（通信与信息系统专业论文）基于多倍频调制的光毫米波产生及传输性能研究.pdf

硕十学伶论文 摘要 光纤无线通信( r a d i o o v e 卜f b e r ) 系统可以将光纤的大容量传输与无线通信的 灵活性有机结合在一起，是未来宽带无线接入的理想方式之一，已成为通信领域 的研究热点。光毫米波产生是光纤无线通信的关键技术之一。本论文提出并研究 了几种基于多倍频的光毫米波产生和传输方案，取得如下研究结果： 1 提出并实现了两种利用四倍频调制产生4 0 g h z 光毫米波的方案。方案一： 将铌酸锂马赫一曾德尔调制器的偏置电压设置为3 9 v ，产生奇数阶边带被抑制的 调制方式，然后用光纤布拉格光栅滤波器滤除载波，用两个二阶边带拍频产生 4 0 g h z 毫米波，实验实现了下行数据传输4 0 k m 且功率代价小于1 d b 。方案二： 将马赫一曾德尔调制器的偏置电压设置为o v ，射频信号的幅度为6 1 2 v 、相位差 为9 0 度，产生奇数阶边带和载波同时被抑制的调制方式，剩余的两个二阶边带拍 频产生4 0 g h z 毫米波。两种方案的数字信号分别加载在直接调制激光器和强度调 制器上，模拟结果显示，第一种直接调制方式会产生调制啁啾，因此信号的传输 距离只有4 0 k m ，而第二种数据加载方法则传输了7 0 k m 。 2 提出并实现了一种基于六倍频调制产生6 0 g h z 光毫米波的方案。将马赫 一曾德尔调制器的偏置电压设置为半波电压，射频信号的电压为9 7 6 v ，相位差 为1 8 0 度，且由直流电压引起的相位偏转设置为1 8 0 度，可以产生载波和一、二 阶边带被抑制的调制格式，利用l o g h z 的射频信号产生了6 0 g h z 光毫米波信号。 与四倍频情形相同，数字信号可分别加载在直接调制激光器和强度调制器上，前 者的下行数据传输距离小于后者。 3 提出并研究了一种基于八倍频调制产生4 0 g h z 光毫米波的方案。采用两 个并联的调制器，都设置为产生载波和奇数阶边带被抑制的调制格式，通过耦合， 上下两个调制器所剩余的边带都为二阶和四阶，其中二阶边带的相位相反，因此， 当两个调制器耦合时，二阶边带消失，剩下网阶边带，采用5 g h z 的射频信号即 可产生4 0 g h z 的八倍频毫米波。 关键词：光纤无线通信系统；毫米波产生：倍频；色散：马赫一曾德尔调制器 i i 苹j ：多倍频渊制的光毫水波产乍及 钳俞忭能研究 ab s t r a c t t h er a d i o o v e r f i b e f ( r o f ) s y s t e m ，w hi c hb r i n g st h eh u g ec a p a ci t yo fo p t i c a l c o m m u n i c a t i o na n dt h ea g i l i t yo fw i r e l e s sa c c e s st o g e t h e r ， w i i ib eap e r f e c t t e c h n o l o g vi nt h ef u t u r eb r o a d b a n dw i r e l e s s a c c e s ss e r v i c e s ，a n di th a sb e e na r e s e a r c hh o ts p o ti no p t i c a ln b e rc o m m u n i c a t i o n o p t i c a lm m w a v eg e n e r a t i o ni so n e o ft h ek e yt e c h n o l o g yi nr o fs y s t e m i nt h i st h e s i s ，s e v e r a ls c h e m e so fm m w a v e g e n e r a t i o na n dt r a n s m i s s i o na r ep r o p o s e da n dt h er e s u l t so b t a i n e da r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y ，t w os c h e m e so f4 0 g h zq u a d r u p i em m - w a v eg e n e r a t i o na r ep r o p o s e d a n dr e a l i z e d ：s c h e m el ：o d do r d e rs i d e b a n d sa r es u p p r e s s e db ya d j u s t i n gt h e 【) cb i a s o ft h el i n b 0 3m a c h z a h n d e rm