光载无线通信(ROF)技术研究.doc

河北北方学院毕业论文题 目： 光载无线通信（ROF）技术研究 姓 名： 姜希振 院 系： 信息工程系 专 业： 通信工程 年 级： 2005级 学 号： 2005540047 指导教师： 柯贤文 26河北北方学院教务处制目 录摘 要1ABSTRACT2引 言3第一章 ROF技术介绍31.1 ROF技术提出的背景31.2 ROF技术概念41.3 ROF系统构架41.4 ROF技术介绍51.5 当前ROF技术的应用5第二章 ROF技术的特点72.1 ROF技术的优点72.1.1 输距离长 、衰减损耗低72.1.2 光纤的容量大82.1.3 光纤体积小、重量轻、安装维护简便82.1.4 可以提供多种通信业务82.1.5 动态资源配置92.1.6 抗电磁干扰能力强92.2 ROF技术的局限9第三章 有关ROF系统中的关键技术分析113.1 ROF系统中的关键技术分析113.1.1 直接调制技术113.1.2 上/下变频技术123.1.3 光学自外差技术143.1.4 电吸收光收发技术143.2 ROF系统的实现技术153.2.1 光复用技术163.2.2 信号源的设计173.2.3 基站BTS的设计183.2.4 ROF系统的色散管理193.3 本章小结20第四章 总结与展望214.1 ROF技术研究现状214.2展望22致 谢24参考文献25论文题目：光载无线通信（ROF）技术研究作者简介：姜希振，男，1984年10月出生，就读于河北北方学院05级通信工程专业光载无线通信（ROF）技术研究摘 要无线化和宽带化是当今通信业乃至整个信息业的热点。无线通信使得在任何时候、任何地方与任何人之间的通信成为可能。而宽带通信可以将数据、话音、视频和多媒体等各种业务信息很快地传送到企业和家庭个人用户，丰富了人们的工作以及生活。所以，这两者的结合无疑是未来通信的发展方向。基于此，本论文研究了ROF(Radio-over-Fiber)技术。该技术利用光纤和高频无线电波各自的优点，能实现大容量、低成本的射频信号有线传输和超宽带无线接入，具有低损耗、高带宽、不受无线频率的干扰、便于安装和维护、功率消耗小以及操作更具灵活等优点。文章首先介绍了ROF技术提出的技术背景、ROF技术的概念、网络结构以及ROF技术的特点。然后主要介绍了有关ROF系统中的关键技术分析和ROF系统的实现技术等方面。最后简要介绍了ROF技术的研究现状以及未来应用情况。关键词：Radio-over-Fiber，光纤，射频，毫米波。ABSTRACTWireless and wideband communication are the hot topics in the field of communication. Wireless communication makes the communication in anywhere, at anytime and with anyone possible. And the wideband communication can deliver the data, voice, video and other information to companies and individuals quickly, which makes the work and life diversified. Thus, the integration of the wireless communication and the wideband communication is the direction of the development of future communication. Based on this, this paper studied the ROF technology. Radio-over-Fibre technology integrates the advantage of the optical fiber and high-frequency radio wave, to achieve high-capacity, low-cost radio frequency signal transmission cable and ultra-broadband wireless access, with low loss, high bandwidth, free from radio frequency interference, easy to install and maintain , and the operation of small power consumption advantages of more flexibility.First, in this paper we introduced the ROF technology background ,concepts, network architecture, as well as