（光学工程专业论文）超宽带uwb光纤传输技术研究.pdf

氏上 a - ， 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 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名：j 车牟日期：知肠年岁月7 日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技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，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) _ i 中 签名： 霹篮 导师签 日期： 矗 ， 一 - ， 摘要 摘要 将无线通信和光纤传输相结合的光载无线系统( r o f ) 在实现灵活的无线传 输的同时又具有高速的宽带传输，并可降低基站成本，使其成为下一代通信技术 的研究热点之一。在无线通信技术中，超宽带( u w b ) 技术因其无载波、高速率、 低成本和小型化等优点而备受青睐，但低功耗和超宽带使其无法实现长距离、大 范围的通信，制约了其应用范围。鉴于r o f 技术和u w b 技术的特点，可将两者 优势互补的u w b 光纤传输( u w bo v e rf i b e r ) 系统越来越受到人们的青睐。 本文首先从国内外进展、基本概念、关键技术及应用等方面详细介绍了u w b 技术和r o f 技术。然后，本文介绍了u w bo v e rf i b e r 系统的提出背景和研究进展。 在充分的理论调研基础上，完成了u w b 信号的产生，研究了u w b 信号在光纤上 的传输及其拓扑结构，设计了基于多模光纤的u w b 光纤传输系统。鉴于成本因素 考虑，在满足系统性能要求的前提下，此系统选用了低成本的8 5 0n i n 垂直腔面发 射激光器( v c s e l ) ，并采用了直接调制方式。此外，为实现用户终端问的通信， 设计系统的发射端和接收端都具有移动性，并为补偿发射端u w b 信号的路径衰减 设计了放大模块。 本文用o p t i s y s t e m 和a d s 对设计的系统进行了仿真研究。仿真结果表明，采 用光纤传送u w b 信号的u w bo v e rf i b e r 系统可将u w b 信号的传输距离由原来的 l o 米以下延长到1 0 0 米左右，极大的扩大了u w b 信号的覆盖范围，为其实用化 提供了一定的参考依据。 0 i 关键词：r o f ，超宽带，u w b 。v e rf i b e r ，光纤传输技术 争 4 舢：i j 气；九 瓠 a b s t r a c t t h er a d i oo v e rf i b e r 皿o f ) s y s t e m ，w h i c hc a na c h i e v eaf l e x i b l ew i r e l e s sa n d h i g h - s p e e db r o a d b a n dt r a n s m i s s i o n , a l s or e d u c et h ec o s to f b a s es t a t i o n s ，i sb e c o m i n g o n eo fh o ts p o t so ft h en e x tg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g yr e s e a r c h i nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，u l t r a - w i d e b a n d ( u w b ) t e c h n o l o g yi s f a v o r e df o ri t sc a r r i e r - f r e e , l l i g h - s p e e d ，l o w c o s ta n d m i n i a t u r i z a t i o n , b u tl o w p o w e rc o n s u m p t i o n a n d u l t r a - b r o a d b a n dm a k ei tc a nn o tr e a l i z el o n g - d i s t a n c e ，l a r g e s c a l ec o m m u n i c a t i o n s ，a n d r e s t r i c t e dt h er a n g eo fi t sa p p l i c a t i o n s i nv i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fr o ft