o d u l a t o r ( l n m z m ) t ob e3 9v t h e nw eu s ef i b e r b r a g gg r a t i n g ( f b g ) f j l t e rt o n l t e ro u tt h eo p t i c a lc a r r i e r ，t w os e c o n do r d e r s i d e b a n d sb e a tt og e n e r a t e4 0 g h zq u a d r u p l em m w a v e ，t h ed o w n l i n kd a t at r a n s m i t s 4 0 k mi nf i b e rw i t hl e s st h a nld bp o w e rp e n a l t yi nt h ee x p e r i m e n t d e m o n s t r a t e d s c h e m e 2 ：w ea l s or e a l i z et h em o d u l a t i o nf o r m a tw h i c ho d do r d e rs i d e b a n d sa n d c a r r i e ra r es u p p r e s s e ds i m u i t a n e o u s l yb ya d j u s t i n gt h ed cb i a st ob e0 va n dr f v o l t a g et ob e6 12 va n d ，a l s ot h ep h a s ed i f f - e r e n c et o b e9 0 t w os c e o n do r d e r s i d e b a n d sa r el e f tt og e n e r a t e4 0 g h zm m w a v es i g n a l w eh a v et w od i f r e r e n tm e t h o d t or e a i i z ed a t as i g n a lu p c o n v e r s i o n ：n r s t l y ，w eu s et h ed a t as i g n a lt om o d u l a t et h e d i r e c t l ym o d u l a t e di a s e r ；s e c o n d i y ，t h ei n t e n s i t ym o d u l a t o ri sm o d u l a t e db yt h ed a t a s i g n a l t h en f s td i r e c t l ym o d u l a t i o nf 0 f m a tc a ng e n e r a t em o d u a l t i o nc h i r p a n di t a f f e c t st h et r a n s m i s s i o nd i s t a n c e t h es e c o n de x t e r n a lm o d u a l t i o nf o r m a tm a k e st h e d o w n l i n kd a t at r a n s m i t s7 0 k mw h i c hi s3 0 k mi o n g e rt h a nt h e 行r s to n e s e c o n d l y ，as c h e m eo f6 0 g h zs e x t u p l em m w a v eg e n e r a t i o na r ep r o p o s e d a n dr e a l i z e d ：w eg e n e r a t em o d u l a t i o nf - o r m a tw h i c h6 r s ta n ds e c o n do r d e rs i d e b a n d s a n dc a r r i e ra r es u p p r e s s e db ya d j u s t i n gt h ed cb i a st ob e4 va n dr fv o i t a g et ob e 9 7 6 va n da l s ot h ep h a s ed i 】1 e r e n c eo ft h er fl ob e18 0 。