the characteristics of ROF technology.Second,research of the ROF systems is contained a simple introduction to the basic principles of its structure and systems carried out a detailed analysis. Finally, this paper studied todays ROF technology status and the future application of the status. Key words: Radio-over-Fiber,fiber, radio frequency , microwave. 引 言随着人类社会信息化的进程，人们对多媒体宽带业务的需求日益增强，而目前拥塞的微波频谱面对这些精彩纷呈的业务却显得力不从心，因此毫米波频段的应用是无线通信迈向更大容量和更高速率的有效途径。60GHz毫米波系统具有频段宽、设备尺寸小和受大气衰减影响显著的特点；而光纤拥有丰富的频带资源和抗电磁干扰的能力，将毫米波和光纤传输技术相融合，可以有效解决毫米波传输距离短和控制系统成本等问题，具有广阔的应用前景。因此本文向读者介绍了光载无线通信的概念、背景、特点等等。主要介绍了有关ROF系统中的关键技术分析和ROF系统的实现技术等方面。最后简要介绍了ROF技术的研究现状以及未来应用情况。第一章 ROF技术介绍 近年来,无线通信和光纤通信技术发展迅猛,光纤干线容量不断提升,无线通信用户急速扩大，服务也日益多样化。然而，虽然光纤通信技术提供了海量的带宽和超高速的速率，却存在缺乏灵活的分配方式以及电的“瓶颈”问题。无线通信可以提供灵活的接入,却受到带域的必然约束。因此,从超大容量超高速通信的需求和发展上来看，以光纤作为的媒质，传送高频率带域无线信号，结合光纤和无线各自长处的ROF通信技术，成为一种有效的解决方案。1.1 ROF技术提出的背景 当前，基于PON技术的FTTH在一些试点城市进行得如火如荼，同时，WiMAX也异军突起并顺利成为3G标准中一员。在骨干光网络已趋于饱和的情况下，接入网领域的巨大市场份额无疑会成为各大运营商争相投资的动力。光纤接入和无线接入分别有着各自的优势，光纤具有低损耗、高带宽、防电磁干扰等特点，而无线接入则可以给用户带来无处不在的方便快捷服务，且免去了铺设光纤的昂贵费用，于是，人们就想能不能用一种技术将有线与无线接入融合起来。Radio-over-Fiber(ROF)技术就是应这种需求而出现，并且成为越来越多人研究的热点。 2008年伊始，国内电信业重组成为人们讨论的焦点，就人们已经预测的重组方案来说，未来的运营商都将拥有自己的固定和移动网络，并且兼营两部分业务，为了成本的最低化、网络的最优化，运营公司必定会选择网络的融合。另外，从市场上看，有调研机构调查显示，在调查对象中，有60.6%认为在未来5年中主要出现的情景将是无线和有线的融合（FMC），大多数用户将拥有1部多模电话机，并通过最适合的网络(可以是固定网，也可以是无线网)来进行呼叫。 2008年底随着3G牌照的发放，所以，无论从技术、政策还是市场驱动上看，融合必定成为今后电信业的主旋律和必然趋势，技术将趋于融合，网络将趋于融合，业务也将趋于融合，ROF技术也必将在未来网络融合中发挥巨大的作用。1.2 ROF技术概念ROF（Radio Over Fiber）技术是一种光和微波结合的通信技术，是利用光纤的低损耗、高带宽特性，提升无线接入网的带宽，为用户提供”anywhere, anytime, anything”的服务。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。1.3 ROF系统构架ROF系统的基本实现策略是（图1.1），将数字基带信号先用射频副载波（Radio Frequency，以下简称”RF”）调制，然后用光链路传输。在接收端恢复射频信号，通过天线发射在移动或固定终端接收射频信号解调得到数字信号。同时移动终端也可以通过ROF系统向服务提供者提出服务请求，实现双向交互的通信。 图1.1 ROF系统构架1.4 ROF技术介绍ROF技术是应高速大容量无线通信需求，新兴发展起来的将光纤通信和无线通信相结合起来的无线接入技术。ROF系统中运用光纤作为基站(BTS)与中心站(CS)之间的传输链路，直接利用光载波来传输射频信号。光纤仅起到传输的作用，交换、控制和信号的再生都集中在中心站，基站仅实现光电转换，这样，可以把复杂昂贵的设备集中到中心站点，让多个远端基站共享这些设备，减少基站的功耗和成本。 光纤传输的射频（或毫米波）信号提高了无线带宽，但天线发射后在大气中的损耗会增大，所以要求蜂窝结构向微微小区转变，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。正是这些优点，使得ROF技术在未来无线宽带通信、卫星通信以及智能交通系统等领域有着广阔的应用前景。