e c h n o l o g y a n du w bt e c h n o l o g y , t h eu w bo v e rf i b e r s y s t e m sw h i c hh a sc o m p l e m e n t a r y a d v a n t a g e sg e tm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n f i s to fa l l ，t h eu w bt e c h n o l o g ya n dr o ft e c h n o l o g ya r es p e c i f i c a l l yd e s c r i b e di n t h i sd i s s e r t a t i o n ，i n c l u d i n gd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lp r o g r e s s ，t h eb a s i cc o n c e p t s ，k e y t e c h n o l o g i e s ，a n da p p l i c a t i o n s t h e n ，u w bo v e rf i b e rs y s t e mi si n t r o d u c e d ，t h i sp a r t f o c u s eo ni t sb a c k g r o u n da n dr e s e a r c h i n t h ef u l lt h e o r yb a s e do nr e s e a r c h ，u w bs i g n a l g e n e r a t i o ni sc o m p l e t e d ，u w bs i g n a lt r a n s m i s s i o ni nt h e f i b e ra n di t st o p o l o g i c a l s t r u c t u r ei ss t u d i e d ，a n dau w bo v e rf i b e rs y s t e mb a s e dm u l t i m o d ef i b e ri sd e s i g n e di n t h i sd i s s e r t a t i o n b a s e do nc o s t c o n s i d e r a t i o n s ，w h i l em e e t i n gt h ep e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t so ft h es y s t e m ，al o w c o s t8 5 0 n mv e r t i c a lc a v i t ys u r f a c ee m i t t i n gl a s e r ( v c s e l ) a n dad i r e c t m o d u l a t i o ni su s e d i na d d i t i o n ，f o ru s e rt e r m i n a l sc a n c o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e r , b o t ht r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e ro ft h ed e s i g ns y s t e mh a v e m o b i l i t y , a n da m p l i f i c a t i o nm o d u l ei sd e s i g n e dt oc o m p e n s a t ef o rt h eu w bs i g n a l t r a n s m i t t e rf a d i n g d s i g ns y s t e ms i m u l a t i o nc o m p l e t e db yo p t i s y s t e ma n da d s ，s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h i su w bo v e rf i b e rs y s t e mc a ne x t e n du w bs i g n a lt r a n s m i s s i o nd i s t a n c e f r o ml e s st h a n10m e t e r st o10 0m e t e r s ，g r e a t l ye x p a n d e dt h ec o v e r a g eo fu w b s i g n a