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基于微波光子技术应用的光载无线系统研究 摘要 光载无线( r o f ) 系统充分结合了光纤通信与无线通信二者的优 点，能够提供高速率的无线接入。本文从微波光子学的角度出发，对 r o f 系统的多个单元技术进行了理论探讨和实验研究。论文主要工 作如下： 1 基于马赫泽德调制器( m z m ) 的光生毫米波技术及其无线多业 务混合r o f 系统应用。 对m z m 调制器进行模拟调制时的非线性特性进行了理论分析， 提出并实现了一种基于单个m z m 调制器和梳状滤波器同时产生二倍 频微波和六倍频毫米波的方法。实验中，5 8 g h z 的微波信号经过带 宽为1 0 g h z 的电光调制器和2 5 5 0 g h z 的光梳状滤波器，全光产生了 l1 2 g h z 的微波信号和3 4 8 g h z 的毫米波信号，并在3 4 8 g h z 毫米波 上成功演示了1 2 5 g b i t s 高速数据的光纤和无线传输。基于上述方法， 并与偏振复用技术相结合，提出了一种可以同时提供有线和无线多业 务混合接入的r o f 系统方案。 2 基于电光相位调制器( p m ) 的毫米波相位调制技术及其全双工 r o f 系统应用。 提出并实现了一种基于电光相位调制器对光生毫米波进行相移 键控( p s k d p s k ) 调制的方法。实验中，光生毫米波的上、下边带分 别反向通过电光相位调制器，由于电光相位调制器的单向工作特性， 上、下边带之间会产生受数字信号控制的相位差，光电检测拍频以后 就得到了p s k 调制的毫米波。结合上述调制方案，采用一个半反射 光纤光栅和一个低插入损耗的强度调制器实现了一种无源基站的全 双工r o f 系统，并进行了上行和下行的传输实验。实验中，实现了 对3 2 g h z 的毫米波的相位调制，承载1 2 5 g b i t s 的下行数据，经过 2 0 k m 的光线传输，功率代价为0 8 d b 。上行链路1 2 5 g b i t s 数据采用 幅度调制，经过2 0 k m 光纤传输，功率代价为0 2 d b 3 基于非线性光纤环镜( n o l m ) 的超宽带( u w b ) 脉冲产生技 术。 理论分析了基于n o l m 的光开关原理，提出并实现了基于 u n o l m 全光产生u w b 脉冲的方法。利用n o l m 环的光开关效应， 产生时域重叠的正负高斯脉冲，然后通过光纤的色散作用将承载在不 同光波长上的正负脉冲进行适当的延时，最后通过光电探测效应得到 了不同形状、不同极性，频谱结构符合美国联邦通信委员会( f c c ) 要求的u w b 脉冲。上述方法可以实现u w b 脉冲的脉冲极性调制和 脉冲形状调制。另外，在产生脉冲过程中用作色散介质的单模光纤同 时可以用于中心局到远端结点之间u w b 光脉冲的传输，在中心局采 用一个波长可调谐的激光器则可以适用于不同传输距离的远端结点。 实验得到的一阶u w b 脉冲其中心频率为5 2 g h z ，1 0 d b 带宽为 8 7 g h z ( 0 8 g h z 至9 5 g h z ) ，其带宽百分比为1 6 7 。实验得到的二阶 u w b 脉冲，其中心频率为6 2 g h z ，1 0 d b 带宽为8 1 g h z ( 2 4 g h z 到1 0 5 g h z ，带宽百分比为1 3 0 。 关键词光载无线系统微波光子学光生毫米波全光矢量调制超宽 带 北京邮电大学硕士论文 r e s e a r c h e so fr a d i o o v e r f i b e rs y s t e m b a s e do nm i c r o 、删ep h o t o n i c s t e c h n o l o g i e sa p p l i c a t i o n a bs t r a c t r a d i o o v e r - f i b e r ( r o f ) s y s t e mc a np r o v i d eh i g hs p e e dw i r e l e s s a c c e s sb e c a u s ei tc o m b i n e s a d v a n t a g e s o fb o t h o p t i c a l f i b e r c o m m u n i c a t i o n sa n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s c o n s e q u e n t l yi tr e c e i v e s m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so nt h ek e yt e c h n o l o g i e s o fr a d i o o v e r - f i b e r s y s t e mb yu s i n gm i c r o w a v ep h o t o n i ct e c h n o l