（光学专业论文）rof系统中光载毫米波信号产生方法的研究.pdf

r l l l l iii i ir r lli ir li ii if y 17 5 8 7 9 7 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。 本人签名：箍 瑾 日期： 兰! 应垒三! | ! 墨垦 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一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：筮 叠 日期： 2 1 墨墨! 习! 墨露 导师签名：么釜童签 日期：旌! 旦：三：! 星 北京邮电大学硕上论文 r o f 系统中光载毫米波信号产生方法的研究 摘要 未来无线通信的发展方向是宽带无线通信，它具有更高带宽以及更大容 量。为了实现这一目标则必然要提高其工作频率，然而随着工作频率的提 高，无线信道的损耗也将增加。为了解决这个问题，提出了r o f ( r a d i oo v e r f i b e r , 光载射频) 技术，它集合了光通信和无线通信各自的优势，为用户提 供了解决大容量( g b i t s 以上) 、高带宽以及移动性等问题的理想方案。r o f 系统中需要在中心站产生光载毫米波信号。本文内容围绕着光载毫米波信 号的产生方式来展开，主要包括两大方面：一是总结并分析了现存的光载 毫米波产生方式，二是提出了性能优越的新颖的毫米波产生方法。 第一方面包括：介绍了直接调制技术，理论推导了利用直接调制技 术产生的光载毫米波信号的频谱结构。总结了光外差调制技术，理论推 导了利用光外差调制技术产生的光载毫米波信号的频谱结构。分析了光外 差法的最大缺点对两拍频光束之间的相位相关性要求很高，针对这个 缺点详细说明了四种改进方案：宽光源滤波法、注入锁定相位法、光学锁 相环法和光注入锁相环法。介绍了频率上变换技术，阐述了利用四波混 频( 删) 和利用相位调制器( p m ) 两种方案来实现中频信号的频率上变 换。总结了传统外部调制技术，阐述了如何通过对调制器的偏置以及射 频本振的加载来产生双边带( d s b ) 、单边带( s s b ) 和光载波抑制( o c s ) 三种结构的光载毫米波信号，并对这三种结构的光载毫米波信号的链路性 能进行了仿真分析。 第二方面是提出了改进外部调制技术，它的思路是：产生某一种结构的 光载毫米波信号，它只有两个频率成分，并且只让其中一个频率成分携带 信息。此类结构的光载毫米波信号可以消除上述两种效应，以实现更长距 离、更佳性能的传输。详细阐述了三种改进外部调制方案单载波携带 信息的s s b 结构光载毫米波信号的产生、单边带携带信息的o c s 结构光载 毫米波信号的产生、载波和奇数边带都抑制的光载毫米波信号的产生。在 此，特别要强调的是最后一个方案：一种基于外部集成的马赫曾德调制器 产生频率为射频本振四倍的光载毫米波信号的方案，该方案有强度调制和 相位调制两种实现方式，基于它所搭建的码速率为1 0 g b i t s 的r o f 系统， 强度调制和相位调制下传输6 5 k m 后的接收灵敏度分别为2 8 3 d b m 和 2 4 d b m ，传输1 0 0 k m 后的误码率在1 0 4 量级，并且系统在基站不需要光源， 北京邮电大学硕二l 论文 上行链路的光载波由中心站提供，性能十分优越。 关键词光载射频光载毫米波信号直接调制光外差调制外部调制 频率上变换 北京邮电大学硕士论文 r e s e a r c ho nt h eg e n e r a 兀o n0 f0 p t 【( a lm m ，a v e s i g n a li nr o fs y s t e m a b s t r a c t i n c r e a s i n go p e r a t i o nf r e q u e n c yt oa c h i e v eh i g h e r b a n d w i d t ha n dl a g e r c a p a c i t yi sn e c e s s a r yi nf u t u r eb r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s h o w e v e r , l o s so fw i r e l e s sc h a n n e lb e c o m e sl a r g e ra sf r e q u e n c yi n c r e a s e s r o ft e c h n o l o g y , c o m b i n i n gt h ea d v a n t a g e s o fo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n sa n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，w