光载无线通信(ROF)系统的线性度和动态范围的优化和提升

光载无线通信（ROF）系统的线性度和动态范围的优化和提升
（一）简介
光载无线(Radio over Fiber, RoF)是一种将光与微波相融合的
新兴技术，它融合了光纤通信功耗低、带宽高、抗干扰性能好，以及无线通信覆盖范围广、接入灵活等诸多优势，成为近些年
学术界和商业界都一致看好的热门通信技术之一，具有非常大
的研究和应用前景。

光通信是以光波为载波的一种通信技术，它的两个最主要
的核心是光源和光传输介质。

无线通信是一种以电磁波为信息
载体，通过自由空间传播信息的通信方式，它也是近些年通信
领域发展最为迅速的一个分支。

无论是光纤通信的“无穷”带宽，还是无线通信的移动便携性，都为当代人们的生活和工作
提供了无限的便捷，“宽带化”和“移动化”也将是未来通信
发展的两大潮流。

光载无线系统及时将微波信号融入到光纤中
传播。

一个典型的毫米波RoF通信系统主要由中心站、基站和用户
终端3个部分组成，如图1所示。

中心站与基站之问通过光纤
连接，传输光信号;基站和用户终端之问则为毫米波无线通信。

中心站的主要功能是实现下行链路中的毫米波光产生、基带信号的上变频和上行链路信号的接收处理;基站的主要功能是实现光电信号转换，发送下行信号，并将用户上行电信号转变成光信号回传中心站。

（二）ROF系统线性度和动态范围
在常见的光载无线系统中，马赫一曾德尔调制器(MZM)被广泛地用于将微波、毫米波信号调制到光载波上，承载了无线信号的光波在光纤中进行分配传输，接收端采用直接强度探测的方式探测光强从而获得微波、毫米波电信号。

然而由于调制器固有的非线性特性，在电光调制的过程中对微波、毫米波信号产生了非线性失真，这将影响到整个光载无线(ROF)系统的无杂散动态范围(GFDR)。

随着无线信号调制格式的复杂化和信号带宽的增加，对系统线性度的要求越来越高。

对于ROF应用而言，其无杂散动态范围至少需要95dB.HZ2/3甚至更高。

随着频率的升高，需要采用合适的高线性化ROF系统。

对于信号而言，非线性所带来的直接影响，在频谱上表现
为由原来的频率分量产生出新的频率分量，这些新生的频率分
量分别是原来各个频率及其倍频项之问的差与和的组合，包括
谐波频率失真(倍频项)以及交叉调制失真(差项与和项)。

而在这
诸多失真频率中，以2阶交调失真(IMD2)和3阶交调失真(IMD3)对非线的贡献最大。

在微波、毫米波系统中，通常信号的带宽
远小于载波频率，此时IMD2通常在倍频程以外，可直接使用
带通滤波器滤除，从而IMD3的大小成为影响信号质量的决定
性因素。

非线性的补偿策略则以抑制系统的IMD3为主。

交调失真的模型建立，对于一个非线性系统，输入与输出
的关系如下：
(1)
其中V out表示输出电压，V in表示输入电压，c i(i为正整数)。

当输入电压为双音信号时：
(2)
将（2）带入（1）式中，化简得：
(3)
从式（3）中可以看出，输出的电压中包含频率为的项
（m,n为整数）。

当m=1,n=0或m=0,n=1时这些称为基频项；当
n=0,m=2,3,4….或者m=0,n=2,3,4…这些项为倍频项也叫着谐波项；由于倍频项离基频距离较远，可以用滤波器滤掉；当m,n都不
为零时，这些项为交调失真项。

失真频率为其中.其中三阶交调
失真项为和，这两个频率离基频和比较近，用滤波器很难滤掉。

给通信造成了一定的影响，当输入信号频率比较多时，这种失
真更为突出，造成输出信号的失真。

抑制ROF光电转换非线性的研究进展：国内外的抑制ROF
系统传输的非线性来提高系统动态范围的方法大致分为4类：
预失真法、前馈法、相位调节法和在数字处理的方法。

（1）预失真法：
预失真的原理如下所示：
(4)
(5)
把（4）代入到（5）当中可得：
(6)
令且,则可得到,,即可消除输出信号的非线性失真分量。

如果考
虑频率的变化，，均为复数，有幅度和相位。

预失真电路模块一般做到三阶，其原理图如下所示：
（2）前馈法：
前馈法的基本框图如下所示：前馈法主要分为两个环路，及信
号消除环路和失真消除环路。

信号消除环路用于基频双音信号，提取出三阶交调失真；失真消除环路消除三阶交调失真。

射频信号源产生两个不同频率的信号(基频双音信号),由功分器
功分后,进入信号消除环路。

信号消除环路的上支路是一个强度
调制-直接检测的RoF光链路,电光调制器1把一部分双音信号调制到激光器1输出的激光上,调制器输出接光纤耦合器1, 一部分
光信号经过光电探测器1转变为电信号,进入电合路器;信号消除环路的下支路包括矢量调制器1,矢量调制器的作用是对射频信
号进行连续的幅度调节和相位调节。

