（通信与信息系统专业论文）高速毫米波rof系统的关键技术研究.pdf

上海人学硕士学位论文 摘要 近年来随着无线通信技术的高速发展，人们对无线通信的带宽和服务质量 的要求也越来越高，这无疑对如今已阻塞不堪的微波频段带来了莫大的压力， 想要在通信的带宽及质量上再有质的飞跃，已是困难重重。这也成为了如今无 线通信技术前沿发展的一个瓶颈，想要突破这一瓶颈，则必然要向频率更高的 毫米波频段迈进。在微波光子学领域中，将毫米波与光纤传输的大容量和可靠 性相结合的毫米波r o f ( r a d i o o v e r - f i b e r ) 系统对这一问题的解决有着极大的 优势，因此也正受到越来越多专家学者的关注。 毫米波r o f 系统具有大容量、设备轻巧、抗干扰能力强等特点，适合应用 于高速铁路的车地通信或建立微微蜂窝等无线通信方式，具有很大的市场潜力。 本课题主要研究诸如：以降低成本、提高系统稳定性为目的毫米波r o f 系统结 构精简方案；以高速数据传输为目的的光载波直接q p s k 调制r o f 系统；寻求 光直接调制的r o f 系统上行传输中如何获得纯净本振的方法；以及光纤色散对 高速毫米波r o f 系统的影响等一系列问题，来完善提升现有的毫米波r o f 系统， 迎合无线通信系统未来发展的需要。 在本文的开头会介绍一下毫米波通信与r o f 系统的特点，并对当今常用的 4 种毫米波r o f 技术作简单的分析。在第一章的最后会给出论文的主要研究内 容、贡献及结构安排。接下来，本文会在介绍光学倍频法的基础上对两种基于 光学倍频法的毫米波r o f 系统进行分析，从而创新性的提出一种结构更为简化， 性能更加稳定的r o f 系统方案。该方案有效地节省了系统成本，解决了原有系 统中最不稳定的偏振态控制问题，使得整个系统能够更好地推向实用化。 为了体现毫米波通信的高速率、宽带宽的优势，高速毫米波r o f 系统应当 对光波进行直接调制，并且采用调制效率较高的方式，如q p s k 。因此，在论 文的第三章中首先会对三种可以实现光q p s k 调制的光调制器的性能和优缺点 进行比较分析，接着将重点研究如何实现直接光q p s k 调制的毫米波r o f 系统 结构。在此基础上，为了完成整个系统的双向传输，第四章将对高速毫米波r o f v 上海大学硕士学位论文 系统的上行链路进行研究，解决如何在直接光q p s k 调制r o f 传输系统中获得 下变频所需的纯净本振。在光直接调制的r o f 系统中由于基带信号会调制到系 统频谱的每一根谱线上，因此就无法获得纯净的本振谱线。在研究过程中，基 于对大量结构组合方案的分析和筛选，最终提出抑制高次谐波的中频插入法解 决了基站中获得相干本振的问题，实现了系统的双向传输，并给出详细的理论 推导。 光纤色散是影响毫米波r o f 系统通信质量的主重要因素，在论文的第五章 中将对这种影响作详尽的分析，并且着重讨论光纤色散对高速光q p s k 调制的 毫米波r o f 系统的影响。 最后，搭建实验系统，对双向传输的高速毫米波r o f 系统进行验证。并对 全文进行总结，提出未来的研究方向。 关键词：光纤毫米波技术，光学倍频法，光q p s k 调制，下变频技术 上海人学硕上学位论文 a b s t i 溃c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e s ，t h ed e m a n do n b a n d w i d t ha n dq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) i sg o i n gu pq u i c k l y b u ti ti sh a r dt om a k ea s i g n i f i c a n tp r o g r e s sb e c a u s eo ft h ec o n g e s t i o no fm i c r o w a v es p e c t r u m i no r d e rt o s o l v et h i sp r o b l e m ，i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n si n m i l l i m e t e r - w a v e ( m m - w a v e ) b a n d i nt h ef i e l do fm i c r o w a v ep h o t o n i c s ，s i n c et h e c o m b i n a t i o no fn l m - w a v ea n dr a d i o - o v e r - f i b e r ( r o f ) i st h ep o t e n t i a ls o l u t i o nt o a c h i e v el a r g e rc a p a c i t ya n dm o r er e l i a b i l i t y , m i l l i m e t e rw a v er o fs y s t e m sh a s a b