1.5 当前ROF技术的应用 在移动通信中，丰富的传输带宽、无缝的覆盖范围、大容量、低功耗等优点均使得ROF系统光无线网络融合中有较大的发展空间。另外，它对信号的调制格式具有透明性，它只提供一个物理传输的媒介，可以把它看成天线到中心控制局之间点到点的透明链路。通过它与现有网络的融合，可以达到集中控制、共享昂贵器件、动态分配网络容量、降低成本的目的。美国首次将ROF技术在80年代用于军事用途，自90年代后经过快速的发展，ROF得到了广泛的应用。2000年的奥运会在澳大利亚悉尼举行，利用ROF技术建立了Tekmar BriteCellTM网络（图1.2）。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500000无线电话的呼叫。该网络综合了3个GSM运营商的系统；采用多标准的无线通信协议；拥有大于500个远端天线单元；采用低射频功率分布式天线系统；可以动态的分配网络容量。图1.2 ROF系统在悉尼奥运会上的应用在日本，ROF已经应用在了现有的蜂窝系统个人数字通信(PDC，personal digital communication)系统和宽带码分多址接入 (WCDMA，Wideband Code Division Multiple Access) 系统中。NTT DoCoMo作为日本蜂窝系统运营商之一，将ROF技术运用于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）设置在室内天花板上，然后通过光纤与一个主基站连接在一起。第二章 ROF技术的特点 本章简要介绍一些ROF技术和传统的无线传输系统相比所具有的优点和存在的一些问题。2.1 ROF技术的优点2.1.1 输距离长 、衰减损耗低 高频微波信号的传输，无论是在自由空间还是在固态介质传输线上，具有很多潜在问题，成本也较昂贵。自由空间里，随着频率的升高，由吸收和反射引入的损耗也加大1。固态介质传输线中，阻抗随着频率的升高而增大，带来了很大的损耗。因此，远距离分布高频射频信号需要很昂贵的再生设备。对于毫米波而言，它们在传输线上的分布传播即使短距离也是很难实现的。目前已商用的解决办法，就是把基带信号或者中频调制信号从交换中心(headend)分布传输到BTS基站，基带或者中频信号在基站端上变频到需要的微波或者毫米波，微波放大，然后经由天线发射，如图2.1a/b所示的结构，只不过传输媒介是电缆而非光纤。由于在各个基站端上变频处理的需要，就需要高性能的本地振荡器，这个又导致基站端复杂的结构和较高的性能需求。另一方面，因为光纤具有较小的损耗，ROF技术既可以实现毫米波分布的低损耗，还可以简化RAUs的结构。 a 基带网络 b 经由光纤的中频信号传输图2.1 ROF系统概念的理论图目前实用的单模光纤(SMFs)基本都是石英材料的，他们在1550nm和1310nm窗口的损耗分别低于0.2dB/km和0.5dB/km，比已知的其他通信线路的损耗都低的多，因此，由其组成的光纤通信系统的中继距离也较其他介质构成的系统长的多。如果今后采用非石英光纤，并工作在超长波长（2m），光纤的理论损耗系数可以下降到10-310-5dB/km，此时光纤通信的中继距离可大数千，甚至数万公里2。2.1.2 光纤的容量大光纤可以提供巨大的带宽。光纤通信主要又三个低损耗窗口，分别是850nm，1310nm，1550nm波长。对于单根单模光纤来说，三个窗口一共可以提供高达50THz的带宽。然而，目前广泛商用的系统仅仅利用了其中的一小部分，大概1.6THz。人们还在不断的研究如何拓展单根光纤的传输能力，通过包括开发低色散光纤、为1550nm专用的掺饵光放大器、混和利用高级光时分复用(OTDM)和密集光波分复用技术(DWDM)等。除了传输微波信号的较高性能，光纤的高带宽还有其他的优点。高光带宽可以实现在电系统中很难甚至不可能实现的高速信号处理，也就是说，一些必需的微波信号处理，比如滤波，混频，上/下变频都可以在光域中实现。在光域进行信号处理就可以利用较便宜低带宽的光器件，象是激光二极管和调制器，还可以处理高带宽的信号。2.1.3 光纤体积小、重量轻、安装维护简便在ROF系统中，复杂而昂贵的设备都在headend端，简化了RAUS的结构。比如系统删减了RAU端的本振和相关设备，而仅仅需要光电探测器，射频放大器和天线来发射信号，调制器和交换设备也都放置在headend端，这些设备由几个RAUS共用。这种结构可以使RAUS更加轻便小巧，有效的降低了系统安装和维护成本，这点对于毫米波系统来说是极其重要的，因为毫米波系统需要很多的RAUS。在那些RAUS不是很容易接近的应用来说，维护成本是运营成本的主要部分3。较小的RAUS还可以降低对环境的污染和影响.2.1.4 可以提供多种通信业务ROF满足了系统级操作的灵活性。依赖微波产生技术，ROF分布系统可以实现信号格式的透明化。强度调制直接检测 ( IMDD) 技术可以被设计使用成为一个线性的系统，也就是通明(transparent)系统。