l s ； ar e f e r e n c ef o rt h ep r a c t i c a lh a sb e e np r o v i d e d k e yw o r d s ：r o f ，u l t r a - w i d e b a n d ，u w b o v e rf i b e r ，o p t i c a lt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y h - f u 哆 p 气，0 t p 目录 1 1 1 11 1 1111 iii eliil liil y 1713 7 5 0 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景与课题意义1 1 2in b 系统概述2 1 2 1u w b 系统研究进展2 1 2 2i j w b 技术定义3 1 2 3u w b 收发系统原理图3 1 2 4 应用前景4 1 3r o f 系统概述5 1 3 1r o f 系统研究进展5 1 3 2 r o f 系统的原理一5 1 3 3 调制解调方法6 1 - 3 4r o f 系统的线路结构8 1 3 5 新型光器件在r o f 系统中的应用1 0 1 3 6 应用前景1 l 1 4u w bo v e rf i b e r 系统1 1 1 4 1 提出背景1 1 1 4 2u w bo v a f i b e r 系统原理图1 2 1 4 3 研究进展l2 1 5 本文的研究内容1 3 第二章u w b 信号的实现1 4 2 1u w b 信号的脉冲波形1 4 2 2u w b 信号的调制方式1 5 2 3u w b 信号源的实现1 7 2 3 1u w b 信号在a d s 中的实现18 2 3 2u w b 信号在o p t i s y s t e m 中的实现。1 9 目录 2 4 小结2 2 第三章u w bo v e rf i b e r 系统的拓扑结构研究2 3 3 1r o f 系统拓扑结构2 3 3 1 1r o f 系统拓扑结构概述2 3 3 1 2d w d m r o f 系统拓扑结构2 4 3 1 3d a s r o f 系统拓扑结构一2 5 3 2u w bo v e rf i b e r 系统拓扑结构研究2 7 3 2 1u w bo v e rf i b e r 室内覆盖系统2 7 3 2 2 基于d w d m 的u w bo v e rf i b e r 系统结构设计2 8 3 3 小结3 0 第四章u w bo v e rf i b e r 系统的设计与仿真3 1 4 1 设计原理3 1 4 2 器件选择3 2 4 2 1 激光器的选择3 2 4 2 2 光纤的选择3 3 4 2 3 光电探测器的选择3 4 4 3 理论分析与理论计算3 4 4 3 1 理论分析3 4 4 3 2 理论计算3 7 4 4 实验仿真3 9 4 4 1 放大模块设计3 9 4 1 4 2 系统仿真4 4 4 4 3 仿真结果分析4 7 4 5 小结5 0 第五章总结和展望5 l 致谢5 2 参考文献5 3 i v 啦 - 。 惟j 、 ， ? 第一章绪论 1 1 研究背景与课题意义 第一章绪论 目前，通信业务发展的时代要求为灵活( 无线) 、宽带( 有线) 、环保、统一 ( 融合) 等。从需求方面分析，由于通信业务的日趋多样性和用户需求的日益增 长，未来的宽带接入系统需要同时具备无线通信的灵活性和光纤通信的高宽带、 低损耗。从成本方面分析，无线通信和光纤通信技术都已较成熟，各技术已投入 了大量人力物力完善其网络和设备，如何最大程度的利用现有的无线通信设备和 光纤通信设备是降低新技术成本的关键。宽带无线接入系统可以满足用户需求， 且成本较低，是未来通信技术发展的趋势之一【。其具有初期投资小、建设速度快 和组网灵活等特点，具有极大的应用价值，近年来备受研究者和电信运营商的重 视。下一代宽带无线接入系统的研究和开发所提出的要求主要有两个关键点：如 何有效抵制多径衰落；体积小成本低的基站的研究。 超宽带( u l t r a - w i d e b a n d ，u w b ) 系统由于其极宽的频带，可以有效抵制多径 衰落，具有一般通信系统所没有的特性，近年来得到了飞速发展。超带宽技术的 提出解决了困扰无线技术很久的有关传播方面的难题，它具有低信道衰落、发射 信号低功率、抗截获、系统简单、定位精度高等优点；应用在无线局域网( w i r e l e s s l o c a la r e an e t w o r k s ，w l 蝌) 和无线个人域网( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ， w p a n ) 中时，可提供功耗低、带宽高及便捷的通信服务，特别适用于密集多径场 所的高速无线接入【2 】，可实现个人电脑与移动设备、消费电子产品等信息终端的智 能化小范围的联接，以此组建个人化的家用或者办公信息化网络。