1、陳林1,董澤1,李瑛1,余建國2,文雙春1,余建軍1(1. 湖南大學(xué)計算機(jī)與通信學(xué)院,湖南長沙 410082; 2. 北京北方烽火科技有限公司,北京100085摘要:實(shí)驗(yàn)研究了一種采用單個電光調(diào)制器產(chǎn)生光毫米波的方法和相應(yīng)的全雙工無線通信系統(tǒng)。在中心站采用電混頻器產(chǎn)生電毫米波,然后再利用電光制器產(chǎn)生雙邊帶信號。利用光交錯復(fù)用器將中心載波和雙頻一階邊帶信號分離。雙頻一階邊帶用于產(chǎn)生2倍射頻信號的光毫米波,而中心光載波用來作為上行鏈路的光載波。實(shí)驗(yàn)顯示采用頻率為20GHz射頻信號產(chǎn)生光毫米波的頻率為40GHz,而且將下行鏈路和上行鏈路中2.5Gbit/s的數(shù)據(jù)在單模光纖中傳輸距離達(dá)20km,而功率

2、代價均小于0.5dB。關(guān)鍵詞:光纖無線通信;光毫米波產(chǎn)生;光載波重用;光交錯復(fù)用器中圖分類號:TN929.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B 文章編號:1000-436X(200709-0085-06Full-duplex radio-over-fiber system with a novel scheme for millimeter-wave generation by single arm modulatorCHEN Lin1, DONG Ze1, LI Ying1, YU Jian-guo2, WEN Shuang-chun1, YU Jian-jun1(1. School of Computer

3、and Communication, Hunan University, Changsha 410082, China;2. Beijing Northem FiberHome Techonlogies Co.,Ltd.,Beijing 100085 ChinaKey words: radio-over-fiber; generation of optical millimeter-wave; optical carrier reuse; optical interleaver1引言由于下一代超寬帶無線通信技術(shù)采用的通信頻率將會延伸到毫米波段,為了克服無線通信例如傳輸距離方面的限制,滿足無線通

4、信中寬帶要求,必須利用現(xiàn)有的光纖通信技術(shù),因此光纖無線通信(ROF,收稿日期:2007-01-10;修回日期:2007-07-04基金項目:國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(“863”計劃基金資助項目(2007AA01Z263;國家教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃;高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項科研基金資助項目(20040532005;湖南省自然科學(xué)基金資助項目(06JJ50108;湖南大學(xué)重點(diǎn)基金資助項目Foundation Items: The National High Technology Research and Development Program of China(863 Program (2007

5、AA01Z263; The Program of the Ministry of Education of China for New Century Excellent Talents in University; The Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China (20040532005; The Natural Science Foundation of Hunan Province (06JJ50108; The Key Research Fund of Hunan U

6、niversity86通信學(xué)報第28卷radio-over-fiber將會成為解決下一代超寬帶無線接入最具有前景的技術(shù)。ROF系統(tǒng)可以充分利用光纖的巨大帶寬并結(jié)合無線通信技術(shù)的靈活性,將無線網(wǎng)絡(luò)和光纖網(wǎng)絡(luò)融合起來,既能增加接入網(wǎng)容量和移動性,又能降低運(yùn)營成本。ROF系統(tǒng)的基本思想是將復(fù)雜的信號處理單元置于中心站 (CS,central station,如在中心站產(chǎn)生光毫米波,并通過光纖發(fā)送至基站(BS,base station。而基站只包含簡單廉價的接收器件,即完成光電轉(zhuǎn)換,并通過天線發(fā)送出去,同時也將天線收到的無線信號通過電/光轉(zhuǎn)換變成光信號發(fā)送至中心站進(jìn)行信號的處理。由于各基站共享中心站的