它可以通过混和利用低损耗单模光纤和预调制RF载波技术来实现。这样的ROF网络可以被用来分布支持多操作、多服务的通信业务，这又可以带来经济成本上的节约3。2.1.5 动态资源配置由于交换机、调制器和其他射频微波功能器件都放在中心局端，这就使得资源配置可以动态化。例如，一个支持GSM系统业务的ROF分布系统，更多的资源和容量可以配置到某一个特定的地点，比如消费高峰时段的商场，然后在高峰期后再配置到其他地区，比如傍晚的居民居住区。随着需求的增大，这些功能可以通过WMD技术分配配置光波实现。根据业务需求配置通信容量可以克服只能固定永久性配置容量的需求，毕竟这种固定性配置在业务需求变化频繁的大型区域是一种很大的资源浪费3。而且，因为中心局端的存在，更加简易巩固了其他信号处理功能，比如移动性切换功能和宏观复用传输等。2.1.6 抗电磁干扰能力强 良好抗电磁干扰性能对光纤通信，尤其微波通信来说是极具吸引力的一个特性。而采用光的方式在光纤中传输微波信号恰恰实现了这个功能。光导纤维是石英玻璃丝，是一种非导电介质，交变电磁波在其中不会产生感生电动势，即不会产生与信号无关的噪声。因为这个特性，光缆在毫米波的短距离链接中都被较大范围的利用。与抗电磁干扰相关的，光纤通信还有良好的抗窃听性，可以保护隐私和提供更好的安全性。结构简单、装备减少的RAUS能够使电能消耗大大降低。基本上所有复杂的设备都放置在中心局端。某些应用上，RUAS还可以是无源操作的。由于RAU端功率消耗的降低，可以考虑把RAUS放置在遥远没有电力供应的地点。2.2 ROF技术的局限动态范围对于象GSM这样的蜂窝式移动通信系统来说是一个非常重要的因素，因为从MU到基站的信号功率变化很大，同一个蜂窝内，距离基站比较近的MU发射的射频功率比基站接受到的几公里外MU发射的信号功率大很多。由于ROF技术包含了模拟调制和光探测，它本质上就是个模拟传输系统。因此，信号损伤，比如在模拟通信系统中非常重要的噪声和失真，在RoF系统中也就显得影响比较大了。这些损伤很可能影响ROF系统的噪声系数和动态范围5。模拟光纤链路中的噪声源包括激光相对强度噪声，激光相位噪声，光电二极管霰弹噪声，放大器热噪声和光纤色散等。ROF系统中的单模光纤，色散的影响可能限制光纤链路的长度并造成相位的非相关进而增加了RF载波的相位噪声1。RoF系统中的多模光纤，模式色散会更大的限制链路带宽和距离。光纤具有的巨大带宽的利用也受到了电子系统固有的低带宽的限制，这些电子系统恰恰是传输信号的信源和接收器主要部分。这个问题被称作“电子瓶颈”。有效的复用技术是解决这一问题的一大法宝。如今OTDM和DWDM技术已经被应用在数字光系统中了。至于包括ROF技术、子载波复用(SCM) 6 技术等在内的模拟光系统也被提出来提高光纤带宽的利用度。第三章 有关ROF系统中的关键技术分析ROF技术需要解决的关键问题是如何用光波传送无线信号，并且在基站产生受基带信号调制的微波/毫米波载波，同时要克服光纤色散对无线信号的影响8。另一方面，ROF技术方案必须综合考虑经济因素，因为系统成本尤其是基站设备和维护成本决定了ROF技术是否有实用价值。3.1 ROF系统中的关键技术分析用光学的方法生成毫米波，具有便捷、易调节和便于与光纤传输系统集成的优点，是国际上ROF技术研究中一个非常有吸引力的方向。目前从事该课题研究的主要有日本、韩国及欧美的一些国家，其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9。目前，在毫米波ROF技术研究方面国外提出的比较有价值的方案大致有四种:直接调制技术、上下变频技术、光自外差技术、电吸收收发器技术。3.1.1 直接调制技术直接调制技术的原理就是用毫米波副载波直接调制光波。一般光波的调制方法主要分直接调制和外调制。直接调制虽然简单，但不能保持激光器频谱稳定，而且无法工作在10GHz以上，所以不适合用于毫米波调制。外调制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，同时外调制器可以工作在更高的频段。 图3.1 直接调制技术系统结构外调制技术方案是在CS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到光波上。图3.1是采用外调制法的系统结构，CS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与基带信号混合，成为携带基带信号的已调毫米波(59.6GHz)，然后通过电吸收光调制器(EAM)对光波（波长1）进行强度调制，另外一路纯净的毫米波(57GHz)通过电吸收光调制器(EAM)对光波（波长2）进行强度调制。基站中通过解波分复用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1）光波进行检测，就直接生成已调毫米波信号(59.6GHz)。