第二章rof技术介绍

第2章ROF（RADIO OVER FIBER）技术介绍在本章中，描述了RoF链路的基本技术——上变频和下变频技术，这将成为接下来的几章的背景。

2.1节中研究了RoF链路中的关键设备，和影响一个链路性能的参数。

2.2节中描述了在RoF下行链路中实现上变频到射频（Radio Frequency，RF）频率的光调制器的使用。

相似地，2.3节中描述了在RoF上行链路中的调制器的使用。

2.1 光设备RoF链路从中心站（Central Station，CS）向基站（Base Station，BS）传输无线电信号，而相反方向则使用光纤。

本论文涉及在CS端实现光生数G的无线信号。

无线信号的生成需要两个主要模块：光源的数据调制和上变频到需要的RF载波频率。

在简单的配置中，像半导体激光器一样的光源也能通过简单地调制当前的激光器电流来被用作数据调制，这种调制方式也被称作直接调制激光器（Directly Modulating Laser，DML）。

对于RF上变频，使用一个外调制器和本震来调制光信号。

充当外部调制器的典型代表是马赫增德尔调制器（Mach-Zehnder Modulator，MZM）或者电吸收调制器（Electroabsorption Modulator，EAM）。

光生无线信号经过单模光纤（Single Mode Fiber，SMF）1传输到BS的天线，在这里光信号在一个PD中转换成电信号，再辐射到空气中去。

在上行链路，BS天线接收到的无线信号通过一个外调制器被调制到一个光载波上，然后用SMF传输到CS来实现解调。

总之，建立RoF链路的关键部分是：光源、外调制器、光电二极管。

在接下来的几节中，将描述每个影响RoF链路性能的设备参数。

2.1.1 直接调制激光器直接调制一个激光器的能力对RoF链路的来说是一个很有吸引力的高性价比（cost-effective）解决方案。

DML由于在大都市光通信系统解决方案中的使用而被广泛研究[78][79]。

对于DML的限制因素是它的调制带宽、消光比、啁啾和线性度，但是对于基带数据调制，这些参数并不会在很大程度上影响一个典型的RoF链路的性能。

DML 的输出功率可以写成：()()1.222υηh I I I P th m b dout -+=这里d η是激光微分量子效率。

b I 、m I 和th I 是偏置电流，调制电流和阈值电流。

激光器的光场可以写成：()()2.2exp 2)(t j P t E out ω=图2.1 典型的两臂驱动MZM 方案在直接调制半导体激光器中，当由于调制电流的变化而使载流子密度（carrier density ）发生变化时，折射率在活动范围中的变化所导致的频率偏差也被称作频率啁啾[80]。

啁啾在光通信系统中的影响是由于单模光纤中的色散而导致的频谱展宽，这将限制总的传输距离[81]。

由啁啾引入的频率偏差δϑ和相移φ可以被表示为[82]：()3.214)(⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=∆out out out LP dt dP P t κπαϑ[]()4.2)ln(2)(out out LP P t καφ+-=这里L α是Henry 线宽增强因子，κ是绝热啁啾系数。

根据式2.2和式2.4，总的场强可以写成：()()5.2exp )(21L j outt j Pt E Lθωα-=-这里，outL L P 2καθ=。

2.1.2 马赫增德尔调制器在RoF 系统中最普遍的调制器是MZM ，它是基于MZ 干涉结构的。

在MZM 中，一个电压在两个干涉臂之间引起相移并且相移量将决定是产生相长还是相消干涉。

这个干涉导致了外加电压对光信号的强度调制。

图2.1显示了MZM 的机制。

电压引入的光的相移可以被表示为：()6.2),()(ππηηφV t V t MZ MZ ==这里)(t V 是外加电压，πV 是产生π相移所需的电压。

参数πV 是调制器的内部特性，它取决于不同的设计参数和使用的材料。

考虑具有有限消光比ε的不对称MZM ，MZM 输出的光场可以写成：()()()[]()()()7.2)(exp )()(cos 212)(exp )(exp 2)(exp )(21211t t j t V t V T P t j t j t j E t E MZ MZ ff in in out θωηγγφγφω+-++=+=这里与MZM 消光比相关的参数是()()11+-=εεγ[83]。

对于不同的消光比，MZM的传递函数根据式2.7绘制在图2.2中。

式2.7中的)(t MZ θ是外加电压的变化所对应的瞬时相移，它可以表示为：()8.2)cos()cos()sin()sin(tan 21211⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=-φγφφγφηMZ由于1≈γ，比如消光比>25dB ，式2.7可以被简写为：[]()()9.2)(exp )()(2cos 212)(21t t j t V t V T P t E MZ MZ ff in out θωηγγ+⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-=啁啾系数MZ α被定义为调相-调幅比[80]。

MZM 采用小信号调制和偏置电压，从式2.6和2.9，啁啾参数可以被表示为：()10.2sin )(cos )(2121221⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+++==πππγπγγθαV V V V VV V V V V dtdP dt d P b bout MZ outMZ这里V 是RF 信号)(t V 的峰值电压。

