（通信与信息系统专业论文）光纤无线通信系统中的毫米波调制和基站简化技术研究.pdf

硕士学位论文 摘要 光纤无线通信( r o f ：r a d i o o v e 卜f i b e r ) 融合了两种常规技术无线传输 和光纤有线传输。作为一种既能增加容量又能降低成本的技术，它可以满足人们 对移动性和带宽的需求，已成为当前通信领域的一个研究热点。毫米波调制和基 站简化是实现r o f 通信的两个重要的关键技术，本文利用模拟仿真和实验的方法 对这两个技术进行了研究，取得的主要成果如下： 首先，提出了一种应用于r o f 系统中的双边带调制产生光毫米波的方法，模 拟仿真和实验证明该方法产生的光毫米波能有效克服光纤色散引起的信号时延所 导致的基带信号退化，适合于长距离传输。该方法直接采用双边带调制和滤波产 生两个边带信号，用光交叉复用器分离上、下边带，将基带信号只调制到其中的 一个边带模上，然后再与未经调制的另一边带信号进行耦合产生光毫米波信号， 这样可以抑制码间串扰。从理论上对该毫米波的色散特性进行了分析，发现毫米 波的接收功率不会周期性的衰减。通过系统仿真和实验研究，验证了理论分析结 果并比较了毫米波信号的功率代价和眼图。结果表明，下行链路信号通过光纤能 传输更长距离而不需要色散补偿，误码率低。 其次，提出并验证了基于光载波重用实现基站简化的全双工r o f 通信系统， 该系统配置简单，代价低，功率利用率高。利用光相位调制器和光交复用器相结 合产生调制下行链路数据的密集波分复用的光毫米波信号，同时实现了上行链路 的光载波重用。利用数值仿真比较了信号传输不同距离后的功率代价和眼图。结 果表明，采用最佳射频信号驱动相位调制器，避免了高阶边带的产生，并极大地 降低了色度色散的限制。通过分析其上下行链路的误码率性能，发现传输4 0 k m 后的功率代价都小于2 d b 。 关键词：光纤无线通信，光毫米波产生，基站，光纤色散，光载波重用 硕+ 学位论文 v i ad r i v i n gt h ep h a s em o d u l a t o rw i t ho p t i m i z e dr fs i g n a l w ee v a l u a t et h eb e r p e r f 0 衄a n c ef o rd o w n l i n ka n du p l i n k ，t h ep o w e rp e n a l t ya f j 【e rt r a n s m i s s i o no v e r4 0 k m a r eb o t hl e s st h a n2 d b k e y w o r d s ：r a d i o o v e r 一6 b e r ( r o f ) ；o p t i c a lm i l l i m e t e r w a v eg e n e r a t i o n ；b a s es t a t i o n ； f i b e rd i s p e r s i o n ；o p t i c a lc a r r i e rr e u s e l l i 光纤无线通信系统中的毫米波调制和基站简化技术研究 插图索引 图1 1r o f 光传输系统基本结构图5 图2 1 利用e a t 调制技术构成的r o f 系统j 1 5 图2 2 利用远端外差技术构成的r o f 系统1 5 图2 3 ( a ) 利用电域上下变频原理构成的r o f 系统1 6 图2 3 ( b ) 利用光域上下变频原理构成的r o f 系统1 6 图2 4 利用e a t 的r o f 系统方案设计1 7 图2 5 一种结构简单的基站设计方案1 9 图2 6d w d m 系统的构成2 2 图2 7i n t e r l e a v e r 的功能框图一2 3 图3 1 传统的双边带调制产生毫米波的原理图2 5 图3 2 基于双边带调制产生光毫米波的r o f 通信系统模型图2 8 图3 3 光毫米波的产生装置图3 0 图3 4 基带信号的接收和解调3 l 图3 52 5 5 0 g h z 交叉复用器的响应曲线3 1 图3 65 0 1 0 0 g h z 交叉复用器的响应曲线3 2 图3 7 不同位置下测得的信号光谱图3 2 图3 8 系统仿真得到不同传输距离的电毫米波信号眼图( 4 0 p s d i v ) 3 3 图3 9 解调后不同传输距离下的基带信号眼图( 2 5 p s d i v ) 3 3 图3 1 0 色散引起毫米波功率变化图3 4 图3 1 1 下行链路信号的误码率曲线图3 4 图4 1 无光源和本地时钟源的基站设计3 7 图4 2 全双工r o f 通信系统原理图3 8 图4 3 系统装置图3 9 图4 4 仿真得到的处于不同位置下的光谱图4 0 图4 5 经过不同距离光纤传输后的上下行信号眼图4 1 图4 6 下行和上行信号经4 0 k m s m f 传输前后的误码率4 1 图4 7 经4 0 k m s m f 传输后8 信道的接收机灵敏度曲线4 2 i v 硕+ 学何论文 附表索引 表1r o f 