s o r b e di n c r e a s i n ga t t e n t i o no f r e s e a r c h e r si nt h ew o r l d a sm n l - w a v er o fh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hc a p a c i t y , h a n d yf a c i l i t i e s a n di n t e r f e r e n c ei m m u n i t y , i ti ss u i t a b l et ob eu s e di nt r a i n - g r o u n dc o m m u n i c a t i o no f l l i g h s p e e dr a i l w a ya n dp i c o - c e l lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni n t h ei n d o o re n v i r o n m e n t t h i sp a p e rf o c u so nd i s c u s s i n gt h ep r o b l e m sa n ds o l u t i o n so ft h ec u r r e n tr o fs y s t e m t om e e tt h ef u t u r en e e d so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ：h o wt os i m p l i f yt h es t r u c t u r et o r e d u c et h ec o s ta n di n c r e a s es y s t e ms t a b i l i t y ；h o wt oa p p l yo p t i c a lq p s km o d u l a t i o n h i 曲s p e e d r o fs y s t e ma n dh o wt o g e t ap u r el o c a lr e f e r e n c e s i g n a l f o r d o w n - c o n v e r s i o no fr e c e i v e dm i l l i m e t e rw a v ei nu p - l i n k t h ec h r o m a t i cd i s p e r s i o n c h a r a c t e r i s t i c so fm i l l i m e t e rw a v er o fs y s t e m sw i l la l s ob ed i s c u s s e d i nt h eb e g i n n i n go ft h i sp a p e r , t h ec h a r a c t e r so fr a m - w a v er o fs y s t e ma n df o u r r n l t l - w a v eg e n e r a t i o nt e c h n i q u e sw i l lb ei n t r o d u c e di nan u t s h e l l t h e n , t h ec o n t e n t , c o n t r i b u t i o n sa n ds t r u c t u r eo ft h i sp a p e rw i l lb ea l s og i v e na tt h ee n do fc h a p t e r1 o nt h eb a s i so fo p t i c a lf r e q u e n c ym u l t i p l y i n g ( o f m ) t e c h n o l o g y , t w ok i n d so f 1 1 1 1 1 - w a v er o fs y s t e m sw i l lb ea n a l y z e da n dan o v e lr o fs y s t e mw i mas i m p l i f i e d s t r u c t u r ea n ds t e a d yp e r f o r m a n c ew i l lb ep r o p o s e d t h i ss y s t e mc a ns a v et h ec o s t e f f e c t i v e l ya n de l i m i n a t et h ep o l a r i z a t i o n c o n t r o l l e r s ，c o n s e q u e n t l y , b eu s e f u li nt h e p r a c t i c a lc o n d i t i o n i no r d e rt ob r i n gi l n l - - w a v ec o m m u n i