研发的重点转向带宽更大的第四代技术。 开发利用频率更高的无线电波段，即毫米波频段，成为研究的一个热点【i 乃。但是， 与厘米波段的微波相比，毫米波的传输距离短，障碍物的绕射能力弱，系统需要 设置更多的基站。基站与基站之间、基站与中心局之间的信息传输就必须依赖于 具有大容量特性的光纤通信技术。因此，在光纤上传送毫米波副载波信号，b o r a d i o o v e rf i b e r 或r a d i oo i lf i b e r ( r o f ) ，被认为是一个理想的解决方案。在r o f 通信系统 中，由于基站数量巨大，沿用原有的高速收发端机和技术，成本太高，经济上缺 乏可行性。同时，由于较高的调制频率，光纤色散问题必须同时考虑和解决。 在双边带调铝i j r o f 系统中，光纤色散会引起严重的微波功率损耗。当微波信号 调制到光波上时，两个边带在光纤中传输时会产生随光纤长度、调制频率以及光 纤色散系数不同而不同的相移。在光探测器端，边带与光载波差频，边带之间不 同的相移决定了微波信号的大小。当边带之间的相移差为万时，微波信号完全消失。 而且随着微波频率的增大。光纤的色散效应越来越明显，严重限制光纤的传输长 度。因此如何提高调制深度，减小由光纤色散引起的微波功率损耗是r o f 系统中亟 待解决的关键技术。 1 2r o f 技术概述 1 2 1r o f 技术简介 r o f 技术是随着高速大容量无线通信的需求而新兴发展起来的一种光纤通信 技术与无线通信技术相结合的无线信号传输接入技术，是指利用光纤代替大气作 为一种传输媒质来传送宽带射频信号( r f ，如基带、中频或射频信号) 的一种传输技 术。r o f 技术的研究始于2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初，该技术具有容量大，成本低， 功耗低，易安装等优点。 其系统框图如图1 1 所示【1 5 1 ，其中多个基站( b s ) 通过光纤与中心节点( c o ) 相连 接。光纤仅起到传输作用，交换、控制和信号的再生等都集中在中心节点。 彳整一一 图1 1r o f 的网络结构图 f i g 1 1t h er o fn e t w o r ks t r u e m r c 下行信号首先在中心节点处利用光器件和全光技术对其进行调制和光电变 换，然后将变换后的光信号通过光纤传输到远端基站，最后在远端基站通过光电 探测和解调得到所要传送的信号，并通过天线发送。光电探测和解调后的电信号 符合诸如g s m 、u m t $ 和无线局域网等无线应用的规范。 对于上行信号传输而言，首先将天线接收到的信号进行光电转换和( 或) 相应的 频率下变换，然后经光纤传输到中心节点后，通过光电检测和( 或) 频率下变换得到 所需要的上行信号l l ”。 r o f 系统将昂贵复杂的器件安装在中心站内，各个基站只是进行光电的转换， 这样减少系统成本，利于设备维护。 2 1 2 2r o f 技术特点 r o f 系统具有大容量、低成本的射频信号有线传输和超宽带无线接入。究其原 因是由于，一方面无线工作频率的提高，使得损耗加大，传输距离减小，各个蜂 窝覆盖的面积也减小，所以需要更多的基站以提供足够的覆盖面积。从安装和维 护成本的角度考虑，我们希望实现基站的简化与集中化控制，对不同速率、不同 格式的数据透明传输和易于网络升级，而r o f 正好具有这一特点。它将昂贵复杂的 设备都集中在中心节点来实现对信号的调制和交换。而基站则非常简单，只是进 行信号的光电转换。这样多个远端基站共享这些设备，大大降低了系统的功耗和 成本。另一方面，蜂窝覆盖面积的减小也为组网带来了灵活性，同时也减少了移 动环境的复杂性。小范围的移动环境比较简单，多径衰落的影响以及多径引起的 码间干扰可以大大减少。另外，光纤作为传输媒质具有低损耗、高带宽和不受电 磁干扰等特性【1 5 】。 下面详细介绍r o f 技术和传统的无线分布式传输系统相比具有的优势和存在 的问题： 1 ) 传输距离长、衰减损耗低 高频微波信号的传输，无论是在自由空间还是在固态介质传输线上，具有很 多潜在问题，成本也较昂贵。自由空间里，随着频率的升高，由吸收和反射引入 的损耗也加大p 】。