光传输系统高频载波产生与传输技术的比较1 8 表2 基于外部调制器的三种方案比较2 7 v 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： 搠黎犯 日期：哆年口月够日 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 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 别稚勃 爻们砖 1 日期：矽暑年月才日 日期：厶艿年月z 乙日 硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 无线通信的快速发展及其在各行各业中的广泛应用，正在许多方面改变着人 们通信的联络方式。更为重要的是，利用无线传播将承载信息的信号从发送机传 送到接收机的物理机制，已经赋予通信一种与众不同的特征，即移动性。移动通 信是通信领域中最具活力、最有发展前途的一种通信方式。它是当今信息社会中 最具个性化特征的通信手段。它的发展和普及改变了社会，让人们领悟到了现代 化和信息化的气息( 1 】。随着现代通信技术的快速发展以及新业务的不断涌现，特 别是i p 业务的迅猛崛起，导致了全球信息量呈级数增长。i p 网络从2 0 世纪9 0 年代开始进入快速发展的时期，因特网迅猛发展，其用户量以1 6 5 的年增长率 在全球扩展，通信业务也由传统单一的电话业务转向高速i p 数据和多媒体为代表 的宽带业务，因此对通信网络的传输带宽和容量提出了越来越高的要求【2 3 】。 当前的传输系统主要有两大核心技术，即光纤通信和无线通信。前者能够带 来极大的带宽，后者带来的是无处不在。无线通信由于受到大气环境的影响，信 号在大气中的衰减会随着副载波频率的增高而加剧，不能实现长距离的信号传输。 将光纤通信技术引入无线通信的目的就是利用光纤对无线通信网络进行优化【4 】。 最近几年，由于大量的已铺设光纤未得到充分的利用，电信业务在长距离骨 干网和城域网方面的发展速度缓慢。但随着对超高速、实惠并能提供交互式多媒 体服务的通信方式需求的增长，遍及全球的用户、政府部门、电缆经营商和电信 服务提供商对宽带接入网的关注日益增加。据报道，我国手机用户数2 0 0 5 年底已 达3 9 3 亿。人们对包括声音、数据、图像和影视等多媒体通信的需求越来越高， 越来越迫切【5 1 。通信宽带的扩大不断地推动着科学技术的进步。目前，移动通信 已经历了第一代和第二代，完成了从模拟技术向数字技术的过渡。第三代( 3 g ) 移 动通信技术已经成熟，只等牌照的发放。人们已经将研究的目标定在无论何时、 何地、何人充分利用信息的“个人通信”上，技术发展的重点是进一步提高传输速 率和容量。要增加移动通信的带宽，就要利用比微波更高频率的毫米波射频信号， 同时还需要解决基站之间、基站与中心站之间更高速率、更大容量的宽带通信。 而光纤是一种具有低传输损耗和巨大带宽的资源，成为了保证通信容量扩展的最 光纤无线通信系统中的毫米波调制和基站简化技术研究 佳媒介【6 】。 众所周知，低载波频率只能提供小的带宽。窄带无线接入系统之所以只能提 供有限的传输能力，在于他们的载波频率比较低。拿g s m 来说，工作在9 0 0 m h z ， 带宽只有2 0 0 k h z ；u m t s 工作频率在2 g h z 附近，带宽有4 m h z 。尽管如此，各 种无线通信系统还是在低于6 0 g h z 的载波频率上对频谱的竞争出现白热化。低载 波意味着移动终端的低成本。此外有源无线收发设备的效率要低3 0 。因此，工 作在低频段的系统在低功耗方面还是具有优势的，并且可以提供更大的覆盖范围。 大的覆盖范围意味着良好的可移动性，却也引入了较差的带宽效率，这是由于同 一个蜂窝内所有的移动终端共享频谱资源的缘故。 采用小蜂窝系统是提高无线通信系统传输能力的一种有效方式【_ 7 1 。另外一种 方法就是提搞载波频率，避免十分拥挤的i s m 带宽频率。高载波支持更大的调制 带宽，却也带来了终端产品的高成本。 较小的蜂窝系统因为频率的重复利用率高而改善了频谱效率，但是，要达到 更大范围的覆盖率，就需要更多的远端天线基站，进而需要更广泛的反馈网络来 为如此多的基站提供链路支持。因此，我们需要降低基站的反馈网络成本，不然 系统的总体安装和维护成本是相当昂贵的。 综上所述，宽带无线通信系统如果想提供足够高的传输能力，不可避免的要 采用高频载波或者降低蜂窝的大小。按照传统的无线通信技术，只能采用大量建 立天线基站，加上每个基站都需要各种调制解调器、高性能数据处理设备，成本 相当巨大。光纤无线通信技术就是在这个需求下应运而生的。它通过合并无线电 系统的各项功能于一个集中的数据收发器，让所有的基站连接到这个功能集中的 中心站，来实现系统结构的简化。如果整个反馈网络都用低成本的光纤来搭建， 利用光纤传输特有的低损耗和高带宽，那么整个系统的成本将大大降低1 8 j 。 