另外一路（波长2）光波用作BTS上行光源，通过电吸收光调制器(EAM)用接收到的来自无线用户的毫米波信号(59.6GHz)对携带57GHz副载波的光波进行调制的同时，已经将59.6GHz信号变成了光波上携带的2.6GHz信号，然后经过光纤传送回中心站。 直接调制技术的一个主要问题是所产生的光双边带信号(DSB)在光纤传输过程中会受到光纤色散的影响。假设使用非色散位移单模光纤，高于1300nm的光DSB信号在长距离传输过程中，其下边带(LSB)滞后于上边带(USB)。而在基站光信号接收端，LSB和USB波分别携带的毫米波副载波分量，经平方律探测器产生差拍，差拍产生的毫米波信号沿光纤轴线呈周期性的衰落。总的来说，外调制技术具有结构简单的优点，但光纤色散影响较严重，调制深度不高，有非线性响应。另外从经济角度考虑，中心站需要毫米波本振和毫米波调制器，尤其是基站也需要使用毫米波段的光调制器，这些器件都是相当昂贵的，不利于实际系统的推广。3.1.2 上/下变频技术上/下变频技术在中心站中使用中频信号(1-3GHz)作为副载波，数据信息调制在中频信号上，已调制的中频信号再直接调制光波10。基站中需要毫米波本振源，进行中频信号的上变频和毫米波信号的下变频，分别应用于基站的下行链路和上行链路。实现上变频和下变频有两种不同的技术，既可以在电信号域实现，又可以在光信号域实现，如图3.2所示。 图3.2 上/下变频技术ROF系统结构图图3.2(a)是以电的方式实现上下变频的系统结构，在基站中经探测器直接提取中频副载波，并与基站中的毫米波本振源直接混频，将中频副载波上变频到毫米波频段。图3.2(b)是以光的方式实现上下变频，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/下变频技术使得光纤链路中传输的是中频副载波信号，因而受光纤色散的影响小，但缺点是变频效率不高，基站中需要毫米波本振和毫米波混频器，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。3.1.3 光学自外差技术由于光速很高，两个激光器的波长的微小差异所对应的频率差异就是毫米波频率，例如在1550nm波段，0.8nm的波长差异对应100GHz的频率差异。因此若有两个波长相近、相位相干、偏振相符的激光器，将它们所产生的光波同时投射到具有平方率电场检测特性的光探测器上，就能产生出毫米波，其频率是两个光源的频率之差。这个方法在原理上是简单的，实现的关键是如何获得两个相干的光源。如果使用两个独立的激光器作为光源，要得到稳定可用的毫米波信号是非常困难的。这是由于：（1）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;（2）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0.1nm对应的频偏就是12.5GHz。为了获得频谱纯净的相干光源，已提出了许多方案，包括光锁相环、锁模激光二极管(MLLD)和双步光外差技术等11。 图3.3 光学自外差技术生成毫米波的系统框图图3.3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12。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己调毫米波信号，经放大后向外发射。3.1.4 电吸收光收发技术电吸收型光收发器(EAT，Electro-absorption Transceivers)是一种可以工作在60GHz频段的光电器件，有两个独立的射频端口和两个光纤接口。EAT元件由三个部分组成，分别是光探测器、无源波导、光调制器。 图3.4 电吸收光收发器ROF方案采用EAT的ROF系统结构如图3.4所示。在中心站，数据信号与毫米波本振混频，产生60GHz的己调毫米波副载波。同时激光器LD1发送下行光波(波长1处在EAT的吸收区)，激光器LD2发送上行光波(波长2从处在EAT的过渡带)。已调毫米波副载波通过外调制器(EAM)调制到下行光载波1上，然后下行光波1与上行光载波2混合，通过光纤传送到基站。在基站中，下行光信号经EAT元件解调后，直接从射频输出端口输出60GHz的己调毫米波信号，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EAT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。采用EAT元件的传输系统可以使基站系统大大简化，基站中只进行光电、电光转换，不需要其他的光学元件，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EAT器件为日本的专利产品，成本昂贵，距离商品化还有一定的过程，所以EAT技术的ROF系统方案构思虽好，但是其推广应用还有相当大的难度。 3.2 ROF系统的实现技术一个完整的ROF系统主要由物理层和协议层构成。协议层要根据不同的服务（比如移动通信，本地多点分布系统LMDS等）从功能级角度描述。