o g i e sh a v eb e e nm a d e t h e w o r k si nt h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e ： 1 o p t i c a l g e n e r a t i o n o fm i l l i m e t e rw a v ea n dr a d i o o v e r - f i b e r s y s t e mf o rh y b r i ds e r v i c e sa c c e s sb a s e do nt h em a c h z h e n d e rm o d u l a t o r ( m z m ) t h en o n l i n e a r i t yo fm z m w a st h e o r e t i c a l l ya n a l y z e da n da m e t h o do fs i m u l t a n e o u s l yg e n e r a t i o nb o t hd o u b l e f r e q u e n c ym i c r o w a v e a n ds e x t u p l e f r e q u e n c ym i l l i m e t e rw a v eb a s eo nam z ma n dac o m b f i l t e rw a sp r o p o s e da n dr e a l i z e d i nt h ee x p e r i m e n t ，t h em i c r o w a v es i g n a l w i t haf r e q u e n c yo f11 2 g h za n dt h em i l l i m e t e rw a v ew i t haf r e q u e n c yo f 3 4 8 g h zw e r eg e n e r a t e d o n l ya5 8 g h zm i c r o w a v es o u r c ea n dam z m w i t hab a n d w i d t ho f10 g h zw e r eu s e d t h eo p t i c a la n dw i r e l e s s t r a n s m i s s i o n so f1 2 5 g b i t sd a t ao n3 4 8 g h zm i l l i m e t e rw a v ew e r ea l s o d e m o n s t r a t e ds u c c e s s f u l l y b a s e do nt h i sm e t h o da n dt h ep o l a r i z a t i o n m u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g yw ep r o p o s e dah y b r i dr a d i o o v e r - f i b e rs y s t e m w h i c hc o u l dp r o v i d em u l t i p l es e r v i c e si n c l u d i n gm i l l i m e t e rw a v e ， m i c r o w a v ea n df i x e dw i r e l i n ea c c e s ss e r v i c e s 2 m i l l i m e t e r - w a v ep h a s em o d u l a t i o nt e c h n o l o g ya n df u l l - d u p l e x r o fs y s t e ma p p l i c a t i o nb a s e do nt h ee l e c t r i c a l o p t i c a lp h a s em o d u l a t o r ( p m ) as c h e m eo fg e n e r a t i n gm i l l i m e t e rw a v ew i t hp s km o d u l a t i o n b a s e do nt h em o n o d i r e c t i o no p e r a t i o no fp mw a sp r o p o s e da n dr e a l i z e d t w os i d e b a n d so ft h eo p t i c a l l yg e n e r a t e dm i l l i m e t e rw a v ew e r es e p a r a t e d b yf i l t e ra n dt h e ni n j e c t e dt op mw i t ho p p o s i t ed i r e c t i o n s ap h a s e d i f f e r e n