（通信与信息系统专业论文）rof宽带接入网复用技术的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 信息时代的来临和发展，使人们对知识和信息的需求与日剧增，这给通信技术的发 展带来了极大的机遇和挑战。光纤通信技术是通信技术的里程碑，由于光纤具有超高带 宽、超低损耗等突出优点，已经在骨干网和城域网上得到了广泛应用，并逐渐向接入网 渗透。接入网是信息承载的源头，传统接入网以铜线作为传输介质，存在速率瓶颈，难 以支持宽带、多媒体等新业务，限制了信息网络的发展，而以光纤和无线混合宽带接入 为主的新一代宽带接入网，即利用了光纤超带宽、超低损耗和不受电磁干扰的优点，又 利用了移动接入随时、随地、方便灵活的优势，是未来宽带接入网发展的必然趋势，具 有广阔的应用前景。 为了进一步提高光纤的利用率，挖掘出更大的带宽资源，可以采用各种复用技术， 如波分复用、光码分复用、光时分复用等等。波分复用技术因其具有传统光纤通信所无 可比拟的优势，如超大容量，对信号透明，高速率，性价比高等，被公认为是目前最有 前途的光传输技术，而光码分复用技术具有在光域里的异步接入、灵活和透明等优势， 能实现高速宽带全光接入，使多个基站的信号共享整个信道，并能随时、随地增减基站 数目，实现信道复用，同时也能大大降低系统的实现成本。 本文围绕r o f 宽带接入网的复用技术展开了相应的研究。首先对基于o c d m a 技 术的r o f 宽带接入网系统做了深入的研究，提出了r o f 宽带接入网的双环网络结构， 仿真分析了采用p c 码、m d w 码、z c c 码和o o c 码作为用户码时接入网系统在光纤 中传输2 0 蛔的性能，讨论了载噪比同码速率、接入基站数目的关系，并绘制了系统载 噪比曲线，得出了随着基站数目的增多和码速率的提高，系统载噪比和性能逐渐下降以 及z c c 码在性能上优于其它三种码的结论；然后对采用w d m o c d m a 相结合技术的 r o f 接入网系统做了深入的研究，并仿真分析了c w d m 与o c d m a 相结合的r o f 系统， 得到了1 6 路c w d m 通道的r o f 接入系统在信道间隔为2 0 m n 情况下，采用p c 码和 o o c 码为用户码时，系统在高码速率( 高达2 2 g b i t s ) 下某个波长信道( 1 3 1 1 啪) 中 的一个基站信号( 1 0 g h z ) 的载噪比曲线，最终得出w d m o c d m a 技术相结合的r o f 系统能充分利用波长资源、最大限度的提高接入基站的数目的结论，并说明了该系统在 实际应用中的可行性。 关键词：r o f ；光码分多址；w d m a ；光码分w d 混合多址技术 大连理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ft h em u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g yi nr o fb r o a d b a n da c c e s s n e t w o r k a b s t r a c t a st h ea d v e n ta n dd e v e l o p m e n to ft h ei n f o n n a t i o na g e ，m a nh 2 l sd e m a n df o ri n c r e a s i n g k n o w l e d g ea n di - o n n a t i o n ，、v h i c hp r e s e m sb o mo p p o r t l m i t i e sa 1 1 dc h a l l e n g e st ot 1 1 e d e v e l o p m e n to fc o n l r n 谢c a t i o nt e c l l n o l o g y o p t i c a lf i b e rc o n u n u n i c a t i o ni sam i l e s t o n eo f c o 删n u n i c a t i o n st c c h n o l o g ) r ，a i l d 舶e r h a sa p p l i e dw i d e l yi nt l l eb a c k b o n en e t 、o r ka n dm a n ( m e 的p o l i t a i la r e an e 觚o r k ) a n dp e n e t r a t e dt 0t 1 1 ea c c e s sn e 铆o r kb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e s ， s u c ha su l 妇- h i 曲b a l l d w i d t ha 1 1 du l 仃a l o wl o s s 1 1 1 ea c c e s sn e 铆o r ki si n f o m a t i o nb e 撕n