t h ep h a s ed i f f - e r e n c ei s18 0 g e n e r a t e db yd cv o l t a g e t w ot h i r do r d e rs i d e b a n d sa r ei e rt og e n e r a t e6 0 g h z m m w a v es i g n a l w eh a v et w od i f 亿r e n tm e t h o dt or e a l i z ed a t as i g n a iu p c o n v e r s i o n ： 6 r s t l y ，w eu s et h ed a t as i g n a lt om o d u l a t et h ed i r e c t i ym o d u l a t e di a s e r ；s e c o n d l y ，t h e i n t e n s i t ym o d u l a t o ri sm o d u l a t e db yt h ed a t as i g n a l t h e6 r s td i r e c t l ym o d u l a t i o n f o r m a tc a ng e n e r a t em o d u a l t i o nc h i r pa n di to n l yt r a n s m i t s3 0 k m t h es e c o n de x t e r n a l n l o d u a l t i o nf o r m a tm a k e st h ed o w n l i n kd a t at r a n s m i t s4 0 k m i i l 硕_ i 学 寺：论文 f i n a l l y ，as c h e m eo f4 0 g h ze i g h t f b i dm m - w a v eg e n e r a t i o na r ep r o p o s e da n d r e a l i z e d ：w eu s et w ol n m z m sw i t hp a r a l i e lc o n n e c t i o n ，b o t ho fw h i c hw e r eu s e d t og e n e r a t es i g n a l sw h i c ho d do r d e rs i d e b a n d sa n dc a r r i e ra r es u p p r e s s e d t h e nt h e t w os i g n a l sa r ec o u p l e dt ot r a n s m i ta l o n gn b e r ，b e c a u s et h es e c o n do r d e rs i d e b a n d so f t h et w og e n e r a t e ds i g n a i sh a v et h eo p p o s i t ep h a s e ，o n i yt h ef b u t ho r d e rs i d e b a n d sa r e l e f tt og e n e r a t ee i g h t f | o l dm m w a v es i g n a l k e yw o r d s ：r a d i o o v e r - 6 b e r ( r o f ) ；m i l l i m i t e rw a v eg e n e r a t i o n ；d i s p e r s i o n ； l i n b 0 3m a c h z a h n d e rm o d u l a t o r ； i v 桀j ：多倍频 j 爿制的光，皂米波产乍及传输十牛能研究 插图索引 图2 1 简单的r o f 系统结构6 图2 2 直接强度调制的原理7 图2 3 外部强度调制产生光载毫米波原理图8 图2 4 双边带调制模拟图9 图2 5 单边带调制模拟图1 0 图2 6 载波抑制模拟图1 0 图2 7 远程光外差法原理图1 l 图2 8 波长重利用方案14 图3 1 理论分析示意图1 7 图3 2 采用外调制器和f b g 产生四倍频毫米波信号原理图1 9 图3 3 毫米波信号的眼图2 0 图3 4 基带信号的眼图2 0 图3 5 采用外调制器和f b g 产生四倍频毫米波信号实验装置一2 l 图3 6 不同测试点得到的光谱图2 l 图3 7 电毫米波信号眼图2 2 图3 8 基带信号眼图2 2 图3 9 下行链路数据信号的误码特性2 3 图3 1 0 只用一个调制器产生四倍频毫米波的原理图2 3 图3 1l 数字信号加载在直接调制激光器上的原理图2 5 图3 1 2 模拟频谱图一2 6 图3 1 3 毫米波信号的眼图2 6 图3 1 4 基带信号的眼图2 6 图3 1 5 数字信号加载在强度调制器上的原理图2 7 图3 16 模拟频谱图2 7 图3 1 7 电毫米波信号眼图2 8 图3 1 8 基带信号眼图2 8 图4 1 只用一个调制器产生六倍频毫米波的原理图3 l 图4 2 数字信号加载在直接调制激光器上的原理图3 3 图4 3 模拟频谱图3 3 图4 4 毫米波眼图3 4 图4 5 基带信号的眼图3 4 图4 6 数字信号加载在强度调制器上的原理图3 4 硕卜学位论文 图4 7 模拟频谱蹦3 5 图4 8 毫米波信号眼图3 6 图4 9 基带信号眼图3 6 图5 1 产生八倍频毫米波的原理图3 9 图5 2 模拟频谱图4 l 图5 3 毫米波信号眼图4 2 图5 4 基带信号眼图4 2 v l i l 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：云? 