c ew h i c hw a sm o d u l a t e db yt h ed r i v i n gs i g n a lo fp mw i l lb e g e n e r a t e db e t w e e nt h ec l o c k w i s e ( c w ) a n dc o u n t e r - c l o c k w i s e ( c c w ) i v 北京邮i u 人学顾一l ：论文 l i g h t s t h e na f t e rt h ep h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o nt h em i l l i m e t e rw a v es i g n a l w i t hp s km o d u l a t i o nc o u l db eg e n e r a t e d b a s e do na b o v em e t h o d a 如1 1 一d u p l e xr o fs y s t e mw i t hap a s s i v eb a s es t a t i o nw a sp r o p o s e da n d r e a l i z e db yu s i n gah a l f - r e f l e c t i n gf i b e rb r a gg r a t i n g ( f b g ) a n da n i n t e n s i t ym o d u l a t o rw i t hl o wi n s e r t i o nl o s s i nt h ee x p e r i m e n t ，1 2 5 g b i t s d o w n l i n kd a t ao n3 2 g h zm i l l i m e t e rw a v ew i t hp s km o d u l a t i o nw a s t r a n s m i t t e di n2 0 k ms i n g l em o d ef i b e r ( s m f ) a n dt h ep o w e rp e n a l t yi s o 8 d b u p l i n k1 2 5 g b i t sd a t aw a sa s km o d u l a t i o nw a st r a n s m i t t e di n 2 0 k ms m fa n dt h ep o w e rp e n a l t yi s0 2 d b 3 u 毋p u l s eg e n e r a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nan o n l i n e a ro p t i c a l l o o pm i r r o r ( n o l m ) t h ep r i n c i p l eo fo p t i c a ls w i t c hb a s e do nn o l m w a st h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d a na p p r o a c ho fg e n e r a t i n gu 、船p u l s e sb a s e d o nn o l mw a sp r o p o s e da n dr e a l i z e d t h en o l mb a s e do p t i c a ls w i t c h w a su s e dt og e n e r a t eo v e r l a p p e dp o s i t i v ea n dn e g m i v eg a u s s i a np u l s e sa t f i r s t t h e np u l s e sw i t hd i f f e r e n tw a v e l e n g t h sw e r ep r o p e r l yd e l a y e da n d s e p a r a t e db ys m ef i n a l l yu 、p u l s e sw i t hd i f f e r e n ts h a p e sa n d d i f f e r e n tp o l a r i z a t i o n sc o u l db eg e n e r a t e d t h ea b o v em e t h o dh a st h e p o t e n t i a l o fr e a l i z i n gp u l s e s h a p em o d u l a t i o n ( p s m ) a n d p u l s e p o l a r i z a t i o nm o d u l a t i o n ( p p m ) i na d d i t i o n ，t h es m fa c t i n ga sa c h r o m a t i cd