（通信与信息系统专业论文）rof系统中预失真电路的研究.pdf

中文摘要 随着微波射频技术发展得日益成熟，长距离传输高频微波信号所带来的损耗 和干扰等问题开始逐渐凸显出来，如果能把信号调制在光载波上采用光纤作为传 输媒质，则可以解决以上问题，这就是微波光子技术。基于微波光子技术的微波 光纤传输系统采用了r o f ( r a d i oo v e rf i b e r ) 技术，其主要思想就是把微波射频信 号调制到光载波上，通过光纤加载该信号进行传输分配。 在r o f 系统的发射部分中，最关键的器件之一为电光调制器，一般微波信 号使用的是外调制器，常用的外调制器一基于m a t h z e h n d e r 结构的铌酸锂 ( l i n b q ) 电光调制器的调制曲线是正弦函数曲线，因此如果输入信号超过调制的 线性范围将会引起失真，限制了输入信号的动态范围。如果能对这种非线性性采 取补偿措施，无论是对调制器还是整个r o f 系统的性能都是很大的改善。本文 主要研究的目的就是对调制器的非线性补偿。在各种补偿方法中，本文选取了结 构简单、易控制、低成本的预失真补偿，它的主要思想就是利用串联反接二极管 对产生一个类似反正弦的信号，与调制特性曲线达到互补的效果，改善调制的线 性度，扩大输入信号的动态范围。 本文从对调制器的非线性特性的研究开始，从理论上推导验证了所设计的电 路对调制器线性度的补偿能力，接着结合a d s 2 0 0 8 对电路工作频带内的稳定性、 增益平坦度、驻波比和阻抗匹配等问题进行了设计和仿真分析，最后完成了电路 的阻抗匹配和元器件之间连接的初步的微带线设计。 关键词：r o f 铌酸锂电光调制器预失真补偿a d s 微带线 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o w a v er a d i of r e q u e n c yt e c h n o l o g yb e i n gm a t u r e d a yb yd a y , t h ep r o b l e m so fl o s sa n di n t e r f e r e n c ec a u s e db yt r a n s m i t t i n gh i g h f r e q u e n c ys i g n a l sf o ral o n gd i s t a n c eb e c o m eo b v i o u s i ft h es i g n a l sc a nb em o d u l a t e d t ot h eo p t i c a lc a r r i e r , a n dt a k i n gf i b e r sa st h em e d i u m , a l lt h ep r o b l e m sc a l lb es o l v e d ， t h i si sm i c r o w a v ep h o t o n i c st e c h n o l o g y m i c r o w a v ef i b e r - o p t i ct r a n s m i s s i o ns y s t e m b a s e do nm i c r o w a v ep h o t o n i c st e c h n o l o g ya d o p t sr a d i oo v e rf i b e rt e c h n o l o g y , i t s m a i ni d e ai st om a k em i c r o w a v es i g n a lb e i n gm o d u l a t e dt ot h eo p t i c a lc a r r i e r , t h e n t r a n s m i t t i n ga n dd i s t r i b u t i n gt h es i g n a la f t e rl o a d i n gi tt of i b e r i nt h el a u n c hp a r to fr o fs y s t e m ，o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t si s e l e c t r o 。o p t i cm o d u l a t o r g e n e r a l l ys p e a k i n g ，m i c r o w a v es i g n a l su s ee x t e r n a l m o d u l a t o r t h em o s tc o m m o n l yu s e de x t e r n a lm o d u l a t o r - 一硒d 3 e l e c t r o o p t i c m o d u l a t o rb a s e do nm a c h - z e h n d e rs t r u c t u r e ，i t sm o d u l a t i o nc u r v ei ss i n e c u r v e w h e nt h ei n p u ts i g n