织备泛 日期：衣哆年4 月“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 ， 2 、不保涮 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名方7 确枣日期：& 哆年历月歹多日 刷噬轹m p 砷年r 膨日 硕l ：学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 2 0 世纪7 0 年代，光纤通信作为一种新通信技术问世，它采用光纤作为传输 介质，以光波作为信息载体。这种通信方式由于具有巨大的容量、超长传输距离 和极低的传输损耗，在问世后不久就成为有线信道最主要的传输方式。无线通信 是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。 近年来，无线通信用户急速扩人，服务也日益多样化，接入网支持的服务从音频 传送扩展到了数据传输、视频播放等占用更高带宽的业务上，因此增加无线接入 网的带宽就成为无线通信急需解决的问题。虽然光纤通信技术提供了海量的带宽 和超高的速率，而移动性却不够。无线通信可以提供灵活的接入，却受到带宽的 必然约束。光纤通信和无线通信是互补的两个物理网，因此，从未来超大容量超 高速通信的需求和发展上来看，结合光纤和无线各自长处的r o f 技术，将成为一 种有效的解决方案。 r o f 技术的产生与发展都来源于用户对无线接入网的带宽的需求。r o f 系统 申采用光纤做为中心站( c s ：c e n t r a ls t a t i o n ) 和基站( b s ：b a s es t a t i o n ) 之间的 传输介质，直接利用光载波传输毫米波信号，它主要采用一种分布式结构，即一 个中心站服务多个基站，数据处理和复杂器件都集中在中心站，让多个远端基站 共享这些设备，而基站只是实现光电转换和电光转换的功能，所以基站的结构可 以尽可能的简单，减少基站的功耗和成本，以减少整个系统的建立和维护成本。 光纤传输的毫米波信号提高了无线带宽，但天线发射后的毫米波在大气中的传输 距离短，所以要求蜂窝结构向小小区转变，而基站结构的简化有利于增加基站数 目来减少蜂窝覆盖面积，从而使组网更为灵活，大气中无线信号的多经衰落也会 降低；另外，利用光纤作为传输链路，具有低损耗、高带宽和防止电磁干扰的特 点。因此r o f 技术可以很好的提高无线接入网的带宽，可以很好的解决4 g 移动 通信系统面临的系统容量和传输速率方血的问题。 2 0 0 0 年的奥运会在澳大利亚悉尼举行，利用r o f 技术建立了 t e k m a r b r i t e c e l l t m 网络。它解决了奥运会期间，大量移动电话同时呼叫的连接问 题，实现了宽带传输，避免了拥塞的发生，且在奥运会开幕式时，成功连接了 5 0 0 0 0 0 部无线电话的呼叫。在日本，r o f 已经应用在了现有的蜂窝系统个人 数字通信( p d c ，p e r s o n a ld 嘶t a lc o m m u n i c a t i o n ) 系统和宽带码分多址接入 ( w c d m a ，w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 系统中。n t td o c o m o 作为 展j ：名倍频训制的光毫米波产牛及传输十牛能研究 日本蜂窝系统运营商之一，将r o f 技术运用予微蜂窝和微微蜂窝的信号传输微波 链路中。它将很小的基站( 接入单元) 设置在室内天花极上，然后通过光纤与 个主基站连接在一起。r o f 技术存日本不仪用于轨道交通，还被应存高速公路的 智能交通系统中。另外，在下一代网络中，在一些热点区域，如商场，机场等， r o f 都将具有诱人的应用前景。例如在国外，基于r o f 技术的分布式天线系统 ( d a s ) 已经应用于许多热点区域。总之，r o f 技术在未来光无线融合的潮流巾必 将扮演越米越重要的角色。 众所周知，频率资源是有限的、不可再生的资源，也是非常宝贵的自然资源。 提高频率利用率对社会生产、人民生活及国防建设等各个领域都具有非常重要的 意义。