c a t i o ni n t of u l lp l a yt h eb a n d w i d t h s a v i n g v n 上海大学硕士学位论文 o p t i c a lq p s km o d u l a t i o nm u s tb ea d o p t e di nh i g hs p e e dm m w a v er o fs y s t e m s i n c h a p t e r3 ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h r e eo p t i c a lq p s km o d u l a t i o ns t r u c t u r e sw i l lb e a n a l y z e da n dc o m p a r e d ，a n dt h e nan o v e lo p t i c a lq p s km o d u l a t i o ns c h e m ei n n l r n w a v er o fs y s t e mw i l lb ep r o p o s e d i no r d e rt oe s t a b l i s hab i d i r e c t i o n a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，c h a p t e r4w i l lf o c u so n h o wt og e tap u r el o c a lr e f e r e n c es i g n a lf o rd o w n c o n v e r t i n gt h er e c e i v e dm i l l i m e t e r w a v ei n t oa ni n t e r m e d i a t ef r e q u e n c ys i g n a li nu p l i n ko ft h es y s t e m t h ed i f f i c u l t yo f d o w n - c o n v e r s i o ni no p t i c a lq p s km o d u l a t i o nr o fs y s t e mi st h a tt h ep u r er e f e r e n c e s i g n a li su n a v a i l a b l ea sar e s u l to ft h a tt h eb a s e - b a n ds i g n a lh a sm o d u l a t e do ne a c h s p e c t r a lc o m p o n e n t b ys t u d y i n gm a n yr o fs t r u c t u r e s ，an o v e lu p l i n ks y s t e m s c h e m ef o ro p t i c a lq p s kr o fs y s t e mw i t hap u r el o c a lr e f e r e n c eg e n e r a t i o nw i l lb e p r o p o s e d c h r o m a t i cd i s p e r s i o ni st h em a i nf a c t o ra f f e c t i n gt h ei s i s w a v eg e n e r a t i o ni na r o fs y s t e m t h ed e t a i l so ft h i sf a c t o rw i l lb ea n a l y z e di nc h a p t e r5 i ti sp r o v e dt h a t t h em i l l i m e t e rw a v ei nar o fs y s t e mb a s e do no f mh a sl e s sf a d i n gc a u s e db yf i b e r c h r o m a t i cd i s p e r s i o nt h a nt h a ti no t h e rr o f s y s t e m s i nt h el a s tc h a p t e r , a ne x p e r i m e n t a lb i d i r e c t i o n a lr a i n w a v er o fs y s t e mi sb u i l t t ov 喇母t h eh i g hs p e e do p t i c a lq p s km o d u l a t i o ns c h e m ea n dt h ed o w n c o n v e r s i o n t e c h n i q u ep r o p o s e di nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：m i l l i m e t e r - w a v er a d i o - o v e r - f i b e r , o p t i c a lf r e q u e n c ym u l t i p l i c a t i o n ， o p t i c a lq p s km o d u l a t i o n ，d o w nc o n v e r s i o n 上海人学硕士学位论文 原创性声明 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。