g s o u r c e ，a 1 1 dt r a d i t i o n a la c c e s sn e t 、v o r ki sd i 伍c u l tt 0s u p p o r tb r o a d b a n da n dm u l t i m e d i a s e i c e sa 1 1 dl i m i tt h ed e v e l o p m e n to fi i l f o n n a t i o nn e t w o r k ，b e c a u s ei t 饭k e sc o p p e rw i r ea s 像m s m i s s i o nm e d i 啪o fw h i c ht h e r ei sb o t t l e n e c ko ft 1 1 r o u g h p u t ，w m l e 也en e wg e n e r a t i o no f a c c e s sn e t 、v o r kb a s e do nt h ep r i n c i p l eo ff i b e ro v e rr a d i ob r o a d b a i l da c c e s sb o 也m a k e su s eo f a d 【v a n t a g eo ff i b e r ，s u c ha l su l 订a w i d e b a n d ，u 1 拓a l o wl o s sa n d 矗e e i l l gf r o me l e c t r o m a g n e t i c i 1 1 t e 疵r e n c e ，a i l dm a l ( e su s eo fm es t r e n g mo fm o b i l ea c c e s s ，s u c ha sa n y t i m e ，a 1 1 ”v h e r e ，a 1 1 d c o n v e n i e n ta n dn e x i b i l i 够i ti st h ei n e x o r a b l et r e n do f 矗1 n l r eb r o a d b a n da c c e s sn e t w o r k ，a n d h a v eb r o a d a p p l i c a t i o np r o s p e c t s f o r 如r t 王1 e ri m p r o v i n gm eu t i l i z a t i o no ff i b e r ，a n de x c a v a t i n gm o r eb a n d 淅d t hr e s o u r c e s ， w ec a n a d o p tv a r i o u sm u l t i p l e x i n gt e c h i l o l o g i e s ，s u c ha sw d m ，o c d m a ，o t d m ，a n ds oo n w d mi s r e g a m e da s t h em o s tp r o m i s i n g o p t i c a l 一t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y a t p r e s e n t ， a c c o r d i l l gt 0i t su r l p a r 2 l l l e l e da d v a n t a g ec o m p a r e d 、析t ht r a d i t i o n a lf i b r ec o 瑚m u n i c a t i o n ，s u c h a sh u g ec a p a c i 够，鼢s p a r e n tf o rs i g n a l ，1 1 i 曲r a t e ，a n dk 曲p e r f o r m a n c ep r i c er a t i o o c d m a c a l li m p l e m e n tl l i 曲m t e 锄db r o a d b a n da c c e s sa to p t i c a js t a g ea n ds i g n a li i lm u l t i p l eb a s e s t a t i o n s ( b s )s h a r i n gt h ew h o l ec h 锄e lb e c a u s eo fi t sa s y n c h r o n o u sa c c e s sp r o p e r c y ， f l e x i b i l 埘，a n dt r a i l s p a r e n c yf o rv a r i o u sr a d i os i g n a l ，a i l de a s i l ya d d d r o pt h en 啪b e ro fb s s a 1 1 y t i m ea n da n ”v t l e r e ，w 1 1 i c hc