毫米波光纤无线通信技术

第9卷第1期2009年2月
湖南工业职业技术学院学报
J OURNAL O F HUNAN INDUSTRY POLYTEC H NIC
V o l 9N o 1Feb 2009
毫米波光纤无线通信技术
李 佳,刘霜霜
(湖南工业职业技术学院信息工程系,湖南长沙 410208)
[摘 要] 随着网络电视(I PTV )、视频点播(VOD )等数字多媒体技术的迅猛发展,传统的无线通信系统已不能满足日益增长
的宽带业务需求。

毫米波光纤无线通信技术既充分利用了现有光纤的高带宽、低损耗等特点,又发挥了无线通信的高度灵活性优点,因此,有机结合了光纤和无线通信优点的毫米波光纤无线通信技术是最理想的选择。

[关键词] 光通信;光纤无线通信系统;毫米波;色散;相位调制器(P M );载波抑制调制(OCS )[中图分类号] TN 929 11
[文章标识码] A
[文章编号] 1671-5004(2009)01-0023-02
OpticalM illi m eter W ave G enerati on i n R adio over F i ber Syste m
LI Jia ,LIN Shuang-shuang
(H unan Indu stry Po l ytechn ic ,Changs h a 410208,H unan)
[Abstract] W it h t he rap i d devel opm en t of d i g it alm u lti m ed i a technologies s u ch as I PTV 、VOD ,traditi onalw ireless co mm un i cati on syst e m no
l ongerm eet the i ncreas i ng de m ands ofw i de bandw i dth serv i ces .The rad i o-over-fi b er (ROF)technol ogy can n ot on l y take f u ll advan t age of the charact eristics of op tical fi b er
s high band w i d t h and lo w l oss ,but all the h i gh flex i b ilit y ofw i rel ess co mm un ication .Therefore ,The rad i o-over-fi ber (ROF )techn ol ogy ,comb i n i ng m erit s of t he fiber co mm un i cati on and t he w ireless co mmun i cati on technologies ,is t h e b est sel ecti on .
[K ey words] opti cal comm un i cati on ;rad i o –over-fi ber (ROF );m illi m iter w ave ;d i spers i on;phase m odu l ator (P M );opti cal carri er
suppressi on (OCS)
[收稿日期] 2009-01-22
[作者简介] 李 佳(1982-),女,湖南祁阳人,湖南工业职业技术学院信息工程系助教,研究方向:计算机技术。

毫米波光纤无线通信(R ad i o over F i ber ,简称R oF )的概念融合了两种常规技术 无线通信和光纤传输。

目前,毫米波光载波信号的光学产生和传输就是ROF 系统的研究热点。

人们已提出了一系列方法,大概可分为三类:直接调制激光器产生光毫米波信号、光外差技术和使用外部调制器法。

一、直接调制激光器产生光毫米波信号
这是最简单的毫米波光载波产生方法,它是采用毫米波
副载波信号直接强度调制激光器光源。

直接调制具有简单、损耗小、经济、容易实现等优点,但这种技术往往受到激光器调制带宽限制造成,因此不适合高频率毫米波光载波信号的产生。

同样,由于其工作方式所造成的固有缺陷 啁啾现象,会引起调制啁啾,而造成传输信号严重的色散,因此只适用于2.5Gb /s 速率以下的信号调制。

二、光外差法产生光毫米波信号
该技术传输的是窄线宽光波信号,因此色散效应的影响
很小。

因此,光外差方法既可以克服光纤中的色散问题,又可以简化基站的结构和成本,成为近年来ROF 发射机研究工作的热点。

由于信号直接调制在一个窄线宽的光波上,这就避免了数十GH z 高频调制所带来的困难,又解决了光纤色散对高频调制光信号影响的问题,其基本原理简图如下图1所示:
从上图可看到,该技术需要两个使用两个半导体激光器
,图1 光外差方案简图
它们之间的随机相位噪声,导致外差接收产生的拍频毫米波信号也将存在相位噪声,这将对系统性能造成严重的影响。

为此,近些年人们提出了光注入锁定法(Optical In jecti on L ock i ng ,O I L )、光学锁相环法(Optical Phase Locked L oop s ,OPLL )和光注入锁相环法(O pti ca l In j ec tion Phase Lock L oop ,O IPLL )等方法以减少随机激光器的相位噪声的影响。