为了充分利用巨大的、闲置的、廉价的光纤带宽资源，从根本上解决无线通 信频率资源越来越紧张，设备复杂，成本居高不下的问题，光纤无线通信 ( r a d i o o v e r f i b e r ，r o f ) 已经成为了解决宽带无线接入网最有前景的技术【卜1 0 】。 它利用光纤的巨大带宽来降低了成本并且保证无线通信的灵活性。所以，无线通 信和光网络的融合成为了一种既能增加接入网容量和移动性，又能降低运营成本 的新型接入方式【9 j 。该系统能够实现微蜂窝的覆盖，缩小目前蜂窝小区的范围，相 邻小区可重复使用同一频率，使得频率的利用率大大提高。因此，这种基于r o f 技术的微蜂窝系统将是满足人们对宽带业务需求的极具竞争力的解决方案【l l 1 2 】。 未来通信的目标是要实现全球范围内的个人通信。移动通信由于其本身固有 2 硕十学位论文 的灵活性、可移动性等优点，满足了人们实时通信的要求，得到了较大的发展。 但是，随着i p 电视( i p t v ) 、视频点播( v o d ) 等多媒体技术的迅速发展，以及专用 网络和无线电通信的话务量的急剧增长，都对传输速率、传输带宽和传输质量等 的提高提出了迫切的要求。而目前无线电频谱资源已非常紧张，适合无线移动网 络的频率其实己分割完毕，这就要求通信系统的频率不断提高，即从目前常用的 9 0 0 m h z 频段提高到毫米波频段( 3 0 g h z 3 0 0 g h z ) ，从而提供更为广阔的传输带 宽。但是与此同时，由于毫米波信号的空间传输距离有限，毫米波器件价格非常 昂贵等因素的制约，采用现有的无线接入技术己不能从根本上解决宽带传输的带 宽问题。因此，对毫米波段的r o f 通信技术和系统的研究具有重要的科学意义， 已成为当前国际通信的研究热点【1 1 6 5 1 。 毫米波r o f 通信是指以光纤为传输媒介，以光波为载波，以高频毫米波为调 制波来传输信息的一种技术。它的产生与发展都来源于用户对无线接入网的带宽 的需求。 毫米波r o f 通信具有大容量、低成本的优势，能够集成在无线接入网、超宽 带蜂窝移动通信系统、智能交通系统等多种环境中。 在毫米波r o f 通信系统中，系统的控制功能( 频率分配、调制与解调等) 主 要集中在中心站，从而简化了基站的配置，基站的主要功能是：实现o e 转换、 滤波、放大，以及无线信号的发送和接收。集中化的网络结构允许动态射频资源 配置和容量管理，而且集中使得系统升级更加可能。 这种新型的r o f 通信系统能够满足将来的移动通信，无线局域网络和固定无 线局域网( 如l m d s ) 的宽带服务。目前的有线网络虽然具有超宽带但不利于移 动，无线技术虽利于移动但带宽有限。因此，未来的通信网将是无线网与有线网 的无缝融合。r o f 系统可以将宽带无线接入网的可移动性和光纤接入网的超带 宽、高可靠性等优点有机结合起来，因此它必将成为一种应用在诸如郊区和农村、 繁华区域、公司办公楼区以及住宅区等环境中的廉价通信解决方案【1 3 16 1 。 就应用前景而言，r o f 与无线技术结合，尤其是与将来的4 g 移动通信系统 结合，更能充分发挥其优势。r o f 技术以其固有的特点将光通信网络所具有的巨 大传输容量与无线网络的灵活性和移动性能结合得天衣无缝。此外，r o f 也因为 其他潜在的应用而引起人们的广泛关注，例如卫星通信，下一代网络( n g n ) 。 r o f 也同样用在服务于智能传输系统( i t s ) 、频率范围在6 3 6 4 g h z 和7 6 7 7 g h z 之间的视频通信与控制。因此，本课题的研究具有很强的理论意义和实用价值。 本章首先概述了课题的研究背景和科学意义，简单介绍了r o f 通信的基本概 3 光纤无线通信系统中的毫米波调制和基站简化技术研究 念、特点及其应用，其后单独给出了本文所研究的毫米波r o f 通信技术的国内外 研究进展，最后简单阐述了本文工作并给出了文章的结构安排。 1 2 光纤无线通信系统概述 光纤无线通信系统就是以光纤作为传输介质，光波作为载波传输信息的通信 系统。光纤无线传输系统与无线传输系统相比，有其显著的优点：传输容量大、 抗电磁干扰强、保密性好等。通常根据光纤传输系统传输信号的特性，可以分为 模拟光纤传输系统和数字光纤传输系统。模拟光纤传输系统目前主要传输模拟电 视视频与音频信号。考察一个模拟光纤传输系统，主要考虑的参数是载噪比、带 宽和传输系统中非线性所引起的信号失真。数字光纤传输系统与模拟光纤传输系 统相比具有很多的优点，如灵敏度高、传输质量好等。所以大容量长距离光纤通 信系统大多采用数字传输方式。数字光纤传输系统的性能指标主要是误码率( b e r ) 和定时抖动。误码的基本概念是：在数字通信系统中，当发送端发送“1 ”码时，接 收端收到的却是“0 ”码；而当发送端发送“0 ”码时，接收端却接收到“1 ”码，这种接 收码与发送码不一致的情况就叫做误码。误码率定义为接收到的错误比特数与接 收到的总比特数的比值。在满足一定误码率的前提下，一个数字光纤传输系统的 码速与距离的乘积是描述其传输能力的标志。抖动又称为相位抖动，是指数字脉 冲信号的相位摆动，或时间上的前后摆动。在系统测量中，描述抖动程度的单位 是“单位间隔”，其意义是指_ 个码元的时问长度。