提高频率利用率的目的是为了增加系统容量，由信息理论的s h a n n o n 公式 可知，通过提高系统的带宽，可以实现提高信道容量的目的：而高频率的载波提 供大的调制带宽，继而可以提高信道容量，所以，用高频率的载波传输信息。可 以提高系统容量。因此，在r o f 系统中，高频率毫米波的产生技术就成为了非常 关键的技术。 r o f 系统中，如何用最简单的方法产生高质量的毫米波，对于降低系统成本 有重大意义。因此，用低频本地振荡( l o ：l o c a lo s c i l l a t o r ) 信号、窄带宽调制器产 生高频、高质量的毫米波是研究的重点。一个好的r o f 系统要达到的目标是：在 保证性能的同时还要降低建立和维护的费用，因此对毫米波的产生方法和传输特 性的研究是非常有意义的。 1 2 国内外研究进展 在r o f 系统中，由于光载波上承载的是模拟信号，因此系统对光器件的性能 要求更高，并且链路本身的色散以及非线性效应对系统的影响也很大。目前对于 r o f 技术的研究主要集中在物理层上，如：光毫米波信号的产生和传输，光纤链 路的色散控制，各种调制器、滤波器的特性分析与改进，以及基站中光载波的重 用等。目的在于产生高性能的光毫米波，延长传输距离，降低系统成本。 毫米波的产生有多种方案，大致可分为三种类型：一是直接调制激光器产生 毫米波【z j j ；二是用光外差的方法；三是外部调制器法产生毫米波信号。通过信息 流直接控制激光器的驱动电流，从而获得输出功率变化的调制方法为直接调制法。 在直接调制中，激光器既是光源又是调制器。由于直接调制速率受自发载流子寿 命、受激载流子寿命和光子寿命的限制，因此为了避免非线性现象的产生，在高 速传输系统中需要采用外调制技术【4 】。 而光外差的方法是传输两个频率差等于所需要的毫米波频率的光载波，其中 之一携带了需要传输的基带数据，如果两个光载波的频率偏置很稳定，并且相位 关联，就可以产生高质量的电毫米波信号。但是，两个光载波在光纤中传输时会 2 硕十。付论文 受到色散的影响，使毫米波信号质最恶化。该方案需要采用两个稳定的激光源， 但是它们之间的随机相位噪声导致外差接收产生的拍频毫米波存在相位噪声，将 对系统性能造成严重的影响【引。为此，这些年人们提出了光锁相环法( o p l l ) 1 67 1 ， 光注入锁定法( o l l ) l s l ，光注入锁相环法( o i p l l ) 【9 j ，以上方法可以抑制低频 相位噪声，但是很难抑制高频相位噪卢，除非采用非常窄线宽的光源【l0 1 。 外部光学调制器法被认为是最有应用前景的毫米波产生技术。其基本原理是： 基于外部调制器的非线性响应，产生边带频率。在接收端由边带拍频得到毫米波信 号。使用外部调制器产生毫米波的研究主要有系统结构的简化，低成本、高质量毫 米波的产生以及基带数据的加载等。 基于外部调制器产生光毫米波的方案，可以根据不同方案产生不同调制格式 的毫米波，比如双边带调制( d s b ) 14 1 ，单边带调制( s s b ) 【1 5 2 2 1 ，载波抑制 调制( 0 c s ) 【2 3 2 7 1 。双边带调制方式可以采用不同的调制器来实现，如双臂m z 调制器1 14 1 ，电吸收调制器【14 1 ，相位调制器【1 1 1 3 】等。双边带调制产生的毫米波接 收灵敏度高，频谱效率高，并且容易实现，但易受衰落效应和码元时移的影响【2 引。 单边带调制( s s b ) 可以通过将双臂l n m z m 调制器的直流偏置设置成1 2 半波电压实现【1 5 1 6 j ；也可以通过滤波器或者光栅滤掉双边带调制中的一个边带； 实现单边带调制，布拉格光纤光栅是理想的滤波器件【1 7 8 】；也可以采用f p 滤波 器滤掉一个边带f l9 】；为提高波长的可调性，也有方案设计出了波长自适应单边带 滤波器以滤出边带【2 0 】；还有利用基于受激布里渊( s b s ) 非线性效应实现单边带 调制1 2 ，但是工作频率只能在1 1 g h z 。单边带产生毫米波的方式需要与毫米波频 率相等的调制频率，并且接收灵敏度不高。载波抑制调制可以通过产生双边带调 制然后用滤波器滤掉载波来实现卅2 ，h 】。也有实验报导在适当的直流偏置电压 下，使用单电极的m z 调制器也可以实现载波抑制调制【2 引，还可以直接设置调制 器，直接抑制掉载波，用两个一阶边带拍频获得毫米波【2 3 2 7 1 。载波抑制调制产生 的毫米波不但接收灵敏度高，而且调制频率只有所需毫米波频率的一半。 数据加载到毫米波上也有不同的方案，有的文献先利用外部调制器产生不同 调制格式的光载波，然后把数据调制到光载波上f 屹，1 4 ，2 7 1 。还有文献先将数据调制 到光载波上，然后再利用外部调制器产生不同调制格式的光载毫米波【2 3 ，2 4 ，2 8 ，2 9 1 ，这 种方式产生的光载毫米波由于受到色散的影响，导致携带数据信息的边带到达接 收端的延时不同，从而产生码问干扰，系统的功率代价增大，且缩短了毫米波的最大 传输距离。