光注入锁定法的原理如图2所示[5]。

这一方法可以获得相对低的相位噪声,
预期成本也很低。

图2 光注入法原理图
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光学锁相环法采用电子学方法检出主、从激光拍频的相位差,更好地解决了半导体激光器的相位噪声问题。

其原理图如图3所示[6]。

主、从激光器分别在不同的光学频率运转;它们的拍频毫米波信号被光探测器检测;该拍频信号经放大后,与一个参考信号发生器的电信号发生无线电拍频,检出相位噪声信号。

该信号经环路滤波器放大处理,反馈调整从激光器的工作电流,实现从激光器对主激光器输出光波的相
位锁定。

图3 光学锁相环原理图
光注入锁相环法结合了上述两种方法的优点,克服了它们存在的不足。

光注入锁相环法巧妙地将上述两种方法的优点结合在一起,实现了在较大范围内对较宽线宽激光的锁定,图4
显示了这一方法的原理图。

图4 光注入锁相环法的原理图
三、外部调制器法产生光毫米波信号
光学外部调制具有稳定高、易于配置的优点,已越来越多
的被用来产生毫米波光载波信号。

全光生成光毫米波是RO F 系统中的关键技术,使用外部强度调制器是最简单、最精确的一种方法。

在传统的强度调制中,一般是采用双边带调制(包含光中心载波和两个边带)。

然而,双边带调制产生的毫米波光载波信号光纤传输时受色散影响严重,传输距离很短。

为克服色散引起的毫米波信号衰减,人们提出了单边带调制。

单边带调制优于双边带调制,尤其是在光毫米波的传输距离方面,因为它减小了光纤中色散的影响。

G raha m H.S m ith 利用双驱动M Z M 调制器调制产生了单边带毫米波光载波信号,其实验原理图如下图5。

用单边带调制有效克服了光纤色散的影响,传输距离增加到80k m 。

然而,从上图可以看出,这种方式需要对称的射频信号,同时又需要复杂的控制电路,因此系统实现成本较高。

同样,由于单边带信号在中心载波处的直流分量成分很大,单边带信号的接收机灵敏度比双边带信号低。

为了提高
接收机
图5 用SSB 调制传输80km 的实验框图
灵敏度,可用一个布拉格光纤光栅(FBG )将直流分量抑制掉。

提出采用两个EAM 调制器来实现,可以简化系统配置。

其实验装置图如下图6
所示。

图6 用两个EAM 实现SSB 调制实验装置图
另外一种实现方法通过外加滤波器滤除双边带信号的其中一个边带。

布拉格光纤光栅是理想的滤波器件;也可以采用FP 滤波器;为提高波长的可调性,也有人设计出了波长自适应单边带滤波器以滤出边带。

采用滤波的方法能够简化系统的结构,另一个主要优点是便于与D W DM 系统的融合。

基于滤波方法的单边带调制也可以应用于波长再利用系统,采用滤波的方式产生单边带信号,在基站将一部分载波分离出来以作为上行链路的调制载波再利用,构成了全双工的RO F 系统。

利用载波抑制调制方式产生毫米波光载波信号最早是由O R e illy 提出,其基本思想是一方面通过调节M Z M 调制器的偏置电压使产生的光信号的偶数边带被抑制,其中包括中心载波;另一方面,通过调节驱动信号幅度,以保证产生的光信号的高阶边带被抑制。