h i c hc a np r o v i d eh i g hb a n d w i d t ha n dl a r g ec a p a c i t y ( a t g b i t sl e v e l ) a sw e l la sm o b i l i t yf o ru s e r s ，i sp r o p o s e dt oe x t e n dt h et r a n s m i s s i o n d i s t a n c eo fm m w a v ee f f e c t i v e l yo w i n gt ol o wl o s s o p t i c a lm m w a v es i g n a l n e e d st ob eg e n e r a t e di nt h ec e n t r a ls t a t i o no fr o f s y s t e m g e n e r a t i o no fo p t i c a l m m w a v es i g n a l si si n v e s t i g a t e di nt h i sa r t i c l e ，i n c l u d i n gt w oa s p e c t sa sf o l l o w s o no n eh a n d ，e x i s t e n tm e t h o d so fg e n e r a t i o no fo p t i c a lm m w a v es i g n a l sa r e s u m m a r i z e da n da n a l y z e d o nt h eo t h e rh a n d ，s e v e r a lp r e d o m i n a n ta n dn o v e l m e t h o d sa r ep r o p o s e d t h ef i r s ta s p e c ti n c l u d e st h ef o l l o w i n gp a r t s t h ef i r s t ，w ei n t r o d u c et h e d i r e c tm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y , a n dc a l c u l a t et h es p e c t r u mo fo p t i c a lm m w a v e s i g n a lg e n e r a t e db yt h i st e c h n o l o g y t h es e c o n d ，w es u m m a r i z et h eo p t i c a l h e t e r o d y n i n gm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y , a n dc a l c u l a t e t h es p e c t r u mo fo p t i c a l m m w a v es i g n a lg e n e r a t e db yt h i sm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y w h a t sm o r e ，w e a n a l y z et h em o s td i s a d v a n t a g eo ft h i st e c h n o l o g yt h a t i tn e e d se x c e l l e n tp h a s e r e l a t i v i t yo ft w ob e a t i n gb e a m s ，w i t hw h i c hw ep r o p o s ef o u rm e t h o d st od e a l ， i n c l u d i n gt h em e t h o do fs e l e c t i n go p t i c a lc a r r i e rf r o mt h ew i d es p e c t r u mo p t i c a l s o u r c e ，t h em e t h o do fo p t i c a li n j e c t i o nl o c k ( o i l ) ，o p t i c a lp h a s e l o c k e dl o o p ( o p l l ) ，a n do p t i c a li n j e c t i o np h a s e l o c k e dl o o p ( o i p l d t h et h i r d ，f r e q u e n c y u p - c o n v e r s i o nt e c h n o