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：! 訇圭至燮日期：圣! ! 墨兰：呈乡 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，l + t l l ： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盟导师签名：桠日期：星翌掌：兰：兰厂 上海大学硕上学位论文 1 1 毫米波通信概述 第一章绪论 毫米波，顾名思义就是指波长在毫米数量级的电磁波，波长在1 0 m m 1 m m 范围之间，相应的频段为3 0 g h z 3 0 0 g h z 。 近年来随着无线通信技术的高速发展，运营商为移动用户提供的服务也已 不再是简单的话音业务，而是升级为像高清视频传输一类的宽带移动多媒体通 信业务【l 】。这对现今以微波频段为基础的无线通信网络在带宽和服务质量上都 带来了非常巨大的压力，甚至在某些层面上来说，微波频段已成了无线通信技 术在带宽和传输速率上的一个瓶颈。为了克服这一瓶颈，无线通信必须向频率 更高的毫米波频段发展。 1 1 1 毫米波的特点 毫米波最大的特点就是波长短，频带宽。我们知道，在天线尺寸确定的情 况下，电磁波的波长越短，那么所获得的增益越高、波束越窄、副瓣也越低， 天线增益的提高对发射机功率的降低和接收机灵敏度的提高都是有很大作用 的。另一方面，若想获得指定的增益和波瓣宽度，采用毫米波就允许使用尺寸 更小的天线，这对射频设备的小型化也是非常重要的。此外，窄波束还具有抗 干扰能力强、隐蔽性好等特点。从简单的比例关系我们可以知道，毫米波的总 带宽应该是厘米波总带宽的1 0 倍。按照毫米波的频率3 0 g h z 一3 0 0 g h z 来算， 毫米波的带宽可以达到2 7 0 g h z ，如此高的带宽可以充分满足人们在无线通信 中对高速数据和高清视频图像等多媒体业务传输的需要。 毫米波的另外一个特点就是传播受大气影响显著。在对电磁波传播特性的 研究中，人们发现大气的影响对于频率在厘米波段以下的电磁波来说基本上可 以忽略，但对于毫米波来说大气中的水蒸气和氧气会引起毫米波能量的急剧衰 减。原因是水分子的电偶极矩和氧分子的磁偶极矩与毫米波相互作用时，会在 某些毫米波波长上产生谐振，使其能量被吸收。水氧分子吸收引起电波传输衰 上海大学剐士学位论立 减的典型值如图卜1 所示口i 。因此在实际的毫米波通信中，为避免大气中水氧 分子的影响，通常选用几个“窗口”频率，包括3 5 g h z 、4 5 g h z 、9 4 g h z 、1 4 0 g h z 、 2 2 0 g h z 和三个吸收峰( 6 0 g h z 、1 2 0 g h z 、2 0 0 g h z ) 频率。 1 ：警警溢船臀器 幽i - l大气吸收引起的不同频率电波的传输衰减 事物都有两面性。一方面氧衰限制了一个毫米波通信系统的传输距离，这 是不利的，但是另一方面氧衰又使这个毫米波通信系统不会干扰其他毫米波通 信系统，因此毫米波两络的频率重用度可以很高。在这方面6 0 g h z 毫米波通信 系统显得特别突出，覆盖范围一般只有1 0 0 米左右，故适用于审内通信。4 0 g h z 毫米波通信系统的传输距离可以达到1 2k m 量级，适于高速铁路和轨道交通 通信系统。 1 1 2 毫米波系统和r o f 技术 由毫米波的特性分析可知，毫米波具有频带宽、传输速率高、波束窄、电 波隐蔽、设备轻巧和抗干扰性强等诸多优点，非常适应未来宽带无线通信的需 要。但同时我们也看到毫米波的传播受大气影响显著，覆盖范围较小，只能 形成所谓的微微蜂窝( p i c o c e l l u l a r ) 结构”。为了满足通信的需要，达到一 定的网络覆盖面积，必须建设大量的无线基站。从建设成本角度出发，既然基 站数量不能减少，那么单个基站的结构必须简单、设备要尽量廉价。为了达到 这个目的，我们考虑将复杂的数据处理和网络功能集成到中心站，基站仪仅作 j 。海人学j ，学r 论i 为中心站与无线终端的一个转接点。 在中心站与基站m 连接介质的选择h ，鉴于同轴电缆对毫米波信号的衰减 太大，而波导管体积大可弯曲性差小利于敷设，都小能构成毫米渡系统中心站 和肇站的连接线路，而光纤凼具有衰耗极小、频带极宽、轻便、易丁敷设以及 抗干扰能力强等特质足中心站和基站瓦连的最佳传输介质，山此形成了光纤 无线电( r o f ，r a d i o - o v e r - f i b e r ) 系统的概念。毫米波r o f 是一种针对毫米波 通信系统中毫米波的产生和传输问题的有效解决疔案。