固态介质传输线中，阻抗随着频率的升高而增大，带来了很大的 损耗。因此，远距离分布高频射频信号需要很昂贵的再生设备。对于毫米波而言， 它们在传输线上的分布传播即使短距离也是很难实现的。目前已商用的解决办法， 就是把基带信号或者中频调制信号从交换中- l , ( h e a d e n d ) 分布传输到基站( b s ) ，基 带或者中频信号在基站端上变频到需要的微波或者毫米波，微波放大，然后经由 天线发射，传输媒介是电缆。由于在各个基站端上变频处理的需要，就需要高性 能的本地振荡器( l o ) ，这个又导致基站端复杂的结构和较高的性能需求。另一方 面，因为光纤具有较小的损耗，r o f 技术既可以实现毫米波分布的低损耗，还可以 简化远端接入单元( r a u ) 的结构i l 州。 目前商用的单模光纤( s m f ) 基本都是石英材料的，s m f 在1 5 5 0 n m 和1 3 1 0 n m 窗 e l 的损耗分别低于0 2 d b k m 和0 5 d b k m 。最新种类的塑料光纤( p o l y m e ro p t i c a l f i b e r , p o f ) 在5 0 0 1 3 0 0 n m 范围内的衰减大概是1 0 4 0 d b k m 6 兀，这些都远远低于同 轴电缆的损耗。以光的方式传播微波信号，传输距离可以增加几倍，需要的功率 却大大降低。 2 ) 较高的带宽 光纤可以提供巨大的带宽。光纤通信主要有三个低损耗窗口，分别是8 5 0 n r n ， 1 3 1 0 n m ，1 5 5 0 n m 波长。对于单根单模光纤来说，三个窗口一共可以提供高达5 0 t h z 的带宽。然而，目前广泛商用的系统仅仅利用了其中的一小部分，大概1 6 t h z 。 人们还在不断的研究如何拓展单根光纤的传输能力，通过包括开发低色散光纤、 为15 5 0 n m 专用的掺铒光放大器、混合利用高级光时分复用( o t d m ) 和密集光波分复 用技术( d w d m ) 等。 除了传输微波信号的较高性能，光纤的高带宽还有其它的优点。高光带宽可 以实现在电系统中很难甚至不可能实现的高速信号处理，一些必需的微波信号处 理，比如滤波，混频，上下变频都可以在光域中实现。这样在光域进行信号处理 就可以利用较便宜、低带宽的光器件，例如激光二极管和调制器，还可以处理高 带宽的信号1 1 6 】。 3 ) 动态的资源配置 由于交换机、调制器和其它射频微波功能器件都放在中心局端，这就使得资 源配置可以动态化。例如，一个支持g s m 系统业务的r o f 分布系统，更多的资源和 容量可以配置到某一个特定的地点，比如消费高峰时段的商场，然后在高峰期后 再配置到其它地区，比如傍晚的居民居住区。随着需求的增大，这些功能可以通 过w d m 技术分配配置光波实现1 4 j 。因为中，i i , 局端的存在，更加简易巩固了其它信 号处理功能，比如移动性切换功能和宏观复用传输掣1 6 j 。 4 ) 抗电磁干扰性好、功耗低 良好抗电磁干扰性能对光纤通信，尤其微波通信来说是极具吸引力的一个特 性。而采用光的方式在光纤中传输微波信号恰恰实现了这个功能。因为这个特性， 光缆在毫米波的短距离链接中都被较大范围的利用。与抗电磁干扰相关的，光纤 通信还有良好的抗窃听性，可以保护隐私和提供更好的安全性。 结构简单、装备减少的r a u 能够使电能消耗大大降低。基本上所有复杂的设 备都放置在中心局端。某些应用上，r a u 还可以是无源操作的。由于r a u 端功率 消耗的降低，可以考虑把r a u 放置在遥远没有电力供应的地方i l 引。 5 ) 安装简便、维护简易 在r o f 系统中，复杂而昂贵的设备都在h e a d e n d 端，简化了r a u 的结构。比如 系统删减了r a u 端的本振和相关设备，而仅仅需要光电探测器，射频放大器和天 线来发射信号，调制器和交换设备也都放置在h e a d e n d 端，这些设备由几个r a u 共 享。这种结构可以使r a u 更加轻便小巧，有效的降低了系统安装和维护成本，这 点对于毫米波系统来说是极其重要的，因为毫米波系统需要很多的r a u 。对那些 r a u 不是很容易接近的应用来说，维护成本是运营成本的主要部分【4 】。