i s p e r s i o nm e d i ai ng e n e r a t i n gt h eu w b p u l s e sc a na l s ob e u s e dt od i s t r i b u t ein 船s i g n a l sf r o mt h ec e n t r a ls t a t i o n ( c s ) t or e m o t e a c c e s sp o i n t s ( a p 、1 d i f f e r e n td is t a n c eb e t w e e nc sa n dr e m o t ea p sh a sn o e f f e c t so nt h eg e n e r a t e du 、p u l s e sb ya d o p t i n gaw a v e l e n g t ht u n a b l e l a s e ra st h ep r o b ei nc s i nt h ee x p e r i m e n t ，t h eg e n e r a t e dm o n o c y c l e p u l s eh a sac e n t r a lf r e q u e n c yo f5 2 g h z 1o d bb a n d w i d t ho f8 7 g h za n d b a n d w i d t hf r a c t i o no f16 7 t h eg e n e r a t e dd u b l e tp u l s eh a sac e n t r a l f r e q u e n c yo f6 2 g h z 1o d bb a n d w i d t ho f8 1g h za n dab a n d w i d t ho f 13 0 k e yw o r d sr a d i o o v e r - f i b e r m i l l i m e t e rw a v eo p t i c a lg e n e r a t i o n u l t r a w i d e b a n d v s y s t e m m i c r o w a v ep h o t o n i c s a l lo p t i c a lv e c t o rm o d u l m i o n 北京邮电大学硕= 仁论文 缩略语 a p c s b s ：a c c e s sp o i n t c e n t r a ls t a t i o n b a s es t a t i o n 接入点中心局基站 a s k ：a m p l i t u d es h i f tk e y 幅移键控 e a m ：e l e c t r i ca b s o r p t i o nm o d u l a t o r 电吸收调制器 f b g ：f i b e rb r a gg r a t i n g 光纤布拉格光栅 f c c ：f e d e r a lc o m m u n i c a t i o nc o m m i t t e e 联邦通信委员会 m l l d ：m o d e - l o c k e dl a s e rd i o d e 锁模激光器 m z m - m a e hz e h n d e rm o d u l a t o r 马赫泽德调制器 n o l m ：n o n l i n e a ro p t i c a lf i b e rl o o pm i r r o r 非线性光纤环镜 o f d m ：o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 正交频分复用 p m ：p h a s em o d u l a t o r 相位调制器 p o n ：p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k 无源光网络 p r b s ：p s e u d or a n d o mb i ts e r i e s 伪随机序列 p s k d p s k ：p h a s es h i f tk e y d i f f e r e n t i a lp h a s es h i f tk e y 相移键控：差分相移键控 q a m ：q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n 正交幅度调制 壬的f ：r a d i o - o v e r - f i b e r 光载无线系统 s m f ：s i n g l em o d ef i b e r 单模光纤 s o as e m i - c o n d u c t o ro p t i c a l u n # i f i e r 半导体光放大器 u w b ：u l t r a - w i d e b a n d 超宽带 w i f i ：w i r e l e s sf i d e l 无线保真( 8 0 2 1l b ) w i m a x ：w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s 微波存取全球互通， w l a n w m a n ：w i r e l e s sl o c a l m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k 无线局域网城域网 4 3 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列 的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京邮电大学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论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 l 一， 本人签名：兰堑坐日期：丝! 乞：至：垄 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权 书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 兹6 告 日期：丝互：兰：丝 | 日期：厶形夕z 形 北京邮电人学硕士论文 第1 章绪论 1 1 光载无线系统( r o f ) 的研究背景及意义 光纤的出现，是通信领域的一场革命，它直接导致了光纤通信这种通信方式 异军突起。由于其超高传输带宽和超低传输损耗的优点，在很大程度上突破了传 统的电通信所无法克服的困难，可以实现以几十上百吉比特的速率进行上千公里 的透明传输【1 3 】，因而迅速成为长途通信的有力工具。当前，由光纤织成的网络 遍及全世界，在世界范围内实现了互通互连，使人们享受到了前所未有的方便和 快捷的通信工具。通信技术的飞速进步，反过来也刺激了应用层面的快速发展。 除了语音和数据业务以外，新出现的多媒体业务由于其适时性互动性等特点，对 接入网的带宽需求成倍增长 4 ，5 】。同时，为了使用户有任何时间任何地点都能 享受到高速率地接入服务，未来的接入网必须同时具有双工性和移动灵活性【6 ， 7 】。 纵观整个通信系统，由于光器件等技术方面的限制，目前全光通信还未普及， 在接入网及用户端仍需采用光电转换和电信号处理，从而无法避免电子瓶颈的限 制。这一问题被称为高速宽带通信网的“最后公里问题 ，也是通信领域前沿 研究的一个热门话题。光通信与无线通信领域的研究者们都试图从各自的优势出 发提出一个良好的解决方案。目前，宽带接入技术的格局主要有如下几点。宽带 有线接入方面，基于铜线的宽带接入技术( 如数字用户环路xdsl ) 已经接近 其所能提供的最高速率 8 ，9 】。由于光纤的巨大带宽潜力，无源光网络( p o n ) 技 术可以提供上吉比特速率的固定接入，g p o n ，e p o n 已经在很多地方运营，而 w d m p o n 则会成为未来接入网的主流技术之- - 1 0 1 2 。但由于其只能提供固 定的有线接入，使得用户应用时受到诸多限制。另一方面，宽带无线接入技术如 无线城域网( w m a n ) 的微波存取全球互通( w ，i e e e 8 0 2 16 ) 以及无线 局域网( w l a n ) 的无线保真( w i f i ，i e e e 8 0 2 1 l b ) 均采用正交频分复用( o f d m ) 的调制方式，实现了从1 m b p s 到数十m b p s 的无线接入速率 1 3 1 5 】。尽管上述无 线接入技术具有很好的灵活性和移动性，但他们的接入速率相对较低，仍然无法 满足未来宽带业务的巨大需求。总之，有线接入技术和无线接入技术各有所长， 而且他们的优缺点互补性是很明显的，因此将二者有效结合起来将会是一个更为 理想的系统。为了进一步优化组合资源和提供更高速率、更稳定、更灵活的宽带 接入业务，无线接入技术和光纤网络的融合成为接入网演进的趋势【1 6 。在这种 趋势下，r a d i o o v e r - f i b e r ( r o f ) 作为一种全新的宽带接入方式被提出来，并迅 速得到广大研究者们的关注。 r o f 顾名思义，就是指利用光纤代替大气作为一种传输媒质来传送宽带射 北京邮电人学硕l ：论文 频信号 1 7 】。r o f 的主要思想主要有以下几点。 第一，将射频载波的频率提高至毫米波段。首先，为了提高无线的接入速率， 需要提高射频载波的频率。r o f 系统采用毫米波( 频率3 0 g 3 0 0 g h z ) 作为射频 载波，相对于传统的低频段通信如全球移动通讯系统( g s m ) ，码分多址( c d m a ) 等来说，拥有更大的带宽潜力，可以轻松实现上吉比特的无线传输。其次，将射 频载波提高到毫米波段可以避免低频段无线资源紧缺的现状。由于8 0 0 m h z 到 3 g h z 的频率资源基本上全部分配了包括g s m ，c d m a ，高级移动电话服务 ( a m p s ) ，第三代移动通信系统( i m t - 2 0 0 0 ) ，卫星通信，蓝牙，w l a n ，w i m a x 以及广播电视等，而毫米波段的资源却不受管制，这是毫米波通信的一大优势。 