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