l o g y i si n t r o d u c e d w eu s ef w me f f e c to f p h a s e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yt or e a l i z ef r e q u e n c yu p c o n v e r s i o n t h ef o u r t h ，w e s u m m a r i z et h ec o n v e n t i o n a le x t e r n a lm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y , a n di l l u s t r a t et h a t t h r e ed i f f e r e n ts p e c t r a ls t r u c t u r e sc a nb eg e n e r a t e db ym o d u l a t o rw i t hd i f f e r e n t 北京邮电丈学硕士论文 c o n f i g u r a t i o n s ，i n c l u d i n gd o u b l es i d eb a n d ( d s b ) s t r u c t u r e ，s i n g l es i d eb a n d ( s s b ) s t r u c t u r ea n do p t i c a lc a r d e rs u p p r e s s ( o c s ) s t r u c t u r e w ea n a l y z el i n k p e r f o r m a n c eo ft h e s et h r e es t r u c t u r e so fo p t i c a lm m w a v es i g n a l st h r o u g h s i m u l a t i o n t h es e c o n da s p e c ti st h a tw ep r o p o s et h eo p t i m u me x t e r n a lm o d u l a t i o n t e c h n o l o g y i no r d e rt oa t t a i nt r a n s m i s s i o nw i t ha b e t t e rp e r f o r m a n c ea n da f a r t h e rd i s t a n c e ，i ti si n v e s t i g a t e dt og e n e r a t eak i n do fo p t i c a lm m w a v es i g n a l ， c o m p r i s i n gt w of r e q u e n c yc o m p o n e n t st h a to n ec a r r i e sb a s e b a n ds i g n a lw h i l e t h eo t h e ri sb l a n k ，t oo v e r c o m ep o w e rp e r i o d i c a lf a d i n ga n dt i m es h i f to ft h e s i d e b a n d sw h i c ha l w a y se x i s t i nc o n v e n t i o n a lg e n e r a t i o ns c h e m e s t h r e e o p t i m u m e x t e r n a lm o d u l a t i o n s c h e m e s ，i n c l u d i n g s s bs t r u c t u r e o p t i c a l m m - - w a v ew i t hs i g n a lo n l yo no p t i c a lc a r r i e r , o c ss t r u c t u r eo p t i c a lm m - w a v e w i t hs i g n a lo n l yo no n es i d e b a n d ，c a r r i e ra n do d ds i d e b a n d ss u p p r e s s e do p t i c a l m m w a v ew i t h s i g n a lo n l y o no n es i d e b a n da r e d e m o n s t r a t e d h e r e ，w e e m p h a s i z et h el a s ts c h e m e i ti san o v e ls c h e m et og e n e r a t em m