图2.2 不同消光比的MZM 转移函数从式2.10可以看出在理想的推挽调制（push-pull modulation ）中，有限消光比将生成剩余啁啾。

使用MZM 的优点在于通过造成两个驱动电压的失衡可以补偿啁啾[84]。

因此对于零啁啾调制，驱动电压之间的关系是：()11.2cos 1cos )()(21⎪⎪⎭⎫⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=-=πππγπγγϕϕV V V V V V V V b b b b驱动电压之间的关系取决于MZM 的偏置点，对于使用正交偏置点的强度调制，电压间的关系是221V V γ-=[84]。

对于100%消光比，即1=γ，MZM 的输出光场是： ()12.22)()(exp 2)()(cos 2)(2121⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-=t V t V V j t V t V V T P t E ff in out ππππ2.1.3 电吸收调制器电吸收调制器是另一种光外调制器，它通过改变材料对外加电场的吸收程度来实现强度调制。

正如在前面章节讨论的因为EAM 对偏振的不敏感、低驱动电压以及它们与其它光设备例如激光器、光电二极管集成的潜在可能性，所以它们在诸多应用中具有优势。

另一方面，EAM 具有巨大的插入损耗以及偏压漂移。

EAM 由于它在基带数字通信[85],[86]和RoF 系统[87],[88]中的运用而受到了广泛关注。

EAM 的巨大带宽和低驱动电压的结合使得它们在模拟信号应用中颇受青睐。

EAM 的吸收传递函数可以被模型化为[89]：()13.22)()(exp 2)()(cos 2)(2121⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-=t V t V V t j t V t V V T P t E ff in out πππωπ这里κ、V 和c 是EAM 的物理参数，3103⨯=κ、V V 35.00=和5.1=c 。

L 是EAM 段（section ）的长度，假定为m μ160。

图2.3显示了根据式2.13和测量数据得到的EAM 传递函数。

根据[80]，EAM 也有与MZM 相似的频率啁啾，可以写成：()14.22dtdP P dt d out out E ⋅=αφ所以，EAM 的输出光场可以写成：()15.2)ln 2(ex p )(2)(21in Ej EAM in out P t j V T L P t E Eαωα+=+这里E α是取决于偏置电压的EAM 的啁啾参数。

EAM L 是EAM 的插入损耗。

图2.3 理论和测量的EAM 吸收转移函数2.1.4 光纤在当前的电信网络中，光纤是主要的通信媒介。

在RoF 链路中，可以使用单模和多模光纤，这取决于具体应用，但是在本论文中仅考虑使用SMF 的传输。

光纤的主要优点是它的低损耗，但是例如：色散、偏振模色散和光纤的非线性问题也是限制光纤传输的因素。

色散是对于RoF 系统设计一个非常重要的参数。

在光纤中，由于其材料内在特性，信号的一些频谱成分传输得比其他的慢，频谱成分之间的时延导致了一个窄带信号的频谱展宽，或者一个多音信号(multi-tone signal)频谱成分间的相移。

光纤的频率响应可以被表示为：()16.2))((exp )()(z j z H H fib fib ωβω=这里fibfib L z H =)(是L z =时的光纤路径损耗。

β是估计的传播常数，定义为[90]：()17.2)(21)()(2210Λ+∆+∆+≈ωβωββωβL这里0β导致了一个常量相移，1β导致了取决于频率偏差0ωωω-=∆的常量延时。

传播常数的二阶导数（second derivative ）也被认为是造成色散的群速度参数，可以表示为：()18.2222cD πλβ-=这里D 是以km nm ps ⋅/为单位的色散参数。

由频谱成分0λλλ-=∆之间的时延T ∆是：()19.2λ∆=∆DL T2.1.5 噪声源在IM/DD （强度调制/直接检测）RoF 链路中，由系统中各个部件产生的总噪声限制了系统的性能并且决定了总的信噪比（Signal to noise ratio ，SNR ）。

在无光放大器的RoF 链路中，主要的噪声源是在天线前使用的激光器、光电二极管、电放大器。

在激光器中，相对强度噪声（relative intensity noise ，RIN ）主要是由在内部空腔的波动导致的。

RIN 的单位是Hz dB /。

RIN 与光功率成正比，在高光功率的系统中，总的SNR 受限于RIN 。

激光器RIN 的噪声方差定义为：这里是光电二极管的响应，inP 是输入光电二极管的平均光功率，f ∆是信号带宽。

当光功率太低时，系统受限于光电二极管的散粒噪声，其方差定义为：这里q 是电子电量，darki 是光电二极管的暗电流。

另一个重要的噪声源是电放大器的热噪声。

热噪声的方差表示为：()22.242F R fkT Lthermal ∆=σ这里k 是Boltzmann 常数，T 是热力学温标，L R 是负载电阻。

在接下来的几个章节中将分析所有这些噪声对一个典型RoF 链路的影响。

2.2 RF 上变频技术RF 上变频是将光基带信号或中频（IF ）信号转换到射频频带的过程。