基于微波光子技術的光載無線rof系統(tǒng)設計

為了滿足高速數(shù)據(jù)、圖像和多媒體業(yè)務的需要，寬帶接入技術得到了廣泛應用。目前,基于銅線的寬帶接入技術(如不對稱數(shù)字用戶線(ADSL)、甚高速數(shù)字用戶線(VDSL)等)已經(jīng)接近其所能提供的最高速率。隨之光載無線(RoF)概念被提出來,用來在光纖無線接入網(wǎng)絡中提供固定和移動雙重寬帶業(yè)務接入。RoF技術不僅僅局限于現(xiàn)有微波波段,更高頻率的毫米波段(30~300GHz)以及超寬帶無線信號(UWB)的應用更能體現(xiàn)出RoF技術的巨大潛力和優(yōu)勢。RoF技術通過光纖鏈路在中心局(CO)和遠端基站(BS)之間實現(xiàn)無線射頻(RF)信號(包括毫米波段)的分發(fā)。RoF技術在簡化遠端基站的同時,也可以在中心局實現(xiàn)功能的集中、器件設備的共享以及頻譜帶寬資源的動態(tài)分配,從而大幅度降低整個寬帶無線接入系統(tǒng)的成本。在傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)中,大部分射頻信號處理功能是在基站中通過電信號處理器來完成,從而受到諸多成本和帶寬的限制。RoF系統(tǒng)中功能集中化的配置和光電域的轉換使得在中心局完成一些全光射頻信號的處理功能成為可能,如光生毫米波、復雜碼型的全光矢量調制(如正交幅度調制(QAM)、差分相移鍵控(DPSK)、UWB信號等)、全光頻率變換或混頻、微波光子濾波和頻譜交叉復用等。與傳統(tǒng)的電信號處理方法相比,全光射頻信號處理的優(yōu)勢在于高帶寬、低損耗、抗電磁干擾、可并行處理、高采樣頻率等。因此,研究超寬帶無線信號(包括毫米波信號)的全光處理及光纖傳輸技術對于未來低成本、高性能商用超寬帶光纖無線接入系統(tǒng)的設計與應用具有重要意義。上述關鍵技術的突破可以簡化遠端基站結構,降低系統(tǒng)傳輸成本并提高系統(tǒng)傳輸性能、頻譜效率、覆蓋區(qū)域和靈活性,實現(xiàn)超寬帶毫米波無線接入與光傳輸技術的融合[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。1基于種類的相干合成的dpask信號仿真在電路上直接設計和制作高性能的毫米波信號發(fā)生器已經(jīng)十分困難,在電路上實現(xiàn)對毫米波信號進行各種調制格式的高速數(shù)字調制則更加困難,因而研究光學毫米波高速數(shù)字矢量信號調制和解調器件有著十分重要的意義。本文提出一種全光矢量DPASK/QAM調制技術,并應用在RoF系統(tǒng),系統(tǒng)結構框圖如圖1所示,光載波先經(jīng)馬赫-曾德調制器(MZM)調制射頻時鐘,此處MZM工作在推挽狀態(tài)實現(xiàn)載波抑制雙邊帶調制。梳狀濾波器將載波抑制后的上下邊帶分別分開,使上下邊帶相向通過電光相位調制器(EOPM)。由于EOPM對方向敏感,于是不同方向的光信號所獲得的相位偏移不同,這就使得正向通過的上邊帶的相位變化正比于EOPM上所調制的相位信號,而反向通過的下邊帶的相位偏移則正比于EOPM上所調制的電信號的平均功率。經(jīng)兩個光環(huán)行器后,上下邊帶被耦合器成一路再進行幅度信號的調制。在接收端經(jīng)光電二極管差拍后可得到DPASK信號。