较小的r a u 还可以降低对环境的污染和影响1 1 引。 6 ) 多操作、多服务的通信业务 4 r o f 满足了系统级操作的灵活性。依赖微波产生技术，r o f 分布系统可以实现 信号格式的透明化。强度调制直接检测( i m d d ) 技术可以被设计使用成为一个 线性的系统，也就是通明( t r a n s p a r e n t ) 系统。它可以通过混合利用低损耗单模光纤 和预调制r f 载波技术来实现。这样的r o f 网络可以被用来分布支持多操作、多服 务的通信业务，这又可以带来经济成本上的节约【4 】。 7 ) r o f 技术的局限 动态范围对于像g s m 这样的蜂窝式移动通信系统来说是一个非常重要的因 素，因为从主站( m u ) n 基站的信号功率变化很大，同一个蜂窝内，距离基站比较 近的m u 发射的射频功率比基站接受到的几公里外m u 发射的信号功率大很多。由 于r o f 技术包含了模拟调制和光探测，它本质上就是个模拟传输系统。因此，信号 损伤，比如在模拟通信系统中非常重要的噪声和失真，在r o f 系统中也就显得影响 比较大了。这些损伤很可能影响r o f 系统的噪声系数和动态范围【9 】。 模拟光纤链路中的噪声源包括激光相对强度噪声，激光相位噪声，光电二极 管散弹噪声，放大器热噪声和光纤色散等进行分析。在r o f 系统的单模光纤中，色 散的影响有可能限制光纤链路的长度并造成相位的非相关进而增加了r f 载波的相 位噪声【3 】。在r o f 系统的多模光纤中，模式色散会更大的限制链路带宽和距离【1 6 】。 1 3r o f 系统的应用及发展趋势 丞一 i i o t e l 图1 2r o f 无线局域网示意图 f i g 1 2t h er o fw i r e l e s sl a ns k e t c h r 一 一一一 i_ _ 一_ - 一_ _ 一一 _ _ 一 _ 一一 l 厂 r o f 系统的主要优点是实现了微波和光之间的转换，结合了微波和光纤通信的 优势。r o f 系统使射频微波在光纤中实现无衰减，无信道问的相互干扰的射频波带 通传输。其主要应用包括：r o f 无线局域网，天线遥感，宽带视频分配网络，r o f 无线个人通信网络等【5 】。 1 ) r o f 无线局域网 r o f 无线局域网是在机场或商场等商业或住宅区内，通过光纤把信号反馈到无 线接入点( a p ) ，然后a p 能够在几十至上百米的范围内( 微蜂窝) 或室内( 微微蜂窝) 连 接多个无线用户，实现多业务信号传输和交换，如图1 2 所示。 表1 1 无线局域网的规格 t a b 1 1w i r e l e s sl a ns p e c i f i c a t i o n s 频带 频带宽( g h z ) 调制方式 传输速率适用环境标准 ( g h z )( m b i t s ) 2 4 7 1 2 4 9 7 直接序列扩频 2 4 ( d s s s ) ，跳频扩频 1 1 1 室内室外 r c rs t d 3 3 ( 日本) ( f h s s ) 2 4 0 0 2 4 8 3 5 d s s s f h s s l l l a r a bs t d - t 6 6 ( 日本) 正交频分多路复用6 5 4室内室外 i e e e 8 0 2 11 1l b ，il g ( o f d m ) ( 美国) 4 9 5 0a r a bs t d t 7 0 1 7l 5 0 3 5 0 9 lo f d m6 - 5 4 室内室外 ( 日本) 5i e e e 8 0 2 11 j ( 美国) 5 1 5 5 2 5o f d m6 5 4 室内 a r a bs t d - t 7 0 ，t 7 l ， t 7 2 ( e l 本) 5 1 5 5 3 5o f d m6 5 4 室内 i e e e 8 0 2 1l a ( 美国) 5 4 7 5 7 2 5o f d m6 5 4 室内室外 h i p e r l a n 2 ( 欧盟) 1 919 4 8 5 19 5 正交相移键控 2 5 室内室外 r c rs t d - 3 4 ( 日本) 6 5 ( q p s k ) 2 52 4 7 5 2 5 2 5o f d m6 - 5 4 室内室外 a r a bs t d - t 8 3 ( e l 本) 2 7 0 0 2 7 4 8 6 0 5 9 - 6 6 高斯最小频移键控 1 5 5 5 2 室内室外 a r a bs t d - t 7 4 ( 日本) ( g m s k ) 6 r o f 无线局域网与传统无线局域网相比的优势在于：在满足信号覆盖整个局域 范围内实现只有一个接入点，能降低接入点的复杂度、降低系统成本，并且高频 信号的扩展可以提供宽带、多业务服务。