a le x c e e d st h el i n e a rr a n g e ，i tw i l lb r i n gd i s t o r t i o n a sar e s u l t ，i t w i l ll i m i tt h ed y n a m i cr a n g eo ft h ei n p u ts i g n a l i ft h e r ea r es o m em e a s u r e sa i m e da t t h en o n l i n e a r i t y , t h ep e r f o r m a n c eo fe i t h e rt h em o d u l a t o ro rt h ew h o l er o f s y s t e m w i l lb ei m p r o v eg r e a t l y t h em o t i v eo ft h i sp a p e ri st or e s e a r c ht h en o n l i n e a r i t y c o m p e n s a t i o no ft h ee x t e r n a lm o d u l a t o r a m o n gt h ev a r i o u sw a y so fc o m p e n s a t i o n ， t h ed e s i g nc h o o s e st h ep r e d i s t o r t i o nf o ri t ss i m p l es t r u c t u r e ，e a s yt oc o n t r o la n dl o w c o s t t h i sm e t h o di st ou s er e v e r s ed i o d ei np a i r st og e n e r a t eo n es i g n a ls i m i l a rt o a r c s i n ec u r v ea n da c h i e v et h ee f f e c to f c o m p l e m e n t a r yt ot h em o d u l a t o r s c h a r a c t e r i s t i cc u r v e , i m p r o v et h el i b e r a t i o no f m o d u l a t o r , e n l a r g et h ed y n a m i c r a n g e t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e rs t a r t sf r o mt h en o n l i n e a r i t yo ft h e m o d u l a t o r , d e v i a t i n g t h ec a p a b i l i t yi nn o n l i n e a r i t yc o m p e n s a t i o no ft h ec i r c u i td e s i g n e di nt h e o r y t h e n c o m b i n i n gt h ec i r c u i tw i t ha d s 2 0 0 8t od e s i g na n de m u l a t o ri t ss t a b i l i t y , t h e s m o o t h n e s so ft h eg a i n ，v s w ra n di m p e n d e n c em a t c h i n g d u r i n gt h ew o r k i n g f r e q u e n c yb a n d f i n a l l y , f i n i s h i n gap r e l i m i n a r yd e s i g no fm i c r os t r i po ft h e i m p e d a n c em a t c h i n ga n dt h ec o n n e c t i o n sb e t w e e nt h ec o m p o n e n t sf o rt h ec i r c u i t k e yw o r d s ：r o f , l i n b 0 3e l e c t r o o p t i cm o d u l a t o r , p r e d i s t o r t i o n , a d s ，m i c r os t r i p 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，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他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沦文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：阉矾、 签字日期： 2 叩7 年6 月年日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞苤堂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) 学位沦文作者签名：同砍 签字日期：妒7 年6 月4 日 ：雪豸必 签字日期：加筇年月乒日 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 无线化和宽带化是当今通信业乃至整个信息业的热点，而这两者的结合无疑 是未来通信的发展方向。