在光纤数字通信系统中，必须 把抖动限制在一定的范围之内，否则，会导致定时脉冲的相位偏离最佳判决位置， 结果造成误判概率的增加和引起再生脉冲流的时间间隔不规则，使得码距不一致。 强度调制直接检测系统( i n t e n s i t ym o d u l a t i o n d i r e c td e t e c t i o n ，i m d d ) 是 一种最简单的传输方式。目前大多数的光纤通信系统都采用这种传输技术。“强度 调制”是指在光纤传输系统发送端采用电脉冲信号来控制光源，使其按照调制信号 的强弱发光或者不发光；“直接检测”是指在系统接收端用光电检测器直接检测光 信号的有无，再转化为电信号。 数字光纤传输系统主要用于远距离、大容量数据通信。在长距离传输中光信 号强度会因为光纤介质的损耗而发生衰减，所以需要使用中继器来放大衰弱的光 信号。同时还需要对信号进行定时、整形与再生，这就是我们常说的3 r 功能。 光电光的3 r 中继技术已经比较成熟，然而一方面设备复杂、造价昂贵，另一方 面在光电转换中会丢失光信号的某些特征，不能完全提供一个透明的传输通道。 4 光纤无线通信系统中的毫米波调制和基站简化技术研究 1 2 2r o f 通信技术的特点 将光纤通信技术引入无线通信的目的就是要利用光纤的一些特性对无线通信 网络进行优化。毫米波r o f 通信系统具有以下特点： 第一，r o f 通信所采用的载波频率高，传输距离长。毫米波频率约在3 0 3 0 0 g h z 范围内，可以传送大量的视频和语音信号。 第二，光纤的衰减损耗低，抗电磁干扰性强。光纤的极低损耗，使得小区的 范围仅仅取决于毫米波信号的传输距离和传输环境。 第三，该系统具有动态的资源管理。光纤传输链路对于所有射频信号是“透明” 的，也就是说系统具有很大的灵活性，可在不对传输链路进行改造的基础上，方 便地对每个小区的调制方式或载波频率进行改变。 第四，易于安装和维护。在r o f 系统中，复杂而昂贵的设备都在中心站，简 化了远端天线单元( r e m o t ea n t e n n au n i t ，r a u ) 的结构。这种结构可以使r a u 更加轻便小巧，有效的降低了系统的安装和维护成本。 所有这些优点，使得基站和中心站之间利用光纤连接成为移动通信发展的主 流。由于日益增长的宽带移动通信的需要和在较低频段的拥挤，r o f 系统中的无 线频率由微波向毫米波发展是不可避免的。全球移动通信系统u m t s ( u n i v e r s a l m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 要求速率达到2 m b p s ，下一代无线局域网 w l a n ( w i r e l e s sl a n s ) 要求速率达到5 4 m p b s ，其他第三代无线通信系统如移 动宽带业务m b s ( m o b i i eb r o a d b a n ds y s t e m ) 的b i s d n 数据速率高达1 5 0 m p b s ， 速率的增加必然要求其微波载波频率的增加。如i e e e 8 0 2 1 lb 无线局域网w l a n 的速率为1 lm p b s 时，其微波载波频率要求为2 g h z 频带内，而对i e e e 8 0 2 1 6 a 的 w l a n 其速率为5 4 m b p s ，微波载波频率为5 g h z 频带内。移动宽带业务( m b s ) 则要求是6 0 g h z 毫米波作为载波。因此，无线通信频率的提高也成为了一个发展 的重要趋势。 1 2 3r o f 技术在通信系统中的应用 8 0 年代末，美国首次将r o f 技术用于军事用途【13 1 。自1 9 9 0 年以来，c o o p e r 等人提出了r o f 系统可以用于无线通信，r o f 获得了快速发展，已得到了很多 的实际应用，如应用于2 0 0 0 年悉尼奥运会。尽管目前其市场还不是很大，但是随 着通信技术的快速发展，r o f 系统将会在未来的4 g 移动通信领域占有很大的市 场份额。r o f 系统具有传输距离长、易于安装、低功耗、成本低等优点，可应用 6 硕士学位论文 于室内覆盖、基站客栈、宽带无线接入、车载无线通信系统以及军事系统中【1 6 】。 r o f 通常不适合那些需要较高的随机自由动态范围( s f d r ：三次交调产物 功率等于背景噪声时的最大输出信号功率) 的系统应用。由于大部分的室内应用 不需要大的s f d r ，拿g s m 的上行链路来说，所需的大于7 0 d b 的s f d r 对于室 内应用可以降低到5 0 d b 左右。因此，r o f 分布系统可以容易地被应用到室内宽 带移动和数据通信系统的无线信号的分布传输方面。在这种情况下，r o f 系统就 可以看成为一种分布式天线系统( d i s t r i b u t e da n t e n n as y s t e m ，d a s ) 。