据a b i r e s e a r c h 的市场预测，到2 0 0 9 年， 世界上超过一半以上的使用无线局域网的办公楼将使用r o f 。表1 1 【1 7 】所列出的是 目前无线局域网发展的主要规格。基于r o f 技术，可以适用于不同频段的无线局域 网，随着宽带和多业务信息需求的增加，基于6 0 g m 濒段的r o f 无线局域网成为研 究的热点之一碍】。 2 ) r o f 无线个人通信网络 r o f 无线个人通信网络也是r o f 系统重要应用之。随着移动用户量的急速增 加，系统不但要满足实时( r e a l 缅嘞、无缝隙( s e a m l e s s ) 和不间断( c o n t i n u o u s ) 通信， 同时也要有承载宽带和多业务的能力。r o f 系统的诞生无疑为智能通信系统的实现 提供了一个实现模型( 如图1 3 ) ，利用光纤传输高频宽带r f 模拟信号实现中心站与 基站的连接。这种r o f 无线通信系统能有效的降低基站( b s ) 的安装复杂性，便于扩 容；降低b s 覆盖区域，从而降低手持终端的功率损耗；提供宽带、广带网络通信 和实时移动画面传输等，使得用户拥有更大的可用带宽【1 7 】。 c o v e r a g e a r e a 图1 3r o f 无线通信网络示意图 f i g 1 3t h er o fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sn e t w o r kd i a g r a m 7 3 ) r o f 智能交通通信和控制 r o f 智能交通系统也是当前研究的热点之一【1 0 】。随着现代社会经济的高度发 展，交通安全问题也成为世界各国亟待解决的主要问题之一。日本y o k o s u k a 无 线通信研究中心在1 9 9 8 年末研究构建的一个未来r o f 智能交通系统( i t s ) 。沿着公路 建立本地基站，利用r o f 系统实现中心站与基站之间大信息量控制信息传输，提供 道路监控、交通信息服务与管理、自动计费等，有的还包括公交信息系统、商业 车辆管理系统、电子泊车系统等智能交通管理信息；再由基站天线向快速运行的 交通车提供信息传输。这个r o f 的智能交通系统的工作频段在3 6 - 3 7 g h z 之间。而 车与车之间采用6 0 g h z 波段的毫米波防撞雷达系统实现实时监测车辆的前方，避免 追尾相撞。基于r o f 的i t s 系统的优点在于：信息运载能力强，系统成本低，抗干 扰能力强。2 0 0 1 年以日本y o k o s u k a 研究园( y r p ) 为主的多个相关研究机构合作 建立了r f 工作频率为5 8 g h z 多种基带信号传输的r o f - i t s 现场实验系统【1 1 1 。并 于2 0 0 2 年3 月在y r p 园区成功举办了面向公众的i t s 开放体验日【1 2 】。目前研究重点 在向更高频段毫米波3 6 - 3 7 g h z 的路车i n r o f 智能交通通信系统发展【1 3 1 ，可以 预见，在不久的将来r o f 智能交通系统将走向实用化【1 7 】。 4 ) 卫星通信 r o f 技术可以用于把远端的天线基站安排在卫星地面站附近合适的位置，用于 卫星地面接收站和中心控制室之间的射频信号传输【l5 1 。 综上所述r o f 系统在未来宽带无线通信、智能交通等领域具有巨大的应用前 景。 1 4r o f 系统中色散影响及解决方法的研究现状 r o f ( r a d i oo v e rf i b e r ) 系统采用光纤链路在中心控制站和分布式基站间传输微 波信号。