a nl o w e r 协ec o s to fs y s t e ma tt l l es 锄et i m e h “sp a p e r ，w ed om u c hr e s e a r c ho fr n l l l t i p l e x i n gt e c h n o l o g i e smr o fb r o a d b a l l d a c c e s sn e t 、) i ，0 r k f i r s tw ed om u c hr e s e a r c hmo c d m a b a s e dr o fn e t w o r k ，a i l dp r e s e n ta d o u b l e 一渤gn e t w o r ks 觚l c t u l eo fr o fa c c e s sn 咖o r k t h e nw es i m u l a t ea 1 1 da 1 1 址y z et 1 1 e p e r ：f o 肌a l l c eo fs y s t e m ，w h i c ha d o p t sp cc o d e ，m d wc o d e ，z c cc o d ea 1 1 do o c c o d ea su s e r a r e rt 跚s m i t t i n g2 0 k mi i lt l l es i n gm o d ef i b e r ( s m f ) ，d i s c u s sm er e l a t i o l l s l l i pb e “，e e n c 枷e rn o i s er a t i o ( c n r ) a i l dc o d er a t ea i l dn u m b e ro fb s sc o 衄e c t e d ，a n dd r a wc u r v e so f c n r f i m l l y ，w ec o n c l u d et l l a tc n ra 1 1 dp e r f o n n a n c eo fs y s t e mi sd e c l i n i n ga s 也e 1 1 1 r o f 宽带接入网复用技术的研究 i n c r e a s i n go ft h en 眦b e ro fb s sa n di m p r o v i n go fc o d er a t ea sw e l la l sz a cc o d ei ss u p e r i o r t ot h et 量l r e eo 也e rc o d e s s u b s e q u e n t l y ，w ed om u c hr e s e a r c ho fac o m b i n a t i o no fw d ma n d o c d m at e c l l i l o l o g yi i lt h er o fs y s t e m f i r s tw es i m u l a t ea l l da 1 1 a l y z et l l ec w d mp l u s o c d m a - b a s e dr o fs y s t e m ，a n dg e tt h es y s t e m sc u r v eo fc n ri nc e r t a i nb s ( 1o g h z ) o f c e n a i n 、v a v e l e n 础( 1 3 1 1 啪) i i lh i g hr a t e ( 2 2 g b i t s ) mc a s eo f1 6c w d mc h 猢e l sw i t h 2 0 衄s p a c i n gi nr o fw h e na d o p t i n gp cc o d ea i l do o c c o d e l i k e w i s ew ec o n c l u d et h a t w d m o c d m a - b 2 l s e dr o fc a i lm a l ( ef u uu s eo f 、v a v e l e n 昏h ，a n di n c r e a l s et h en 1 珊b e ro fb s s c o i l i l e c t e dt oa i le x t r e m ea n dd e m o n s 仃a t et h ef e a l s i b i l i 堪i nt h ea c t u a ja p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：r o f ；o c d m a ；w d m a ；o c d m dh y b r i dm u l t i p l ea c c e s st e c h n o l o g y i v 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 臣e 盎；荤匿公回氢豳螂劬翟亟 作者签名： 鞘聋毖 日期： 醴拿年j l 月2 ，l 日 大连理工大学硕士学位论文 l绪论 1 。