于是有方案提出在中心站将基带信号与射频信号混频，然后再用混频信 号驱动单臂或者双臂m z 调制器【2 0 ，2 1 ，2 6 1 ，这种方式配置简单，但是它的性能和第 种数据加载方式相似，毫米波的最大传输距离受限，功率代价高，但在短距离传输 系统中，该方案具有广阔的应用前景。 多倍频毫米波的产生不仅要注重质量同时也要兼顾基站的简化，有文献报道 3 荜f 多倍频渊制的丸毫米波产牛及传输忭能研究 基站的简化主要通过采用波长重利用来实现f 1 2 1 1 4 2 7 ，3 0 3 1 ，32 1 ，实现波长重利用一般 有两种方案，种为纯净光载波与光载毫米波起从中心站1 誓输到基站，在基站 采用滤波技术分离出光载波作为卜行链路光载波l l2 ，1 4 ，2 ，另一种方案为传输带有 基带数据的光载毫米波，在基站分出部分毫米波功率作为上行链路光载波p 引。 还有一些其他的光载毫米波产生方案。有的是利用外部调制器产生抑制奇数 边带的调制方式，然后用光栅或者滤波器滤除载波，或者是川滤波器选择出两个 二阶边带，用两个二阶边带产生四倍频毫米波【3 3 q5 | ，但这种方法对调制信号的功 率要求比较高。2 0 0 7 年，有方案提出不需要任何电、光滤波器，用两个级联的光 调制器和一个电移柏器就可以产生宽带鳕倍频毫米波1 3 引。另外还有利用凶波混频 效应产生毫米波的方案，其原理是：两个泵浦频率输入至高阶非线性光纤 ( h n l f ) ，或半导体光放大器( s o a ) 中，产生新的频率成分，经滤波器滤出需要 的两个频率成分，在p d 处拍频，即可得光毫米波信号。2 0 0 6 年，a n d r e a sw b e r g 等提出利用h n l f 中的四波混频( f w m ) 效应和f b g 的滤波性能，适当的调节调制 器，使载波和偶数阶边带被抑制，只有两个一阶边带，频率间隔为2 c 输入到h n l f 中，在h n l f 中发生四波混频效应，产生两个新频率，间隔为6 f 。通过两个f b g 滤波，得到光域里需要的频率。驱动信号6 6 7 g h z ，产生的毫米波为4 0 g h z p 。 同年，q i n gw a n g 等人提出利用s o a 中的四波混频( f w m ) 效应，通过o p l l 产生 两个相位相关的波长，两个波长被送至s o a ，由于s o a 的非线性效应，发生f w m ， 产生两个新的频率，新频率的差值为初始两个泵浦频率差的3 倍。为了抑制两个 泵浦波长，用了两个级联的f b g ，作为带阻滤波器【38 1 。2 0 0 7 年，t w a n g 同样利 用的是s o a 的f w m 效应，通过调制l n m z m ，实现载波抑制( o c s ) ，经e d f a 放大后，作为两个泵浦频率输入至s o a 中，在s o a 中发生四波混频效应，产生 两个新的频率，频率差为6 f 。获得了4 1 7 g h z 的毫米波信号9 。 国内相关科研单位近几年来也相继开展了对毫米波光载波产生和传输进行了 研究，包括清华大学、北京大学、中科院、北京邮电大学、浙江大学、上海大学 及湖南大学等，并有一些科研成果报道。如浙江大学光纤光栅微波载波的单边带 调制，利用光纤光栅产生单边带信号。北京大学研究了双波长调制产生光毫米波 并分析了其传输色散的影响，清华大学也研究了单边带调制产生光毫米波并分析 了其传输色散的影响。湖南大学对4 0 g 6 0 g 射频r o f 系统作了大量的研究，并 且搭建出了一套光无线传输系统，将d v d 存储的高清晰电视数据源调制到4 0 g 的微波上，然后经过调制到光载波上传输，经过探测接收并由天线发射，并在接 收端将信号送给高清晰电视进行播放，得到很好的实验效果。 1 3 ，论文结构 光纤无线通信系统是新兴发展起来的一项技术，在未来的通信系统中有着广 4 硕十学位论文 泛的应用前景。本论文对光纤无线通信系统的基本理论、光学毫米波产生的各种 方案以及毫米波的，f 譬输性能等几个方面进行了讨论，重点研究了四倍频、六倍频、 八倍频毫米波产生方案，每一章节的具体安排如下： 第一章为绪论，论述了光纤无线通信系统的研究背景和意义；国内外关于光 学毫米波的产生方案，主要论述了已经提出的毫米波产生方法汞l 各自的优缺点以 及本论文的结构。 第二章主要讨论了光纤无线通信系统的一些基本特征，内容包括：r o f 系统 的基本结构；r o f 系统的原理；理论推导了并且模拟了几种常用的毫米波产生方 法，包括单边带调制、双边带调制、载波抑制调制；介绍影响光毫米波传输的色 散因素以及非线性因素；同时介绍了一种波长重利用方案和r o f 技术的特点。 第三章主要提出了四倍频光载毫米波的产生方案，一种为采用l n m z m 产生 奇数阶边带被抑制的调制方式，然后用光纤布拉格光栅滤波器滤除载波，用两个 二阶边带拍频产生四倍频毫米波，并且通过实验验证；另外还采用马赫一增德尔 调制器产生奇数阶边带和载波同时被抑制的调制方式，并且通过模拟验证。