u w b 技术因它 的诸多优点成为了最具竞争力的无线个人域网实现技术【3 】，已经成功应用在多个方 面。虽然u w b 系统具有诸多优点，但其传输距离很短( 1 0n l 以内) ，这大大限 制了u w b 技术的应用范围。因此，如何延长u w b 信号的传输距离，增大其覆盖 面积成为了现在的研究难点。本论文将从此难点出发，提出相应解决方案。 为了提高无线通信系统的容量并实现宽带通信，必然要提高其工作频率。可 是随着更高微波频段( 毫米波频段) 的使用，所遇到的困难也更大，如频率越高 的微波在大气中传播时能量衰减越快，这直接导致了信号传输距离变短，使得缩 小无线单元的尺寸成为必要。缩小的无线电单元需要数量更多的基站，当需要使 电子科技大学硕士学位论文 用如此多的基站时，如何降低基站的成本因其经济因素而成为关键的问题【4 】。因此， 主要针对毫米波频段，提出了将光纤通信和微波通信相结合的r o f 技术。r o f 技 术最早是由c o o p e r 于1 9 9 0 年提出，是指利用光纤链路来传送微波信号。就是将 微波信号加载到光波上，利用光纤把该调制信号传送到发射端，在发射端使用光 电转换恢复出所传送的微波信号的一种新技术。r o f 技术中，所有的处理功能， 包括r f 载波的产生，调制解调和复用等都在中心站完成，基站的主要功能仅限于 光信号和微波信号的转换。而一个中心站又可以通过光纤和多个基站相连，同时， 光纤的低损耗特性节省了微波中继站的费用，从而极大的降低了系统成本。作为 一种将无线技术和有线技术相融合的新兴技术，r o f 技术客服了带宽限制，突破 传统网络，又兼容传统网络，兼容多种无线接入方式( 传统和未来的接入技术) ， 实现了1 + 1 2 的网络结构，近年来成为国内外的研究热点。而且，它可以与现有 的数字光通信系统共存，同时显示出在实现网络最后一英里上的巨大潜能【5 】。 将u w b 技术和r o f 技术结合的u w bo v e rf i b e r 系统的提出解决了u w b 传 输距离短的问题，扩大了u w b 信号的覆盖范围，同时拓宽了u w b 信号的应用范 围。根据r o f 的定义，在光纤上传输u w b 信号的技术仍为r o f 技术，u w bo v e r f i b e r 系统实现了两者的优势互补，为用户提供了高带宽、高性能、灵活的接入方 式，且满足宽带无线接入系统的技术要求，成为有效解决技术瓶颈的方法之一， 可广泛应用于室内网络( 家庭、办公室网络等) 、智能交通系统、室外对等网、医 疗服务等。由以上分析可知，u w bo v e rf i b e r 系统兼具u w b 技术和r o f 技术优 点，符合通信发展要求，既有极大的研究价值，又具备良好的应用发展前景。 1 2u w b 系统概述 1 2 1u w b 系统研究进展 国外现状：早在1 9 6 5 年，美国就已经将l r w b 技术应用在军事方面。此后二十 年里，u w b 技术仍主要用在美国的军事方面。关于民用方面，其大多应用于通信、 雷达及精确定位等【6 】。英特尔、索尼、戴姆勒克莱斯勒、时域、摩托罗拉等高科 技公司都已经展开了对u w b 技术的研发，用很高的数据传输率来连接各种消费电 子设备，以此满足用户对短距无线通信低功率、高速传输、小型化、低成本等要 求。目前，国外对u w b 技术的研究工作处在研究后期和应用前期，并已经有基于 u w b 技术的芯片出现。 2 第一章绪论 国内现状：在我国，u w b 无线通信技术的研发已经列入到8 6 3 计划信息技术 领域之中的通信技术主题“十五”计划。最近，中国科学技术大学的无线网络通信实 验室非常成功的完成了以脉冲超宽带( i r u w b ) 技术为基础的无线传输通信实验。 极窄脉冲信号通过两堵砖墙与一个走廊，把一实验室内的视频图像传输到另一实 验室。此为中国国内对自行研发的i r - u w b 完成无线传输演示的首次报道。 1 2 2u w b 技术定义 因为超宽带系统具有极宽的频带，使其拥有其他通信系统所没有的特点。通 常认为1 0d b 相对带宽大于2 0 ，或者1 0d b 绝对带宽大于1 5g h z 则称为超宽 带，f c c 将该带宽值修改为5 0 0m i - i z t r l 。f c c 规定了3 1g h z 1 0 6g h z 为u w b 允许使用频段范围，且它的发射功率必须低于lm w 。在时域上，一般的通信系统 通过发送微波载波进行信号的调制，而l r w b 系统是利用时域脉冲( 几十纳秒) 直 接实现信号调制，调制信息过程被放在了一个相当宽的频段上进行，并且这一过 程所持续的时间决定了带宽所占据的频率范围【8 】。在频域上，超宽带的频带极宽使 其区别于传统的窄带和宽带。 