由于只保留了上下一阶边带,因此在接收端上下边带拍频后将产生出双倍驱动信号频率的毫米波信号。

与传统的双边带、单边带产生毫米波信号相比,采用抑制载波调制方式产生的毫米波光载波信号最大的优点是产生的光载波频率提高了一倍甚至更多倍数。

而且,用光载波抑制调制方案,有最高的接收机灵敏度,最高的频谱效率,并且在经过长远距离传输后,有最低的功率损耗。

同时,用光载波抑制调制方案,其结构简单而且对R F 信号、电放大器、光调制器等ROF 系统中的电、光成分的带宽要求都很低。

采用载波抑制调制方案,很容易实现密集波分复用(DW D M )中,多条信道的同时调制和上变频,并且不会发生信道间功率的相互渗透,也不会产生其它任何的非线性效应。

通过载波抑制方案实验证实了单信道和DW DM 中多信道的可行性。

其单信道ROF 系统和16信道的DW D M 的ROF 系统的实验原理图分别如下图7、图8所示。

(下转第87页)
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的宗教改革运动正如火如荼地进行着。

!圣经∀的翻译也是这次运动的主要内容。

丢勒是一个宗教改革的忠实支持者,将上帝的启示翻译成形象语言也是丢勒所致力的事业。

他甚至在1500年所画的一幅自画像中将自己的形象画成了基督的形象,有着一股高傲和自信的神态。

罗姆的形象出现在他的笔下也是很自然的。

于是,丢勒把这位荷兰老人描绘成为了一位灰白须发、支颐沉思的学者,老人形象被神圣化了。

但是,从对画面的解读中我们不难看出,画面中的老人的神态略带慵倦,丢勒似乎想表达一个什么思想,是对尘世和天国产生了一种漠然的情绪?是对现实生活的厌倦?在画中老人的身上,我们可以隐约地看到画家自己的影子。

这样,!老人头像∀便有了自画像的内容。

我们再仔细观察!老人头像∀,发现画中还明显流露出一种深刻的忧郁。

这种忧郁来自多方面。

首先,作此画时,画家已经到了不惑之年,心中不免对人事充满了疑惑和焦虑,对生命、对世事的无常产生了无限的感慨和无奈,甚至变得更加善感。

这位年届50、一生为死亡的恐惧所困扰和折磨的画家在画作的上方无不羡慕地写下了这样一句话,#在安特卫普的这个人已经93岁了,却仍然健康强壮∃,想到自己或许不能如他一样长寿,笔下自然流露出一丝忧郁。

其次,或许是画家对当时的德国现状产生了不安和忧虑。

再次,或许是画家对自己这位已经在欧洲画坛享有盛名的画家却不得不到外国去寻找生命和创作的动力而感到无奈。

作了此画七年后,丢勒就离开了人世。

把生命定格在57岁的坎上,始终没能活到画中老人的岁数,使我们更能理解到画中的忧郁。

总之,不管是出于哪种原因,这种忧郁在当时明朗欢快的意大利艺术中还不多见,却是北部文艺复兴艺术的一个显著特征。

它在丢勒的继承者荷兰画家布鲁格尔的手中发展到了极致后,终于在随后的巴洛克时期成为欧洲艺术的时代精神。

正是丢勒艺术中的忧郁使其成为一个先锋派,而隐藏在作品深处的对人自身的迷惑和怀疑则使其艺术具有了某种现代性,使我们有了与之对话的可能。

[参 考 文 献]
[1] 中央美术学院美术史系外国美术史教研室 外国美术简史
[M ] 北京:高等教育出版社,1998
[2] 李蒲星 西方美术文化发展史[M ] 长沙:湖南师范大学出版
社,2001
[3] 中川作一 视觉艺术的社会心理[M ] 上海:上海美术出版
社,1996 [4] 沃尔夫林 阿尔布雷特 丢勒的生活和艺术[M ] 普林斯顿出
版社,1955
(上接第24页)
从上面的实验图可以看出,该载波抑制方案使用了两个外部调制器:第一个外部调制器为强度调制器(I M ),用来将数据信号载到光载波上;第二个外部调制器为双臂的铌酸锂调制器(D -LN -M Z M ),利用调制器固有的非线性效应,通过R F 信号驱动来实现载波抑制调制,
从而生成光毫米波。

图7 用载波抑制调
制方案生成光毫米波的实验装置图
图8 使用OCS 的16%2.5G b /s 信号上变频的实验装置图为了进一步降低系统成本,简化系统结构,L.Chen 提出一种仅使用一个外部调制器,基于载波抑制的方案。

图9为该方案的原理图。

该方案中数据信号直接调制激光器,控制激光器的输出,使得输出的连续光波中就带有数据信息,然后仅用一个强度调制器就生成
了光毫米波。

图9 仅使用一个调制器和直接调制激光器的原理框图
上述方法,虽然在单信道中对系统有一定的简化,但是要应用到D W DM 系统中不便操作,无法简单地同时进行全光上变频。

[参 考 文 献]
[1] W.S t eph ens and T.Joseph,#Syste m c h aracteristics of d irectm odu
lat ed and externall y m odu l ated RF fi ber -opti c li nks ,∃Light w ave Techno l ogy ,Jou r n al o,f vo.l 5,pp.380-387,1987
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87。