第二，将载有数据的射频信号用光纤传输。由于毫米波频率极高，在大气中 的损耗十分严重，传输线中的阻抗也随之增加，即使是使用传输线进行短距离的 传输也很困难。而光纤具有强大的透明传输能力和超低的损耗，因此选择用光纤 在中心局和基站之间传输毫米波信号是合理的选择。 第三，毫米波基站尽量简化。由于毫米波在大气中衰减严重，其传输距离只 有几米到十几米，因此也就限制了单个毫米波基站的覆盖范围。因此基站离用户 的距离必须足够的近。另外，基站的数量必须足够多，这样才能形成大面积的覆 盖。因此为了降低整个系统的成绩，基站设计必须足够简单，尽量将昂贵的设备 和复杂的处理都集中到中心局，多个远端基站共享，基站只负责光电转换和信号 发收的简单功能。 r o f 系统的主要优点在于【1 8 2 0 】：一方面，光纤作为传输媒质具有超低损 耗、带宽资源丰富和不受电磁干扰的特性，所以，通过光纤传输宽带信号是一种 最佳的解决方案，既避免了干扰又增加了容量；另一方面，无线工作频率的提高， 可以承载的信号速率大幅提高，再加上先进的调制技术，无线接入速率可达上吉 比特。此外，由于将工作频率提高到毫米波段，可以缓解目前低频段无线资源拥 挤的状况，更能体现出r o f 技术的巨大潜力和优势。 1 2r o f 系统的关键技术及研究进展 r o f 系统物理层的研究进展十分迅速，美国和欧盟的研究组已经相继报道 了4 0 g h z 和6 0 g h z 的r o f 系统演示实验。但是目前，r o f 系统要想得到实际 的应用还面临很多问题。首先，工作频率提高使得无线信号传输损耗加大，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提供足够的覆盖面 积。其次，高频率的毫米波信号对相关的微波器件和仪器提出了更高的要求，使 系统成本急剧增加。为了进一步降低成本，突破电子瓶颈的限制，将微波信号放 到光域中进行处理是很好的解决方案。与传统的电信号处理方法相比，全光微波 信号处理的优势在于高带宽、低损耗、抗电磁干扰、并行处理能力、高的采样频 率易集成等。凶此，研究毫米波信号的全光处理及光纤传输技术对于未来低成本、 北京邮电大学硕士论文 高性能商用超宽带光纤无线接入系统的设计与应用具有重要意义。r o f 系统中 的全光微波信号处理包括：光生毫米波、复杂码型的全光矢量调制、全光频率变 换或混频，任意脉冲产生和r o f 系统设计等。 1 2 1 光生毫米波技术 用光学的方法产生微波信号( 特别是个更高频的毫米波) 是近来受到关注的 研究课题，这研究有广泛的应用前景。它不仅可以用来产生毫米波用于r o f 系统，而且可以产生频率高达t h z 的近红外信号，用于成像检测，军事雷达等 方面 2 1 ，2 2 1 。光生毫米波技术是毫米波段r o f 系统的关键技术之一。用光学的 方法来产生毫米波，一是出于成本的考虑。由于涉及到频率上变换和下变换的问 题，在中心局或者基站中需有毫米波源，而毫米波源价格是十分昂贵的。另一方 面，毫米波在电域下处理已经比较困难，面临无法突破的电子瓶颈。而用光学产 生的毫米波，不仅具有相位噪声低的优点，而且由于光纤的损耗非常小，信号能 够远距离转输，便于分配到远端由天线发射。光生毫米波的基本原理是用光学的 方法产生两个相干的光载波，从频域来看，即是两个相干的频率分量，其电场可 以表示为： 占( f ) = e lc o s ( f - o i l + 旃) + 岛c o s ( ( 0 2 t + 唬) ( 1 1 ) 在进行光电转换时，光电二极管相当于一个混频器。经过光电探测器的差拍 作用，可以得到光电流： f ( ) = i o + r e , 置e o s ( c o , 一彩2 y + 以一疵】 ( 1 2 ) 其中第一项厶为直流项。芡为与光电探测器的响应度。从上式中可以看出， 光电检测后得到的电信号的频率为两个光载波之间的频率差。几乎所有的光生毫 米波方法都是基于这个原理。用光学的方法产生间隔为几十甚至上百吉赫兹的两 个光载波并不难，因此光生毫米波基本不受带宽的限制，理论上可以产生任意频 率的电信号。但是只有当相位部分藕一以为常量或者缓慢变化时，得到的毫米波 才是比较理想的，而光的相位是很难控制的，如何得到两个相干性很好的光载波， 这是光生毫米波的关键。 目前国际上所报道的光生毫米波技术大致可以分为三大类： ( 1 ) 基于外调制器的光生毫米波技术； 基于外调制器的光生毫米波技术，是一种光倍频技术。通常由一个较低频的 微波源通过光域下的处理后得到频率为其数倍的毫米波信号。由于马赫泽德调制 器( m z m ) 的调制曲线是非线性的，在进行模拟调制的时候会产生一系列的谐 波，它们的频率为驱动信号频率的整数倍。在模拟光链路中这些谐波对系统传输 北京邮电人学硕 ：论文 性能是有害的，但是这个特性可以用来实现倍频。即由较低频的微波源驱动 m z m ，通过对驱动信号的幅度相位以及m z m 的偏置进行优化，可以产生特定 的高阶边带，或者可以通过滤波器的选频作用选择需要的边带，而这些边带之间 是相干的。