1问题的提出及意义 信息时代的到来，使人们对知识和信息的需求与日俱增，这给通信技术的发展带来 了极大的机遇和挑战，尤其是近二十年来，无线通信技术以前所未有的速度不断地发展 进步，从第一代模拟蜂窝移动通信技术到第二代数字蜂窝移动通信，再到目前正在商用 的第三代移动通信；各种无线新业务，如短信、彩信、多媒体、无线宽带业务等的不断 涌现，使人类在充分体验无线技术所带来的灵活性和便利性的同时，也正向随时、随地、 同任何人进行可靠、高效和无缝通信的更高通信目标迈进。 但是，由于无线通信自身的一些特点，如恶劣的传输环境、频谱资源有限等，上述 目标很难实现。因此，如何提高无线通信传输的可靠性以及更加有效的利用频谱资源成 为人们重点研究及需要解决的难点问题。另一方面，随着i n t e m e t 业务的持续增长以及 第三代移动通信、甚至将来的4 g 的发展，通信业务趋向于向交互多媒体业务发展，这 就要求通信系统能够提供更宽的带宽、更高的速度以及更低的功耗，无线通信的载波频 率势必向更高频段转移，如微波射频频段。由表1 1 可以看出，我国目前各种业务的频 率大部分都在6 g h z 以下，而更高频段，如3 0 g h z 以及3 0 g h z 以上的频率还未被利用。 如果能利用3 0 g h z 往上的频段，则不但能够充分利用现在的频谱资源，而且可以实现 超宽带无线接入通信。但是随着频率的升高，信号在大气中的传输损耗加大，通信的距 离变短，每个接入点的覆盖范围缩小，从而出现众多所谓的微蜂窝、微微蜂窝。蜂窝覆 盖面积的减小使组网更加灵活，同时也减小了移动的复杂性。 光纤通信是通信技术的里程碑。光纤具有超高带宽、超低损耗等突出优点，是通信 网有线传输部分的理想传输媒质，已经在骨干网和城域网上得到广泛应用，并逐渐向接 入网渗透，尤其是掺铒光纤放大器( e d f a ) 发明之后，波分复用( w d m ) 和密集波分 复用技术( d w d m ) 的采用，光纤链路已经实现了低成本、成千上万倍的扩容，大容量、 超高速率的线路传输能力，目前实际应用中有些线路已经达到 m i t s 的速率。 综上，若是将无线通信和光纤通信技术结合起来使用，那么将充分利用光纤的超高 带宽、超低损耗和无线通信移动性好的优点，实现大容量、超高速、低成本的射频信号 有线传输和超宽带无线接入通信，而两者的结合，即是光与无线混合宽带技术( r o f 技 术) 。该技术适用于不同的调制格式、不同的载波频率，能为移动用户提供灵活的接入 服务。在r o f 技术中，信号处理的功能都主要集中在中心站，因此可简化基站的结构， r o f 宽带接入网复用技术的研究 使之安装简单，并可缓解因微蜂窝数目增多带来的系统成本高的问题。同时，该系统还 具有损耗低、功率低等优点。 表1 1无线频率资源分配情况 t a b 1 1d i s t r i b u t i o n0 fr a d i of r e q u e n c yr e s o u r c e s 我们知道，传统的接入网以铜线作为传输介质，存在速率瓶颈，难以支持宽带、多 媒体等新业务，限制了信息网络的发展和电信经济腾飞。新一代宽带接入网的发展趋势 将是宽带化、接入承载的差异化和接入终端设备的可控化。新一代宽带接入网，具体可 分为固定宽带接入、移动宽带接入和固定移动混合宽带接入等，如光纤到家( f t t h ) 、 光纤到办公室( f t t o ) 、光纤到大楼( f t t b ) 、光纤到路边( f t t c ) 等。固定宽带 接入具有能实现高带宽的优点，但缺点是灵活性很差，很难适应移动用户：移动宽带接 入的优点是移动性好，但缺点是微波和射频信号在大气中传输的距离和带宽严重受限； 而采用r o f 技术的固定移动混合宽带接入，既利用了光纤的超宽带宽、超低损耗和不 受电磁干扰等优点，又利用了移动接入随时、随地、方便灵活的优势，是接入网的理想 选择。它可以是f t t b 、f 1 v r c 等接入网的延伸，适合移动用户：也可以是移动网大大 提升传输距离和带宽及降低成本的升级。图1 1 为一光通信和光与无线混合通信网络结 构图。 此外，为了进一步提高光纤的利用率，挖掘出更大的带宽资源，可以采用各种复用 技术，如波分复用、光码分复用、光时分复用等等。波分复用技术因其具有传统光纤通 信所无可比拟的优势，如超大容量，对信号透明，高速率，性价比高等，被公认为是目 前最有前途的光传输技术，而光码分复用技术具有在光域里的异步接入、灵活和透明等 太耀工大学硕士学位论文 优势，能实现高速宽带全光接入，使多个基站的信号共享整个信道，并能随时、随地增 减基站数目，实现信道复用，同时也能太大降低系统的实现成本。 r c 5 ) d c n n jj f d 5 c )p s t 、一c e l uj “r 6 b o n “i s pc “e ”叩“ 图ll 光通信网络和光与无线混合通信阿络结构 h 9 1l n e t w o r k n c m 他o f r o fc o m m 帅i c “i o 惦 1 2r o f 国内外研究现状 1 2l国外研究现状及发展动态分析 在国际上，美国、日本、欧盟等许多国家长期致力于r o f 技术的研究；在高频率的 收发模块及相关元器件的研芨方面取得了不少成果。