用光纤柬传输毫米波， 对于己调毫米波信号而者，r o f 系统是透明载体，是无线通信系统的物理层的 底层，并不涉及无线通信系统协议的其他部分。图卜2 是r o f 系统的大致结构， 系统主要由中心站( c s ) 、基站( b s ) 、无线用户终端、光纤传输链路以及基站 和无线用户终端之州的空间信道组成。一h b 站通过光纤连接许多基站，以达到 有效的覆盖面积。中心站负责l ：要的数据处理( 如基带信号的调制解调) 和网 络连接管理工作，而基站则作为物理层传输通道的转接点，连接中心站和无线 终端。 酗1 2 光纤无线电系统结构 毫米波r o f 传输系统基木构成如罔1 3 所示。在毫米波r o f 系统中，使用 光纤链路束传输毫米波信号，将光通信技术和毫米波通信技术融合在一起净”1 ， 系统涉及用毫米波调制光波、通过光纤传输已涮光波、把毫米波从光波上解调 海 学硕 韫论文 f x 、用光波方法产生毫米波载波等系列变换 中心站( c s ) 数据处理 光收发器 光纤f 行链蹄 n - - - - - - 、- _ - - - - n 二k z 一 光纤上行链路 基站( b s 0 e 转换 e 0 转换 目1 - 3 毫米波r o f 传输系统构成框圈 1 2 毫米波r o f 系统的常用技术 ，钐 l 穆动终端 如何用光学的方法产生毫米波，基带信号如何调制u 毫米波上，如何在基 站产生受基带信号调制的毫米波载波等是毫米波r o f 通信系统需要解决的主要 问题。由于毫米波r o f 系统是一个极具潜力的研究课题，自1 9 9 5 年以来，日 本、荧国、欧洲都在大力开发毫米波通信系统，研究重点主要集中在基站和中 心站间的毫米波产生和传输技术1 1 - 1 7 。日前，在毫米波r o f 技术研究方面国外 提出的比较有价值的方案大致有四种：外调制技术、上下变频技术、光自外差 技术、电吸收收发器技术。 1 2 1 外调制技术 一般来说，对光波的调制可以分为直接调制和外调制。直接调制是指用电 信号直接调制光波”8 - 2 0 1 ，虽然这种调制方式比较简单，但是由于不能保持激光 器频谱稳定并且难以工作在1 0 g h z 以上频率，因此并不适合应用于毫米波系 统。相对于直接调制技术而言，外调制技术可以工作在更高的频段，由于采用 独立的光源和调制器，发光器件和光调制器都能够工作在最佳状态。 采用外调制技术的毫米波r o f 系统方案如图1 - 4 所示，主要思想是在中心 站中用基带信号调制毫米波副载波，然后再用光调制器把己调毫米波信号调制 上海人学硕士学位论文 到光波上。从图中我们可以看出，c s 中将毫米波本振源的输出信号一分为二， 一路先经过毫米波调制器，在那里经受2 6 g h z 中频信号的调制( 基带数据预 先调制中频信号) ，成为携带基带数据的已调毫米波( 5 9 6 g h z ) ，然后通过电 吸收光调制器( e a m ) 对光波( 波长h ) 进行强度调制，另外一路纯净的毫米 波( 5 7 g h z ) 通过电吸收光调制器( e a m ) 对光波( 波长如) 进行强度调制。 两路光波经w d m 合波器向光纤线路发送。基站中通过w d m 分波器将接收到 的两个波长的光波分路，用高速的光探测器对携带基带信号的一路( 波长九1 ) 光波进行检测，就直接生成已调毫米波信号( 5 9 6 g h z ) 。另外一路( 波长k ) 光波用作b s 上行光源，通过电吸收光调制器( e a m ) 用接收到的来自无线用 户的毫米波信号( 5 9 6 g h z ) 对携带5 7 g h z 副载波的光波进行调制，将5 9 6 g h z 信号变成了光波上携带的2 6 g h z 信号，然后经过光纤传送回中心站。 零2徽i一)i-!lhr乍aye l o ： ：也h 竺h 竺心：一 薯扣翮| i2 裂好匹h i llt 呷删气 出一求 图1 - 4 外调制技术系统结构 外调制技术的系统结构虽然简单，但是调制深度不高，有非线性响应，此 外所产生的双边带信号在光纤传输过程中受光纤色散影响较为严重。另一方面， 从经济成本角度考虑，除了中心站需要昂贵的毫米波本振和毫米波调制器外， 每一个基站也都需要使用毫米波段的光调制器，这不利于实际系统的推广。 1 2 2 上下变频技术 上下变频技术中，毫米波是由基站中的毫米波本振产生的，在上下光纤链 路中并不传输毫米波信号。中心站中使用1 - 3 g h z 的中频信号作为副载波，再 将已被基带数据调制的中频信号直接调制光波【5 】【2 1 1 。基站中利用毫米波本振对 5 上海大学硕士学位论文 中频信号进行上变频和毫米波信号的下变频。上下变频技术可以在电信号域实 现，也可以在光信号域实现，如图1 5 所示。 c s ( a ) 图1 5 上厂f 变频技术r o f 系统结构图 图1 - 5 ( a ) 是在电信号域实现上下变频的毫米波r o f 系统结构，在基站中经 光探测器提取中频副载波，将其与毫米波本振源混频，使中频副载波上变频到 毫米波频段。同样，接收回来的毫米波信号也直接与毫米波本振源混频，使其 下变频到中频信号。图1 - 5 ( b ) 是在光信号域实现上下变频的毫米波r o f 系统结 构，与在电信号域不同的是，在基站中不使用电的毫米波本振源，上下变频所 需要的毫米波载波用一个前向反馈光场调制模块产生。