w a v ew h e r et h e q u a d r u p l i n go fl o c a lr a d i of r e q u e n c yi sf o r m e db yu s i n ga ne x t e r n a li n t e g r a t e d m a c h z e h n d e rm o d u l a t o rt h r o u g hi n t e n s i t ym o d u l a t i o no rp h a s em o d u l a t i o n r e c e i v e rs e n s i t i v i t yo f1 0g b i t sr o f s y s t e mb a s e do nt h i ss c h e m ei s 一2 8 3d b m u n d e ri n t e n s i t ym o d u l a t i o nw h i l e 一2 4d b mu n d e rp h a s em o d u l a t i o na f t e r6 5k m t r a n s m i s s i o n ，a n db i te r r o rr a t e ( b e r ) i sa t1 0 4l e v e la f t e r1 0 0k m t r a n s m i s s i o n o p t i c a lc a r t i e r i nu p l i n ki sp r o v i d e db yc e n t r a ls t a t i o n t os i m p l i f yt h eb a s e s t a t i o n ，w h i c ha l s or e d u c e st h ec o s to fb a s es t a t i o n k e yw o r d sr a d i oo v e rf i b e r ( r o f ) o p t i c a lm m - w a v es i g n a l d i r e c tm o d u l a t i o n o p t i c a lh e t e r o d y n i n gm o d u l a t i o n e x t e r n a lm o d u l a t i o n f r e q u e n c yu p c o n v e r s i o n 北京邮电人学硕士论文 目录 目：录i 第一章绪论1 1 1 宽带无线通信技术的发展1 1 2r o f 技术简介2 1 3 本文工作介绍5 第二章直接调制、光外差调制以及频率上变换技术。7 2 1 直接调制法7 2 2 光外差调制法。8 2 3 频率上变换技术1 1 2 4 本章小结1 3 第三章传统外部调制技术1 4 3 1 双边带( d s b ) 光载毫米波信号1 5 3 2 单边带( s s b ) 光载毫米波信号1 9 3 3 光载波抑制( o c s ) 毫米波信号。2 3 3 4 本章小结2 6 第四章改进外部调制技术2 8 4 1 单载波携带信息的s s b 结构光载毫米波信号2 8 4 2 单边带携带信息的o c s 结构光载毫米波信号3 0 4 3 载波和奇数边带都抑制的光载毫米波信号【2 2 1 3 3 4 4 本章小结。3 8 第五章总结和展望。3 9 参考文献：4 1 致谢4 3 攻读学位期间发表的学术论文目录。4 4 北京邮电大学硕仁论文 2 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 通信就是信息的传递，是指由一地向另一地进行信息的传输与交换，其目的是传输 消息。从1 8 3 7 年美国人摩斯发明电报机至今，现代通信已经历了一两百年的发展。随 着社会的进步，人类对通信的要求越来越高。一方面，1 9 6 6 年高锟先生发表了题为光 频率介质纤维表面波导的论文，预示着光纤通信时代的到来。掺铒光纤放大器( e d f a ) 的发明以及波分复用( w d m ) 系统的提出，开辟了光纤通信的崭新时代。光纤通信蓬 勃发展着。另一方面，从2 0 世纪8 0 年代初的第一代模拟移动通信系统到现在即将商用 的后三代( b 3 g ) 移动通信系统，移动通信技术正以前所未有的速度向前发展。 目前，多媒体业务需求的增加以及互联网技术的迅猛发展，人类期待在任何时候、 任何地方和任何人进行不问断的大容量高速率的通信，于是宽带无线通信成为了当今的 热门f 。 1 1 宽带无线通信技术的发展 要实现以上目标，必须大力发展宽带无线通信。然而，当前宽带无线通信的瓶颈在 于接入技术以及接入网的发展。第四代移动通信要求下行峰值速率在1 0 0 m b i u s ，上行 峰值速率在5 0 m b i f f s ，但是随着社会的发展，这样的速率将不能满足人类业务的需求， 人们希望速率还能继续提高。 