而利用强度调制所得到的射频光载波，实质是一个在光频上的含有载波 和两个边带的双边带信号。在光接收端，每个边带与光载波差拍，产生两个差拍 信号，它们相互作用而得到射频信号。但是，信号在光纤中传输时，由于光纤色 散参数的影响，频谱中各个部分因色散而产生的相移不同。因此，检波输出的r f 电信号是同频不同相的信号迭加，产生信号输出幅度随光纤长度周期性起伏变化。 这就导致了接收到的信号与实际信号之间存在严重的偏差。 对此，人们提出使用双电极m z m 调制器结合耦合器进行单边带调制，以减少 色散影响，但这增加了r o f 系统的成本，而且光载波调制深度较小；基于受激布里 渊散射的单边带调制可以得到很好的效果，但其副载波的频率限制于特定光纤布 里渊频率附近，限制该方法的普遍应用；也有人提出使用f p 滤波器和波长自适应 单边带滤波器实现r o f 系统的单边带调制，但其系统不够简便。 光纤光栅由于其插入损耗低常被用于r o f 系统中的单边带调制。而且，光纤光 栅制备简单，灵活，可以提供各种不同的反射光谱和带宽，因此只要合理设计光 纤光栅的反射谱，就可以实现单边带调制，并且还可以同时抑制光载波，提高调 制深度。但是，在r o f 系统中，由于载波与边带的频率差较小，使用一般的光纤光 栅进行边带滤波有困难，需要利用窄带光纤光栅来实现r o f 系统中s s b 调制。 1 5 本文的主要工作 在前面的介绍中，首先通过对未来高速大容量无线通信需求的分析，指出开 发利用频率更高的无线电波段，即毫米波频段，必将成为研究和实用化的方向。 但毫米波传输距离短，障碍物绕射能力弱，系统需要设置更多的基站等缺陷限制 了毫米波段无线通信的发展和商用。而在光纤上传送毫米波副载波信号，即r a d i o o v e rf i b e r 或r a d i oo nf i b e r ( r o f ) ，被认为是一个理想的解决方案。然而在r o f 通 信系统中，光纤色散对信号传输的影响，除了有传统光通信系统中相同的部分一 一脉冲展宽之外，更重要的是体现在色散引起的输出幅度随光纤传输长度的周期 性起伏变化方面。也就是说在r o f 系统中，双边带幅度调制会产生色散所致衰减。 这将严重影响r o f 系统中的信号传输，导致信号在光纤中的传输距离严重受限。 本文的研究目的是利用窄带f b g 实现r o f 系统中s s b 调制，克服在r o f 系统中 传输毫米波信号时的色散所致衰减效应，从而提高了r o f 系统的传输性能。 本文主要的研究内容： 1 研究了光纤布拉格光栅( f b g ) 的理论基础，并进行了特性分析，此部分在本文 的第二章。首先从波动方程出发，求出光纤中导模和辐射模的基本场分布。当 光纤中存在微扰时，模式之间将发生耦合，研究这一问题常用耦合模理论。然 后在耦合模理论下，分析光纤光栅。对于正弦调制的均匀光纤光栅，即其折射 率的变化量满足某个正弦函数，周期和调制幅度均为常数，其耦合模方程组具 有解析解。对于复杂的光纤光栅可用分段均匀和传输矩阵法来进行分析，也可 用数值求解耦合模方程的方法来进行分析。 2 第三章讨论了r o f 系统中色散所致衰减问题的成因。分别对单波长a m d s b 调制色散所致衰减、双波长调制色散所致衰减进行了详细的理论推导和仿真分 析，通过具体仿真试验，对r o f 系统d s b 调制下的色散影响有了深入地了解， 明确了色散所致衰减的具体原因检波后出现多项同频不同相的信号干涉。 得出了r f 信号频率知、光纤长度l 、光纤色散系数d 和光载波频率y 。四项 9 参数共同决定色散所致衰减幅度和衰减的周期性。 此外，还对r o f 系统中s s b 调制情况进行了详细的理论推导，得出s s b 调制方式对r o f 系统中色散所致衰减效应有明显的抑制作用，并经过详细的 仿真验证了其正确性。最后确立了r o f 系统d s b 调制色散所致衰减的解决办 法一r o f 系统s s b 调制方式。 3 第四章首先对利用双电极m z m 结合耦合器实现r o f 系统中s s b 调制、基于 布里渊散射的r o f 系统s s b 调制、利用窄带f b g 实现r o f 系统中s s b 调制 等几种较流行的实现r o f 系统中副载波s s b 调制方法进行了详细的分析，指 出了各种实现方法的优缺点。