这个光模块包括了两个 独立的相位噪声相关的激光器，用两路光波差拍生成的低相位噪声的毫米波信 号作为上下变频的本振信号。 上下变频技术最大的缺点就是变频效率不高，基站中需要毫米波本振和毫 6 上海大学硕士学位论文 米波混频器，或者需要两个激光器差拍得到毫米波信号，使基站设备非常复杂 并且成本很高。 1 2 3 光学自外差技术 利用两个频率有微小差异，但相位相干、偏振方向相同的光波进行差拍， 由于光波的频率极高，这两个光波的微小频差即为毫米波频率，例如在1 5 5 0 r i m 波长附近，o 8 n m 的波长差对应于1 0 0 g h z 的频率差异，这种得到毫米波的方 法就是光学自外差法。但是用这种方法要得到频率稳定、噪声小、幅度大的可 用毫米波还是十分困难的，因为必须要有两个频差稳定、相位相干、偏振相同 的光波模式。但是由于每个激光器输出的光波相位随机，很难保持两路光波的 严格相干，另外温度或偏置电流的变化会引起激光器输出中心波长的漂移，使 差拍出来的毫米波频率也发生漂移，例如：激光器中心波长偏移o 1 n m 对应的 频偏就是1 2 5 g h z 。为了获得频谱纯净的相干光源，研究者们提出了不少方案， 例如光锁相环、锁模激光二极管( m l l d ) 和双步光外差技术等【2 2 。3 6 1 。 篙口- 晶| n _ i l l dh 挑 竺i - 曰吨妒 ii ：c s： li l 一一j ii ： b s ：ll i i l 一一一一一一一一一一一一j 图1 - 6 光自外差技术生成毫米波的系统框图 图1 - 6 所示为锁模激光二极管产生了几个相干的波长，经波导阵列列光栅 取出其中的两个，频差为需要的毫米波频率【3 0 】。一个光波被数据调制，与另一 个一起经光纤传输到达基站，在光探测器上差拍出已调毫米波信号，经放大后 向外发射。 虽然光学自外差技术不需要使用高频率的光调制器，但是为了得到毫米波 所须的两路相干光载波的产生过程十分复杂，因此该方案也不能达到简化系统 结构的要求。 7 上海人学硕士学位论文 1 2 4 电吸收型光收发器技术 e a t ( e l e c t r o a b s o r p t i o nt r a n s c e i v e r s ) 是电吸收型光收发器的简称，它是一 种可以工作在6 0 g h z 频段的光电器件。由光探测器、无源波导和光调制器三个 部分组成，一般在e a t 元件内还装有光学透镜纠3 7 1 ，目的是为了提高e a t 元 件与光纤的耦合效率。由于集成了光探测器和光调制器的功能，所以一个e a t 元件就能同时实现全双工的调制解调工作【3 8 】。 图1 7 是采用e a t 元件的毫米波r o f 系统的结构图。在中心站，数据信号 与毫米波本振混频，产生6 0 g h z 的已调毫米波副载波。同时激光器l d l 发送 下行光波( 波长九l 处在e a t 的吸收区) ，激光器l d 2 发送上行光波( 波长如 处在e a t 的过渡带) 。已调毫米波副载波通过外调制器( e 蝴) 调制到下行 光载波九l 上，然后下行光波九l 与上行光载波如混合，通过光纤传送到基站。 在基站中，下行光信号经e a t 元件解调后，直接从射频输出端口输出6 0 g h z 的已调毫米波信号，该信号由天线发送出去。基站接收无线用户发送的毫米波 信号，并且通过e a t 元件将其直接调制到上行的光载波上，再通过光纤传送回 中心站。 r i i i l l l l l h 一一辜絮 a i l l i l l i ：匕p 一 i ；矗一9 好删 i6 t o i l 一一一一 i l l !名。工 巡 图1 7 电吸收光收发器r o f 方案 可见采用e a t 元件的传输系统基站中只进行光电、电光转换，不需要其他 的光学元件，因此大大简化了系统基站的结构。但是中心站仍然需要使用毫米 波本振以及高频率的光调制器。另外e a t 器件本身十分昂贵，是日本的专利产 品，所以该方案也不易普及使用。 8 上海大学硕七学位论文 1 3 论文的研究内容及安排 本课题研究的主要目的就是充分发挥毫米波通信的优势，突破微波频段的 限制，构建高速、稳定、成本低廉的r o f 系统，为未来无线通信的发展提供有 效实用的解决方案。 1 3 1 研究内容及主要贡献 一个真正可以推广普及的毫米波r o f 系统，成本和稳定是必须要考虑的两 个因素。上节介绍的四种毫米波r o f 系统，都因为其成本或者稳定性的问题很 难推广使用。因此，为了使毫米波r o f 系统不再停留于实验室中，而可以在今 后的无线通信中真正发挥其宽带宽、高速率的优势，在本文以此为目标进行研 究探索。主要分为五个部分： 首先，本文在研究过程中，要对毫米波r o f 系统进行结构优化的研究。以 尽量节省系统所用的元器件和去除诸如偏振态等不稳定因素为目标，使整个系 统简化而稳定。 毫米波无线通信的最大优势就是宽带宽和高传输速率，因此低速的毫米波 r o f 系统除了做基础研究外，对使用毫米波频段来通信的意义并不大。