我们知道，通信容量可粗略表示为：容量( c ) = 带宽资源频带利用率。为了不 断提高容量，人们首先想到的是如何提高频带利用率。在未来的长期演进( l 】卫) 通信 系统中，其频带利用率是：下行- - - - 5b i w h z ( 3 至4 倍于r 6 版本的高速下行分组接 入 ) ；上行叫5b i v s h z ( 2 至3 倍于r 6 版本的高速下行分组接入 ) 。 可以说，每一次频带利用率的提高都是一次移动通信技术的换代。为了提高频带利用率， 必然需要涌现新的调制技术，从2 g 全球移动通信系统( g s m ) 的高斯最小频移键控 ( g m s k ) ，到3 g 的码分多址( c d m a ) ，再到4 g 的正交频分复用( o f d m ) ，人类一 次又一次的把频带利用率提高，目的是为了不断提高通信速率，扩大容量。然而，尽管 人类通过技术革新一次又一次地逼近香农极限，但是，香农极限是不可能被超越的。因 此，为了满足人类对容量与日俱增的需求，必然要在带宽资源上打开缺口! 那么我们现 有的，无线通信正在利用的带宽资源1 2 j 又是怎样的情况呢? 3 0 0 0 g h z 以下的频谱称为无线电波，国际电联划分了9 k h z 4 0 0 g h z 的使用范围。 由于低频段无线电波在大气中传输时的损耗要比高频段的小得多，所以低频段相比高频 段在相同发送功率前提下的覆盖面要大，这意味着低频段更具移动性。目前，无线业务 北京邮电大学硕上论文 大多集中在6 g h z 以下：广播和电视业务的频率低于8 7 0 m h z ；第二代移动通信的频率 在9 0 0 m h z ( 称为p g s m ) 和1 8 0 0 m h z ( 称为d c s l 8 0 0 ) 附近；第三代移动通信频段 为2 g h z 频段附近2 3 0 m h z 的频带( i m t - 2 0 0 0 1 8 8 5 2 0 2 5 m h z 和2 1 1 0 2 2 0 0 m h z ； 卫星移动通信：1 9 8 0 2 1 1 0 m h z 和2 1 7 0 2 2 0 0g h z ) ；卫星电视频段：分为c ( 4 8 g n z ) 、 k u ( 1 2 1 8 g h z ) 两个波段。低频段已经非常拥挤，并且低频系统载波频率低，能提供的 带宽小，因而限制了它承载高速率业务的能力。因此，必须将中频段以及高频段有效的 利用起来，不仅带宽资源扩展了，而且能发展高速率( g b i t s 以上) 的业务。 当前，4 0 g h z 以上的无线电波几乎没有被使用，一方面这是由于4 0 g h z 以上高频 段的大气损耗大，最高可达到1 5 d b k m ，例如6 0 g h z 毫米波，它通过厚玻璃就会有4 d b 的功率损耗，穿过1 5 c m 厚的水泥墙有3 6 d b 的损耗，这么大的损耗是难以组成大的蜂 窝网的；另一方面，产生4 0 g h z 以上的高频电子设备非常昂贵，成本很高。 但是，从另一角度而言，对于短距离( 小于l k m ) 通信和室内通信，1 卜1 5 d b k m 的衰减不仅不会对通信性能有较大影响，而且对远距离( 大于2 k m ) 的信号干扰有天然 的空间隔离度。因此，若把高频段组成微小蜂窝网，可以提高频谱复用率，也就是把它 高损耗这个劣势变成了优势。并且6 0 g h z 频段的毫米波能提供8 g h z 无线带宽，这个 优势对于低频段系统是无法比拟的。所以4 0 c r - - 7 0 g h z 波段的毫米波将成为未来无线通 信考虑的首要波段i 引。 非常热门的未 北京邮电大学硕士论文 图1 - 1r o f 系统框图 上图所示，r o f 通信系统主要由中心站( c e n t e rs t a t i o n ，c s ) 、基站( b a s es t a t i o n ，b s ) 、 连接c s 和b s 的光纤链路以及用户这四部分组成。链路包括上行( 用户至基站至中心 站) 和下行( 中心站至基站至用户) 两条链路。一个中心站与多个基站互连，基站与用 户之间通过空中接口互连，空中接口互连适用于任何无线通信技术标准( 例如g s m ， w c d m a ，w i w a x ，l t e 等等) 。r o f 系统中，将携带某种频率( 毫米波、中频、基带) 信号的光波称为光载某频率信号。 上行链路中，基站将接收到的射频信号进行频率下变换，再经电光转换后传输到中 心站，最后中心站利用光电探测得到上行信号。 下行链路中，中心站除了有解调来自其它中心节点的消息外，还有产生光载某频率 信号的作用。根据光所载信号的种类不同，r o f 系统可分为三种：光载基带信号传输、 光载中频信号传输以及光载毫米波信号传输。