采用电光调制器产生光毫米波的全双工通信光纤无线通信系统.doc

第9期陈林等：采用电光调制器产生光毫米波的全双工通信光纤无线通信系统89采用电光调制器产生光毫米波的全双工通信光纤无线通信系统陈林1，董泽1，李瑛1，余建国2，文双春1，余建军1（1. 湖南大学 计算机与通信学院，湖南 长沙 410082; 2. 北京北方烽火科技有限公司，北京100085）摘 要：实验研究了一种采用单个电光调制器产生光毫米波的方法和相应的全双工无线通信系统。在中心站采用电混频器产生电毫米波，然后再利用电光制器产生双边带信号。利用光交错复用器将中心载波和双频一阶边带信号分离。双频一阶边带用于产生2倍射频信号的光毫米波，而中心光载波用来作为上行链路的光载波。实验显示采用频率为20GHz射频信号产生光毫米波的频率为40GHz，而且将下行链路和上行链路中2.5Gbit/s的数据在单模光纤中传输距离达20km，而功率代价均小于0.5dB。关键词：光纤无线通信；光毫米波产生；光载波重用；光交错复用器中图分类号：TN929.9 文献标识码：B 文章编号：1000-436X(2007)09-0085-06Full-duplex radio-over-fiber system with a novel scheme for millimeter-wave generation by single arm modulatorCHEN Lin1, DONG Ze1, LI Ying1, YU Jian-guo2, WEN Shuang-chun1, YU Jian-jun1(1. School of Computer and Communication, Hunan University, Changsha 410082, China; 2. Beijing Northem FiberHome Techonlogies Co.,Ltd.,Beijing 100085 China)Abstract: A novel scheme to generate an optical millimeter-wave and a full-duplex radio-over-fiber system by using one optical modulator was proposed and experimentally demonstrated. A mixer was employad to generate electrical millimeter-wave, and single-arm electronic-optical modulator to generate double sideband signals. Then an optical interleaver is employed to separate the spectrum of the double-sideband signals. The separated first-order sidband modes were used to generate optical millimeter-wave with double RF frequency, while the separated optical carrier was reused for upstream connection. The experiment results show that the 40GHz optical millimeter-wave will be generated by 20GHz RF resource, and 2.5Gbit/s downstream and upstream data can be transmitted over 20km in fiber.Key words: radio-over-fiber; generation of optical millimeter-wave; optical carrier reuse; optical interleaver 1 引言收稿日期：2007-01-10；修回日期：2007-07-04基金项目：国家高技术研究发展计划（“863”计划）基金资助项目(2007AA01Z263)；国家教育部新世纪优秀人才支持计划；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（20040532005）；湖南省自然科学基金资助项目（06JJ50108）；湖南大学重点基金资助项目Foundation Items: The National High Technology Research and Development Program