数据 的加载方式有三种，也分别进行了实验或者模拟验证，并对四倍频毫米波的传输 性能进行了公式推导和理论分析。 第四章提出了六倍频光毫米波的产生方案，采用马赫一增德尔调制器产生载 波和一、二阶边带被抑制的调制格式，并且通过模拟验证。数字信号的加载方式 有两种，并对六倍频毫米波的传输性能进行了公式推导和理论分析。 第五章提出了一种产生八倍频光毫米波的方案，用并联的两个调制器，都设 置为产生载波和奇数阶边带被抑制的调制格式，然后耦合，上下两个调制器所剩 余的边带为都为二阶、四阶，但是上下两个调制器所产生的二阶边带的相位是相 反的，因此，当两个调制器耦合时，二阶边带消失，四阶边带留下，因此两个四 阶边带拍频产生了八倍频毫米波，对此方案进行了理论分析和模拟验证，并对八 倍频毫米波的传输性能进行了公式推导和理论分析。 最后，给出了本论文的工作总结。 5 荩j ：多倍频渊制的光毫米波产牛及传输件能研究 第2 章光纤无线通信系统的关键技术 2 1 r o f 系统简介 光纤无线通信系统由中心站、基站和连接两者的光纤链路三部分组成。如图 2 1 所示。在整个系统中，中心站主要完成毫米波的产生，数据的调制以及编码、 复用等复杂任务，经过数据调制的光毫米波经过光纤传输后到达基站，基站的功 能较为简单，实现光电转换( o e ) 和电光转换( e o ) ，以及放大的功能。在整个 系统中，中心站能够实现器件共享，资源的动态分配以及系统安装和维护的简单 化。中心站至基站传输方向称为光纤下行链路( d o w n l i n k ) ，反之称为光纤上行链 路( u p l i n k ) 。对于下行链路，在中心站产生的光载毫米波信号经过光纤链路的传 输到达基站，在基站，用光检测器( p d ：p h o t o d e t e c t o r ) 将光载毫米波转变为电毫 米波信号，电毫米波信号经过电放大器( e a ：e l e c t r i c a la m p l i n e r ) 放大，然后通 过设置在基站的天线发送到空气中，用户通过毫米波天线接收到毫米波电信号完 成解调；对于上行链路，用户将要发送的数据调制到射频信号上，经过无线链路 的传输后被基站的天线接收，基站再利用光调制器将此无线信号调制到光载波上， 经过光纤链路的传输到达中心站，完成信号的检测。由于电毫米波信号在空气中 传输的距离短，为了实现无缝覆盖，就需要建立多个建站。因此建站的结构需要 越简单越好。r o f 系统中几乎所有的信号处理工作都在中心站完成，基站只完成 简单的功能，这样就缩短了无线传输部分的距离从而减小上行发送功率，提高了频 率使用效率和系统容量，有利于降低整个系统的成本。 图2 1 简单的r o f 系统结构 6 硕。 j 学位论史 2 2 毫米波信号的产生 实现r o f 系统的关键技术是高质量毫米波的产生和传输，以及r o f 系统整 体成本的下降。一般来说，现有的光载毫米波信号产生方案主要有三种：直接强 度调制，外部调制器法，远程光外差，另外最近几年也有人研究利用四波混频产 牛高频毫米波，本节将对这四种类型进行详细介绍。 2 2 1 直接强度调制 直接强度调制是指在激光振荡的过程中加载调制信号，以此调制信号做为电 流信号注入半导体光源中，控制激光振荡参数的改变，使激光输出特性收到调制， 从而获得相应的光信号输出。如图2 2 为直接调制的示意图。 调制信号 图2 2 直接强度调制的原理 直接强度技术具有简单、损耗小、经济、容易实现等优点，是光纤通信中最 常用的调制方式，但只适用于2 5 g b s 速率以下的信号调制，因为直接调制方式 有一个因其工作方式所造成的固有缺陷，就是啁啾现象，即发送波长会随调制电 流变化，这是因为调制电流的变化将引起激光器谐振腔的长度发生变化，引起发 射激光的波长随调制电流线性变化，这种变化被称为调制啁啾。它实际上是一种 直接调制无法克服的波长( 频率) 抖动。啁啾的后果是展宽激光器光谱线宽，造 成传输信号严重的色散，限制信号的传输距离【4 4 1 。直接强度调制产生光学毫米波 是最简单的方式，但是由于激光器调制带宽受限，同时光学毫米波的性能受激光 器的性能限制，因此不适合产生高速率光毫米波，只适合短距离，低频副载波的 传输。 7 坫j ：名倍频渊制的光毫米波产， i 及传输性能研究 2 2 2 外部强度调制 射频信号 图2 3 外部强度调制产生光载毫米波原理图 外部强度调制器产生光载毫米波的示意图如图2 t 3 所示。调制器可以有多种 选择，如相位调制器，电吸收调制器，m a c h z e h n d e r 调制器等。本文采用双臂 l i n b 0 3m a c h z e h n d e r 强度调制器实现不同调制格式的毫米波产生。 从激光器( d f b l d ) 输出的连续光表达式为：e ( f ) = 色e x p ( 纹f ) ，其中e ，哝 分别是光载波的幅度与角频率。