光载基带信号传输是在中心站中，将基带 信号直接调制到光载波上，经光纤传输到基站后进行解调，最后在基站进行频率上变换 到射频，发送出去；光载中频信号传输是在中心站中，基带信号先经过中频( l 波段的 微波，例如1 2 g h z ) 调制，然后再将产生的中频信号调制到光载波上，经光纤传输 到基站进行解调，解调出的中频信号再经频率上变换到射频，发送出去；光载毫米波信 号传输是在中心站中，基带信号先调制到毫米波频段，成为毫米波信号，再将毫米波信 号调制到光载波上成为光载毫米波信号，经光纤传输到基站，在基站拍频后直接产生毫 米波信号，发送出去。三种r o f 系统中，光载基带信号在光纤中传输时色散影响可以 忽略，但它在基站需要昂贵的本地振荡器以及信号处理器，基站成本很高；光载中频信 号在光纤中传输时色散影响较小，但它在基站也需要用于频率上变换的本地振荡器，因 此它基站成本也比较高；光载毫米波信号在光纤中传输时，色散影响很大，但它在基站 不需要本地振荡器，只需要一个光电探测器，基站成本比前两者要小得多。 考虑到r o f 系统是小区制系统，为了保证一定面积的覆盖，它的基站数量必然要增 多，因此为了降低整个r o f 系统的成本，必须要使基站结构简化，功能简单。假如每 个基站都需要一个本地振荡器，那么r o f 系统的成本将会非常大。所以，尽管存在色 散的影响，光载毫米波传输要比其它两种方式更有优势。除此之外，把信号的处理、管 理控制等功能都集中在中心站，以实现资源共享，基站只有光电电光转换、射频信号放 大以及简单的无线信号收发等功能，一方面降低了系统成本；另一方面也便于系统和网 3 圈 、v i l 北京邮电大学硕上论文 络的升级。 由于上行链路中，基站需要将接收到的信号调制到光载波上，然后传输到中心站中， 因此，基站需要光载波。如果让每个基站都配有一个光源，那么这显然也是不经济的做 法。为此，我们可以想法让中心站来提供给基站光载波，这样在基站中就不需要光源了， 具体做法是：在中心站产生一个不携带任何信息的空频率成分，让它与产生的光载毫米 波信号一起耦合进光纤中传输到基站，基站先将这个空的频率成分滤出，然后再进行光 电探测。滤出的这个空频率成分经放大后，用作上行链路的光载波，这样，在基站就不 需要光源了，r o f 系统的成本将再次降低很多。 r o f 网络的基本拓扑结构【3 1 分为三种：星型、环形、总线型。如下图所示： 个独 和各 光载 的光 输到 ，中 光载 中上 模光 宽资 窗口 有其 毫米 北京邮电入学硕士论文 波信号的产生，频率上下变换等等。损耗小：普通单模光纤在1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 n m 附 近的损耗分别为0 5 d b k m 和0 2 d b k m ，这是同轴电缆或者空中接口无法比拟的，因此， r o f 系统的传输距离更长，并且所需要的功率也更低。资源可动态分配：由于大部 分功能都集中在中心站，基站功能和设备简单，因此，基站安装与拆除非常方便，这有 利于资源的分配。并且，r o f 系统的换代只要通过对中心站的改进即可。抗地磁干 扰好，保密性好，这些都是光纤通信所具有的优势。当然，r o f 系统也会遇到一些局限 性，例如，激光器噪声、光纤色散，非线性效应等等。但瑕不掩瑜，我们可以通过技术 改进来消除它们的影响。 其实早在2 0 0 0 年悉尼奥运会上，r o f 技术就得到了使用。r o f 技术在未来可以有 以下应用【& 9 j ：用于组成小区制蜂窝网，可以扩大局域网甚至是城域网的覆盖范围及容 量；用于组建室内无线局域网，以扩大无线接入速率( 可达到g b i t s ) 。用于卫星通信， 把远端的天线基站安排在卫星地面站附近，以实现卫星地面站与中心控制室之间的信号 传输。还可用于视频分布系统、交通系统等等。可以说，r o f 技术一定能能使宽带无线 接入迈入一个崭新的时代1 1 3 本文工作介绍 本文研究的是r o f 系统中光载毫米波信号的产生方式，包括直接调制技术、光外差 调制技术、频率上变换技术以及外部调制技术。对上述四种技术进行理论推导以及仿真 分析，并对这四种调制技术产生的光载毫米波信号的链路性能进行讨论，以及它们在光 纤中传输时出现的现象进行解释。指出了每种技术方案的优缺点，以及如何改进。本文 写作思路是：综合考虑各种因素( 例如性能、成本、复杂度等) 后，从劣至优层层递进， 对每种技术一一进行分析，最后的外部调制法是本文的重点研究方向，并且在外部调制 法中不断提出改进措施，以达到光载毫米波信号产生方法的最佳实现。本文的结构安排 如下： 第一章介绍宽带无线通信技术的发展，论证r o f 技术出现的必然性，以及对r o f 技术和本文所做的工作进行简单介绍。 第二章总结了直接调制技术、光外差调制技术以及频率上变换技术。理论推导了直 接调制法，并分析其优缺点；理论推导了光外差调制技术，并分析其优缺点，并针对其 缺点提出了四种改进方案；仿真分析了两种频率上变换方案，并提出了它们各自的优缺 点。最后，对这三种技术进行了总体评价。 第三章总结了传统外部调制法，以及如何产生三种结构( d s b ，s s b 和o c s 结构) 的光载毫米波信号，从理论和仿真两方面分析了这三种结构的光载毫米波信号各自具有 的优缺点。 