光纤光栅由于其插入损耗低常被用于r o f 系统 中的单边带调制。而且，光纤光栅制备简单，灵活，可以提供各种不同的反射 光谱和带宽，因此只要合理设计光纤光栅的反射谱，就可以实现单边带调制， 并且还可以抑制光载波，提高调制深度。所以，对利用窄带f b g 实现r o f 系 统中s s b 调制进行了详细的理论推导和模型建立，并对抑制r o f 系统中色散 所致衰减的情况进行了仿真分析。最后进行初步的实验探索。主要对窄带f b g 实现对r o f 系统中微波强度调制器调制出的双边带信号滤波过程进行了详尽 的实验分析。检测双边带信号通过窄带f b g 滤波后，成为单边带信号的光谱 图，结果基本符合分析预期。证明了利用窄带f b g 可以很好地实现r o f 系统 中s s b 调制，并较好的抑制r o f 系统中色散所致衰减情况，进而可以明显提 高r o f 系统的传输性能。 1 0 2 光纤布拉格光栅( f b g ) l 里论基础及特性分析 光是电磁波，它具有电磁波的通性。光波在光纤中传输的一些基本性质都可 以通过求解具有一定边界条件的麦克斯韦方程组来分析。波动方程的求解可通过 弱导近似来简化。所谓的弱导近似就是认为光纤纤芯和包层折射率的差别不大， 从而将纤芯导模近似认为是线偏振模，因而矢量波动方程可简化为标量波动方程。 绝大部分用于光通信的光纤都满足弱导近似条件，因此，弱导近似是合理的。波 动方程的解给出了光纤中导模和辐射模的基本的场分布。在理想的光纤中，这些 模式之间彼此独立传输，没有能量耦合；当光纤中存在微扰时，如折射率的不均 匀或者纤芯、包层直径的变化，某些模式之间将发生耦合，研究这一问题常用耦 合模理论。耦合模理论假定微扰存在时，光纤中的模式不发生变化，也就是说仍 然是未受扰动时的模式，并认为可以将微扰存在时的光场仍然展开为无微扰情况下 光纤中各模式的叠加，这一假定通常称为微扰近似。另外，当用耦合模理论分析 光纤光栅时，通常还需要做同步近似来简化耦合方程组，即认为只有相互同步的 两个模式间才会发生有实际效果的耦合作用，从而忽略其它所有异步模式的影响。 对于正弦调制的均匀光纤光栅，即其折射率的变化量满足某个正弦函数，周期和 调制幅度均为常数，其耦合模方程组具有解析解。对于复杂的光纤光栅可用分段 均匀和传输矩阵法来分析，也可用数值求解耦合模方程的方法来分析【l8 1 。 2 1 波动方程 为研究光纤光栅的特性，我们首先研究光波在光纤中的传输特性。 从麦克斯韦方程组出发，逐步推导出波动方程。 v e = 一0 b a v x h = 8 d | a t + l v d = p v b = 0 本节我们 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 麦克斯韦方程中的电感应强度d 与电场强度e ，磁感应强度b 与磁场强度h 的关系是由波导的材料性质所决定的。对于线性、各向同性的时不变的光波导， 通常有： d = 岛e + p = e + 民z 1 e = 氏( 1 + z 1 ) e = 6 e ( 2 - 5 ) b = 风h + m ( 2 - 6 ) 式中为真空中的介电常数；硒为真空中的导磁率；p 和m 为电极化强度和 磁化强度。 在光频下，介质都是无磁性介质，即m = 0 ，于是 b = 他h ( 2 - 7 ) 对于单色光波，光场可表示为 e ( r ，f ) = e ( r ) e x p ( - i r o t ) ( 2 8 ) h ( r ，f ) = h ( r ) e x p ( - i a y t )( 2 9 ) d ( r ，f ) = d ( r ) e x p ( - i t o t ) ( 2 一lo ) a ( r ，f ) = b ( r ) e x p ( - i a t t )( 2 - 1 1 ) 将( 2 8 ) 一( 2 1 1 ) 代a ( 2 1 广( 2 4 ) ，并考虑到光纤中，j = 0 且p = 0 ，可得一组方 程 v e = i t o p o h ( 2 - 1 2 ) v h = - i a ) c e ( 2 - 1 3 ) v d = 0 ( 2 - 1 4 ) v h = 0 ( 2