基带数据信号的表达式为：d ( f ) ，射频信号表达 式为：( f ) = c o s f ，其中，分别是射频信号的幅度与角频率。r f 信号与基带信号混频，y ( f ) = ( ，) d ( ，) = c o s f d ( f ) 。参考文献【4 0 】【4 l 】，从 马赫增德尔调制器( m z m ) 输出的光信号的表达式为： 如心，= 警p e x 刚万警+ 归琶，州一力e 冲c 弦等+ 弦琶，j c 2 j ， k ( f ) ，圪( f ) 分别为加在双臂l i n b 0 3m a c h - z e h n d e r 调制器两臂上的混频后的电 信号，幅度相同，相位相差秒；即巧( ，) = c o s ，k ( ，) = c o s ( ，+ d ；圪，圪2 为加到两臂的直流偏置电压，通过调节直流偏置电压和相位差，可以输出不同的 调制格式。圪为调制器的半波电压；，为分光比，取值为l 2 ；口为插入损耗，设 插入损耗足够小。为了简化分析，令圪，= o ，对( 2 1 ) 式进行化简，并且取实部， 得： 驯= 掣卜哪+ 警c o s ( 咿鲫s ( 咐警c o s 咿刮亿2 ) 令= 警，为调制器的调制深度， 相位偏转。将( 2 2 ) 式贝塞尔展开，得： 令伊= 孝，表示由直流偏置电压引起的 8 硕i 学位论艾 e 。( f ) = 云e d ( ，) c 。s q ， 厶c 历+ 2 善c 一矿t ，：。c 仂r c 。s c 2 删缸，c 。s c 2 彬，一s 眦2 脚，埘n c 2 棚，ll h = l j + 2 s i nc ，f ( 一1 ) ”以，卜i ( 夕) 【c o s ( ( 2 狞一1 ) 国舻f ) c o s 以( 国， 因此载波的功率要大于两个二阶边带的功率，与模拟及实验的结果吻合。此信号 输入至f b g ，光载波被滤除，输出的信号中只含有双频二阶光边带，即： 瓦，2 ( f ) = 一以( 历【c o s ( f + 2 红k ，) + c o s ( 卜2 & k f ) 】 ( 3 4 ) 从( 3 4 ) 式可以看出，从f b g 输出的两个边带的频率差为4 倍的r f 频率。此 信号经过光电二极管( p d ) 进行光电检测，输出表达式为： ，( ，) = 川瓦：刨 节鼋诹历 1 + 主c o s ( 2 缈+ 婚) + 主c o s ( 坳一删+ c o s ( 砌) + c o s ( 蚶) o 。5 | l 为p d 的响应率。( 3 5 ) 式中，第一项为直流成分，第二三四项为光频成分， 这些光频成分经过p d 后，也变成了直流成分，所以从p d 输出的成分只含有最 后一项，即产生了一个四倍于r f 信号频率的电毫米波： 坪) = 瑶z ( 历c o s ( 4 f ) ( 3 6 ) 从以上理论推导町以看出，我们令口= 万，圪，= 0 ，即町实现抑制奇数边带的调 制格式，再用f b g 滤波器将载波滤除，在基站拍频，即得到了4 0 g h z 的毫米波 信号。本方案用l o g h z 的本地振荡频率，产生了4 0 g h z 的毫米波信号，降低了 对混频器和调制器的带宽需求，从而降低了系统成本。 1 8 硕十学位论文 3 2 2 系统原理及仿真结果 本方案提出的用外调制器和f b g 滤波器产生四倍频光毫米波的r o f 系统原 理图如图3 2 所示。其中，o e 为光电检测器，e a 为电放大器。分布反馈激光器 ( d f b l d ) 产生连续光作为光载波，中心频率为1 9 3 1 t h z ，下行传输的数据与 1 0 g h z 的射频信号混频产生电毫米波，驱动双臂马赫增德尔调制器产生奇数阶边 带被抑制的光信号，双臂马赫增德尔调制器的参数设置为9 = 以圪。= 0 ，与理论 推导结果一致，仿真结果如图3 2 ( a ) 。两个二阶边带之问的频率间隔为4 倍的射 频频率。调制后的光谱能量主要集中在二阶边带和中心载波上。用f b g 滤波器将 中心光载波滤除，得到了只包含双频率的二阶边带信号，频率差为射频信号的4 倍，仿真结果如图3 2 ( b ) ，载波抑制比约为5 0 d b 。经过光纤传输后，双频二阶边 带信号在基站通过高速检测器，产生频率为4 而的电毫米波信号，通过天线发射 至大气中变成无线信号。 伯0 1 t r _ _ q r 嘲 主 l 昭1t r 瓣r h 尊砖 图3 2 采用外调制器和f b g 产生四倍频毫米波信号原理图 ( a ) 抑制奇数阶边带后的频谱图( b ) 滤除载波后的频谱图 毫米波信号的眼图以及基带信号的眼图如图3 3 和3 4 所示，从3 3 ( a ) 可以看 出，在b t - b 传输时，毫米波眼图张开度大，随着传输距离的增加，传输2 0 k m 时，眼睛张开度变小，如图3 3 ( b ) ，当传输4 0 k m 时，眼睛的张开度进一步变小， 这是由