对于w p a n 的高频应用，由于墙体等引入较高的微波损耗，蜂窝单元做覆盖的范围较小，这 更加显示了r o f 系统的技术优势。室内光纤无线系统结构可以同时用于无线和有 线应用，利用多模石英光纤或者塑料光纤代替单模光纤来连接远端天线单元，可 以进一步降低系统的安装和维护成本，尤其对室内应用，因为室内的数据传输到 无线局域网都是基于多模光纤来传输的。 r o f 系统对目前和将来要求不高的s f d r 的应用系统也是极具吸引力的，如 全球移动通信系统( u m t s ) 。另外一个应用点就是固定无线接入( f i x e dw i r e l e s s a c c e s s ，f w a ) 系统，如w i m a x 。r o f 技术可以进行远距离传输信号，最大限度 的简化远端天线单元并接近终端用户，真正地降低系统成本，有效地满足了“最后 一公里”的接入需要。 在移动通信网络中引入r o f 技术，其特点在于：其一，能简化基站的复杂性， 并使其结构小型化、微型化，实现长距离的传输；其次，能实现基站群的集中控 制，并对每个基站能单独且灵活地分配基于不同编码方式、调制方式、传输速率、 载波频率等参量的传输策略，而且实现透明传输，系统具有充分扩展性。这对4 g 系统要求的低成本高性能的基站建设提供了一种有效的解决方案。因此，r o f 技 术解决了对日益增长的通信容量和移动性的潜在需求，同时降低了接入网的成本。 r o f 技术除了在蜂窝移动通信中的应用之外，在微波技术、卫星通信、交互 性多媒体、智能交通系统等其他领域也有很多重要的应用【l7 1 。利用成熟的光纤和 光通信有源和无源器件，将微波信号转换到光波进行处理，信号处理的速率快、 精度高，更重要的是器件的体积重量与微波器件相比可以大大缩小，这些优点在 光纤无线通信系统中将发挥出重要作用。 1 3r o f 通信的国内外研究进展 在国外，r o f 通信技术已经引起广泛关注并做出了一些方面的研究，取得了 7 硕士学位论文 携带基带数据的两个一阶边带产生毫米波，由于色散引起的边带延时不同将导致 毫米波功率损耗和码间干扰，而且下行数据的功率代价也会较大【i 引。a h m e d z 等 人提出了利用频率为3 7 g h z 的毫米波，混合锁模激光器作光源来实现宽带信号的 传输1 3 0 】，它能够抑制色散，使光信号的传输距离超过1 0 0 k m 。由文献【3 l 】知道， 采用边带注入锁定，使用三个激光器，并利用两个激光器的差拍后得到6 4 g h z 的毫米波无线通信系统，这些方案系统造价比较高。 可以看出，现在的研究集中在较低频段的毫米波信号产生和传输。高频段毫 米波光载波的产生以及与数据信号的混合复用仍存在很多需要解决的问题，如频 率转换效率低、造价高等。从本质上来讲，现有的可用于强度调制的毫米波信号 在光纤中传输的方法有三种：直接强度调制，外部强度调制和远程外差。虽然直 接调制是最简单的调制，但是由于激光器的受限调制带宽，因此它不太适合于毫 米波段的传输。在更高的频率，例如l o g h z 以上，外部调制往往比直接调制更实 用。外部调制有易于配置的优点，但同时它的一些缺点也限制了其应用，如造价 昂贵，很难实现6 0 g h z 的毫米波和克服光纤的色散效应。利用光学外差技术，即 将两路或多路光信号同时发送到接收机，接收机采用外差法接收1 3 引。然而，不管 采用何种方法，都必须使用一个偏置精确的电一光调制器或复杂激光器来降低严 重的相位噪声，这样就大大地增加了系统的造价和复杂性。因此，人们认为光信 号混频或无线信号的上传技术是降低造价和提高r o f 系统性能的最有效方法。 迄今为止已经提出的一些光信号混频或无线信号的光学上变频方案【3 3 3 4 1 ， 基于波导器件非线性效应的方案转换效率低，并且需要非常高的光输入功率：其 他的有基于半导体光放大器的交叉增益调制方案和基于半导体光放大器型 m a c h z e h n d e r 干涉仪的交叉相位调制方案。但这两种方案的主要问题在于半导体 光放大器的调制带宽很窄，很难将高频本振信号与数据信号进行有效地混合。另 一个主要障碍是半导体光放大器的载波吸收效应，这将导致w d m 信道数量的减 少从而大大限制了无线终端用户数量。因此，我们有必要去研究更加理想、效果 更好的产生光毫米波的方案，文献【3 5 】中采用的方法产生的毫米波性能较好。 另外，基站在r o f 通信系统中起到“承上启下”的作用，一方面把下路的信号 经过处理发射给移动终端，另一方面把移动终端的信号上载到光载波上路到中心 站处理。由于射频波的自由空间衰减每个基站可以覆盖的区域比较小，因此基站 需要大量布置，人们对基站的关注点在于实现必要性能的同时尽量简化基站模块， 降低其功耗和成本。因此，基站成本成为接入网性能提升的一个关键的研究课题 【3 引。r o f 技术作为无线接入网的关键技术，其研究目标也就是在保证带宽的基础 9 光纤无线通信系统中的毫米波调制和基站简化技术研究 1 4 本文内容及框架 本文研究工作为国家8 6 3 计划项目和高等学校博士学科点专项科研基金资助 课题。