若EOPM上所加電壓為一定比例的相位信號與幅度信號之和時,則可產(chǎn)生圓QAM信號。當在光纖中傳輸時,為了抗色散,相位信號需要預先進行差分編碼。在圖2中為了便于觀察,相位信號為一個2GHz的時鐘信號。根據(jù)曲線的光滑性,由圖2可見,上邊帶信號同時包含了相位與幅度信號,而下邊帶只含有幅度信號。2前車內(nèi)、局部機構設計調制碼型是光載無線系統(tǒng)的一項關鍵技術。用電光相位調制器直接產(chǎn)生調相的信號需要特殊的器件如馬赫澤得干涉儀來解調。本文提出一種產(chǎn)生毫米波調相的方法,如圖3所示,其中解調與調幅信號完全一樣。馬赫-曾德調制器偏置在傳遞函數(shù)最低點實現(xiàn)光載波抑制以產(chǎn)生兩個邊帶。用梳狀濾波器分離然后分別正向和反向通過電光相位調制器。由于電光相位調制器的正反兩個方向調制效率有差異,當電光相位調制器受到外加數(shù)據(jù)信號的調制時,正向通過和反向通過的兩個邊帶會有不同的相移,這個相移差會受到外加數(shù)據(jù)信號的調制。這兩個邊帶耦合到一起進行光電轉換后,產(chǎn)生的毫米波其相位就是兩個邊帶間的相位差,因而產(chǎn)生的了調相的毫米波信號。全雙工是未來接入系統(tǒng)的趨勢。結合以上產(chǎn)生毫米波調相的方法,本文提出簡單可靠的全雙工設計。此方案主要基于半反射的光纖光柵(反射率50%)。產(chǎn)生的毫米波調相信號兩個邊帶其中一個的波長與半反射光柵的中心波長一致,透射光譜除了一個邊帶減小了3dB以外基本沒有變化,而反射光譜用環(huán)形器分離后即可作為上行信號光載波。通過一個低插損的強度調制器加載上行數(shù)據(jù)。這樣便實現(xiàn)了無源基站的全雙工操作。3無線傳輸系統(tǒng)的組成毫米波光載無線系統(tǒng)由于其較高的載波頻率從而能夠提供吉比特速率的無線接入。這種技術兼有光纖高帶寬透明傳輸和無線通信移動性和靈活性的特點而倍受關注。由于用戶需求和業(yè)務的多樣性,未來的寬帶接入系統(tǒng)要求能同時提供多種接入方式,包括固定有線接入和寬帶無線接入。這就要求光載無線系統(tǒng)的設計也要力求能夠同時承載多種不同的業(yè)務?；谶@種趨勢,本文提出了一種能夠在一根光纖中同時傳輸3種不同業(yè)務,包括毫米波、微波和有線接入的光載無線系統(tǒng)?；驹砣鐖D4所示。在中心局,一方面,光源提供的光載波一分為二,一部分直接加載數(shù)據(jù)信號作為有線接入的光載波,另一部分采用副載波調制用來承載無線業(yè)務,然后分別調節(jié)兩路信號的偏振方向至正交狀態(tài),采用偏分復用的方式復用到一根光纖中傳輸。由于兩個正交的偏振態(tài)獨立傳輸互不影響,在用戶接收端,將兩個正交的偏振態(tài)分離,分別用來提供有線接入和無線接入。另一方面,用來承載無線業(yè)務的光載波經(jīng)過馬赫-曾德調制器上變頻,馬赫-曾德調制器偏置在傳輸函數(shù)最低點以實現(xiàn)光載波抑制,并將驅動的微波信號放大至合適值,利用調制器的非線性產(chǎn)生高階邊帶,其中五階和五階以上的邊帶可以忽略,而正負一階和三階邊帶用梳狀濾波器分開,一路光僅含正負一階邊帶,另一路僅含正負三階邊帶,這樣便產(chǎn)生了重復頻率為本振的二倍和六倍的光生微波及毫米波信號。它們分別可以用來承載不同速率的接入業(yè)務。