为此本 文的另一个研究重点就是以合理有效的方式实现采用光q p s k 调制的高速毫米 波r o f 系统，解决诸如如何实现光q p s k 调制的方法，如何将毫米波r o f 系统 与其结合等技术问题。 一个完整的输出系统必须是双向的，因此我们要对高速毫米波r o f 系统的 上行链路进行研究。上行链路要解决的问题是如何将从无线终端接收到的信号 通过光纤回传到中心站。由于基站接收到的是毫米波信号，无法直接调制激光 器，因此需要先将毫米波信号下变频，然后再用下变频后的中频信号去调制光 波。这里的难点是，如何获得下变频所需的相干毫米波本振，该问题的解决对 于光强度调制r o f 系统和光q p s k 调制r o f 系统来说又有所不同，本文的第三 部分将对在两种不同调制方法下的毫米波r o f 系统基站中，如何以最经济的方 式获得纯净的参考本振进行研究，并提出一种全新的毫米波上行链路解决方案 9 上海大学硕上学位论文 抑制高次谐波的中频插入法。 光纤色散是影响毫米波通信的主要因素，它会造成毫米波幅度的衰落，射 频输出功率会随光纤的长度起伏变化，在有些点甚至为0 。本文将研究光纤色 散对毫米波r o f 系统的影响，进行详细的理论推导，分析比较几种毫米波r o f 系统的抗色散性能。 最后，在上述理论研究和系统仿真的基础上，搭建实验平台，验证所述理 论的正确性。 本文的主要贡献在于： ( 1 ) 对毫米波r o f 系统提出了一种独创的结构优化方案，该方案节省了大量 的元器件、降低了系统成本，并解决了原先r o f 系统受光波偏振态影响的缺陷， 使系统性能更加稳定。 ( 2 ) 分析了几种光q p s k 调制实现方式的利弊，提出了全新的采用双电极调制 器实现光q p s k 调制的高速毫米波r o f 系统的方案，并申请了发明专利。 ( 3 ) 对光q p s k 调制毫米波r o f 系统的上行链路进行研究，创造性地提出了 一种新的解决方案抑制高次谐波的中频插入法，该方案在国内外的出版物 中还从未出现过。 ( 4 ) 完备地分析了光纤色散对高速q p s k 毫米波r o f 系统的影响，比较了几 种毫米波r o f 系统的抗色散衰落性能。 ( 5 ) 搭建实验平台，验证了双向高速q p s k 毫米波r o f 系统的正确性，成功 地实现了数据传输。 1 3 2 论文的结构安排 本文主要分为七章，第一章在介绍了毫米波r o f 通信的特点和四种当前主 要的光纤无线电技术之后，提出了本文所要研究的主要内容和主要贡献。 第二章在介绍光学倍频法原理的基础上，对两种基于该原理的毫米波r o f 系统的基本原理进行分析和仿真，指出其存在的问题和不足。最后提出毫米波 r o f 系统的结构优化方案，该方案既能弥补以往系统所存在的不稳定因素又能 简化结构，降低系统成本。 i 0 上海大学硕士学位论文 第三章研究如何在毫米波r o f 系统中实现光波的q p s k 直接调制，将分为 两部分进行讨论。首先是如何实现光波的q p s k 调制，为了得到稳定实用的系 统，文中对三种l i n b 0 3 光调制器实现光q p s k 调制方式的优缺点进行了分析 比较，选择了一种最适合的方式。接下来讨论如何将毫米波的产生和光的q p s k 调制相结合。与一般的毫米波r o f 系统只需要产生一路毫米波信号不同的是： 在光q p s k 直接调制的r o f 系统中需要产生两路正交的毫米波载波来完成 q p s k 信号的i 路和q 路的传输，为达此目的就需要改变产生毫米波的结构。 在讨论了串并联系统存在的问题后，提出了一套完整的系统方案，并进行了仿 真。 第四章将对高速毫米波r o f 系统的上行链路进行研究，目的是为了建立一 套完整的双向传输系统。该章在阐述上行链路需要解决的问题之后，指出上行 链路的主要问题是如何获得毫米波信号下变频所需的毫米波参考本振。接下来 详细地分别对在光强度调制和光q p s k 调制的r o f 系统中获得纯净毫米波参考 本振的方法进行讨论，由于光强度调制方案并不适用于高速光q p s k 调制毫米 波r o f 系统，所以如何在光q p s k 调制的r o f 系统中解决获得纯净本振的方法 显得更为重要，本章在研究大量系统结构的基础上，提出抑制高次谐波的中频 插入法，实现了系统的双向传输。 第五章中对毫米波通信质量有较大影响的光纤色散进行详细的分析。光纤 色散会对毫米波通信系统造成信号衰落，对给定频率的毫米波，其输出功率会 随光纤的长度起伏变化，甚至会出现为零的情况。为此，在这章中对不同的毫 米波r o f 系统进行定量分析，画出其色散衰落图，进行抗色散衰落性能的比较。 第六章在前几章理论分析和系统仿真的基础上，搭建实验平台，验证了光 q p s k 调制的高速毫米波r o f 双向传输系统的正确性。 第七章总结全文，并对下一步的研究方向提出了建议。 1 4 本章小结 本章通过对毫米波通信特点的介绍，指出发展毫米波无线通信是解决目前 电磁频谱资源紧张的必然方向。然后通过对当前比较流行的四种毫米波r o f 技 上海大学硕士学位论文 术的介绍分析，指出了这些技术所存在的不足之处。引出了本课题研究的主要 内容高速光q p s k 毫米波r o f 双向传输系统。并对论文的结构安排作了阐 述。 