相对于其它的方法，基于这个原理产生的毫米波相位较稳定，在r o f 系统中最为常用1 2 3 2 5 1 ，但是这种方法受电光调制器工作带宽的限制，要想产生 超过1 0 0 g h z 的毫米波比较困难。 ( 2 ) 基于双波长激光器的光生毫米波技术； 这种方案的前提是必须产生两个波长的激光，每个波长都是单纵模状态。使 它们之间的频率间隔处于毫米波段，经过高速探测器直接探测后即可获取高质量 的毫米波信号，与基于外调制器的方法相比，不需要参考微波源。以第二种为例， 这种光生毫米波方法面临的主要问题是：两个波长必须工作在单纵模状态，没有 模式跳变，两个波长的频率间隔必须稳定，两个波长之间的相对相差波动必须足 够小。加拿大姚建平小组曾用光纤环谐振腔来产生激光，以s o a 作为增益介质， 并采用了一个双波长的通带很窄的f b g 和一个普通的f b g 组合来选频和消除模 式跳变，获得了频率稳定的双波长激光。由于两个波长的激光是在同一个谐振腔 里产生的，因而它们的相对相位差波动很小，因而能够产生低相位噪声的毫米波 2 6 】。 ( 3 ) 基于不同激光器的外差技术。 对来自不同激光器的两束激光进行拍频。这种方法类似于相干光通信罩面的 外差探测技术。由于来自两个不同激光器的两束光相干性很差，通常需要采用较 为复杂的光相位锁相环( o p l l ) 、光注入锁定( o i l ) 等办法来降低相位噪声的 影响，因而在r o f 系统中应用不多，这里简单介绍一下。一般采用的光相位锁 定技术是用光电倍增管对两外腔半导体激光器拍频，在鉴频器驱动下，压电陶瓷 调谐从激光器的光栅反射镜，从而锁定频率，拍频产生的微波信号与参考信号之 间的误差信号经过滤波放大，然后控制从激光器的驱动电流，以校正相位误差。 这样生成的微波信号就能够跟踪锁定参考信号 2 7 。 1 2 2 全光频率变换技术 根据r o f 系统的概念，在基站接收到的光信号为副载波调制，即数据信号 调制于毫米波信号之上，然后再调制于光载波之上，而传统的光通信中系统中传 输的大多是基带信号或者中频信号，r o f 系统应用于接入网上并与核心网结合 时，在中心局或者基站必然存在两种信号的频率转换这样一个问题。一般说来， 下行的基带或者中频信号，需要转换为毫米波信号以便天线发射和覆盖，需要经 过一级副载波调制，这就是上变频。在基站接收到毫米波无线信号为了便于传输 和提高频谱效率，须要转换成基带或者中频信号，这就是下变频。由于毫米波器 件实现的复杂性和高成本，利用全光的方法来实现频率上变换越来越引起了各国 北京邮电人学硕j ：论文 研究人员的重视。全光上下变频的功能可以放在中心局实现，也可以放在基站实 现。它们各有优缺点。在中心局进行上下变频，可以简化基站，降低系统成本， 但是毫米波信号模拟光传输时由于其带宽达几十吉赫兹，信号受色散和非线性的 影响较大，传输的频谱效率也较低，也会带来一定的问题。而若选择在基站进行 全光变频，则降低了传输过程中一些不利因素的影响，但是势必会增加基站的复 杂度。过去的几年里，研究者们已经提出了很多利用光学的方法实现频率上变换， 同时对上变换后的信号在光纤中的传输特性也进行了广泛的研究。这些技术包括 直接利用电光强度调制器【2 8 】、远程上变换技术 2 9 】、各种波长变换技术如电吸 收调制器的交叉吸收调制作用 3 0 】，光导体光放大器的交叉增益调帝l j 3 1 ，交叉 相位调制作用【3 2 】和四波混频 3 3 】以及n o l m 环的光开关作用 3 4 等等。 1 2 3 全光矢量调制技术 由于毫米波频率极高，其传输线阻抗极大，要想在电路上实现对毫米波信号 进行各种调制格式的高速数字调制显得十分困难，因而研究光学毫米波高速数字 矢量信号调制和解调器件有着十分重要的意义。光学方法实现对微波毫米波信 号幅相键控格式的调制和解调工作进行的较早。2 0 0 4 年，乔治亚理工大学的 g k c h a n g 教授领导的研究小组构建了4 0 g h z 毫米波光纤通信系统，在这个系统 中，利用光学方法实现了速率为2 5 g b s 的数字信号对频率为4 0 g h z 的毫米波进 行的幅相键控调制( 2 a s k ) 3 5 。在2 0 0 5 年，日本n t t 公司报道了利用m l l d 激光器和e a m 集成的光发射机和u t c p d 光接收机，可以实现速率为1 0 g b s 的数字信号对频率为1 2 5 g h z 的毫米波进行2 a s k 调制。他们还同时实现了速率 为3 g b s 的数字信号对频率为2 4 0 g h z 的毫米波进行2 a s k 调f l ；l j 3 6 】。 利用光学方法可以比较容易的实现对毫米波信号的高速a s k 数字调制，达 到的有关指标和简单实现是直接利用电路方法很难做到的。利用光学方法实现对 毫米波信号的数字相移键控的调制则比较困难，因为对光信号进行相位的精确控 制很难，因而，相应的研究进展相对缓慢。2 0 0 6 年，清华大学提出，在利用光 探测器对两个相干光波进行拍频产生微波信号时，如果这两个相干光波中的一个 光波相位被调制，根据拍频理论，就可以实现对拍频产生的电信号相位的调制， 从而实现利用光学方法对微波毫米波信号的相位调制。