7、信號處理單元,這樣減少了昂貴的信號處理單元數(shù)量,從而簡化了基站的復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)。在中心站中,光毫米波產(chǎn)生技術(shù)是ROF系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),至今為止,已提出的光毫米波的產(chǎn)生的方法有3種:直接強(qiáng)度調(diào)制、外部強(qiáng)度調(diào)制和遠(yuǎn)程外差技術(shù)113。基于外部調(diào)制器的光毫米波產(chǎn)生方案具有較高的可靠性,可降低代價,因而最有可能成為ROF系統(tǒng)中產(chǎn)生光毫米波的首選技術(shù)5。但是目前的采用外部調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生光毫米波的方案中都必須采用2個光調(diào)制器57,其中一個調(diào)制器用于調(diào)制基帶信號,另一個雙臂調(diào)制器用于產(chǎn)生載波抑制信號,這樣就增加了光毫米波產(chǎn)生的成本。本文實(shí)驗(yàn)研究了采用一個單臂調(diào)制器產(chǎn)生光毫米波的方案和相應(yīng)的全雙工通信的ROF系統(tǒng),在

8、中心站中先將基帶數(shù)據(jù)信號與射頻信號混頻產(chǎn)生電毫米波,再將電毫米波驅(qū)動電光調(diào)制器,產(chǎn)生雙邊帶調(diào)制的光信號。雙邊帶信號中包括雙頻一階邊帶模和中心載波,雙頻一階邊帶模可用于產(chǎn)生光毫米波,中心載波則可用作上行鏈路的光載波。這種方法,只需采用簡單的電光調(diào)制器進(jìn)行雙邊帶調(diào)制,便可產(chǎn)生光毫米波。與已提出的光載波抑制方法產(chǎn)生光毫米波相比,雖然從傳輸性能來看不如光載波抑制,但它不需要另加其他光學(xué)器件來抑制光中心載波。這樣同時降低了中心站和基站的成本,使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,容易實(shí)現(xiàn)且價格便宜。2ROF系統(tǒng)原理本文所提出的單個電光調(diào)制器產(chǎn)生光毫米波的全雙工通信的ROF系統(tǒng)原理如圖1所示,由分布反饋式激光器(DFB-L

9、D產(chǎn)生連續(xù)波激光作為光載波。下行鏈路的數(shù)據(jù)基帶信號與頻率為f0射頻信號進(jìn)行混頻后產(chǎn)生電毫米波信號,再通過電光調(diào)制器產(chǎn)生雙邊帶調(diào)制信號。雙邊帶調(diào)制信號的光譜的能量主要集中在中心載波和雙頻率的一階邊帶上。雙邊帶調(diào)制信號由光交錯復(fù)用器(IL分成二路。一路是包含雙頻率的一階邊帶信號,其頻率差為射頻信號的2倍。雙頻邊帶信號在基站中通過高速檢測器產(chǎn)生頻率為2f0的電毫米波信號,通過天線發(fā)射至大氣中變成無線信號。另一路為中心載波,用于上行鏈路的光載波。從天線接收到的上行鏈路數(shù)據(jù)信號通過電混頻器進(jìn)行下傳后,即可調(diào)制到中心載波上,產(chǎn)生上行鏈路的光信號,通過光纖鏈路發(fā)送到中心站的上行鏈路的接收機(jī)。 圖1 利用單個

10、電光調(diào)制器產(chǎn)生光毫米波的全雙工ROF系統(tǒng)的原理第9期陳林等:采用電光調(diào)制器產(chǎn)生光毫米波的全雙工通信光纖無線通信系統(tǒng)873實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果本文的光毫米波產(chǎn)生及全雙工通信ROF系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。本實(shí)驗(yàn)裝置包括下行鏈路和上行鏈路,下行鏈路包括:光毫米波產(chǎn)生模塊、基站中電毫米波產(chǎn)生模塊和下行鏈路接收模塊,光毫米波產(chǎn)生模塊由混頻器、激光器和強(qiáng)度調(diào)制器組成,主要產(chǎn)生雙邊帶信號。電毫米波產(chǎn)生模塊主要由可調(diào)諧光濾波器(TOF,光電轉(zhuǎn)換器(O/E組成,圖2中的光交錯復(fù)用器(IL為下行鏈路和上行鏈路所共有,將雙邊帶信號的一階邊帶和中心載波分離,分離出來的2個一階邊帶進(jìn)入電毫米波產(chǎn)生模塊轉(zhuǎn)換成電毫米波信號。下