of China(863 Program) (2007AA01Z263); The Program of the Ministry of Education of China for New Century Excellent Talents in University; The Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China (20040532005); The Natural Science Foundation of Hunan Province (06JJ50108); The Key Research Fund of Hunan University由于下一代超宽带无线通信技术采用的通信频率将会延伸到毫米波段，为了克服无线通信例如传输距离方面的限制，满足无线通信中宽带要求，必须利用现有的光纤通信技术，因此光纤无线通信(ROF, radio-over-fiber)将会成为解决下一代超宽带无线接入最具有前景的技术。ROF系统可以充分利用光纤的巨大带宽并结合无线通信技术的灵活性，将无线网络和光纤网络融合起来，既能增加接入网容量和移动性，又能降低运营成本。ROF系统的基本思想是将复杂的信号处理单元置于中心站 (CS,central station)，如在中心站产生光毫米波，并通过光纤发送至基站(BS,base station)。而基站只包含简单廉价的接收器件，即完成光电转换，并通过天线发送出去，同时也将天线收到的无线信号通过电/光转换变成光信号发送至中心站进行信号的处理。由于各基站共享中心站的信号处理单元，这样减少了昂贵的信号处理单元数量，从而简化了基站的复杂性和结构。在中心站中，光毫米波产生技术是ROF系统的关键技术，至今为止，已提出的光毫米波的产生的方法有3种：直接强度调制、外部强度调制和远程外差技术113。基于外部调制器的光毫米波产生方案具有较高的可靠性，可降低代价，因而最有可能成为ROF系统中产生光毫米波的首选技术5。但是目前的采用外部调制技术产生光毫米波的方案中都必须采用2个光调制器57，其中一个调制器用于调制基带信号，另一个双臂调制器用于产生载波抑制信号，这样就增加了光毫米波产生的成本。图1 利用单个电光调制器产生光毫米波的全双工ROF系统的原理本文实验研究了采用一个单臂调制器产生光毫米波的方案和相应的全双工通信的ROF系统，在中心站中先将基带数据信号与射频信号混频产生电毫米波，再将电毫米波驱动电光调制器，产生双边带调制的光信号。双边带信号中包括双频一阶边带模和中心载波，双频一阶边带模可用于产生光毫米波，中心载波则可用作上行链路的光载波。这种方法，只需采用简单的电光调制器进行双边带调制，便可产生光毫米波。与已提出的光载波抑制方法产生光毫米波相比，虽然从传输性能来看不如光载波抑制，但它不需要另加其他光学器件来抑制光中心载波。这样同时降低了中心站和基站的成本，使整个系统结构简单，容易实现且价格便宜。2 ROF系统原理本文所提出的单个电光调制器产生光毫米波的全双工通信的ROF系统原理如图1所示，由分布反馈式激光器（DFB-LD）产生连续波激光作为光载波。下行链路的数据基带信号与频率为f0射频信号进行混频后产生电毫米波信号，再通过电光调制器产生双边带调制信号。双边带调制信号的光谱的能量主要集中在中心载波和双频率的一阶边带上。双边带调制信号由光交错复用器(IL)分成二路。一路是包含双频率的一阶边带信号,其频率差为射频信号的2倍。双频边带信号在基站中通过高速检测器产生频率为2f0的电毫米波信号，通过天线发射至大气中变成无线信号。另一路为中心载波，用于上行链路的光载波。从天线接收到的上行链路数据信号通过电混频器进行下传后，即可调制到中心载波上，产生上行链路的光信号，通过光纤链路发送到中心站的上行链路的接收机。3 实验装置及结果图2 单臂调制器产生光毫米波及全双工通信ROF系统的实验装置本文的光毫米波产生及全双工通信ROF系统的实验装置如图2所示。本实验装置包括下行链路和上行链路，下行链路包括：光毫米波产生模块、基站中电毫米波产生模块和下行链路接收模块，光毫米波产生模块由混频器、激光器和强度调制器组成，主要产生双边带信号。电毫米波产生模块主要由可调谐光滤波器（TOF），光电转换器（O/E）组成，图2中的光交错复用器(IL)为下行链路和上行链路所共有，将双边带信号的一阶边带和中心载波分离，分离出来的2个一阶边带进入电毫米波产生模块转换成电毫米波信号。下行链路接收模块用于检测下行链路的数据信号。本实验中采用Ando公司6 317的光谱分析仪检测光谱，其波长范围为6001 700nm,最小分辨率为0.01nm。采用Agilent 86100C示波器测量眼图。图3为不同测试点测量得到的光谱，图4为各测试点的眼图。