在高频率r o f 通信系统的设计、射 频收发器及其相关芯片的研制方面，美国和日本处于世界领先水平。 ( 1 )美国佐治亚理工学院( g e o r g i a h 嘶吮。门讹0 1 0 9 y ) 在2 0 0 5 年报道了 w d m p o n 与宽带r o f 无线接入系统的无缝连接研究，结构如图1 2 所示【i l 。其中利用 高非线性色散位移光纤产生的拉曼辅助四波混频( f w m ：f 0 啪v e i i l i ) c i n g ) 效应，实 现了8 25 0 b i 如w d m 信号的全光上变频到4 0 g 副载波信号，同时利用单边带滤波 技术实现了大于2 0 k m 的r o f 信号传输。 r - 0 f 宽带接入网复用技术的研究 在器件方面，美国i b m 公司从2 0 0 3 年起，就致力于6 0 g h z 无线传输集成芯片及与 6 0 g h z 通信相关元器件的研发，于2 0 0 4 年发布了全球首个工作于6 0 g h z 和7 7 g h z 的 硅基混频器及低噪声放大器。2 0 0 6 年，又发布了6 0 g h z 收发器集成芯片，其上集成了 无线通信的大部分r f 和模拟器件【2 1 。 图1 2无缝连接w d m p o n 与宽带r o f 无线接入系统的结构图 f 嘻1 2 s c h 锄a l i co fa ni n t e g r a t e d 、) m p o na n dr o fw i r e j e s sa c o e s sn e m o r k 在2 0 0 5 年国际固态电路会议( i s s c d ) 的无线射频分会上，美国加州大学洛杉矶 分校( u n i v e r s 时o f c a l i f l o n l i al o sa n g e l e s ) 展示了基于0 1 3 微米c m o s 工艺、用于短 距离无线通信的直接变频接收器，引起于会者的关注【3 j 。 在2 0 0 7 年的i s s c c 上，美国佐治亚理工大学利用9 0 mc m o s 技术设计出了6 0 g h z 频带发送电路和接收电路。该技术利用5 7 g h 撕6 g h z 频带，通过一次调制方式使用 1 6 q 气m ，可实现最大1 5 g b i t s 的数据传输速率。此外，加州大学伯克利分校( u n i v e r s i t y o f c a l i f o n l i ab e r k e l e y ) 发表了采用9 0 1 1 1 1 1 工艺的6 0 g h z 频带接收集成电路芯片( i c ) ， 加州大学洛杉矶分校( u n i v e r s 埘o fc a l i f o m i al o sa n g e l e s ) 发表了采用双转换结构 ( d o u b l ec o n v e r s i o n 触c m t e c t u r e ) 的6 0 g h z 频带接收i c 【4 】。另外，会议还发表了用于 毫米波频带收发电路的关键技术。 ( 2 )日本的超高速毫米波光调制与解调器件的研究处于世界领先水平。n t t 公 司已成功研制出高达1 2 0 g h z 的光电检测器( u t c p d ) ，o 公司研制出6 0 g h z 频段 的光调制器( e a m ) ，n t t 公司已研制出7 5 g 比的光调制器( t i ：l i n b 0 3m z m ) 。 大连理工大学硕士学位论文 毫米波r o f 技术在实验室研究中也取得较大进展，日本邮政省通信研究所( c r l ) 在 6 0 g h z 频段实现了室内无线接入网。在3 6 3 7 g h z 频段，汽车路间智能通信系统 ( r r s i w c ) 数据传送速率达1 0 1 5 0 m b i 讥。在更高载波频率上，2 0 0 2 年日本实现了载 波1 2 0 g h z ，速率为l o g b s 的p r b s 信号的r o f 传输，在2 0 0 5 年报道实现了载波 2 4 0 g h z 、3 g b i t s 的p r b s 信号的l k m 距离的r o f 传输，并计划实现2 0 g b i t s 的无线信 号传输5 1 。 日本n e c 公司于2 0 0 5 年4 月宣布成功开发出一款高度紧凑的6 0 g h z 频段无线收 发器，这种无线视频设备适用于输入输出高质量的分量视频信号，可将非压缩h d t v 信号和立体声音频信号转换为1 g b i t s 的数据流，并转至6 0 g h z 频段上，以利用a s k 调制实现无线传输1 6 j 。 富士通( f u i i t s u ) 在2 0 0 7 年的i s s c c 上发布了采用9 0 n mc m o s 技术的6 0 g h z 及 7 7 g h z 频段的功率放大器【7 j 。 东芝( t o s h i b a ) 公司于2 0 0 7 年6 月宣布生产了一款6 0 g h z 接收器c m o s 芯片， 据称该芯片可以大幅度降低新兴毫米波通信应用设备的成本。