近年来，无线通信事业在全世界范围内蓬勃发展，同时 也对现代通信提出了更高的要求，用户的需求已不仅仅局限于语音，还要求数据、 图像等服务。随着市场的拓展，要求通信系统容量不断扩大，信息的可靠性、安 全性不断提高，致使通信频段越来越拥挤。为了改变这种局面，人们应用了各种 技术提高现有频段的频谱效率，比如采用减小信道宽度、时变信道预分配、动态 及混合信道分配、延迟连接服务等方法来增加信道数，采用可变比特率控制、不 占用空中通道的呼叫启动、减少未完成的呼叫等方法来减少无效的频谱占用，采 用信息压缩的方法在不损失信息量的前提下降低话务量，采用低比特率的语音编 码、降低符号速率等方法实现低数据速率传输，采用高效的数字调制技术如 6 4 q a m 、丌4 q p s k ，以达到更高的用户密度和更广泛的信道空间分配，这些措 施都能够有效地提高频谱的使用效率。 当然，仅仅靠提高频谱的使用效率不是根本的解决办法，我们从表1 1f l 】可 以看出，我国目前的大多数业务都集中在3 g h z 以下，而在3 0 g h z 以上的频率 都没有被利用。 表1 1 无线频率资源的分配情况 业务名称占用频带业务名称占用频带业务名称占用频带 无线接入网，固定无线本地多点业 扩频通信系统 2 4 g h z 接入系统 3 5 g h z 务分配系统 2 6 g h z 移动通信无线5 1 5 5 3 5 g h z无线通信，5 7 2 5 中国联通o 9 g h z 电业务5 4 7 5 7 2 5 g h z专网通信5 8 5 g h zg s m 微波无线接入2 4 g h z ，3 5 g h ，卫星移动 1 9 8 2 0 1 g h z 多路微波有 2 5 3 5 系统5 8 g h z通信系统2 1 7 2 2g h z 线电视传输 2 5 9 9 g h z 如果我们能开拓新的频段，即3 0 g h z 以上的频率，特别是对于2 0 g h z 和6 0 g h z 频段的两个大气传输高损耗窗口，不但能充分利用现有的频谱资源，而且 可以实现超宽带的无线接入，而这些高频段的信号就是我们所说的毫米波。 第一章绪论 毫米波的传输频带很宽，其频段是无线电短波、超短波和微波频段综合的十 几倍，由于载频很高，瞬时射频频带可以做的很宽，因此通信容量很大。毫米波 射频信号具有接近光波的直线传输特性，消除了多径传输带来的干扰问题，同时 由于大气中的氧气对这个频段有很强的吸收作用，使得这个频段具有很大的自由 空间损耗，适合应用于微蜂窝系统以保证小范围的大容量传输，降低邻近蜂窝单 元的干扰，具有很高的频率重复使用性。 但是毫米波在这些高频段大气中由吸收和反射引起的损耗逐渐增加，传输线 中的阻抗也随之增加，从而损耗增大，因此传输距离非常有限，如果仍然采用传 统电域的处理方法，对硬件和系统设计都提出了很高的要求。 为了解决这个问题，人们提出了r o f 技术，该技术充分结合光纤和高频无 线电波传输的特点，能实现大容量、低成本的射频信号有线传输和超宽带无线接 入。 光纤通信系统分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。基本的模拟光纤 通信系统由光发射机、光纤链路、光接收机和其他配置的光器件组成，系统中射 频信号对光载波信号的调制技术主要分直接调制和间接调制( 也称外调制) 两种， 直接强度调制技术就是将电信号直接加到光源上，使光源输出的光功率随信号变 化，其实现框图如图l q ( a ) 所示，其硬件相对简单，成本较低，容易实现，但调 制速率受激光器的频率特性所限制，人们对其研究较早，技术已基本成熟并进入 商用。问接调制方式就是不直接去调制光信号的强度，而是利用某些晶体的电光 效应、磁光效应、声光效应等特性做成调制器，放置在激光器之外的光的传输通 道上，间接去调光的强度，其实现框图如图卜l ( b ) 所示，它用于光纤传输的研究 较迟，但具有很多独特的优点，如输出功率高、无频率啁啾、对链路反射不敏感， 另外。外调制方式通过合理偏置，可消除偶次失真，得到很高的c s o 指标。因 而人们开始把研究重点转向外调制方式，在未来的各种光纤传输系统中外调制发 射机将成为主流。 电信号输入 ( a ) 图1 1 直接调制和外调制系统框图 2 第一章绪论 一般来说，外调制系统无论是从3 d b 带宽、噪声系数、链路增益还是动态范 围来说，都要优于直接调制系统，对于r o f 系统这种大功率的高频的系统而言， 最好选用外调制系统。外调制光线传输系统对光源的要求只要波长稳定性好，不 存在频率啁啾问题，而且也不存在调制电流对波长的影响，因此要比直接调制光 传输系统的光源要求低得多。