第四章针对传统外部调制法的缺点提出了三种改进型外部调制法，对三种改进型外 5 北京邮电大学硕士论文 部调制法进行了仿真分析。特别地，提出了四倍频光载毫米波信号的产生，以及基于它 搭建的性能优越的r o f 系统。 第五章对r o f 技术及其光载毫米波信号的产生方式进行总结和展望。 6 北京邮电大学硕士论文 第二章直接调制、光外差调制以及频率上变换技术 直接调制技术f 1 0 】就是利用射频信号直接调制连续光激光器的驱动电流，以产生光载 毫米波信号。直接调制法是所有光载毫米波信号产生方法中最容易、最简单、成本最低 的方法，但性能也是最差的。 光外差调制技术【1 1 l 就是产生两个频率光波，频率间隔为我们所需射频信号的频率， 并让让其中一个光波携带信息，这种调制方法为光外差调制法。光外差法在所有光载毫 米波信号产生方法中最容易产生高频射频信号，并且结构较为简单，但它也存在相位噪 声等问题。 频率上变换技术就是把中频信号转换成射频信号的一种技术。 下面我们对这三种技术进行分析。 2 1 直接调制法 直接调制法的实现框图如下所示： 匡三互丑p 回 l m o u t p u t l 亚卜 c 、i d 图2 - 1 直接调制法实现框图 如图2 - 1 所示，基带信号与射频本振混频后去驱动连续光激光器( c w - l d ) ，这样 从c w - l d 中出射的光波即为光载毫米波信号。 假设基带信号为彳( f ) ，本振l o 的频率为叶，那么混频器中出来的电信号为 a ( t ) c o s ( m f t + 口( f ) ) ；设c w - l d 的中心频率为，c w - l d 的输出信号为 e o ) = e o e x p ( j c o o t + 驴( f ”，那么混频信号驱动c w - l d 后，c w - l d 输出的光载毫米波信 号【3 】为： e o ) _ 【d + 口，彳( f ) p “v + 1 + 乜2 彳o ) k 爪+ 叶弦+ 霸。1 + e 小蜘一叶弘+ n 。1 】( 2 - 1 ) 其中d 为常数，a 为衰减系数。从上式可看出，光载波、1 阶分量以及+ 1 阶分量都 有数据信息。因此，在接收端进行拍频，就能产生频率为本振频率的毫米波信号。 7 北京邮电人学硕士论文 直接调制法成本低，实现复杂度低，但是直接调制法的调制带宽很有限，只有几个 g h z ，原因在于c w - l d 有弛豫振荡和频率啁啾特性随着电流的增加，弛豫振荡频率 和阻尼速率也会增大。当调制频率达到弛豫振荡频率时，弛豫振荡明显，非线性效应严 重，从而使得信号发生严重畸变。此外，直接调制法的频率响应度很低，由于激光器的 频率啁啾，会造成输出光谱的展宽，光谱特性因而降低，传输距离受限。因此，直接调 制法只适用于低频系统，对高频系统还需要寻求高调制带宽和速率，高频率响应度的调 制方法。在接下来的一节中讨论的光外差调制法，以及下一章讨论的外部调制法都能满 足高频系统的需求。 2 2 光外差调制法 外差调制法的原理框图如下所示： b a s eb a n ds i 弹i ) l c o u p l e r，仁 m j 图2 2 外差调制法原理图 两个激光器的输出光经耦合器耦合后，输入到一个光调制器中，基带信号经调制器 强度调制到光波上，出射的光波即为光载毫米波信号。 假设l d l 和l d 2 的中心频率为f l 和f 2 ，那么从耦合器中出射的光波表示为： e o ( t ) la le x p j ( 2 石f l t + 0 1 ( t ) ) + , 4 2e x p j ( 2 万f 2 t + 0 2 ( t ) ) 。其中b o ) 和睦o ) 分别是l d l 和 l d 2 的初相位。那么从m z m 调制器中出射的光波可表示为： 墨o ) = d o ) 似e x p j ( 2 万序+ q o ) ) 】+ 4e x p j ( 2 坷f = , t + 吼o ) ) 】 仡2 、 在不影响对该光波光电转换时的性能分析的前提下，假设背靠背( b t - b ) ，光电探 测的光电流为： ，o ) 一d 2 ( t x 4 2 + 彳) + 2 d 2 0 m c o s 2 石( a 一 y + 【岛( f ) 一b o ) 1 f r 2 3 、 从2 3 式可以得出两个结论：产生了频率为，2 一五的射频信号；由于岛o ) 和 吼【f ) 具有随机性，因此产生的射频信号具有很大的相位噪声，带宽展宽1 3 1 。 由于产生的光载毫米波信号只有两个频率成分，因此光外差法产生的光载毫米波信 号在链路中传输时不会遭受功率周期性涨落效应，原因将在第三章中说明。然而，利用 上述光外差法产生的光载毫米波信号在传输链路中会遭受码边走离效应，这是由于光载 8 北京邮电大学硕士论文 毫米波信号有两个频率成分，并且每个成分都携带有相同的基带信息。码边走离效应会 限制光载毫米波信号的传输距离，这会在第三章中进行详细讨论。为了抑制光载毫米波 的码边走离效应，我们可以只让其中一个频率成分携带信息，另一个成分不携带任何信 息，这样，光载毫米波信号能传输更远的距离，链路性能大大提高。