1 2 3u w b 收发系统原理图 丫 脉冲发 生器 jl 鬻时延f 时基产生 发射机 输入 数据 相关器 乘法器h 积分器h 蒜 嶝卜- | 基带处理h 曩嘉 f 可编程 时延 产1 一 - 一一 本地j p n 码。 图1 - 1u w b 系统发射机和接收机 接收机 电子科技大学硕士学位论文 无载波调制的u w b 系统是u w b 通信技术中最为基本的实现方式，如图1 1 所示。这种方案中，在发射端产生特定重复周期的脉冲序列，且通过p p m 调制方 式携带要传送的信息，此外，无载波u w b 通信系统中，一般采用多址方梨9 】_ 跳 时或直接序列扩频。根据用户需要传送的信息和表示此用户地址的可编程延时器 ( 伪随机码) 对u w b 系统时钟进行准确的延时，经延时的脉冲序列将驱动脉冲发 生电路，继而形成特定脉冲规律和形状的脉冲序列，随后耦合到超宽带天线并发 射出去，无需载波调制。 在接收机一端，超宽带天线接收到的信号被送达相关器的一个输入端，而相 关器的另一输入端载入一个脉冲序列，此脉冲序列是本地产生的，且是与发射同 步的经用户端伪随机码调制后一起完成相关器中的运算，生成一个对用户地址信 息完成分离的信号，其中只有用户传输信息及干扰。然后解调该信号，此过程是 以发射端调制方式为依据来判决每个脉冲进行，得到所传输的信息。这种方案与 传统的无线通信系统相比，其避开了用于完成载波调制的混频器等模块，具有结 构简单、低功耗等特点。 1 2 4 应用前景 1 ) 室内w l a n 应用：以无线设备代替室内局域网的电缆将给用户提供更灵 活、方便的服务。u w b 技术所具备的抗多径干扰，高速，系统简单，多用户同时 接入能力等使其更适用于在室内复杂环境中实现无线传输【l o 】。室内通信的要求低 功率，这也是u w b 技术适用的原因。在网络方面，协议的成熟也为其应用建立起 良好基础。 2 ) 雷达应用：因u w b 技术同时具备频带宽和频率低的特点，使它的穿透能 力很强、分辨力极高。这些特性使其可用于特殊的警用穿透雷达，比如地震后检 测废墟中的幸存者，或者反恐怖活动时探测恐怖分子与人质的情况。u w b 系统简 单，故容易完成合成孔径穿墙成像雷达【l i 】。 3 ) 定位应用：u w b 技术具有低于ln s 的时间分辨能力，可在保持通信的同时 达到厘米数量级的定位精度。此特性可以用于特种的兵单兵通信，同时兼有战场 定位功能。另外，u w b 技术还可以用于成像，应用于监视系统里的各种形式的成 像l l2 1 。u w b 技术的位误差在2c i i l 之内，胜过全球卫星定位技术，因此戴姆勒克 来斯勒公司计划使用u w b 技术来制造汽车防碰器装置。该防碰器可用来控制汽车 速度，保证其不太接近另一辆汽车，或当另外一辆汽车超车时，装有防碰器的车 4 第一苹绪论 会自动减速。 4 ) 通信应用：超宽带通信系统是扩频通信的一种，其扩频处理增益较大，超 宽带通信设备发射功率低于1m w 也可实现上千米的传输距离。即便使用增益较 低的全向天线，如此的低发射功率也使系统电源的工作时间大大延长了，相当适 合无线通信设备的应用。 5 ) 传感器应用：u w b 技术同样适用于低功率传感器网络。当前，传感器一 般应用于某些特殊用途，这之中，功率低耗材低的传感器用途更为广泛，其使得 我们的生活更加便n t ”】。该类型的传感器可穿透各类大型的建筑物为我们传送信 息，比如在办公楼找出空着的会议室，再如在特大停车场里找出可用的车位等。 1 3r o f 系统概述 1 3 1r o f 系统研究进展 早在二十世纪8 0 年代，美国就开始将r o f 系统和军事用途相结合。在1 9 9 0 年，c o o p e r 等首次提出在无线通信中应用r o f 系统，随后，r o f 技术在发达国家 有了飞速发展。随着各国对r o f 技术研究的投入越来越大，r o f 应用领域也就越 来越广泛了。例如：在悉尼举行的2 0 0 0 年奥运会上，r o f 系统赢得了很大的应用， 该技术解决了数万人密集地区的通信问题【1 4 】；在2 0 0 1 年，以日本y o k o s u k a 研 究院为主的多个相关研究机构合作建立了工作频率为5 8g h z 的r o f i t s 现场实 验系统【l5 1 ，它是以多种基带信号测试传输。为尽早实现r o f 技术的商用化，近年 来对如何减低r o f 技术的成本，特别是对r o f 系统中基站的成本的降低做了很大 的研究。例如：v c s e l 技术的改进进一步减小了r o f 系统的成本【1 6 】；各种新的、 低成本的系统构架也在不断出现。r o f 技术的研究虽然在国外已经取得了很多成 果，并且很多相关应用已经商用化，但是在国内来说，r o f 技术的研究才处于起 步阶段，还有很多空白亟待填补。 1 3 2r o f 系统的原理 传统的光纤通信系统中传输的是数字信号，与其不同的是，r o f 系统于控制 站与基站间的光纤链路上传输的为被调制的模拟信号，所以其为一个模拟传输系 统。