由DFB-LD激光器产生波长为1 534.4nm的连续光波，进入马赫曾德尔单臂强度调制器（MZM）。本实验下行链路数据信号为字长2311的伪随机码。本实验的数据信号是由型号为Anritsu MP1763C的码型发生器产生的，其最高码元速率为12.5Gbit/s，其实物照片如图5所示。下行链路的2.5Gbit/s基带数据信号通过电混频器与20GHz射频信号进行混频得到电毫米波，电毫米波驱动单臂光强度调制器（IM）对光源产生的连续波光载波进行调制得到双边带调制信号，双边带调制信号的光谱包括中心光载波和双频一阶边带模，形成光毫米波信号。实验采用的单臂调制器3dB带宽大于8GHz,半波电压为7V，消光比大于25dB的LiNbO3调制器。要产生双边带调制，调制器的偏置电压为半波电压的一半即3.5V。双边带信号发送至光纤链路，传输至基站。经过20km光纤链路（SMF-28）传输后在图2的(i)点测量得到双边带信号的光谱图如图3（a）所示,其光谱包括中心载波和2个一阶的边带模。利用Agilent86100C示波器测量光信号的眼图，将光信号插入到Agilent86106A模块变成电信号，即可测量得到其眼图如图4(a)所示，其眼图中包括毫米波和数据信号的混合信号。在基站中，双边带信号由带宽和频率间隔为50/25GHz双端口光交错复用器分开成为两部分。光交错复用器-3dB通带宽度为0.15nm，插入损耗为2dB，无偏振敏感度。分开的光信号一部分为双频率一阶边带即40GHz的光毫米波，在图2中的(ii)点测量得到的光谱如图3(b)所示。另一部分为中心载波，在图2的(iii)点测量的光谱如图3(c)所示。光毫米波经过带宽为0.5nm的可调谐光滤波器后得到纯净的光毫米波。纯净的光毫米波通过3dB带宽为50GHz的高速光检测器变成电毫米波。需要说明的是，光毫米波的2个频率分量在基站中光电转换时进行拍频产生重复频率为40GHz的电毫米波信号,其功率为6dBm。 图3 不同测试点测量得到的光谱并没有通过天线发射和接收毫米波实验，如图2所示。在实验中，采用电混频器代替用户终端对下行链路的信号进行接收和解调。毫米波信号与40GHz的射频信号混频后解调得到基带数据信号，通过低通滤波器后，进行误码检测。光中心载波通过带宽为0.5nm的可调谐滤波器滤波后得到纯净的光载波，其光谱只包含中心光载波，而边带信号被抑制。光载波的眼图为图4(b)所示，可以看出，光载波的幅度有些波动，这主要是因为受到下行链图4 各测试点的眼图 路数据信号的调制。通过光强度调制器将速率为2.5Gbit/s的上行链路数据调制到光载波上。在图2（iv）点测量到经过调制的上行链路光信号的光谱图如图3(d)所示，其光谱包含上行链路数据信号的光谱。调制后上行链路眼图为图4(c)所示，上行链路进行强度调制，眼图很清晰。上行链路的光强度调制器的参数与中心站使用的单臂强度调制器一致。本实验上行链路数据信号为字长2311的伪随机码。调制的上行链路的光信号通过20km的单模光纤发送至中心站的2.5Gbit/s的光接收机中进行误码检测。上行链路的光信号通过20km的光纤链路后的眼图如图4(d)所示，传输20km后，眼图仍然很清楚。利用型号为Anritsu MP1764C误码仪测量接收信号的误码，其实物图照片如图5所示，测量得到的上行链路和下行链路的误码特性如图6所示。对于下行链路，通过光纤传输20km后，在误码率为10-9情况下，功率代价可以少于0.2dB,而上行链路的功率代价也少于0.5dB。上行链路的功率代价要高于下行链路，这是因为上行链路的光图5 实验误码测试仪及码型发生器图6 上行链路和下行链路数据信号的误码特性载波是从中心站发射出来通过光纤传输至基站，并通过光交错复用器分离出来的，除受到光纤链路中色散以及噪声等方面因素的影响外，还难免受到下行链路数据信号调制的影响。4 结束语实验研究了一种采用单臂调制器产生光毫米波信号的方法，并将中心载波发送至基站作为上行链路的载波。在基站通过滤波方法将中心载波滤出再将上行链路的信号调制到光载波上，这样在基站中可以不再需要激光器，简化了基站的结构。同时也简化了光毫米波产生所需要的器件。通过实验证明，从功率代价和眼图来看，这种全双工通信的信号可在下行链路和上行链路的光纤中传输20km，但上行链路的功率代价大于下行链路传输功率代价，这是因为上行链路的光载波是从下行链路信号分离出来的，在上行链路对光载波进行第二次调制，除了受到光纤色散和噪声的影响外，还难免受到下行链路数据信号调制的影响，但只要适当控制上行链路的调制深度，这种影响是可以忽略的。参考文献：1KASZUBOWSKA A, HU L, BARRYL P. 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