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基于多倍频调制的光毫米波产生与传输性能分析.pdf

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硕_}I学{『寺论文Finally,a scheme of 40GHz eightfbId mm-waVe generation are proposed andrealized we use two LNMZMs with paralIel connection,both of which were usedto generate signals which odd order sidebands and carrier are suppressed.Then thetwo signals are coupled to transmit along nber,because the second order sidebands ofthe two generated signaIs haVe the opposite phase,onIy the fbuth order sidebands areleft to generate eightf|old mmwave signal.Key WordsradiooVer-6berROF;millimiter wave generation;dispersion;LiNb03 MachZahnder Modulator;IV桀J多倍频{J爿制的光,皂米波产乍及传输十牛能研究插图索引图2.1简单的ROF系统结构6图2.2直接强度调制的原理7图23外部强度调制产生光载毫米波原理图.8图2.4双边带调制模拟图..9图2.5单边带调制模拟图.10图2.6载波抑制模拟图.10图2.7远程光外差法原理图.1l图2.8波长重利用方案..1 4图3.1理论分析示意图..17图3.2采用外调制器和FBG产生四倍频毫米波信号原理图19图3.3毫米波信号的眼图20图3.4基带信号的眼图..20图3.5采用外调制器和FBG产生四倍频毫米波信号实验装置一2l图3.6不同测试点得到的光谱图..2l图3.7电毫米波信号眼图..22图3.8基带信号眼图22图3.9下行链路数据信号的误码特性23图3.10只用一个调制器产生四倍频毫米波的原理图23图3.1 l数字信号加载在直接调制激光器上的原理图25图3.12模拟频谱图一26图3.13毫米波信号的眼图26图3.14基带信号的眼图26图3.15数字信号加载在强度调制器上的原理图.27图3.1 6模拟频谱图27图3.17电毫米波信号眼图..28图3.18基带信号眼图.28图4.1只用一个调制器产生六倍频毫米波的原理图.3l图4.2数字信号加载在直接调制激光器上的原理图33图4.3模拟频谱图33图4.4毫米波眼图34图4.5基带信号的眼图34图4.6数字信号加载在强度调制器上的原理图.34硕卜学位论文图4.7模拟频谱蹦35图4.8毫米波信号眼图.36图4.9基带信号眼图..36图5.1产生八倍频毫米波的原理图39图5.2模拟频谱图..4l图5.3毫米波信号眼图.42图5.4基带信号眼图42VlIl湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名云织备泛 日期衣哆年4月“日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于l、保密口,在 年解密后适用本授权书。,2、不保涮请在以上相应方框内打“√“作者签名方7确枣日期哆年历月歹多日刷噬轹MP砷年r膨日 / ‘硕l学位论文1.1.引言第1章 绪 论20世纪70年代,光纤通信作为一种新通信技术问世,它采用光纤作为传输介质,以光波作为信息载体。这种通信方式由于具有巨大的容量、超长传输距离和极低的传输损耗,在问世后不久就成为有线信道最主要的传输方式。无线通信是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。近年来,无线通信用户急速扩人,服务也日益多样化,接入网支持的服务从音频传送扩展到了数据传输、视频播放等占用更高带宽的业务上,因此增加无线接入网的带宽就成为无线通信急需解决的问题。虽然光纤通信技术提供了海量的带宽和超高的速率,而移动性却不够。无线通信可以提供灵活的接入,却受到带宽的必然约束。光纤通信和无线通信是互补的两个物理网,因此,从未来超大容量超高速通信的需求和发展上来看,结合光纤和无线各自长处的ROF技术,将成为一种有效的解决方案。