双音信号进过矢量调制器
1调幅、移相后进入电合路器。

利用“同频率信号幅度相等且
相位相反,混合后可以抵消”的原理,只要调节矢量调制器1使进
入电合路器的标号1和2的两路的双音信号幅度相等且相位相反,就可以消除双音信号,提取出三阶失真。

（3）采用光载波相位偏移技术的系统
载波相位偏移技术装置如图4所示。

采用单信号驱动的双平行马赫-曾德尔调制器（SD-DPM ZM)可实现载波相位偏移技术。

通过三维偏置点调节，可在0到360度范围内旋转光载波频率的相位。

优化其相位偏移参数，使得IMD3最小，从而提高Rof系统的动态范围。

清华大学的张国强在2012年运用载波相位偏移系统，采用光边带处理技术的系统结构。

光边带处理器放置在普通MZM调制器后端实现后补偿。

该技术具有多通道、可编程控制能力，同时对原始光路不造成破坏。

调制器半波电压为5V，在8dBm的输入微波功率下，载波干扰比从原来的39dB提高至75dB，从而获得36dB的非线性抑制;在-161dBm/Hz:的理论噪底下，系统的无杂散动态范围从原来的99.8dB/Hz2/3提高至124.8dB/Hz2/3，获得了超过25dB的动态范围增益。

（4）数字信号处理方法：
为了补偿射频链路的非线性，无线通信中提出了基于模拟电路和数字信号处理的线性化技术，其中数字线性化因其高精
度、高适应性、无需增加硬件等优势被广泛应用。

数字线性化技术又分为预失真补偿和后失真补偿技术。

结合光载无线系统中心集中处理、远端结构简单的架构，下行和上行链路应该分别采用预失真和后失真补偿技术。

为了补偿非线性失真，预失真构造出与ROF非线传递曲线呈反函数关系的传递函数。

预失真构造的函数对于非线性补偿的效果与信号的非线性阶数（奇数）、记忆长度以及采样的速率有关。

采用补偿预失真后的两输入信号在保证同等的动态范围的情况下最大输入的射频功率可提高3dB以上。

经过第一个MZM（正交偏置）
+…….
经过第二个MZM（同上）。

[1+(t)]. ()
上式中存在基频信号和交调失真成分。

其中交调失真部分可用平方和窄带滤波方式获取。

失真补偿函数可表示为(t)=(1+(t))=1+
其具体的链路模型的结构如下：
当注入的射频双音信号功率为-29dBm, L0功率为16 dBm时，测得的中频信号分别位于40 MHz和41 MHz，交调成分位于
39MHz和42MHz。

未经失真补偿的普通光子下变频系统三阶交
调失真显著，为-45.1dBm。

采用本文提出的数字线性化技术，
失真得到显著的抑制，为-67.1dBm，失真抑制为22dB。

基带和
交调功率均由频谱分析仪直接测量得到。

2014年北京邮电大学
的陈皓、许坤等人采用数字处理线性化技术，仅需要确定系统
三阶阶段点及可完成非线性补偿函数的确定与失真的补偿。

无
杂散动态范围提高到了128.3 dB/Hz2/3。

小结：
随着无线信号载波频率向微波频率甚至毫米波频率扩展，
信号带宽向数吉赫兹甚至更高频率发展，无线信号所能覆盖的
范围进一步缩小，对系统的宽带性能也提出了更高的挑战。

光载无线技术因其高达太赫兹量级的带宽能力，以及极低的光传输损耗。

接收端采用直接强度探测的方式探测光强从而获得微波、毫米波电信号。

然而由于调制器固有的非线性特性，在电光调制的过程中对微波、毫米波信号产生了非线性失真，这将影响到整个光载无线（ROF)系统的无杂散动态范围(SFDR)。

随着无线信号调制格式的复杂化和信号带宽的增加，对系统线性度的要求越来越高。

对于ROF应用而言，其无杂散动态范围至少需要大约95 dB/Hz2/3甚至更高。

随着频率的升高，需要采用合适的高线性化ROF系统。