实际上，射频( r a d i of r e q u e n c y , r f ) 信号、中频( i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y , i f ) 信号、或者基带( b a s eb a n d ，b b ) 信号模拟信号等都可在光纤中传输。若传输i f 5 电子科技大学硕士学位论文 或b b 信号，则基站中需有额外的硬件设备以完成从i f 信号或b b 信号到r f 信号 的上变频转换。在光发射机一端，r f i f b b 信号加到光载波上的方式分为直接调 制和外调制。理想情况下，光纤链路的输出信号是与输入信号相同的，即光纤链 路为透明的无损传输。但是，系统性能因激光器或调制器与光电探测器的非线性 效应以及光纤中的色散特性而受到一定限制。 r o f 的基本原理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，提高传输速率f l 刀。r o f 系统原理图如图1 2 所示，各个基站( b a s es t a t i o n ，b s ) 通过光纤与中心站( c o n t r o ls t a t i o n ，c s ) 连接。 1 3 3 调制解调方法 图1 - 2r o f 系统的原理图 1 调制方法 目前的实际应用中，所有传输副载波信号的光链路用的都是光的强度调制。 有三种方法可以实现在强度调制的光链路上传输副载波信号，即直接调制、间接 调制和远端外差法。远端外差法的实际应用比较困难，所以此处只介绍直接调制 和间接调制两种调制方法。 1 ) 直接调制 直接调制是用载有信息的副载波信号调制光源的电参数，在实际应用中，这 个电参数是光发送机中激光器的注入电流，通过调制激光器的注入电流来改变输 出光强。r o f 系统中常用的直接调制激光器是半导体激光器。直接调制是三种调 制方法中最简单的，应用广泛。但是直接调制受到激光器调制带宽的限制，而现 在的普通激光器调制带宽为5 1 0g h z ，所以直接调制不适用于毫米波频段。直接 调制原理框图如图1 3 所示。 6 第一章绪论 图1 - 3 直接调制原理 直接调制具有简单，经济等优点，适用于传输信号频率小于1 0g h z 的r o f 系统。本文所设计的u w bo v e rf i b e r 系统所传输u w b 信号频段在1 0g h z 以下， 所以本文的系统设计将采用结构简单，成本低廉的直接调制方式。 2 ) 间接调制( 外调制) 间接调制也称外调制，是利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应等性质 来实现对激光辐射的调制。具体方法是在激光器谐振腔外的光路上放置调制器， 在调制器上加载调制电压，是调制器的某些物理特性发生相应的变化，当激光通 过时，得到调制。间接调制使用高速调制器，例如电致吸收调制器( e a m ) 和马赫 曾德尔调制器( m z m ) 。一个e a m 可以和光源简单的结合到一起，而m z m 需要低 驱动电功率。间接调制原理框图如图l 一4 所示，光源与电信号同时输入外调制器， 要传送的电信号作为调制信号作用于外调制器。 图1 4 间接调制原理 外调制结构相对复杂，不但可以进行强度调制，还可以进行频率及相位调制， 调制性能也优于直接调制，适用于传输信号频率大于1 0g h z 的r o f 系统。 2 解调方法 对于光链路上传输副载波信号的解调有两种方法：强度调制直接检测和相干 检测。与直接检测相比，相干检测更容易获得大的信噪比，可恢复的信号种类较 多，且频率选择性好，更适合密集波分复用系统。但相干检测获得较好的检测性 质的代价是大大提高了系统的复杂性，而且缺乏灵活性，所以目前的研究和应用 大多采用直接检测方法。因此，这里只介绍直接检测解调方式。 7 电子科技大学硕士学位论文 直接检n - 强度调制直接检测是对强度调制的r o f 信号直接进行包络检测， 也就是说强度调制信号直接通过光电探测器即可恢复出原信号。当直接强度调制 和直接检测结合时，这样的系统就是直接强度调n 直接探测( i m d d ) 型的，如图 1 5 所示。 图1 5 强度调制直接探测链路示意图 1 3 4r o f 系统的线路结构 r o f 系统原理图只是给出了r o f 系统的整体结构，关于r o f 系统的线路结 构，将在下面给出。这里，我们把最后经天线发射到大气空间的微波频率定在射 频频段，所以，如果恢复后的副载波信号为i f 或b b 频段，则需要上变频到射频 频段，而后经基站的天线发送出去。 从上面的分析可知，以加载在光波上的信号是否为有效信号本身和所使用的 副载波频段，r o f 系统的线路结构可分为r f 、i f 和b b 三种方案【1 8 】。其结构分别 如图2 - 3 ( a ) 、( b ) 、( c ) 所示。 