ROF技术的产生与发展都来源于用户对无线接入网的带宽的需求。ROF系统申采用光纤做为中心站CSCentral Station和基站BSBase Station之间的传输介质,直接利用光载波传输毫米波信号,它主要采用一种分布式结构,即一个中心站服务多个基站,数据处理和复杂器件都集中在中心站,让多个远端基站共享这些设备,而基站只是实现光电转换和电光转换的功能,所以基站的结构可以尽可能的简单,减少基站的功耗和成本,以减少整个系统的建立和维护成本。光纤传输的毫米波信号提高了无线带宽,但天线发射后的毫米波在大气中的传输距离短,所以要求蜂窝结构向小小区转变,而基站结构的简化有利于增加基站数目来减少蜂窝覆盖面积,从而使组网更为灵活,大气中无线信号的多经衰落也会降低;另外,利用光纤作为传输链路,具有低损耗、高带宽和防止电磁干扰的特点。因此ROF技术可以很好的提高无线接入网的带宽,可以很好的解决4G移动通信系统面临的系统容量和传输速率方血的问题。2000年的奥运会在澳大利亚悉尼举行,利用ROF技术建立了TekmarBriteCellTM网络。它解决了奥运会期间,大量移动电话同时呼叫的连接问题,实现了宽带传输,避免了拥塞的发生,且在奥运会开幕式时,成功连接了500000部无线电话的呼叫。在日本,ROF已经应用在了现有的蜂窝系统个人数字通信PDC,Personal D嘶tal Communication系统和宽带码分多址接入WCDMA,Wideband Code Division Multiple Access系统中。NTT DoCoMo作为展J名倍频训制的光毫米波产牛及传输十牛能研究日本蜂窝系统运营商之一,将ROF技术运用予微蜂窝和微微蜂窝的信号传输微波链路中。它将很小的基站接入单元设置在室内天花极上,然后通过光纤与‘个主基站连接在一起。ROF技术存日本不仪用于轨道交通,还被应存高速公路的智能交通系统中。另外,在下一代网络中,在一些热点区域,如商场,机场等,ROF都将具有诱人的应用前景。例如在国外,基于ROF技术的分布式天线系统DAS已经应用于许多热点区域。总之,ROF技术在未来光无线融合的潮流巾必将扮演越米越重要的角色。众所周知,频率资源是有限的、不可再生的资源,也是非常宝贵的自然资源。提高频率利用率对社会生产、人民生活及国防建设等各个领域都具有非常重要的意义。提高频率利用率的目的是为了增加系统容量,由信息理论的Shannon公式可知,通过提高系统的带宽,可以实现提高信道容量的目的而高频率的载波提供大的调制带宽,继而可以提高信道容量,所以,用高频率的载波传输信息。可以提高系统容量。因此,在ROF系统中,高频率毫米波的产生技术就成为了非常关键的技术。ROF系统中,如何用最简单的方法产生高质量的毫米波,对于降低系统成本有重大意义。因此,用低频本地振荡LOLocal Oscillator信号、窄带宽调制器产生高频、高质量的毫米波是研究的重点。一个好的ROF系统要达到的目标是在保证性能的同时还要降低建立和维护的费用,因此对毫米波的产生方法和传输特性的研究是非常有意义的。1.2.国内外研究进展在ROF系统中,由于光载波上承载的是模拟信号,因此系统对光器件的性能要求更高,并且链路本身的色散以及非线性效应对系统的影响也很大。目前对于ROF技术的研究主要集中在物理层上,如光毫米波信号的产生和传输,光纤链路的色散控制,各种调制器、滤波器的特性分析与改进,以及基站中光载波的重用等。目的在于产生高性能的光毫米波,延长传输距离,降低系统成本。毫米波的产生有多种方案,大致可分为三种类型一是直接调制激光器产生毫米波【zjJ;二是用光外差的方法;三是外部调制器法产生毫米波信号。通过信息流直接控制激光器的驱动电流,从而获得输出功率变化的调制方法为直接调制法。在直接调制中,激光器既是光源又是调制器。由于直接调制速率受自发载流子寿命、受激载流子寿命和光子寿命的限制,因此为了避免非线性现象的产生,在高速传输系统中需要采用外调制技术【4】。而光外差的方法是传输两个频率差等于所需要的毫米波频率的光载波,其中之一携带了需要传输的基带数据,如果两个光载波的频率偏置很稳定,并且相位关联,就可以产生高质量的电毫米波信号。但是,两个光载波在光纤中传输时会2硕十。≯付论文受到色散的影响,使毫米波信号质最恶化。该方案需要采用.两个稳定的激光源,但是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存在相位噪声,将对系统性能造成严重的影响【引。为此,这些年人们提出了光锁相环法OPLL16 71,光注入锁定法olLlsl,光注入锁相环法OIPLL【9J,以上方法可以抑制低频相位噪声,但是很难抑制高频相位噪卢,除非采用非常窄线宽的光源【l 01。