外调制光传输系统的关键元件是光外调制器，可以 说外调制器的性能基本上决定了整个系统的性能，而其中对外调制器的非线性补 偿对改善它的性能具有很重要的意义，在后文中会对外调制器和非线性补偿有详 细的介绍。 1 2 国内外相关研究课题及现状 线性化技术由于其在光c a t v 传输系统、光控相控阵雷达发射系统、蜂窝基 站、直放站等中的广泛应用【2 h 5 1 ，已经越来越受到国内外无线通信系统设计者的 普遍关注。可以说，只要系统的输入信号中存在多个频率分量，即存在高次谐波， 就必须考虑线性化问题，否则将会出现互调失真，导致频谱再生。 目前国内外各种文献中比较多研究的是用于射频功率放大器的线性化技术， 也是近年来研究的一个热点，这对本文研究对外调制器的非线性补偿也有很大的 参考价值。按照原理分类主要有3 种：负反馈法、前馈法和预失真【6 1 。 负反馈法是将放大器的输出信号耦合- d , 部分到输入端，经反相后，与原输 入信号叠加作为放大器的输入信号，笛卡尔环、极性环、射频负反馈以及基带自 适应等方法从原理上都可以归并为负反馈法。这种方法的优点是电路对温度和使 用时间不敏感，自适应性较强，可适用于不同的功放和使用环境，尤其是基带信 号的自适应预失真方法可以精确地控制功放的线性。然而基带数字预失真的方法 受成本和性能的制约，对于d s p 的运算速度要求很高，另外这种方法的稳定性 较差，控制不好容易出现自激，同时射频负反馈法的效率比较低，很大程度上是 牺牲了增益来换取好的线性，因此这种方法对于射频发射端来说并不合适。 前馈法不同于反馈法，它是将产生的误差信号送到放大器的输出端，去抵消 失真信号。前馈法的主要优点是误差信号的获得没有损耗电路的增益，这与靠牺 牲增益来获取线性的负反馈法恰恰相反，另外前馈法的基本实现电路的稳定性 强，效率高。同样，前馈法的制约因素也很多，如温度时间的漂移等，自适应性 很差，从1 3 原理图中也可以很容易看出，这种电路的实现较困难，合路器、移 相器、误差放大器都必须控制的很好，而且电路的所占空间以及成本都很高。 3 第一章绪论 v o l t a g ed i v i d e r 图1 - 2 负反馈法原理框图 m a i n c o u p l i n g o u t p u t 图1 3 前馈法原理框图 预失真方法采用的是开环控制方法，利用预失真电路的非线性，产生一个与 所用非线性器件特性相反的信号，经与原始信号叠加后，产生出较好的线性信号。 射频预失真电路的优势很明显，它可以不要反馈支路，其优点不仅在于它的电路 结构简单，而且功耗相对于负反馈和前馈技术而言低很多，带宽和动态范围都容 易控制，成本也比较低，易于集成，效率虽然不及前馈法，但是比反馈法有很大 提高。它的技术难点主要是预失真电路特性的控制上，由于不是自适应系统，不 同的非线性器件( 比如不同调制特性的调制器) 需要配合不同的预失真电路，而 且二者不仅在增益特性上需相反，在温度特性、频率范围以及功率等级上都必须 配合得很好，电路才能真正起作用。 4 第一章绪论 曰圉= 图1 4 预失真原理框图 综合以上三种方法的优劣，最终本文决定选用预失真补偿的方法，具体的研 究将会在后问进行详细的论述。 本文所研究的在r o f 系统中对外调制器的非线性补偿在国内外的文献中都 比较少见，它与放大器的线性化技术有共通之处，但是又因进行非线性补偿的器 件不同，因此所需要考虑的因素和研究的方向也有一定的差别，可以说具有较大 的研究意义。此外，通过自行添加非线性补偿改善外调制器特性曲线的线性度可 提高输入信号的动态范围，把调制器甚至是整个r o f 系统的性能大大地提高了， 而不用去购买更高性能的调制器，降低了研制开发以及应用的成本，可以说也具 有很大的实用价值。 1 3 本文研究内容安排 本文主要研究r o f 系统中的预失真补偿，共分五章进行论述。 第一章为绪论，主要介绍了课题的研究背景( 其中还包括了调制方式的对比 和选择) 和国内外相关课题的研究现状，最后肯定了本课题的研究意义和价值。 第二章介绍了r o f 技术提出的背景以及它的基本概念，详细介绍了r o f 的 系统构成和分类，系统中的发射部分用到的电光调制器就是本文所要研究的进行 非线性补偿的器件，之后结合r o f 技术的优点列举了它在一些不同领域上的应 用。 第三章主要围绕关键器件电光调制器展开，首先介绍最常用的两种电光调制 器并阐述它们各自的原理，接着就适合r o f 系统的m z 铌酸锂调制器的最佳偏 置点和非线性特性分别进行了理论和实验上的分析。 第四章提出了改善m z 铌酸锂调制器线性度不好的方法，即在调制器之前 加入预失真补偿，并从理论上验证了预失真电路是可以实现补偿调制器的非线性 的，接着利用射频仿真软件a d s 对设计的电路进行稳定性、平坦度、输入输出 5 第一章绪论 驻波比和阻抗匹配的仿真，最后还做了整个电路微带线的设计。 第五章是结论部分，首先对论文的主要工作做了一个总结，接着指出研究和 实验中必须注意的问题和解决方法，最后提出了本文中的不足之处。 6 第二章r o f 技术 2 1r o f 提出的背景 第二章r o f 技术 随着人们对声音、数据、图像和影片等多媒体通信的需求量不断增加，现有 的低频段频谱资源已经相当紧张，无线通信系统必须利用更高工作频率的载波进 行通信，这样微波通信就面临着一个很严重的问题，即微波在同轴电缆等传输介 质中进行高频信号的长距离传输时损耗很大，极大地影响了信号传输的质量，从 而导致使用高频扩展受限，如此一来并不能很好的解决问题，因此如何解决损耗 和带宽的问题对于移动通信的发展有着重大的意义。 