由前面调制解调中的讨论可知，若射频信号的频率比较低，可以用电信号直 接调制l d 的光信号，如b bo v e i f i b e r 方案中的调制方法采用了直接强度调制。 若射频信号的频率较高，则需用调制器来实现外调制，如r fo v e rf i b e r 、i fo v e r f i b e r 方案均采用的是外调制方法。调制后的光信号经过光纤被传送到b s 中。在 b s 处，光电探测器直接从已调光信号中恢复出r f i f b b 信号( 直接检测) ，如果 恢复后的副载波信号为i f 或b b 频段，还需要上变频到r f 频段。 从三种方案的线路结构图可以看出，r fo v e rf i b e r 方案的基站简单，可大大节 约成本，但r f 频率对光纤色散敏感，这严重限制了信号的传输距离。i fo v e rf i b e r 方案中，基站需要i 玎频段的本地振荡器( l o c a lo s c i l l a t o r , l o ) 来实现上、下变频， 但是光纤中传输信号频率的降低，减轻了光纤色散对信号的影响。b bo v e rf i b e r 方案中，因为传输信号的频率很低，所以可以忽略光纤色散的影响，其缺点是基 站结构复杂，并且所要传输的基带信号的频率范围相差不多，使得信号只能使用 8 l船抄靴 匿 - 第一章绪论 时分复用或码分复用，而不能采用频分复用。 c s i n o t i n o t p s t n b s t e r n e t m o d e m 鲫i o 上甲 d o w n l i n k、h e rc s 一 一 叫( 2 卜 - = ： i 7l 厂 一 、 u p l i n k 点高 一 眇 c s ( a ) s t n b s ：e r n e t m o d e m e i m o 上甲 n n m n l n i r e rc s 一 r - 睁 ， 吼r 蹦f 一 _ l 盯叶 u p l i n ki 心 眇口茎卜回 i n o t p s t nc s ( b ) t e r n e t r a d i 0 b s h e rc s m o d e m n n n 1 n l f 一+ 叫竺卜_叫陟 一+丫丫rfsignal s i g n a l u p l i n k ig 卜谢( y n 一 厂i f 卜叫眇( 董卜回 ( c ) 图1 - 6r o f 系统三种基本线路结构 ( a ) r f o v e r f i b e r ，( b ) i f o v e r f i b e r ，( c ) b b o v e r f i b e r ( 直接强度调制) 9 方案采用i f 方法，使用副载波传输，使6 0g h z 频率信号的传输速率达到4 0 0m b p s 。 3 ) 对于r o f 多模光纤系统的传输性能的研究，首推c a r l s s o nc h r i s t i n a 等【2 3 】 的研究成果，他们在完成标准和高带宽多模光纤对比后，对系统0 1 1 0g h z 的性 能进行了分析。 4 ) 在与信号结合的传输研究方面也有众多研究，例如t s a iw 醯s h i n g 等【2 4 】使 用操作波长1 5 51 t m 的v c s e l 激光器与多模光纤构建系统，并利用锁模技术，在 抑制三阶互调失真方面取得了良好效果，此系统满足8 0 2 1 l a 标准中关于5g h z 载 波5 4m b i t s 的信号传送要求；再如p c r s s o n 等【2 5 】采用高性能的单模v c s e l 设计了 w c d m a 信号在室内覆盖的r o f 链路，该系统支持宽范围的射频输入信号。 5 ) 在与单模光纤结合、及器件和系统的优化设计等方面也已开展了一些研究， 例如：d a s a n j a l i 等【2 6 】研究了低成本8 5 0 n m v c s e l 和3 0 0 岬多模光纤组成的链路， 实验结果表明该链路是低成本的选择，非常适用于室内覆盖网络。 现有研究显示v c s e l 激光器构建的r o f 系统可以传送多种信号模式，对于 占用带宽很大的u w b 信号，也可延伸它的传输距离。目前，国内外研究人员将研 l o 第一章绪论 究重点普遍放在商用v c s e l 器件的应用方面，主要研究基于v c s e l 的低成本射 频传输系统的研究。如r a l f e s c h u h 等【2 7 】运用商用v c s e l 器件，完成了g s m 信 号和1g b i t s 数字信号的传送研究，其实验系统传输距离可达6 0 0m 。 综上，众多研究结果表明使用v c s e l 器件完全满足短距离的r o f 应用，同 时由于它的成本优势，特别地显示出非常好的应用前景。为了降低r o f 接入系统 的成本，凸显系统的实用性，本文采用v c s e l 激光器将目标信号加载到光载波上。 