外部光学调制器法被认为是最有应用前景的毫米波产生技术。其基本原理是基于外部调制器的非线性响应,产生边带频率。在接收端由边带拍频得到毫米波信号。使用外部调制器产生毫米波的研究主要有系统结构的简化,低成本、高质量毫米波的产生以及基带数据的加载等。基于外部调制器产生光毫米波的方案,可以根据不同方案产生不同调制格式的毫米波,比如双边带调制DSB~1 41,单边带调制SSB【15221,载波抑制调制0CS【23271。双边带调制方式可以采用不同的调制器来实现,如双臂M.Z调制器11 41,电吸收调制器【1 41,相位调制器【11’13】等。双边带调制产生的毫米波接收灵敏度高,频谱效率高,并且容易实现,但易受衰落效应和码元时移的影响【2引。单边带调制SSB可以通过将双臂LN.MZM调制器的直流偏置设置成1/2半波电压实现【1516J;也可以通过滤波器或者光栅滤掉双边带调制中的一个边带;实现单边带调制,布拉格光纤光栅是理想的滤波器件【178】;也可以采用FP滤波器滤掉一个边带fl 9】;为提高波长的可调性,也有方案设计出了波长自适应单边带滤波器以滤出边带【20】;还有利用基于受激布里渊SBS非线性效应实现单边带调制12¨,但是工作频率只能在11GHz。单边带产生毫米波的方式需要与毫米波频率相等的调制频率,并且接收灵敏度不高。载波抑制调制可以通过产生双边带调制然后用滤波器滤掉载波来实现卅2,H】。也有实验报导在适当的直流偏置电压下,使用单电极的MZ调制器也可以实现载波抑制调制【2引,还可以直接设置调制器,直接抑制掉载波,用两个一阶边带拍频获得毫米波【23271。载波抑制调制产生的毫米波不但接收灵敏度高,而且调制频率只有所需毫米波频率的一半。数据加载到毫米波上也有不同的方案,有的文献先利用外部调制器产生不同调制格式的光载波,然后把数据调制到光载波上f屹,14,271。还有文献先将数据调制到光载波上,然后再利用外部调制器产生不同调制格式的光载毫米波【23,24,28,291,这种方式产生的光载毫米波由于受到色散的影响,导致携带数据信息的边带到达接收端的延时不同,从而产生码问干扰,系统的功率代价增大,且缩短了毫米波的最大传输距离。于是有方案提出在中心站将基带信号与射频信号混频,然后再用混频信号驱动单臂或者双臂M.Z调制器【20,21,261,这种方式配置简单,但是它的性能和第~种数据加载方式相似,毫米波的最大传输距离受限,功率代价高,但在短距离传输系统中,该方案具有广阔的应用前景。多倍频毫米波的产生不仅要注重质量同时也要兼顾基站的简化,有文献报道3荜f多倍频渊制的丸毫米波产牛及传输忭能研究基站的简化主要通过采用波长重利用来实现f12114·27,30’31,3 21,实现波长重利用一般有两种方案, ‘种为纯净光载波与光载毫米波‘起从中心站1誓输到基站,在基站采用滤波技术分离出光载波作为.卜行链路光载波ll 2,14,2¨,另一种方案为传输带有基带数据的光载毫米波,在基站分出部分毫米波功率作为上行链路光载波p引。还有一些其他的光载毫米波产生方案。有的是利用外部调制器产生抑制奇数边带的调制方式,然后用光栅或者滤波器滤除载波,或者是川滤波器选择出两个二阶边带,用两个二阶边带产生四倍频毫米波【33q 5|,但这种方法对调制信号的功率要求比较高。2007年,有方案提出不需要任何电、光滤波器,用两个级联的光调制器和一个电移柏器就可以产生宽带鳕倍频毫米波13引。另外还有利用凶波混频效应产生毫米波的方案,其原理是两个泵浦频率输入至高阶非线性光纤HNLF,或半导体光放大器SOA中,产生新的频率成分,经滤波器滤出需要的两个频率成分,在PD处拍频,即可得光毫米波信号。2006年,Andreas W.berg等提出利用HNLF中的四波混频FWM效应和FBG的滤波性能,适当的调节调制器,使载波和偶数阶边带被抑制,只有两个一阶边带,频率间隔为2C输入到HNLF中,在HNLF中发生四波混频效应,产生两个新频率,间隔为6f。通过两个FBG滤波,得到光域里需要的频率。驱动信号6.67GHZ,产生的毫米波为40GHZp¨。同年,Qing Wang等人提出利用SoA中的四波混频FWM效应,通过oPLL产生两个相位相关的波长,两个波长被送至SOA,由于SOA的非线性效应,发生FWM,产生两个新的频率,新频率的差值为初始两个泵浦频率差的3倍。为了抑制两个泵浦波长,用了两个级联的FBG,作为带阻滤波器【3 81。2007年,T.Wang同样利用的是SOA的FwM效应,通过调制LN.MzM,实现载波抑制OCS,经EDFA放大后,作为两个泵浦频率输入至SOA中,在SOA中发生四波混频效应,产生两个新的频率,频率差为6F。