在本章中，我们首先分析了本研究课题的学术背景及其理论与实际意义， 然后概述了光纤无线通信( r o f ) 系统，包括r o f 系统的结构、特点以及r o f 技术 在通信中的各种应用。本章主要介绍了光纤无线通信的发展历史及国内外研究进 展，分析了r o f 通信系统结构设计的基本思想。后面章节的内容安排如下： 第二章我们主要介绍了毫米波r o f 通信的几种关键技术，包括高频毫米波的 产生和传输，无源基站的构建以及r o f 与d w d m 的融合技术。首先介绍了几种 高频毫米波信号的调制技术，主要是四种方法：外部调制器法，远端外差法，上 下变频法，光收发器法等。然后研究了无源基站的构建，包括简化基站的必要性 和简化基站的一些方法。最后介绍了一种新型的通信方式，即r o f 系统与d w d m 的无缝融合技术，可以大大提高通信系统的容量。 第三章详细介绍了r o f 通信系统中光毫米波信号的产生及其传输特性研究。 首先分析了色散对毫米波r o f 通信的影响。通过介绍双边带调制产生毫米波的原 理及其色散影响，对比几种基于外部调制器的毫米波产生方案，提出了一种改进 的双边带调制产生光毫米波的方案。根据提出的系统模型和下行链路的传输性能 分析，我们采用数值仿真和实验研究相结合的方法对该方案的可行性进行了验证。 第四章我们重点研究了实现无源基站的全双工光纤无线通信系统。首先介绍 了全双工r o f 通信系统的研究进展，概述了实现全双工r o f 通信的基本过程。 通过对基于波长重用技术实现无源基站的全双工r o f 通信系统的研究，突出了简 化基站的重要性。然后分析了利用d w d m 技术产生的光毫米波性能，同时对提 出的系统模型进行了仿真研究，验证了该方案的可行性。 最后，给出了本论文的工作总结及今后的工作展望。 1 2 硕士学位论文 2 1 引言 第2 章实现毫米波r o f 通信的若干 关键技术 以计算机和通信网络为标志的信息技术成果将人类社会推进到了信息时代， 通信的目标是实现全球范围内的个人通信，这要求移动通信能够提供大容量，高 速率和高质量的传输，移动技术发展的重点是进一步提高速率。但目前微波以下 的频段均被占用，无线通信只能向更高频段扩展，即从目前的9 0 0 m h z 频段提高 至几到数十g h z 的毫末波段，以提供更为广阔的传输带宽。为了克服无线通信在 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，r o f 技术将会成为解决下一代超宽带无线接入最有前景的技术【1 1 2 0 1 。为了 提高r o f 系统的信道容量以及防止邻近基站在重叠区的同频率信号的干扰，高品 质光毫米波的产生是整个系统中的关键技术之一。特别重要的是，r o f 技术将无 线接入的灵活性与光纤提供的大容量与低成本优势有机结合在一起，无疑将在未 来宽带无线接入技术中扮演重要的角色1 2 6 。 一般来说，简单的r o f 系统主要包括中心站，光纤链路和基站三个部分。中 心站产生光毫米波并将高速数据信号上传到光毫米波上，带有数据的光毫米波通 过光纤发送至基站，在基站中进行光电转换，将光毫米波转变成电毫米波，并通 过天线发射出去，同时也将天线收到的无线信号通过电光转换变成光信号通过光 纤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。采用波长重 用，将中心站发送过来的载波可以在基站重新利用，还可以实现基站无光源操作， 也降低了系统成本。因此，r o f 系统具备大容量、低成本、低功耗、易于安装与 维护等多种优势，可以满足未来移动通信的宽带业务要求。这种技术可以使用在 无线信号遭到屏蔽的地方，如地下隧道、商业大厦、机场候车室等场所。另外， 下一代蜂窝通信将大量采用微蜂窝以允许更多用户以更宽的带宽、更高的速率接 入，这种互连同样可以利用大容量的r o f 技术的低成本方式来实现。 高品质光毫米波的产生和进一步简化基站配置是降低系统造价和提高r o f 1 3 光纤无线通信系统中的毫米波调制和基站简化技术研究 系统性能的关键技术。随着宽带无线通信业的不断发展，基站成本也成为了接入 网性能提升的一个关键的研究课题。如何在保证带宽的基础上尽可能的降低基站 的成本也是一个关键。如果能够避免在基站外加光源，利用中心站发送过来的载 波作为上行链路的光载波，重新加以利用，那么也可大大降低系统的成本。另外， r o f 技术与波分复用网络的无缝融合也受到了越来越多的关注。 2 2 光毫米波的产生 高品质光毫米波信号的产生是实现毫米波r o f 通信的关键所在。大量的研究 集中在毫米波的产生和传输技术上，包括毫米波段低噪声无线信号的光学生成和 克服光纤色散效应限制的毫米波信号传输。从本质上来讲，现有的可用于强度调 制毫米波信号的方法有三种：直接强度调制，外部强度调制和远程外差。虽然直 接调制是最简单的调制，但是由于激光器的受限调制带宽，因此它并不适合于毫 米波段。在更高的频率，例如l o g h z 以上，外部调制往往比直接调制更实用。外 部调制有易于配置的优点，但同时它的一些缺点也限制了其应用，如造价昂贵， 很难实现6 0 g h z 的毫米波和克服光纤的色散效应。