1 3 6 应用前景 1 ) 室内覆盖网络：r o f 技术在室内覆盖网络应用中，在建筑物中分布几个基 站，可以实现比较均匀的覆盖。光纤已经安装在大多数新建建筑物中，因此r o f 技术成为实现无线局域网的方案之一【2 8 1 。 2 ) 宽带无线系统：宽带无线系统提供从固定的宽带融合服务数字网络到移动 用户间的宽带服务。为了达到这样的目的，微蜂窝网络由数个基站构成，这些基 站是通过光纤和宽带融合服务数字固定网络连接的。 3 ) 卫星通信：r o f 技术的第一个实际应用是星间通信。例如在卫星地面站处， 一个工作在卫星通信频率小型的r o f 链路被天线发射到适当的位置。 4 ) 无线蜂窝网络：蜂窝移动通信系统，例如g s m 9 0 0 ，g s m l 8 0 0 和u m t s ， 在全球有很广泛的应用，这些移动通信系统为了更便利的为用户服务，就应当消 除无线电服务盲区。解决这些问题的方法是在这些地方安装r o f 系统【2 9 】。 5 ) 智能交通系统：智能交通系统( 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 ，i t s ) 中， 无线电微波频段是不适合充当多媒体数据传播的媒质，但是r o f 技术的毫米波频 段却非常适合这种系统【3 们。 6 ) 有线电视：把r o f 技术和现有的c a t v 网络结合，以使用原有光纤资源 为基础，即可实现r o f 技术的多种业务接入，同时还兼具组网快速方便、接入设 备简单等优点，除此之外，国外学者还提出了移动c a t v 的方梨3 1 】。 1 4u w bo v e rf i b e r 系统 1 4 1 提出背景 虽然u w b 系统具有系统结构实现简单、体积小、成本低；传输速率高；空间 容量大；低功耗：多径分辨能力强；穿透能力强；定位精确；隐蔽性好、安全性 电子科技大学硕士学位论文 等诸多优点，但它的传输距离很短( 一般在1 0 m 以内) ，这一点大大限制了u w b 技术的应用范卧3 2 1 。另一种新技术- r o f 技术，是一种将优势互补的有线通信和 无线通信技术结合到一起，利用光纤来代替自由空间传输射频信号的技术，其充 分利用了光纤通信和无线通信的优点，使得射频信号在光纤中实现无干扰无衰减 的传送，其最大的优势在于长距离低损耗传输。将u w b 技术和r o f 技术结合的 u w bo v e rf i b e r 系统的提出解决了u w b 传输距离短的问题，利用马赫曾德尔调制 器( m z m ) 使u w b 信号调制激光器发出的光信号，或使u w b 信号直接调制激 光器，都可实现u w b 信号在光纤中的传输【3 3 1 。利用r o f 技术实现u w b 系统基 站( b s ) 和接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 的连接，可有效延长u w b 信号的传输距 离，使其实现高速率和长距离的传输。 1 4 2u w bo v e rf i b e r 系统原理图 u w bo v e rf i b e r 系统的原理图如图1 7 所示。 图1 7u w bo v e rf i b e r 系统原理图 从图中可以看出，与传统的u w b 系统相比，u w bo v e rf i b e r 系统的收发系统 与u w b 系统相同，不同的是，为实现l r w b 信号在光链路中的传输，在其发射机 后增加了光电转换、光纤链路和电光转换几个部分3 4 1 。l r w bo v e rf i b e r 系统是利用 光链路传输达到延长u w b 信号传输距离的目的，在这种系统中，u w b 发射机一 端发出的u w b 信号经过电光转换后调制到光纤上，然后在光纤中传送所需距离后 再经过光电转换恢复出原来的u w b 信号，然后耦合到超宽带天线并发送出去，最 后由u w b 信号接收机一端的超宽带天线接收到u w b 信号。 1 4 3 研究进展 此前，u w b 技术和r o f 技术一直作为两个独立发展的技术，对于将两者结 1 2 第一苹绪论 合的u w bo v e rf i b e r 系统的研究并不是很多，且大都属于实验研究阶段。例如， 文献 3 5 3 7 给出了u w bo w e i f i b e r 系统的结构，并通过实验得到了此结构的工作 实验数据，验证了系统模型的可行性。u w bo v e rf i b e r 模型的建立在克服u w b 传 输距离短的缺点的同时，还有效利用了其高速的传输速率，另外，其拓展了r o f 技术的应用范围，构建覆盖范围较大的u w b 网络提供了一个应用参考模型。再如， 法国b i l b a o 项目中提出了一种多点对多点的u w bo v e rf i b e r 拓扑结构【3 引，并为 此结构设计了专用的天线和射频器件，实现u w b 信号的室内无线传输。在u w b o v e rf