获得了41.7GHZ的毫米波信号¨9。。国内相关科研单位近几年来也相继开展了对毫米波光载波产生和传输进行了研究,包括清华大学、北京大学、中科院、北京邮电大学、浙江大学、上海大学及湖南大学等,并有一些科研成果报道。如浙江大学光纤光栅微波载波的单边带调制,利用光纤光栅产生单边带信号。北京大学研究了双波长调制产生光毫米波并分析了其传输色散的影响,清华大学也研究了单边带调制产生光毫米波并分析了其传输色散的影响。湖南大学对40G/60G射频ROF系统作了大量的研究,并且搭建出了一套光无线传输系统,将DVD存储的高清晰电视数据源调制到40G的微波上,然后经过调制到光载波上传输,经过探测接收并由天线发射,并在接收端将信号送给高清晰电视进行播放,得到很好的实验效果。1.3,论文结构光纤无线通信系统是新兴发展起来的一项技术,在未来的通信系统中有着广4硕十学位论文泛的应用前景。本论文对光纤无线通信系统的基本理论、光学毫米波产生的各种方案以及毫米波的,f譬输性能等几个方面进行了讨论,重点研究了四倍频、六倍频、八倍频毫米波产生方案,每一章节的具体安排如下第一章为绪论,论述了光纤无线通信系统的研究背景和意义;国内外关于光学毫米波的产生方案,主要论述了已经提出的毫米波产生方法汞l各自的优缺点以及本论文的结构。第二章主要讨论了光纤无线通信系统的一些基本特征,内容包括ROF系统的基本结构;ROF系统的原理;理论推导了并且模拟了几种常用的毫米波产生方法,包括单边带调制、双边带调制、载波抑制调制;介绍影响光毫米波传输的色散因素以及非线性因素;同时介绍了一种波长重利用方案和ROF技术的特点。第三章主要提出了四倍频光载毫米波的产生方案,一种为采用LN.MZM产生奇数阶边带被抑制的调制方式,然后用光纤布拉格光栅滤波器滤除载波,用两个二阶边带拍频产生四倍频毫米波,并且通过实验验证;另外还采用马赫一增德尔调制器产生奇数阶边带和载波同时被抑制的调制方式,并且通过模拟验证。数据的加载方式有三种,也分别进行了实验或者模拟验证,并对四倍频毫米波的传输性能进行了公式推导和理论分析。第四章提出了六倍频光毫米波的产生方案,采用马赫一增德尔调制器产生载波和一、二阶边带被抑制的调制格式,并且通过模拟验证。数字信号的加载方式有两种,并对六倍频毫米波的传输性能进行了公式推导和理论分析。第五章提出了一种产生八倍频光毫米波的方案,用并联的两个调制器,都设置为产生载波和奇数阶边带被抑制的调制格式,然后耦合,上下两个调制器所剩余的边带为都为二阶、四阶,但是上下两个调制器所产生的二阶边带的相位是相反的,因此,当两个调制器耦合时,二阶边带消失,四阶边带留下,因此两个四阶边带拍频产生了八倍频毫米波,对此方案进行了理论分析和模拟验证,并对八倍频毫米波的传输性能进行了公式推导和理论分析。最后,给出了本论文的工作总结。5荩J多倍频渊制的光毫米波产牛及传输件能研究第2章 光纤无线通信系统的关键技术2.1.ROF系统简介光纤无线通信系统由中心站、基站和连接两者的光纤链路三部分组成。如图2.1所示。在整个系统中,中心站主要完成毫米波的产生,数据的调制以及编码、复用等复杂任务,经过数据调制的光毫米波经过光纤传输后到达基站,基站的功能较为简单,实现光电转换O/E和电光转换E/O,以及放大的功能。在整个系统中,中心站能够实现器件共享,资源的动态分配以及系统安装和维护的简单化。中心站至基站传输方向称为光纤下行链路Downlink,反之称为光纤上行链路Uplink。对于下行链路,在中心站产生的光载毫米波信号经过光纤链路的传输到达基站,在基站,用光检测器PDPhotodetector将光载毫米波转变为电毫米波信号,电毫米波信号经过电放大器EAElectrical Ampliner放大,然后通过设置在基站的天线发送到空气中,用户通过毫米波天线接收到毫米波电信号完成解调;对于上行链路,用户将要发送的数据调制到射频信号上,经过无线链路的传输后被基站的天线接收,基站再利用光调制器将此无线信号调制到光载波上,经过光纤链路的传输到达中心站,完成信号的检测。由于电毫米波信号在空气中传输的距离短,为了实现无缝覆盖,就需要建立多个建站。因此建站的结构需要越简单越好。ROF系统中几乎所有的信号处理工作都在中心站完成,基站只完成简单的功能,这样就缩短了无线传输部分的距离从而减小上行发送功率,提高了频率使用效率和系统容量,有利于降低整个系统的成本。图2.1简单的RoF系统结构6
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