进展情况已经在日本京都 举行的v l s i 电路2 0 0 7 座谈会上进行了演示。测试芯片的尺寸为2 4 1 1 n h n ，采用9 0 姗 c m o s 工艺集成了所有必需的接收器功能块，包括天线、低噪声放大器、混频器( 下变 频器) 和锁相环( p l l ) 合成器，工作频率为6 0 g h z 的毫米波通信芯片【8 】。g a a s 模块 需要单独采用b o n d i n gw i r e 集成天线和合成器。最终的产品不仅尺寸庞大，而且成本昂 贵。相比之下，东芝的c m o s 器件可以将工艺成本降低至g a a s 模块成本的l 1 0 ，用于 测试的芯片工作于6 1 5 g h z 频率范围，功率增益为2 2 d b 。 关于r o f 网络的o c d m a 多址方案，文献 9 给出了采用光素数码和伪随机的直接 光交换码分多址方案，理论上分析了系统性能，并进行了简单的实验验证。但采用的扩 频码是性能不理想的一维时间素数码和伪随机码，能支持的r o f 信号的数量严重受限， 性能不理想。关于r o f 的网络结构，目前文献报道的都是采用总线型或树型结构【1 0 1 2 】， 但这两种结构一旦线路出现故障( 如光纤断裂等) ，无自愈能力。 1 2 2 国内研究现状 在国内，许多知名大学和研究机构也十分重视无线光纤传输方面的应用技术研究。 国家8 6 3 计划和国家自然科学基金均设立了r o f 系统方面的研究课题。譬如：由北京大 学、清华大学和武汉邮电科学研究院联合承担的国家8 6 3 项目“基于w d m 的宽带r o f 传输系统”和国家自然科学基金重点项目“毫米波光纤无线系统理论与技术”；由清华大 r o f 宽带接入网复用技术的研究 学、北京邮电大学和上海交通大学承担的国家自然科学基金重点项目“毫米波光纤无线 系统理论与技术”等。 北京大学利用f p 激光器双模锁模自混频，产生了高质量的5 0 g h z 毫米波连续波信 号。利用注入锁模技术实现了6 0 g h z 频段毫米波的全光产生、单边带调制【l 引，并设计 实现了q a m r o f 系统的仿真平台，对多进制调制格式的r o f 信号光纤传输损伤进行了 理论仿真研究制。 清华大学使用双波长光纤激光器，利用光外差法产生了相位噪声小、频率稳定度高 的3 8 6 7 g h z 和6 0 6 3 g h z 微波毫米波信号，产生的毫米波信号的带宽在1 0 l ( h z 以下， 频率漂移在lo m h z 以内，还实验实现了用3 3 g h z 的光学毫米波信号在r o f 的下行链路 承载2 5 g b i t s 数据信号在单模光纤中传输了2 0 妣【l 引。 北京大学研究组对正交频分复用( o f d m ) 信号在光纤无线接入系统中，传输的噪 声特性进行了分析。采用激光器的静态模型对由于激光器非线性所产生的o f d m 信号 的带内噪声和邻道噪声干扰在理论上进行了计算，并分析了光调制技术对系统载噪比的 影响【16 1 。 上海大学研究组开展了o f d m 信号在r o f 光传输系统中性能的仿真研究。分析了 光纤链路中的色散对o f d m 信号性能的影响，给出了色散补偿前后系统性能的仿真结 果【1 7 - 1 8 】。该研究得到上海市重点科学建设项目的帮助。 浙江大学的研究组，用高双折射光纤的色散来产生微波脉冲；提出利用光纤布里渊 双频激光器全光产生微波毫米波，通过选择合适的光纤光栅，可以有选择地使激光器产 生所需的斯托克斯波，抑制其它的斯托克斯波，通过与泵浦光的混频得到微波和毫米波， 实验得到了1 1 g h z 附近的微波输出，通过对激光器的温度控制，可以对产生的微波毫 米波信号进行频率调谐【1 9 1 。 湖南大学研究组在国家8 6 3 计划项目“基于正交频分复用r a d i o o v e r f i b e r 系统的关 键问题研究，资助下，在采用单个电光调制器或者相位调制器进行光波微波转换方面取 得了成果【2 0 - 2 l j 。 1 3 论文主要内容 本文先对光与无线混合( r o f ) 通信系统的原理、关键技术、优势和局限性以及应 用前景做了简单介绍，然后主要对r o f 宽带接入网系统的复用技术做了相关的研究，并 分别对采用o c d m a 技术和w d m o c d m a 相结合的技术的系统做了研究和仿真分析， 分析了码速率和接入基站数目对系统性能的影响。论文的主要内容安排如下： 大连理工大学硕士学位论文 第二章主要介绍了r o f 通信系统的基本概念、关键技术、优势和局限性以及应用前 景等，着重分析了产生光毫米波的三种外调制格式、复用技术，如w d m 技术和o c d m a 技术等。 第三章主要围绕o c d m a 技术，先对o c d m a 码进行了相关介绍和研究，然后对 基于o c d m a 技术的r o f 宽带接入网系统进行了仿真分析，讨论了在异步接入时系统 载噪比同码速率和接入基站数目的关系，并比较了不同的光码应用在该系统中的性能。 