众所周知，光纤通信技术是当代通信技术发展的最新成就，已成为现代通信 的基石，光纤通信具有以下一系列独特的优点 7 1 ： ( 1 ) 频带宽，信息容量大。光纤通信系统的带宽取决于光源的调制特性、调 制方式和光纤的色散特性。石英单模光纤在1 3 1 , u m 波长具有零色散特性，通过 光纤的设计，还可以把零色散波长移到1 5 5 l a m ，在这些零色散波长窗口，单模 光纤都具有几十g t - i z k m 甚至t h z k m 的带宽，如此巨大的带宽，即使开发 一小部分也将从根本上改变通信产业的面貌；另一方面，采用多种复用技术也使 得传输容量数十成百倍地增加。 ( 2 ) 传输损耗低，传输距离远且误码率小。石英光纤在1 3 3 , u m 和1 5 5 a m 波 长处的传输损耗分别为0 5 0 d b k m 和0 2 0 d b k m ，甚至更低，这是以往的任何传 输线所不能与之相比的。因此，用光纤比用同轴电缆或者波导管的中继距离长得 多，见表2 1 。在强度调制直接检测( i m d d ) 光纤通信系统中，无中继传输距离 都可达几十到上百千米，而相干通信的无中继传输距离可超过2 0 0 k m ，这与电缆 通信相比较要大1 2 个数量级。 ( 3 ) 光纤做信道具有体积小、重量轻的优点，便于通信线路的铺设。由于光 纤、光缆线径细，可绕性好，便于铺设，可直埋，可架空，也可插入已有的电缆 管道，方便扩容，对许多领域特别是军事、航空和宇宙飞船等方面具有十分重 要的意义。 ( 4 ) 光纤通信系统抗电磁干扰性能好。光纤是一种介质光波导，由电绝缘的 石英材料制成，具有把光封闭在其中进行传播的波导结构，不受电磁场干扰，可 在强电磁场环境下工作。同时，光纤还不打火花，且抗高温、抗腐蚀能力强，可 在易燃易爆和有害气体的环境下工作。 7 第二章r o f 技术 表2 1 光纤通信与电缆或微波通信传输能力的比较 通信手段传输容量( 话路) 条中继距离k i n1 0 0 0 k m 内中继器个数 微波无线电 9 6 05 02 0 小同轴 9 6 042 5 0 中同轴 1 8 0 061 6 6 光缆1 9 2 03 0 3 3 光缆 1 4 0 0 0 ( 1 g b s )8 41 1 光缆6 0 0 0 ( 4 4 5 m b s )1 3 4 7 ( 5 ) 泄露小，保密性能好。在光纤中传输的光泄露非常微弱，即使在弯曲地 段也无法窃听。没有专用的特殊工具，光纤不能分接，因此信息在光纤中传输非 常安全。保密性能好的这一特点，对军事、政治和经济都有重要的意义。 ( 6 ) 节约金属材料，有利于资源合理利用。制造同轴电缆和波导管的铜、铝、 铅等金属材料，在地球上的储存量是有限的：而制造光纤的主要原材料是q ， 它是地球上储藏最丰富的物质，取之不尽，用之不竭。因此，推广光纤通信有利 于地球资源的合理使用。 基于以上所述的优点，可以说光纤通信技术正是解决高频微波长距离传输中 损耗和带宽问题的有利手段，但是光纤通信往往移动性比较差。于是人们开始考 虑如何将光电二者融合起来，最终r o f 技术应运而生，它充分结合了光纤通信 和无线通信各自的特点，可以说达到了优势互补的效果。 2 1 1r o f 技术的特点 由r o f 技术提出的背景可以得出，该技术结合了光纤和微波两者的优点，因 而也具有两者相似的特点【2 0 1 。 ( 1 ) 传输距离长，损耗低 ( 2 ) 高带宽 ( 3 ) 抗干扰能力强 ( 4 ) 便于安装和维护：r o f 系统中昂贵复杂的设备如调制和交换设备都集中 在中心站点，而其他远端基站可以共享这些设备，且基站结构设备都十分简单， 这大大降低了r o f 系统的成本。由于高频段毫米波无线通信基站的覆盖面积较 小，因而需要更多的基站，简化基站使其便于安装和维护，这对于r o f 系统投 入使用具有十分重要的意义。 ( 5 ) 操作更具灵活性：r o f 分布式系统对信号的格式具有透明性，可以按照 第二章r o f 技术 需求传输各种调制格式的信号。另外，由于交换、调制等功能都集中在中心站点， 可以灵活安排各站点的容量，例如，可以在节假日这种消费高峰时段给商业区安 排更多的容量，在夜间给居民居住区安排更多的容量，这样使得信号可以实时分 配给那些需求较高的用户，从而解决拥塞问题，提高资源的利用率。 2 1 2r o f 技术的应用 8 0 年代，美国首次将r o f 技术应用于军事，自9 0 年代后经过快速的发展， r o f 得到了广泛的实际商用，其中主要应用于以下几个方面： ( 1 ) 光纤通信与现代移动通信接入网的结合【2 1 1 。宽带光接入网技术已成为电 信研究部门、各大电信公司和运营部门关注的焦点和投资热点，目前我国的移动 通信就是采用了这种技术。r o f 技术在移动通信中采用微单元的方式覆盖，在各 个微单元中射频波频率可重用，这主要是由于射频波在自由空间有较大的衰减。 频率重用大大提高了系统的容量，小的覆盖半径也允许在一定的性能下降低发射 功率，节省了功耗。