利用光学外差技术，即将两路 或多路光信号同时发送到接收机，接收机采用外差法接收。然而，不管采用何种 方法，都必须使用一个偏置精确的电一光调制器或复杂激光器来降低严重的相位 噪声，这样就大大地增加了系统的造价和复杂性。 目前，r o f 通信系统中光毫米波信号的产生和传输研究得较多的有以下几种 方法： 2 2 1 外调制器法 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r o f 系统中产生光毫米波的首选技术【1 1 1 。此方法要求系统具备所 需高频毫米波的外部调制器。系统利用高频信号源产生无线载波信号，将有用信 息调制到无线载波信号上，被调制的毫米波电信号再作为调制信号，经光强度调 制器调制到光载波上。与直接调制相比，外调制器法有较宽的带宽特性，更适合 r o f 通信系统的应用。典型的外调制器主要有马赫曾德尔( m a c h z e h n d e r ，m z ) 光学调制器和电吸收光调制器( e l e c t r o a b s o r p t i o nm o d u l a t o r ，e a m ) 。m z m 输入 端为激光器输出的光波，并将携带信息的毫米波射频信号加载在m z m 上，m z m 的输出端为双边带调制的光学信号。调制后的光学信号经过光纤传输到接收端， 1 4 硕士学位论文 每个边带与中心载波进行拍频，恢复了携带信息的毫米波射频信号。电吸收光调 制器具有体积小、电压驱动低、偏振相关性小和无需严格温度控制的优点。因此， 它是r o f 系统中相当理想的电光转换器件。 e a m 的不足之处是光插入损耗较大，致使r f 系统的链路增益受到影响。这 个问题通过将e a m 与半导体光放大器( s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p i m e r ，s o a ) 的集成得以解决。集成产品e a m s o a 有效地提高了r f 的增益。 利用e a m 的r o f 系统如图2 1 所示。 图2 1 利用e a t 调制技术构成的r o f 系统 l d ：l a s e rd i o d e h p f ：h i g h p a s sf i l t e ra m p ：a m p l i 行e r p d ：p h o t o d e t e c t o ru w a v el o ：m i c r o w a v el o c a io s c i l l a t o r e a m ： e l e c t r o - a b s o r p t i o nm o d u i a t o r b p f ： b a n d - p a s sf i l t e r 2 2 2 远端外差法 远端外差法【2 3 】是传输两个频率差等于所需要的毫米波频率的窄线宽光波，其 中一个光波携带了需要传输的信息。在基站通过远端外差产生毫米载波信号。 图2 2 利用远端外差技术构成的r o f 系统 m l l d ：m o d e l o c k e dl a s e rd i o d el d ：l a s e rd i o d e a m p ：a m p l i n e r a w g ：a r r a yw a v eg r a t i n g p d ：p h o t o d e t e c t o rh p f ： h i g h p a s sf i l t e r e o m ： e l e c t r o o p t i cm o d u l a t o r u - w a v el o ：m i c r o w a v el o c a lo s c i l l a t o r 1 5 光纤无线通信系统中的毫米波调制和基站简化技术研究 这种方法是利用两束光波相干混频产生的频差等于所需无线载波频率的原 理。光波可以通过两个分别称为参照光和数据光的激光器产生，或利用同一个激 光光源的两个边带。相干混频后所产生的两束光波的频差，即无线信号，能够利 用基站端的其有平方率特性的光电转换器件得到。产生低相位噪声高频微波的关 键是两束光的相位必须相关。图2 2 所示的是使用锁模激光二极管( m o d e 1 0 c k e d l a s e rd i o d e ，m l l d ) 激光器的r o f 系统。由于激光器存在随机相位噪声，由此 产生的拍频毫米波信号也存在相位噪声，这对系统的性能造成很大的影响，因此 必须想办法消除。 2 2 3 上下变频法 上下变频法【2 7 1 可以分为电域上下变频法与光域上下变频法，构成的r o f 光 传输系统结构分别如图2 3 ( a ) 与图2 3 ( b ) 所示。 