11、行鏈路接收模塊用于檢測下行鏈路的數(shù)據(jù)信號。本實(shí)驗(yàn)中采用Ando公司6 317的光譜分析儀檢測光譜,其波長范圍為6001 700nm,最小分辨率為0.01nm。采用Agilent 86100C示波器測量眼圖。圖3為不同測試點(diǎn)測量得到的光譜,圖4為各測試點(diǎn)的眼圖。由DFB-LD激光器產(chǎn)生波長為1 534.4nm的連續(xù)光波,進(jìn)入馬赫曾德爾單臂強(qiáng)度調(diào)制器(MZM。本實(shí)驗(yàn)下行鏈路數(shù)據(jù)信號為字長2311的偽隨機(jī)碼。本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)信號是由型號為Anritsu MP1763C的碼型發(fā)生器產(chǎn)生的,其最高碼元速率為12.5Gbit/s,其實(shí)物照片如圖5所示。下行鏈路的2.5Gbit/s基帶數(shù)據(jù)信號通過電混頻器與20

12、GHz射頻信號進(jìn)行混頻得到電毫米波,電毫米波驅(qū)動單臂光強(qiáng)度調(diào)制器(IM對光源產(chǎn)生的連續(xù)波光載波進(jìn)行調(diào)制得到雙邊帶調(diào)制信號,雙邊帶調(diào)制信號的光譜包括中心光載波和雙頻一階邊帶模,形成光毫米波信號。實(shí)驗(yàn)采用的單臂調(diào)制器3dB帶寬大于8GHz,半波電壓為7V,消光比大于25dB的LiNbO3調(diào)制器。要產(chǎn)生雙邊帶調(diào)制,調(diào)制器的偏置電壓為半波電壓的一半即3.5V。雙邊帶信號發(fā)送至光纖鏈路,傳輸至基站。經(jīng)過20km光纖鏈路(SMF-28傳輸后在圖2的(i點(diǎn)測量得到雙邊帶信號的光譜圖如圖3 (a所示,其光譜包括中心載波和2個一階的邊帶模。利用Agilent86100C示波器測量光信號的眼圖,將光信號插入到Ag

13、ilent86106A模塊變成電信號,即可測量得到其眼圖如圖4(a所示,其眼圖中包括毫米波和數(shù)據(jù)信號的混合信號。在基站中,雙邊帶信號由帶寬和頻率間隔為50/25GHz雙端口光交錯復(fù)用器分開成為兩部分。光交錯復(fù)用器-3dB通帶寬度為0.15nm,插入損耗為2dB,無偏振敏感度。分開的光信號一部分為雙頻率一階邊帶即40GHz的光毫米波,在圖2中的(ii點(diǎn)測量得到的光譜如圖3(b所示。另一部分為中心載波,在圖2的(iii點(diǎn)測量的光譜如圖3(c所示。光毫米波經(jīng)過帶寬為0.5nm的可調(diào)諧光濾波器后得到純凈的光毫米波。純凈的光毫米波通過3dB帶寬為50GHz的高速光檢測器變成電毫米波。需要說明的是,光毫米

14、波的2個頻率分量在基站中光電轉(zhuǎn)換時進(jìn)行拍頻產(chǎn)生重復(fù)頻率為40GHz的電毫米波信號,其功率為6dBm。 圖2 單臂調(diào)制器產(chǎn)生光毫米波及全雙工通信ROF系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置88通信學(xué)報第28卷 圖3 不同測試點(diǎn)測量得到的光譜并沒有通過天線發(fā)射和接收毫米波實(shí)驗(yàn),如圖2所示。在實(shí)驗(yàn)中,采用電混頻器代替用戶終端對下行鏈路的信號進(jìn)行接收和解調(diào)。毫米波信號與40GHz的射頻信號混頻后解調(diào)得到基帶數(shù)據(jù)信號,通過低通濾波器后,進(jìn)行誤碼檢測。光中心載波通過帶寬為0.5nm的可調(diào)諧濾波器濾波后得到純凈的光載波,其光譜只包含中心光載波,而邊帶信號被抑制。光載波的眼圖為圖4(b所示,可以看出,光載波的幅度有些波動,這主要是因