物理层从传输级角度实现对信息的“透明”传输。下面主要从物理层的角度介绍一些ROF系统的实现技术。3.2.1 光复用技术为了有效利用光纤提供的超大带宽，ROF系统采用复用技术，将中心站到多个基站的信号放在同一条光纤里传输。目前，主流的光复用技术分为时分复用(TDM)，波分复用（WDM），副载波复用（SCM）和码分复用（CDM）四种。不同的复用方式有各自的优缺点，而且各种复用方式还可以结合使用，那一种复用技术更适合用于实现ROF系统，成为一个研究点。光时分复用(TDM)是用多个电信道信号分别调制频率相同但在时间上相互错开的光脉冲载波，然后进行光复用；接收端用TDM 解复用器(光开关) 在定时的控制下分出不同信道的光信号, 然后分别解调, 恢复出原信道电信号。TDM系统只用到了一个波长，光源的实现比较容易，但是由于需要精确的控制各路信号的时隙，对时钟同步的精度和快速抽样都有较高的要求。所以，TDM技术不适合用于实现ROF系统。光波分复用（WDM）是将两种或多种不同的光载波信号在发送端经复用器(或称合波器) 汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中传输；在接收端经分波器(或称解复用器) 将各种波长的光载波分离后由光接收机作相应的处理而恢复原信号。WDM的优点是在不增建光缆线路或不改建原有光缆的基础上，扩大了光纤的传输容量；系统基本使用无源器件，结构简单，体积小，可靠性高，易于光纤耦合，成本低；同时可以在同一光纤里实现双向通信。目前，蜂窝状无线接入网也多采用这种复用技术。如果将WDM系统中调制光载波的基带电信号换成射频信号，这就是副载波复用技术。光副载波复用（SCM）是将所要传输的信号先用于调制一个射频（超短波到微波的频率）载波，再用射频信号调制发射光源。在接收端经光电转换后恢复带有信号的射频波，再通过射频波检测还原成原信号。SCM系统不需要实现时钟同步和快速抽样等功能，结构简单，成本较低。虽然SCM也存在对系统非线性性能要求高等缺点，但仍旧被认为是在目前的研究和生产中实现ROF系统的首选复用技术。另外还有一种处于研究阶段的光码分复用（CDM）技术。它的复用策略是给每路信号分配一个唯一的光正交码的码字作为该信号的地址码。在发送端，对要传输的数据该地址码进行光正交编码，然后实现信道复用；在接收端，用与发端相同的地址码进行光正交解码。它的亮点是能够增强系统的保密性和灵活性。但由于技术方面的原因，CDM并不成熟，距离实用化还有一段路要走。3.2.2 信号源的设计从狭义的角度看，信号源由用于生成光信号的模块组成，它的主要功能是产生适合光纤链路传输的光信号；广义的看，所有用于生成适合BTS发送的RF信号的模块共同组成了信号源，即整个ROF系统是一个广义信号源。因此，信号源的设计，重点是回答好两个问题：如何产生高质量的光信号；如何产生合适的RF信号。产生光信号，无一例外的需要调制，即使是通过光收发机生成的光信号，其根本也是一个调制的过程。调制后光信号的带宽、啁啾等性质，将直接对通信系统的性能产生影响。目前，光载波调制分为直接调制和间接调制，下面给出了这两种调制方式并分析了他们的优缺点以及应用背景。 直接调制 优点：结构简单，成本低廉。缺点：非线性强，受光源性能影响大。应用背景：短距离，低副载波频率传输。 间接调制优点：线性度好，受光源性能影响小调制频率高。缺点：元件多，成本高，插入损耗大。应用背景：长距离，高副载波频率传输。 比较可以看出，间接调制更适用于60GHz的ROF系统。同时，在某些不需要极高带宽的环境下进行微区内的通信，则可以在保证带宽够用的前提下选用较低的副载波，采用直接调制技术系统的降低成本。由上面的分析可知，回答“如何产生光信号”等同于根据系统应用条件选择一种光调制方式。相比之下，回答“如何产生合适的RF信号”比较复杂。目前，主流的RF信号产生技术是光外差和调制。需要提前说明的是，以下我们将针对如何产生包含有效信息的RF频段信号进行讨论，而并不是特指产生适合BTS发射的RF信号。光外差法主要思路是利用两路光（其频差是需要的RF信号频率）混频得到RF信号。两束差频光可以分别由两个激光器产生，或者由一个多模激光器，难点是同步两个差频光源的相位，即消除二者的相位噪声。为了达到这一目的，人们使用了各种相位锁定和模式锁定以及二者结合的方式（OPLL,OIL,OIPLL）。在应用过程中，一个成熟的上述光源是相当昂贵的。采用光外差法只能在BTS内通过混频生成RF信号。而采用调制技术，在CS和BTS均可以生成RF信号。 从技术的角度考虑，在BTS生成RF的ROF系统在CS中采用的副载波频率较低，对光源的啁啾、光纤的非线性效应的控制均优于在CS生成RF的ROF系统。但从成本的角度考虑，在BTS生成RF的ROF系统的BTS结构简单，而在CS生成RF的ROF系统的BTS需要毫米波段的振荡器。因此，两系统各有利弊，需要根据应用背景进行取舍。如果考虑信号在传输过程中的色散和非线性，有时还在信号源内引入起抑制色散作用的SSB调制模块和抑制非线性的预失真模块，提高BTS接受到的信号的质量。