因此，丰富的传输带宽、无缝的覆盖范围、大容量、低功耗 等优点均使得r o f 系统在3 g 、4 g 系统中都有较大的发展空间。 ( 2 ) 蜂窝系统的实现睥2 1 。r o f 系统能够实现微蜂窝( p i c o c e l l ) 的覆盖，缩小目 前蜂窝小区的范围，使相邻小区可以重复使用同一频率，使得频率的利用率大为 提高。因此基于r o f 系统的微蜂窝系统是满足人们对宽带业务需求的极具竞争 力的解决方案。 ( 3 ) 未来通信小区【2 3 1 。r o f 小区结构中，光层的高速传输及范围小、数量多 的的无线接入点( a p ) 子窝满足高载波频率带宽大、传输距离近的要求，而a p 子 窝具有低射频功率、视线内运行的特点，这能减少干扰，减小环境影响，增加对 人体健康的保护，且a p 和a p 子窝成本较低，使得宽带无线接入更经济可行。 同时，无论是单个r o f 小区的集中控制模式还是多个r o f 小区中心基站间的分 布式控制，都可以以有限的频率资源获得更多的容量，提高q o s ，也带来更高的 可靠性和更低的维护成本。另外，光层的应用可以降低对未来空中电磁环境的干 扰，低光纤损耗能减少传输过程中信号的损失，单光纤的多业务服务将使工程成 本降低。 ( 4 ) 卫星通信。卫星通信可以说是r o f 技术最早期的实际应用。人们把远端 的天线基站安排在卫星地面站附近合适的位置，利用r o f 技术实现卫星地面接 收站和中心控制室之间的射频信号传输。 ( 5 ) 视频传输系统。r o f 技术不但可以同时为移动用户提供实时连续的语音、 数据和视频等服务，而且能反馈观众信息。 ( 6 ) 无线宽带服务。无线宽带服务是对固定带宽集成服务数字网络的一种扩 9 第二章r o f 技术 展，使得无线服务的带宽得到极大的扩展这种服务需要聚用微蜂窝的技术。 ( 刀无线接入网。随着手提设备的不断普及无线接入网的需求也不断的增 加，高的载波频率和带宽使得在无线接入网中使用r o f 技术成为必要。 ( 8 ) 智能交通管理系统。在欧洲，6 3 6 4 g h z 和7 6 7 7 g h z 的频段已经分配 给r o f 应用，其原因是出于车辆通信和控制的需要，基站的数目很庞大，r o f 技术将是一种比较经济的解决办法。智能交通系统能共提供交通信息，如电子导 航、电子信息、路况信息以及娱乐( 多媒体) 服务，若能将此系统扩展到定位系 统，可能会比g p s 更快捷和准确。 2 2 r o f 传输系统 2 2 1r o f 的基本概念 光纤承载射频( r a d i oo v e r f i b e r ，r o f ) 是一种光和微波相结合的通信技术最 早由c o o p e r 于1 9 9 0 年提出”1 ，是指利用光纤代替大气作为一种传输媒质来传输 信号( 如基带、中频或射频信号) 的一种传输技术。 r o f 系统，也就是微波光纤传输系统，包括了光子微波信号的产生、传输、 处理和光电信号互相转换等部分，其典型架构大致包括中心站c s 、基站b s 、光 纤链路和用户端四个部分，图2 一l 为般的r o f 结构体系示意图 9 1 。实现的基本 过程是：将基带信号先用射频副载波调制，然后通过电光调制器e o 将电信号转 换为光信号并用光链路进行传输，最后在接收端利用光电检测器恢复射频信号。 简单的说，r o f 的作用就是通过分布式光纤网络，延长无线信号的传播距离，减 少衰减，提高用户速率。 圉2 一lr o f 结构体系示意图 第二章r o f 技术 2 2 。2r o f 系统构成 r o f 系统的构成体系也是建立在基本光纤传输系统的基础上，因此也类似普 通的光纤传输系统，主要包括光发射机、光纤线路和光接收机三个组成部分1 7 】。 1 光发射机 光发射机的功能是把输入信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限 度地注入光纤线路。光发射机由光源、驱动器和调制器组成，光源是光发射机的 核心。光发射机的性能基本上取决于光源的特性，对光源的要求是输出光功率足 够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可t i + ，输出功率和波长稳定， 器件寿命长。目前广泛使用的光源有半导体发光二极管( l e d ) 和半导体激光二极 管( 或激光器) ( l d ) ，以及谱线宽度很小的动态范围单纵模分布反馈( d f b ) 激光 器。 光发射机把电信号转换为光信号的过程( 常简称为电光或e o 转换) ，是通 过电信号对光的调制而实现的，关键器件就是电光调制器。在第一章绪论中介绍 过一般调制的两种方案一直接调制和外调制，对光参数的调制，原理上可以使光 强( 功率) 、幅度、频率或相位调制，目前大多数光纤通信系统都采用直接光强 调制。对于r o f 系统而言，由于传输信号频率高，信息容量大，因此采用外调 制方式。 2 光纤线路 光纤线路的功能是把来自光发射机的光信号，以尽可i l d , 的畸变( 失真) 和 衰减传输到光接收机。光纤链路由光纤、光纤接头盒光纤连接器组成。光纤线路 的性能主要由缆内光纤的传输特性决定。对光纤的基本要求是损耗和色散这两个 传输特性参数都尽可能地小，而且有足够好的机械特性和环境特性。 