1 2 上海大学硕士学位论文 第二章毫米波r o f 系统下行传输的结构优化研究 为了满足无线通信发展的实际需求，本章会提出一种结构优化的毫米波 r o f 下行传输系统，具有结构简单，性能稳定等优点。 2 1 光学倍频法原理 光学倍频法是一种产生毫米波的光学方法，最早由荷兰e i n d h o v e n 技术大 学的k o o n e n 教授等人提出【3 9 】【训，它通过对光波的一系列处理，可以使频率较 低的射频信号上变频到频率较高的射频信号。使用光学倍频法可以节省光纤传 输带宽，应用于以多模光纤为传输媒质的宽带无线业务室内短距离传输系统。 其主要原理是在中心站产生一个低频扫频光波，同时在基站中配置梳状滤波器， 利用梳状滤波器频率响应的周期起伏特性对光波进行f m i m 转换，最后光波经 光探测器o e 变换就可以得到高频的微波电流了。这种方法的好处是可以避免 使用价格昂贵的毫米波本振，而使用频率较低、价格便宜的微波本振代替。图 2 1 为光学倍频法系统的结构示意图。 2 1 1 扫频光波 图2 1 光学倍频法系统结构示意图 光波的频率按照特定方式在一定范围内周期性地扫动称为光扫频( o p t i c a l f r e q u e n c ys w e e p i n g ) 。假设有一功率恒定的光源，其中心频率为z ，光波的频率 以正为中心在一定范围内周期性地连续变化，该光波就称为扫频光波，如图2 - 2 所示。扫频光波的频率变化范围称为光扫频范围矽，频率变化周期称为光扫频 上海大学硕士学位论文 周期，乙的倒数称为光扫频频率厶。 一a f 2乞气十6 f t 2 图2 - 2 扫描光波的频率结构 扫频光波的主要参数，除了扫频频率厶和扫频范围之外，还有光波频率 的扫描方式。扫描方式是指光波的频率按照哪种特定的扫描波形( f ) 进行变化。 常用的扫描波形有三角波、锯齿波和正弦波，但通常我们选择正弦波作为扫描波 形，原因是在毫米波光学倍频法系统中，扫频信号的频率通常必须达到g h z 的 量级，这么高频率的三角波扫频信号或锯齿波扫频信号都是比较难以获得的【3 9 】。 正弦波作为一种常用且易于产生的信号，用于毫米波光学倍频法系统才有可实现 性。使用正弦波扫频的光波，其频率将按照正弦波变化，我们就将该光波称为正 弦波扫频的光波。 正弦波扫频是指光波的频率是按照正弦规律变化，如图2 3 所示，则扫频电 压的波形为： ( f ) = 圪c o s ( 2 z f , w t )( 2 - 1 ) 其中圪为扫描信号峰值电压，乙为扫描周期。 ) 。八、 p 影厂 ， 图2 - 3 正弦波扫频电压波形图 那么光波的电场可以表示为： e ( t ) = ee x p ( j 2 z f 。t + j f lc o s2 万f j ) 1 4 ( 2 2 ) 上海大学硕上学位论文 其中，疋为光波的电场振幅，正为光波的中心频率，厶为光波的扫频频率， 为光波的相位调制指数。 求光波相位的时间导数就得到光波的瞬时频率表达式如下： 正( f ) = 丘一z 。s i n 2 万六，t ( 2 - 3 ) 从( 2 3 ) 式可以看出，光波的频率以z 为中心，按照正弦波的形式在z 一雕。到 1 z + 厶的范围内周期性地连续变化，频率变化的周期为= ，光波扫频范 j ” 围v = 2 p l 。 我们发现，扫频光波和经过调频的光波具有同样的表达形式，但是它们之 间还是有区别的，首先扫频光波的频率并不传递信息，光波频率的周期性变化 目的是为了在基站产生毫米波，基带信号是通过其他途径传递的。其次扫频光 波的频率变化范围需要达到数十吉赫兹以上，而一般调频信号的频率变化范围 却是很小的。 2 1 2 梳状光滤波器 采用光学倍频法的毫米波r o f 系统，要完成f m i m 转换，梳状光滤波器 是十分关键的器件。梳状光滤波器具有多通带传输特性【4 ，比较常见的梳状光 滤波器有f a b r y - p e r o t 光滤波器和m a c h z e h n d e r 光干涉仪。下面对这两个光学 器件进行分析介绍。 f a b r y - p e r o t 滤波器的主要部分是f a b r y - p e r o t 谐振膨4 1 】【4 2 】，其结构如图2 - 4 所示。 图2 - 4f a b r y - p e r o t 腔滤波器理论模型 1 5 上海大学硕上学位论文 兵中d 为谐振腔的长度，0 为光波入射角度。光波进入谐振腔后在两个端向之 间多次反射，每次在端面反射时都会有一部分能量发生透射，所以光波的能量 会随着反射次数的增加而逐渐减小，最后所有的透射能量叠加形成输出信号聚 焦于输出光纤。 根据f a b r y - p e r o t 腔滤波器的结构，可以得出光波在谐振腔内反射的往复延 时为= 石面2 n d ，c 是真空中的光速，刀是谐振腔内介质的折射率。 设输入电场的波形为冲激函数8 ( t ) ，则输出电场的波形即为f a b r y - p e r o t 腔 滤波器的冲激响应，在忽略腔内损耗的条件下，f a b r y - p e r o t 滤波器的冲激响应函 数为： 啪一2 争一誓) + + ，2 弘孚净+ 】( 2 - 4 ) 其中厂为两个反射面的电场反射系数，s 为透射