但是，该方案需要利用 光纤器件将两束相干的光信号在空间中分开以便对其中的一个光信号进行相位 上的调制，这种做法大大降低了两束光信号的相干性，拍频产生的电信号的相位 噪声和稳定性都值得考验。为了解决这一问题，上海交通大学提出，利用光纤非 线性环镜，对两束相干光信号进行分离与耦合时，可以保持两束相干光信号的相 干性，从而解决空问上的分离造成的相干性减弱的难题 3 7 】。 为了进一步提高毫米波副载波传输信号时的频谱利用效率，同时考虑到无线 链路的复杂性需要对毫米波载波采取更为有效和灵活的调制方式。例如，在带宽 北京邮电火学硕十论义 受限信道中，需要采用频谱利用效率高的调制格式；在功率受限信道中，需要采 用包络起伏较小的调制格式；在多径效应干扰明显的信道中，需要采用o f d m 技术。因此，光学方法实现对毫米波的各种数字矢量调制特别是幅度相位的联合 键控调制格式成为研究的重点。2 0 0 4 年，美国卓克索( d r e x e l ) 大学提出 3 8 】， 可以利用双臂驱动的调制器对一束光信号进行正交幅度调常q ( q a m ) ，另一束相干 光信号和这束被调制的光信号进行拍频，可以产生一个被q a m 调制后的毫米波 信号，这一方法最大的问题依然是两束光载波的相干性较差。为了解决这一难题， 在o f c 2 0 0 7 会议( 美国) 上，西班牙纳光子技术中心v a l e n t i np o l o 等人提出可 以利用光纤中的色散特性，对光毫米波载波的光分量在光域上进行相位时延，从 而实现对拍频产生的毫米波信号的q a m 调锘1 j 3 9 】，但是这种方法需要波长间隔 很大的两个光载波，因而大大增加了承载毫米波时的光谱利用效率，而且利用光 纤色散效应实现的这一结果无法实现在色散光纤中的有效传输。总的来说，研究 光学方法实现对毫米波信号的各种数字矢量调制的工作才刚刚开始，有许多问题 值得去研究和解决。 1 2 4i j w b 任意脉冲产生技术 超宽带技术( u w b ：u l t r a - w i d e b a n d ) 最早是用于雷达和遥感的一种传输 技术，近来作为一种新的局域网宽带无线接入技术而倍受关注。广义上来讲，凡 是具有较大的相对带宽比的无线电信号统一称为u w b 信号。( 相对带宽比：射 频信号带宽与中心频率之比) 。但是一般认为：1 0 d b 带宽与中心频率之比大于 2 5 ，或者1 0 d b 带宽大于5 0 0 m h z 的信号才是u w b 信号。直接序列u w b ( d s u w b ) 技术则是指采用特殊的窄脉冲代替普通的脉冲，用脉冲的形状或者 极性来承载信息的基带传输技术。u w b 无线接入技术的特点：第一，由于采用 的是窄脉冲( 脉冲宽度1 0 0 至2 0 0 p s ) ，因而抗多径衰落能力强，信号带宽较宽， 功率谱很低，基本与噪声水平相当，保密性好，对窄带通信干扰小。第二，u w b 采用基带调制，不需要载波，因而系统构造简单成本低。因而u w b 技术成为继 蓝牙、8 0 2 1 l a b 之后解决企业、家庭、公共场所等高速无线接入的热门技术。 2 0 0 2 年美国联邦通信委员会( f c c ) 将3 1 1 0 6 g h z 的频段免费授权给室内通 信和手持设备使用，为了共享频谱资源，并规定u w b 的各向同性发射功率小于 - - 4 1 3 d b m m h z 4 0 1 。极低的发射功率降低了系统的功耗，同时也限制了u w b 无线信号的覆盖范围( 直径只有十几米到几十米) 。为了克服这个问题，人们利 用光纤可以低损耗、高带宽地透明传输的能力，提出了u w b o v e r - f i b e r 这个概 念，即利用光纤将低功率的u w b 信号传送至远端用户群所在地并由u w b 天线 发射。为了充分利用光通信的优势，可以在光域下直接产生符合f c c 规定的u w b 信号，并且用全光的方法来实现对u w b 信号的调制，这样就在整个发射过程中 省去了复杂的光电和电光转换过程，降低了系统的复杂性和成本。与传统的电域 北京邮电大学硕：l ：论文 下产生u w b 信号的方法相比，全光u w b 波形产生技术实现简单，而且还有体 积小、成本低和不受电磁干扰等优点 4 1 ，4 2 】。 可用于u w b 的脉冲波形有高斯脉冲的各阶微分形式，升余弦形式的脉冲， 或者小段正弦脉冲。高斯脉冲是最易产生的，但是由于普通的高斯脉冲的频谱中 有较强的低频成分，不完全符合f c c 对u w b 的规定。高斯脉冲的微分形式随 着阶数增加，其频谱逐渐向高频转移，因而高期脉冲的一阶微分和二阶微分形式 常用作u w b 的脉冲。它们的时域及频域波形如所示 频率( g n z ) 图1 - 1 高斯脉冲及其各阶微分形式 u w b 的调制技术有如下几种：脉冲极性调制( p p m ：p u l s ep o l a r i z a t i o n m o d u l a t i o n ) ，即利用脉冲的极性来承载信号，正脉冲相当于“0 ，负脉冲相当于 “l ，或者相反。相当于常用的b p s k 调制。脉冲形状调制( p s m ：p u l s es h a p e m o d u l a