目前使用的石英光纤有多模光纤和单模光纤，单模光纤的传输特性比多模光 纤好，价格也比多模光纤便宜，因而得到更广泛的应用。单模光纤配合半导体激 光器，适合大容量长距离光纤传输系统，而小容量短距离系统用多模光纤配合半 导体发光二极管更加合适。 3 光接收机 光接收机的功能是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为 电信号，并经过放大和处理后恢复成发射前的电信号。光接收机由光检测器、放 大器和相关电路组成，光检测器是光接收机的核心。对光检测器的要求是响应度 高、噪声低和响应速度快。目前广泛使用的光检测器有两种类型：在半导体p n 结中加入本征层的p i n 光电二极管( p i n p d ) 矛i 雪崩光电二极管( a p d ) 。 第二章r o f 技术 光接收机把光信号转换为电信号的过程( 常简称为光电或o e ) ，是通过光 检测器的检测实现的。检测方式有直接检测和外差检测两种。直接检测是用检测 器直接把光信号转换为电信号，这种检测方式设备简单、经济适用，是当前光纤 通信系统普遍采用的方式。外差检测要设置一个本地振荡器和一个光混频器，是 本地振荡光和光纤输出的信号光在混频器中产生差拍而输出中频光信号，再由光 检测器把中频光信号转换为电信号。外差检测的方式的难点是需要频率非常稳 定，相位好偏振方向可控制，谱线宽度很窄的单模激光源：优点是具有很高的接 收灵敏度。 光接收机最重要的特性参数是灵敏度。灵敏度是衡量光接收机质量的综合指 标，它反映接收机调整到最佳状态时，接受微弱光信号的能力。灵敏度主要取决 于组成光接收机的光电二极管和放大器的噪声，并受传输速率、光发射机的参数 和光纤线路的色散的影响，还与系统要求的误码率或信噪比有密切关系。所以灵 敏度也是反映光纤通信系统质量的重要指标。 2 2 3r o f 系统的主要性能指标 随着r o f 技术的进步，系统传输容量( 速率) 的提高，各种光器件性能的提 升，使得光传输系统中各种非线性效应逐渐体现出来，克服和利用这些效应的手 段也变得灵活而复杂，给系统的集成带来了越来越多的复杂性。 描述系统性能的主要参数有：链路增益g a i n ( d b ) 、系统噪声系数n f ( d b ) 、 系统的频率响应、三阶互调失真i m d 3 ( d b ) 、三阶截点i p 3 ( d b m ) 、无杂散动态范 围s f d r ( d b 勉2 仃) 等。 1 链路增益g a i n 包括光增益和r f 增益。光增益顾名思义探测器探测的光功率与系统输入光 功率之比，r f 增益定义为系统输出的信号功率与输入的信号功率之比d o 。 2 噪声系数n f ( n o i s ef i g u r e ) 定义为输入信噪比( c n r ) ，与输出信噪比( c n r ) 。的比值【1 1 1 。其中信噪c l ( c n r ) 是在规定的带宽内一个频道中的信号功率c 与噪声功率n 之比，一般以d b 为单 位。定义式为： c n r = l o l o g ( 2 1 ) 由此可以得到噪声系数n f 的表达式： n f ( d b ) 划- g 器删g 糌 仁2 ， 3 三阶互调失真( t h i r d o r d e ri n t e r - m o d u l a t i o nd i s t o r t i o n ) 1 2 第二章r o f 技术 有源器件的输入端除了有用信号外同时还伴有一个或多个干扰信号，而当使 用的器件具有非线性时则会引起多个信号间的相互作用而造成干扰，一般放大 器、混频器和滤波器都会产生三次互调产物。 m m 3 即三阶互调，定义为信号的输出功率电平减去三阶互调量功率电平的 值，如图2 2 所示。 最。圪： jlj l 匕。乞，： j lj t 蹦d 3 上 t丁 图2 - 2 i m d 3 示意图 频率 由非线性器件的三次方项引起的互调称为三阶互调，由五次方引起的称为五 阶互调。在这里我们用三阶截点i p 3 ( t h i r d o r d e ri n t e r c e p tp o i n t ) 来说明三阶互调 失真的程度。三阶截点i p 3 的定义为工作频率信号在理想线性系统中的输出信号 与三阶互调分量幅值相等时的交点，是一个固定点，如图2 3 所示n 2 】。 图2 3 三阶截点 曲线 为了减小三阶互调失真，需要减小调制系数，然而调制系数的减小又会降低 载噪比，因此需要再根据无杂散动态范围s f d r ( s p u r i o u s - f r e ed y n a m i cr a n g e ) 的值 第二章r o f 技术 权衡二者的大小。无杂散动态范围定义为在输出端引起三阶互调失真分量折合到 输入端恰好等于基底噪声时对应的输入r f 功率与灵敏度的比值，般用于窄带 系统的指标说明，其计算公式为【1 3 】： 觥= 吾( 1 1 p 3 一舰+ 1 7 3 8 ) a b n z 2 仃( 2 - 3 ) 影响系统性能的另一个重要因素是噪声，r o f 系统的噪声包括了激光器的光 相对强度噪声、光电转换散弹噪声、光子噪声、光探测器后接放大器的自发辐射 噪声以及热噪声，在这里做一个简要的分析： ( 1 ) 光源相对强度噪声指光源输出能量的振荡，是宽带光源各种f o u r i e r 分量 之间的拍频引起的附加噪声，它用来描述光源的最大可用振幅范围，定义为均方 光强度噪声( 均方光强度在1 h z 带宽内的波动，单位为拈勉) 与平均光功率 的平方之间的比值。