下图为其实现方式 【1 2 l ： 如e b a n d 蛔 ll t。，、，f 。f ， w 营i 圃且 i 竺型j f i 。fo 。 。f f w a v ed i v i s i o nw a v ed i v i s i o n d e m u i t i p l e x e rm u l t i p l e x e r 图2 - 3 单频率成分携带信息的光外差调制法 上图所示，宽光源出射的光波经透射型光栅选出两个光频率成分，两成分的频率间 隔为我们所需的射频频率。然后经波分解复用器将两频率成分分离，基带信号强度调制 到其中一个频率成分上，然后利用波分复用器将两成分重新合在一起，产生的信号即为 光载毫米波信号。此方案除了有能抑制码边走离效应的优点外，另一个优点就是：它相 比于用两个激光器的方案，相位噪声要低很多。这是由于这两个频率成分是从同一宽光 源中选出的，相比于两个独立地激光器而言，相位相关性要大的多。 光外差调制法的一个很大缺点就是相位噪声，为了减小相位噪声的影响，必须提高 两光束的相位相关性。为此，我们将锁相技术应用到光载毫米波信号的产生上，有如下 几种方式。 注入锁定相位技术1 3 】 从激光器 基带信号 图2 _ 4 利用注入锁定相位技术的外差调制法 上图所示，主激光器经射频振荡器直接调制后产生两个边带，入射到1 2 的3 d b 耦合器中。两从激光器要求是窄线宽激光器，它们会分别被锁定在两个边带上。基带信 号强度调制到其中一个边带上，再经2 1 耦合器，输出即为光载毫米波信号。由于两 个边带的相位相关性较高，所以产生的光载毫米波信号的相位噪声较小，光电探测后产 生的射频信号带宽也较窄。 9 北京邮电大学硕士论文 光学锁相环技术f 3 l 图2 - 5 利用光学锁相环技术的外差调制法 上图所示，一个2 2 的耦合器将激光器1 和激光器2 的输出耦合起来，并分成两束， 一束作为输出，另一束入射至w 波段光电探测器中，拍频后产生射频信号。再利用此 射频信号与射频本振间的相差信息去锁定激光器1 的相位，从而使激光器1 的相位锁定 在激光器2 上，这样就提高了激光器1 与激光器2 的相位相关性。 光注入锁相环技术1 1 3 l “ 图2 石利用光注入锁相环技术的外差调制法 光注入锁相环技术是光注入锁定与光学锁相环相结合的技术。上图所示，主激光器 输出的光波分成两束，其中一束耦合进调制器波导，选择调制信号的一个边带，注入从 激光器。另外一束与从激光器出射光波耦合后，经光电探测，拍频得到一个射频信号。 再利用此射频信号与本振的相差去控制从激光器的初始相位，以减小主从两个激光器之 间相位相差的随机性。 除了上述方法之外，还有前馈锁相技术，利用双模激光器技术等等。综上所述，外 差调制法相比直接调制法更易于产生高频毫米波信号，但是它产生的毫米波信号相位噪 声大，两束激光需要很好的相位相关性。为了保证两光束的相关性，需要使用其他技术， 1 0 北京邮电大学硕士论文 从而又增加了光载毫米波信号产生的成本。并且，利用光外差调制法产生的光载毫米波 信号的频谱纯度不够高，所以会影响它的链路性能。在下一章中，我们研究了外部调制 法，它不仅能产生高频毫米波信号，而且频谱纯度很高，此外，它的成本要比光外差法 低，结构也相对更简单。 2 3 频率上变换技术 频率上变换技术也是一种产生高频光载毫米波信号的技术。思路是：先将中频信号 调制到光载波上，而后用射频对其进行调制，调制后会产生多个光频率成分，最后通过 滤波选出所需要的频率成分。 下面阐述两种频率上变换方案。 利用四波混频实现频率上变换1 1 禾1 5 1 c wp ch n o d s fb s fs m fp d b p f 日咽 囡圜母 e w附 |w 1 ) m s 阻l 图2 - 7 基于四波混频的全光波长变换 上图所示，有两个连续光激光器，一个作为泵浦光源，另一个作为信号光源。泵浦 光经偏振控制器入射到波分复用器中，信号光经基带信号的强度调制后入射到波分复用 器中。从波分复用器中出射的光波在一定长度的高非线性色散位移光纤中传输，发生四 波混频效应，产生出闲频光。然后用光带通滤波器从中选出信号光与闲频光两个频率成 分，得到的即为所需的光载毫米波信号。产生的光载毫米波信号在普通单模光纤中传输， 在接收端进行光电探测，拍频后产生高频毫米波信号。 由于闲频光与信号光之间的频率间隔要比泵浦光与信号光之间的频率间隔大得多， 因此产生的射频信号频率要比泵浦光与信号光拍出来的射频频率高得多，从而实现了频 率上变换。并且，由于信号光与闲频光之间的相位相关性要比信号光与泵浦光之间的相 位相关性要好，所以解调出来的射频信号相位噪声也更小。此外，利用四波混频实现频 率上变换的优势还在于：它对信号速率以及编码方式透明；并且它产生的光载毫米波信 号在传输链路中不存在功率周期性衰落效应。通过对上述方案进行仿真，可以得到以下 结论：闲频光的功率影响着眼图的质量，眼图的质量随着闲频光功率变小而变差，当闲频