图2 3 ( a ) 利用电域上下变频原理构成的r o f 系统 b p f ： b a n d p a s sf i l t e r p d ：p h o t o d e t e c t o rl o ：l o c a lo s c i l l a t o r i fl o ：i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yl 0 c a lo s c i l l a t o rh p f ： h i g h - p a s sf 订t e r 图2 3 ( b ) 利用光域上下变频原理构成的r o f 系统 b p f ： b a n d p a s sf 订t e r p d ：p h o t o d e t e c t o r a m p ：a m p l i f l e r 1 6 硕+ 学位论文 l o ：l o c a io s c l i l a t o rl d ： l a s e rd i o d e h p f ： h i g h p a s sf i l t e r e am ： e l e c t r o - a b s o r p t i o nm o d u l a t o r i f ：i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y 可以看出，两种方式的共同特点是光纤链路上传输的无线信号是一个中频 ( i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ，i f ) 信号，所以在基站处还必须实现中频信号与射频信号 之间的频率变换。对于电域上下变频法，基站必须有一个高频的本振信号源。对 于光域上下变频法，高频源则通过两束光波相干频差产生。无论是在电域上下变 频法还是光域上下变频法，两者的结构都造成基站端的结构过于复杂，这样就会 导致系统体积过大，设备成本高，不利于市场化。 2 2 4 光收发器法 图2 4 利用e a t 的r o f 系统方案设计 l d ：l a s e rd i o d ee a m ： e l e c t r o a b s o r p t i o nm o d u i a t o r p d ：p h o t o d e t e c t o r b p f ： b a n d - p a s sf 订t e r 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 ra m p ：a m p l i 行e r 在r o f 系统中，电吸收调制( e a m ) 收发器可以代替远端基站天线外的激 光器和探测器，就可以降低天线的复杂性和成本。利用e a m 收发器进行复用的 概念是1 9 9 6 年由w e s t b r o o k 等人提出来的。光收发器法【3 3 】是比较有优势的一种 方法，它同时兼有对下行光纤链路与上行光纤链路分别实现光电转换与电光转换 的功能。它是一个实现低成本基站的关键器件。在图2 4 的系统中，上行光纤链 路与下行光纤链路的光载波都是由中心站产生。这样设计的目的是出于简化基站 结构，省去了激光光源以及相应的驱动电路。因此在下行光纤链路上同时传输两 个波长的光信号a 与如，五为下行光纤链路光载波，厶为上行光纤链路光载波。 一方面，e a t 从光载波丑上接收、探测并滤波后得到下行无线信号通过天线发射 出去。与此同时，通过天线所接收到的上行无线信号将调制到光载波厶上。上行 1 7 光纤无线通信系统中的毫米波调制和基站简化技术研究 光纤链路只传输光载波名。上行光纤链路光载波信号经过中心站的p d 光电转换， 并通过带通滤波后恢复出上行无线信号。 从i j 面介绍的四种r o f 光传输系统高频载波产生和传输技术，我们对它们的 优劣加以比较，如表1 所示。从调制技术而言，外调制技术无论在目前还是在可 以预见的未来都是一种十分有前途的技术。而收发器法可以简化基站的结构，降 低系统成本。 表1r o f 光传输系统高频载波产生与传输技术的比较 方法名称优点缺点 易受光纤色散影响 外调制器法光源结构简单调制深度有限 需要高频e a m 具有足够的调制深度 远端外差法不受光纤色散影响光源结构复杂 不需要高频振荡源 需要高频振荡源和 直接中频调制 上下变频法高频e a m 无光纤色散影响 基站结构复杂 光收发器法基站结构简单 需要高频的e a m 与e a t 2 3 无源基站的设计 基站在r o f 通信系统中起到一个“承上启下”的作用，一方面把下路的信号 经过处理发射给移动终端，一方面把移动终端的信号调制到光载波上传到中心站 处理。由于射频波的自由空间衰减每个基站可以覆盖的区域比较小，因此基站需 大量设置，人们对基站的关注点在于实现必要性能的同时，尽量简化基站的模块， 降低其功耗和成本。因此，无源基站的设计就显得尤其重要。 1 8 硕十学位论文 2 3 1 简化基站的必要性 图2 5 一种结构简单的基站设计方案 c s ：中，厶站，b s ：基站，p d ：光电检测器，l d ：激光二极管 众所周知，由于较低微波频率需要经过许可，且低频带宽不足，下一代无线 接入系统将运行在微波毫米波波段的上界频率，这是由于高频载波能提供的带宽 更富裕。毫米波射频信号在空间中的传输距离比厘米波段短得多，而且具有接近光 波的直线传输特性