然后耦合至同一光纖中傳輸,在基站處再用梳狀濾波器將其分開。其中六倍頻的光生毫米波可以用來提供高速的無線業(yè)務,但由于毫米波在空氣中的衰減其覆蓋范圍受限,二倍頻的光生微波可以用來提供較低速率的無線業(yè)務,但其覆蓋范圍較廣,可以用來覆蓋毫米波接入的盲區(qū),從而彌補其不足。在基站需要將3種業(yè)務分離,分別傳遞給不同用戶。首先用偏振分束器可以將傳輸有線業(yè)務的基帶信號分離出來,直接提供給固定用戶。然后用梳狀濾波器將承載兩種不同頻段的無線業(yè)務的光毫米波和微波分離,分別用于無線接入。在實驗中,5.8GHz的微波驅動信號經(jīng)過帶寬為10GHz的光電調制器和25/50GHz的光梳狀濾波器,全光產(chǎn)生11.2GHz的微波信號和34.8GHz的毫米波信號,并在34.8GHz毫米波上成功演示了1.25Gb/s高速數(shù)據(jù)的光纖和無線傳輸。其中,光毫米波信號在光纖中傳輸25km,功率代價小于1.5dB。毫米波信號在空氣中傳輸2m,功率代價小于2dB。4rof鏈路的信號傳輸由于RoF系統(tǒng)的傳輸帶寬很寬,可以傳送高達2.5Gb/s的無線數(shù)據(jù),因此完全可以實現(xiàn)無壓縮高清電視的光纖傳輸和無線接入。系統(tǒng)框圖如圖5所示,該系統(tǒng)采用家用高清DVD節(jié)目源,通過對VGA端口輸出的RGB信號采樣,獲得1.1Gb/s的并行信號。該信號按照一定的格式編碼,并通過同步的并串轉換和8B/10B轉換,產(chǎn)生便于光纖傳輸和恢復時鐘的1.3Gb/s串行信號。將該電信號放大后調制到第一級的MZM調制器上,得到的光信號再經(jīng)過一級MZM調制器,在該調制器上使用微波源輸出的16GHz的射頻載波,通過載波抑制歸零碼(CSRZ)的調制格式在光上實現(xiàn)二倍頻,實現(xiàn)了32GHz光載波的加載。經(jīng)過光纖傳輸之后,進入光電探測器中檢測,輸出的帶32GHz載波的毫米波射頻信號經(jīng)過一個30dB的Ka波段放大器放大后驅動角錐天線發(fā)射,角錐天線的增益為12dBi。在接收端有一個同樣的角錐天線,接收到射頻信號再經(jīng)過低噪聲放大、混頻和低通濾波后,恢復出原始的高清電視信號。由于經(jīng)過多次調制和無線傳輸,信號產(chǎn)生了一定的抖動和重疊,將該信號經(jīng)過一個頻率可自適應的轉發(fā)器,使信號得到定時再生和放大,經(jīng)過和上述流程相反的格式轉換和串并轉換,恢復成原來的RGB信號。實驗測試結果表明經(jīng)RoF鏈路傳輸?shù)男盘柗€(wěn)定、清晰,與不經(jīng)過光鏈路的高清電視相比幾乎沒有差別,誤碼率達10-12以下。高清電視業(yè)務傳輸系統(tǒng)的優(yōu)點和應用前景如下:誗采用通信中未使用的30GHz左右的毫米波頻段頻率能夠避開現(xiàn)有的十分緊張的低端無線頻率資源。由于該頻段衰減較大,適合短距離傳送信號,對遠距離同頻信號干擾小。誗傳輸帶寬大,在30GHz附近有6~7GHz的帶寬適用于傳輸信號,由于可用帶寬高,可以使用較為簡單的調制方法,且有傳送更高速率信號的潛力。誗隨著高清電視節(jié)目的普及,越來越多的視頻信號采用高清的標準進行采集。采用該方案可以很方便地將前方高清攝像機拍攝的視頻信號傳回后方處理,在家庭環(huán)境中可以