第四章主要围绕w d m 和o c d m a 相结合的技术，对w d m 0 c d m a 技术相结合 的系统模型进行了分析，并对采用w d m o c d m a 相结合的r o f 系统进行了仿真，分析 了系统载噪比与波长信道数目和码速率之间的关系。 r o f 宽带接入网复用技术的研究 2r o f 通信系统原理 2 1r o f 的基本概念 r o f 技术就是将无线载波( 微波或射频信号) 调制到光波上，使用光纤代替大气作 为传输媒质进行传输的技术。r o f 系统包括四个部分：中心站( c s ) 、基站( b s ) 、 光纤链路和用户端。系统框图如图2 1 所示，从图中可看出，中心站和基站是通过光纤 连接的，基站的功能是将电信号转换为光信号，光纤仅起到传输的作用，而信号的恢复、 交换、再生等处理都在中心站进行。 图2 1r o f 系统框图 f i g 2 1 b l o c kd i a g r 锄0 fr o fs y s t e m 对于上行信号的传输，基站对接收到的无线信号进行电光转换，转换后的光信号经 过光纤传输到中心站，而在中心站，通过光电检测再将光信号转换成电信号，然后解调 恢复出用户信号。 而下行信号的传输是上行信号的逆过程，中心站利用光器件通过调制、电光转换等 将基带信号调制到无线信号上并转换成光信号，并通过光纤传输到各个基站，基站通过 下变频将无线信号解调下来并通过天线发送出去。 r o f 技术通过光纤链路从中心站来给基站分配射频信号。在窄带通信和w l a n s 系 统中，射频信号的处理都是在基站里完成的，如频率上变频、载波调制以及信号复用等， 而在r o f 系统中，射频信号的这些功能都在中心站集中处理，然后通过低损耗光纤( 如， 大连理工大学硕士学位论文 波长1 5 5 0 衄的为o 3 d b m ，1 31 0 衄的为0 5 d b k 】 n ) 将射频信号分配给各个基站。如 此处理，基站的功能简化，而只有电光、光电转换和放大功能：同时有利于设备共享， 动态资源的分配，简化系统操作和维护，也有利于系统安装和节省成本，尤其是在覆盖 范围广、需要高密度基站的宽带无线通信系统中。图2 2 是一个9 0 0 m h z 的光纤无线系 统实例【2 2 】，它是r o f 链路的最简单形式。图中采用的是直接强度调制的方法，也是最 简单的方法，适合于射频信号频率比较低( 小于1 0 g h z ) 的情况。 1q d jf j b r e iq d j f i b r e jl 图2 29 0 0 m h z 光纤无线系统 f i 醇29 0 0 m h zf i b e r r a d i os y s t e m 2 2r o f 系统的关键技术 国内外关于r o f 技术的研究，目前主要集中于中心站光毫米波的全光产生、调制、 光纤传输过程中的损耗和色散、高频率的收发模块和相关器件等单元技术和器件上。本 节主要介绍r o f 系统中的光调制技术、复用技术和光放大技术。 2 2 1 光调制技术 如何将电信号加载到光载波上是光通信技术的基本问题之一，也是r o f 通信系统的 基本问题。一般有两种方式，最简单的是直接调制方式，它只能应用在低频系统中，还 有一种是外调制方式，它适用于高速系统。下面对这两种技术做简单的介绍： ( 1 ) 直接调制技术 直接调制技术是产生毫米副载波的最简单方法，它仅适用于半导体光源( l d 和 l e d ) ，这种方法是把要传送的信息转变成电流信号注入l d 或l e d 中，如图2 3 所示， 先将数字信号调制到本地振荡信号上，然后作为直接调制激光器的驱动电流，通过驱动 电流的改变输出光波的功率，实现光强度调制。 r o f 宽带接入网复用技术的研究 数据 图2 3 直接调制原理图 f i g 2 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo fd i r e c tm o d u l a t i o n 直接调制的方法简单、成本低、容易实现，是光纤通信中最常使用的调制方式，但 由于l d 和l e d 的弛豫振荡和频率啁啾特性，该方法只能应用在低频系统，例如1 0 g h z 以下。实际上，激光器直接调制所产生的毫米波最高频率在实验室也只有3 0 g h z 左右【2 3 1 。 这是因为弛豫振荡和阻尼速率随工作电流而变化，工作电流增大，它们也增大，而调制 频率越接近弛豫振荡频率，弛豫振荡的影响就越明显，这会造成信号的严重畸变失真， 限制模拟调制的最大频率，同时也限制了系统调制速率和带宽。此外，激光器的频率啁 啾特性也限制了系统的输出速率和距离，这是由于频率啁啾会展宽输出光谱的带宽，使 光谱特性变差。 ( 2 ) 外部调制技术 外部调制技术可以提供很高的调制带宽，如2 0 4 0 g h z ，调制频率也很高。它的基 本原理就是将本地振荡信号通过外部光学调制器( 如马赫一曾德尔干涉仪调制器) 调制 到光载波上。 外部光学调制器主要有基于晶体电光效应的电光调制器、晶体磁光效应的磁光调制 器、介质声光效应的声光调制器和半导体p n 结对光的吸收效应的电吸收调制器等，其 中，电光调制器和电吸收调制器是最常用的。