随着RF频率的升高和系统容量要求的提高，系统对功率、非线性性能的要求提高，信号源的复杂度也随之提高，多信道引起的交调，相位噪声等不良影响的抑制措施均需要重新考虑。3.2.3 基站BTS的设计BTS在实际的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（放大，上变频等）发射给移动终端，一方面把移动终端的信号上载到光载波上路到CS处理。由于射频波的自由空间衰减每个BTS可以覆盖的区域比较小，因此BTS需要大量布置，人们对BTS的关注点在于实现必要性能的同时尽量简化BTS模块，降低其功耗和成本。 最基本的BTS设计方案是用一个PD(Photodiode)实现下路，一个激光器加调制器实现上路。而为了进一步简化BTS的结构，节约成本，人们又提出一种由CS提供上路所需的光载波的设计方案，在这种方案中，BTS不再需要高质量的光源，降低了部分成本。 另外，还可以利用电吸收收发机（Electronic Absorption Transceiver，以下简称”EAT”）实现BTS。适当设计参数，EAT可以在无偏置情况下使用，并且可以同时实现副载波信号的接收和传送。仍旧沿用上路和下路都用CS端的光波的设计思路，并引入了EAT，可以说是所能实现的最简单功耗最低成本最低的BTS设计方案。但是，适合这种设计方案使用的EAT还处于研究阶段。 目前，日本已经制作出了EAT的实验室产品。尽管单器件BTS看上去是个完美的方案，但是新器件的开发，测试和商品化都要有过程，另外这种器件是否适用于未来WDMSCM系统等问题还有待讨论。总之，BTS的设计方案主要受CS信号源影响，不同的信号产生对应不同的接收方式。有的方案还在BTS接受端前加入放大，滤波器和色散补偿，非线性失真补偿等模块来提高系统性能，同时还要考虑到给移动终端发射信号的功率，发射天线的大小，方向等问题。在实际应用中要综合考虑来设计BTS。目前的发展方向是利用MMIC（Monilithic Microwave Integrated Circuit单片微波集成电路）技术实现BTS的小型化和低成本。3.2.4 ROF系统的色散管理ROF系统的一个重要问题是光纤色散所造成的毫米波衰落现象，即对于给定光纤长度，有一系列射频频率成分的输出功率为零；或者对于给定的射频频率，光纤的射频输出功率随光纤长度起伏，在一系列光纤长度上为零。对这个问题的研究在国际上曾探讨了用光波生成毫米波时，采用自外差技术(self heterodyne)让一个光源发出的相干光波在光探测器处干涉，光纤色散造成的不同波长光波的相位偏移使外差生成的毫米波幅度发生衰落。对于ROF系统中光纤的色散是影响系统性能最主要的因素，初期的实验系统工作在1310nm以避免色散的影响。随着ROF技术应用的发展，其系统规模会逐渐扩大，此时对要求增加信号功率， 因此，ROF技术的研究和应用逐渐转向1550nm波段。1550nm波段是光纤的低损耗窗口，而且有成熟的EDFA技术支持光放大。但对于SMF光纤，这个波段的色散不可忽略，色散成为限制系统传输距离、带宽的主要因素。特别是随着RF信号频率增加，传输数字信号频带加宽，色散的影响和补偿等问题都要在系统设计中给予考虑。解决色散限制问题的方法有很多种，比如利用调制器啁啾特性或FBG引入预补偿，在接受端用DCF光纤或者FBG做后补偿，采用SSB调制，在中途用OPC（Optical Phase Conjugation ）模块的相位共轭作用使传输前半途和后半途的色散抵消等等方法。现把各种方法列举如下并比较一下它们的优缺点。 利用调制器啁啾预补偿 优点：简单方便，可以控制调制器电压改变补偿度，具有一定灵活性。缺点：只是缓解色散影响，即把功率零点移远不能消除，且补偿效果对调制器特性敏感，需要稳压电路等附加设备。 利用DCF/FBG后补偿优点：可以根据链路参数设置补偿模块参数完全补偿色散。缺点：不灵活，不能动态补偿，多个终端时成本高。 利用SSB调制优点：从色散产生的根源入手消除色散，不用考虑传输距离等变化，允许系统参数动态变化；提高系统的频带利用率，用MZM实现还可以使用于WDM系统。缺点：用MZM实现需要稳压电路；用FBG动态特性不好，要根据副载波频率调整带宽，在多信道大功率SPM存在时性能受限。 利用OPC补偿优点：对色散补偿效果好，同时减小SPM的影响，放置位置灵活。缺点：系统复杂度高，成本高。通过以上的比较可以看出，SSB调制抑制色散的方法从效果复杂度和成本上都是比较好的方案。目前实验系统中也普遍使用SSB方法来抑制色散。实现SSB调制有各种不同的方法，比如用FBG等光滤波器，利用MZ调制器特性，设计特殊的器件等等。兼顾色散管理的效果和成本，用MZM和FBG实现SSB是最普遍的的方法。3.3 本章小结 本章主要研究了有关ROF通信系统中的一些关键技术以及其实现技术。通过研究ROF系统的实现过程得到了以下结论： 1. 提高射频信号的频率，可以为终端用户提供更大的带宽。