光源相对强度噪声在注入电流为阈值时最大，并随着温度的 升高而增大。与谱宽成反比的光源附加噪声是光源相对强度噪声的主要噪声源。 相对强度噪声是影响载噪比的一个关键1 1 4 1 。 ( 2 ) 光电转换散弹噪声( 也叫散粒噪声) 的定义为由于光生电流是一种随机 产生的电流，是一个统计平均值，存在一个随机的起伏，这种无规则的起伏称为 散弹噪声。散弹噪声是具有均匀频谱的自噪声，其电流谱密度与平均电流成正比。 光电探测器的散弹噪声有量子噪声、暗电流噪声等，其中量子噪声由光生电子与 空穴的随机产生与复合造成的。当暗电流的存在不可忽略时，均方散弹噪声电流 表示为1 1 5 ： = 2 q ( i p + l ) a f ( 2 - 4 ) 其中，。表示平均信号光电流，为检测带宽，留为电子电荷。 ( 3 ) 光子噪声是光电探测器的噪声之一。探测器工作时，即使输入光功率是 恒定的，由于光功率是光子数的统计平均值，每一瞬时到达探测器的光子数是随 机的，因此光生载流子的数目也是随机起伏的，这种随机起伏产生了噪声，称为 光子噪声【1 6 1 。注入探测器的光功率越大，光子噪声就越大。光子噪声电流与光 电探测器的光电流以及测量带宽两个参数的平方根成正比，如果探测器存在内增 益，光子噪声电流则与该增益成正比。 ( 4 ) 热噪声【1 7 1 存在于任何导体和半导体中，它来自电阻内部的自由电子或电 荷载流子的不规则热运动。当没有外加场时，导体中的电子做无规则热运动、无 定向的迁移，因而没有电流，但由于向两个相反方向运动的电子数并不完全相等， 导致在导体和半导体中产生涨落电势( 噪声电压) ，并引起涨落电流。噪声电压 均方值研取决于材料的温度，并有如下关系： u ；= 4 k tl ：1r ( f ) d f( 2 5 ) 1 4 第二章r o f 技术 式中，k 为玻尔兹曼常数，丁为材料的绝对温度，r ( f ) 为电阻随频率的变 化关系。这个频率变化范围对实际的检测电路是足够宽的，因此热噪声的频谱可 以看作是均匀分布的，为白噪声。在纯电阻的简单情况下，r 与频率无关，热噪 声的输出取决于材料的绝对温度和探测器检测电路的实际通频带鲈= 六- f , ，此 时暖可以写为： u ；= 4 k t r a f ( 2 6 ) 相应的噪声电流均方值为： 辱= 珥r 2 = 4 k t a f r ( 2 7 ) 由上面公式可以看出，影响探测噪声的因素为温度和检测电路的带宽，所以 可以通过降低探测器的工作温度和检测电路的带宽来增加探测器的探测性能和 系统的信噪比。 ( 5 ) 暗电流噪声是指当探测器接入电路后，在没有任何外来光照射( 即全暗 条件) 的情况下，由于热电子发射、场致发射或半导体中品格热振动所激发出来 的载流子，也会有电流流过检测器偏置电路，这种电流称为暗电流。暗电流是随 机起伏的，时体暗电流和表面暗电流之和，由此在电路中引起的噪声叫做暗电流 噪声【1 8 l 。 针对不同的r o f 系统，每种噪声产生的影响是不同的。对于直接调制而言， 激光器相对强度噪声是噪声主要来源，其相对强度噪声强度与光功率的平方成正 比。相对强度噪声包括激光器本身的r i n ( 相对强度噪声) 、由光连接器反射引 起的r i n 和光纤色散引起的n 三部分。激光器的r i n 与频率有关，在弛豫振荡 频率处达到最大值，远离该频率，则其r 1 n 变小。在r o f 系统中，连接器反射引 起的r i n 的产生机理是由于多次反射引导致了激光的延时干涉，当延时长度超过 激光器相干长度时，会产生拍，形成了r i n 噪声。为降低连接器的r i n ，可以选 用a p c 光连接器。至于光纤色散引起的r i n 是由于光源发出的光频率不是单一 的，经过色散后各个频率的相位变化不同，最终接收到光信号的强度会较发射端 有所减小，这就相当于产生了一个强度噪声。 对于外接调制器而言，噪声则主要来自于探测器的散弹噪声。当系统中有光 放大器时还要考虑光放大器的自发辐射噪声。 2 2 4r o f 系统分类 上文提到r o f 所传输的信号包括基带、中频和射频信号，所以r o f 系统根 据传输信号的不同可以分为三种，分别是射频光纤传输( r f o v e r - f i b e r ) 、中频光 纤传输( i f o v e r - f i b e r ) 和基带光纤传输( b a s e - b a n d o v e r - f i b e r ) h 9 1 。 第二苹r o f 技术 ( 1 ) 射频光纤传输 在射频光纤传输中，基站发射和接收射频信号无需任何的频率转换，所有的 频率变换和调制都集中在中心节点。图2 4 为下行信号在中心站和远端基站传输 的结构框图，传输过程为：首先将基带信号调制到中频，然后再调制到射频上， 随后将调制后的信号转化为光信号经由光纤传送，射频信号转化为光信号传输 时，不用担心自由空间中射频信号之间的相互干扰囡为这时光纤可以认为是无 损的射频信号传输媒质，射频光纤传输还易于进行多路的台成和分解，这是由于 在不同的体系间，即使使用相同的频率，相互之间也不会产生干