在电光调制器中，铌酸锂光波导获得了广 泛的应用，因为它的折射率变化最明显而且稳定。 铌酸锂光波导的工作原理是，当在铌酸锂光波导的电极上，施加上一定的电压，铌 酸锂介质材料的折射率将随外加电压的变化而变化，光的传输特性则可受控于外加电 压，呈现出光参量的变化。因此，电极上的微波信号的变化会使光波导的折射率参数发 生变化，进而使光信号的相位、幅度、偏振特性也产生相应的变化，从而实现光调制器 的功能。 在这里，以马赫一曾德尔干涉仪调制器为例，具体阐述调制器电极信号的变化引起 的调制格式的变化。图2 4 为马赫一曾德尔干涉仪型的l i n b 0 3 调制器结构示意图。 大连理工大学硕士学位论文 v 2 图2 4马赫一曾德尔干涉仪型的l i n b 0 3 调制器的结构示意图 f 遮2 4 s c h e m a t i cd i a 笋锄o fl i n b 0 3m z lm o d u l a t o r 设调制器输入光场为瓦= 1 置i p 俐，其中，哝为光载波的角频率，则调制器的输出 信号为【2 4 】 瓦= 而丝 加2 ( f ) ，哪匕d c j + ( 1 一y ) 矾( ，) 忉- ，) ( 2 1 ) y = ( 1 一毒= ) 2( 2 2 ) q s r 其中，f 门j g ，打d 玎z o s s 为插入损耗( 理想情况下为o ) ，y 为功分比( 理想情况下为0 5 ) ， v l ( r ) 、v 2 ( f ) 分别为射频调制电信号，k 。，、圪船：分别为调制器两臂直流偏置电压，圪d c 为开关偏置电压，圪肚为开关射频电压。 理想情况下，e ( f ) 为 乞( ，) ：冬卑( p 州，) + g 刚) ) ( 2 3 ) 破) = 苫l ( k ) + 圪泗。) ( 2 。4 ) ，e d c 珐) = i 斗( 吃p ) + 圪埘2 ) ( 2 5 ) yg d c ：e ( f ) c 。s ( 掣) p ，华 + ( 2 6 ) 其中，h ( f ) = 巧。s i n ( q f + 仍) ，吃( ，) = 圪。s i n ( q f + 仍) ；k ，、圪。，q 、哆，妇、仍 分别为加在上下两臂的射频信号的幅度、频率和相位。 由式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 、( 2 5 ) 和( 2 6 ) 可知，改变输入电压信号和偏压，就可实 现不同的调制格式。下面以数据速率为2 5 g b s ，载波频率为4 0 g h z 的光调制的实现为 例，来说明其原理。 双边带( d s b ：d o u b l e s i d e b a n d ) 调制格式的实现 r o f 宽带接入网复用技术的研究 当彳= 五= 五= 4 0 g h z ，k 。= 圪2 ，坞卅= 圪2 ，仍= 仍= o 。，圪删= 圪2 ，圪协2 = o 时，调制框图如图2 5 所示，输出光场与输入光场之间的关系为 耻孚驰夸 ( 2 7 ) 本地振荡器 v b i a s 2 = v “2 图2 5d s b 调制格式的实现框图 f i g 2 5i m p l e m e n t a t i o nd i 雒；r a mo fd s b m o d u l a t i o n 调制器的参数如图2 5 所示，由于最终输出信号的频谱图包含两个边带，所以称为 d s b 调制格式。 单边带( s s b ：s i l l g l e ) 调制格式的实现 当石= 五= 厶= 4 0 g h z ，k 。= 2 圪2 ，砭。= 2 圪2 ，仍= o 。，仍= 9 0 。， 圪协。= 匕2 ，圪舾：= o 时，调制框图如图2 6 所示，输出光场与输入光场之间的关系为 e w = 既( r ) c 。s 三s i n ( r 一三) + 三 e 儿詈s i n ，+ 争弓1 ( 2 8 ) 大连理工大学硕士学位论文 脉冲发 生器 主滞。li 激光器数据序列| | 似儿稍 e i n v b 畸l = 0 v 1 一_ l l 一中2 v 2 v b i 勰2 = vx 2 9 0 度相 移器 本地振荡器 电4 。g 。啪陀 图2 6s s b 调制格式的实现框图 f i g 2 6i m p l e m e n t a t i o nd i a g r a m0 fs s bm o d u l a t i o n v b i 笛2 = 0 调制器的参数如图2 6 所示，由于最终输出信号的频谱图包含单个边带，所以称为 s s b 调制格式。 光载波抑制( o c s ：o p t i c a lc a 耐e rs u p p r e s s i o n ) 调制格式的实现 当石= 五= 五= 2 0 g h z ，k ，= 吆，= 圪，仍= 0 4 ，仍= 1 8 0 。，圪伽。= 圪，圪腓2 = o 时，调制框图如图2 7 所示，输出光场与输入光场之间的关系为 本地振荡器 图2 7o c s 调制格式的实现框图 f i g 2 7i m p l e m e n t a t i o nd i a 黟锄o fo c sm o d u l a t i o n ，= 瓦( r ) c 。