目前研究的焦点是毫米波段（60GHz）的ROF系统。 2. 采用1550nm波段进行光传输，ROF系统的色散是影响通信系统性能的主要因素。因此，色散抑止和补偿技术是目前研究的一个热点，SSB调制在解决色散问题方面有一定优势。 3. 实用化的ROF系统计较成本，尽可能简单的实现BTS是ROF结构设计的发展方向。利用EAT实现单器件BTS是目前研究的另一个热点。第四章 总结与展望通过仔细研究ROF系统的产生背景、设计原理、实现过程以及应用前景，得知ROF系统具有大容量、低成本的优势，结构简单，预期成本低廉，性能出色等优点，能够集成在无线接入网、智能交通系统等多种环境中。4.1 ROF技术研究现状在ROF系统中，由于光载波上承载的是模拟的微波信号，与传统的数字光纤传输链路相比，其系统对光器件的性能以及链路自身的色散、非线性效应等都有了更为苛刻的要求。目前，对于ROF技术的研究仍然集中在物理层上，例如基于微波光子学的毫米波信号源产生，光调制器、滤波器的特性分析与改进，光纤链路的色散控制，以及基站中光载波的再利用等系统设计与优化。 其中，以毫米波信号源的产生技术为例，传统的高频信号发生源需要昂贵的本振源，可以利用光波的外差混频技术来得到高频载波。在雷达或光纤无线电（ROF）通信系统中，在光域里对中频微波信号进行上变频，可以得到承载高数据率的毫米波信号，目前比较成熟的技术有，基于强度调制器、基于EAM中XAM效应、基于SOA中XGM效应、基于高非线性光纤中的XPM或FWM效应的全光频率上变换技术。目前，IEEE收录的电子期刊以及其他光学权威期刊Optics Letters、Optics Express等都刊载了大量关于ROF的文章，但是，这些研究都停留在对信号处理技术以及链路系统研究的层面上，对网络层次的研究成果较少。一种技术的成熟必定要依赖于市场的驱动进而产生利润。ROF技术要在实际通信系统中应用，还有许多现实的问题需要研究。例如：网络融合中的接口问题，MAC协议的问题，天线的更高增益问题以及高速移动在微微蜂窝中频繁切换的问题和多普勒效应问题等等。在研究领域，美国乔治亚理工大学的张教授研究组对40G/60G射频ROF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DVD存储的高清晰电视数据源调制到40G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。但是，发射天线和接收天线的距离很近并且容易受水蒸气的干扰。 不久前，OFC 2008会议在美国加州圣地亚哥成功举行，网络融合成为一个热点话题，关于ROF技术的文章也有很多被收录其中，与以往不同，这次收录的ROF论文都趋向于对应用的研究。其中比较典型的文章有：将正交频分复用(OFDM)应用于ROF系统，来增加频谱利用率并减小码间干扰；研究在上行传输时光波长再利用技术，从而去掉基站的光源；基于WiMAX或WiFi与ROF技术结合的研究；基于光分叉复用器(OADMs)的ROF系统环形网络的研究；基于多模光纤和塑料光纤的ROF系统。4.2展望光纤无线电（ROF）被认为是很有前途和有研究价值的课题，尤其在路途车辆系统中，利用ROF技术我们可以将多业务无线电信号通过光纤传送。在日本可用的无线业务很多，比如PDC（800MHz/1500MHz）、PHS（1900MHz）、VICS（2.5GHz）、FM商用无线电（70-90MHz）、TV广播（90-770MHz）和ETC（5.8GHz）。为了降低空中接口数量，已经建议采用基于ROF的发送技术。另外，在下一代网络中，在一些热点区域，如商场，机场等，ROF都将具有诱人的应用前景。例如在国外，基于ROF技术的分布式天线系统(DAS)已经应用于许多热点区域。总之，ROF技术在未来光无线融合的潮流中必将扮演越来越重要的角色。ROF技术充分结合光纤和高频无线电波传输的特点，能实现大容量、低成本的射频信号有线传输和超过1Gbits的超宽带无线接入，并具有覆盖面广、易于动态管理和维护等特点，尽管目前市场不是很大，但随着微波光子技术的发展，ROF系统将会在未来的宽带无线通信领域占有很大的市场份额。ROF系统具有的优点，除了宽带无线接入，还可以应用于室内覆盖、基站客栈、车载无线通信系统以及军事用途中。在未来泛在超宽带蜂窝网络、室内无线局域网络、卫星通信、视频分布式系统、智能交通通信和控制等领域具有巨大的应用前景。令人注目的是60 GHz附近的毫米波作为无线信号载波的毫米波ROF通信。在这个波段，由于大气中氧的存在，信号衰减很快(1015 dB/km)，这一原本是缺点的性质正好自然实现了不同基站之间的无干扰以及很好的保密性，提高了频谱利用效率。而这一高频率的附近以“GHz”为单位的宽广频带以及不需要频率使用授权，足以实现超大容量超高速通信的需求。同时，在这个波段的射频设备可以实现很小的尺寸，由于MMIC技术的迅速发展，使得低成本的射频集成电路和天线单元日趋可能。总之，尽管ROF技术距离大规模的商用还有很长的路要走，也有很多关键技术要攻克，但是，科学