15、為受到下行鏈 圖4 各測試點(diǎn)的眼圖第9期陳林等:采用電光調(diào)制器產(chǎn)生光毫米波的全雙工通信光纖無線通信系統(tǒng)89路數(shù)據(jù)信號的調(diào)制。通過光強(qiáng)度調(diào)制器將速率為2.5Gbit/s的上行鏈路數(shù)據(jù)調(diào)制到光載波上。在圖2 (iv點(diǎn)測量到經(jīng)過調(diào)制的上行鏈路光信號的光譜圖如圖3(d所示,其光譜包含上行鏈路數(shù)據(jù)信號的光譜。調(diào)制后上行鏈路眼圖為圖4(c所示,上行鏈路進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制,眼圖很清晰。上行鏈路的光強(qiáng)度調(diào)制器的參數(shù)與中心站使用的單臂強(qiáng)度調(diào)制器一致。本實(shí)驗(yàn)上行鏈路數(shù)據(jù)信號為字長2311的偽隨機(jī)碼。調(diào)制的上行鏈路的光信號通過20km的單模光纖發(fā)送至中心站的 2.5Gbit/s的光接收機(jī)中進(jìn)行誤碼檢測。上行鏈路的光信號通

16、過20km的光纖鏈路后的眼圖如圖4(d所示,傳輸20km后,眼圖仍然很清楚。利用型號為Anritsu MP1764C誤碼儀測量接收信號的誤碼,其實(shí)物圖照片如圖5所示,測量得到的上行鏈路和下行鏈路的誤碼特性如圖6所示。對于下行鏈路,通過光纖傳輸20km后,在誤碼率為10-9情況下,功率代價可以少于0.2dB,而上行鏈路的功率代價也少于0.5dB。上行鏈路的功率代價要高于下行鏈路,這是因?yàn)樯闲墟溌返墓?圖5 實(shí)驗(yàn)誤碼測試儀及碼型發(fā)生器 圖6 上行鏈路和下行鏈路數(shù)據(jù)信號的誤碼特性載波是從中心站發(fā)射出來通過光纖傳輸至基站,并通過光交錯復(fù)用器分離出來的,除受到光纖鏈路中色散以及噪聲等方面因素的影響外,還

17、難免受到下行鏈路數(shù)據(jù)信號調(diào)制的影響。4結(jié)束語實(shí)驗(yàn)研究了一種采用單臂調(diào)制器產(chǎn)生光毫米波信號的方法,并將中心載波發(fā)送至基站作為上行鏈路的載波。在基站通過濾波方法將中心載波濾出再將上行鏈路的信號調(diào)制到光載波上,這樣在基站中可以不再需要激光器,簡化了基站的結(jié)構(gòu)。同時也簡化了光毫米波產(chǎn)生所需要的器件。通過實(shí)驗(yàn)證明,從功率代價和眼圖來看,這種全雙工通信的信號可在下行鏈路和上行鏈路的光纖中傳輸20km,但上行鏈路的功率代價大于下行鏈路傳輸功率代價,這是因?yàn)樯闲墟溌返墓廨d波是從下行鏈路信號分離出來的,在上行鏈路對光載波進(jìn)行第二次調(diào)制,除了受到光纖色散和噪聲的影響外,還難免受到下行鏈路數(shù)據(jù)信號調(diào)制的影響,但只要

18、適當(dāng)控制上行鏈路的調(diào)制深度,這種影響是可以忽略的。參考文獻(xiàn):1 KASZUBOWSKA A, HU L, BARRYL P. Remote downconversionwith wavelength reuse for the radio/fiber uplink connection J. IEEE Photon Technol Lett, 2006, 18(4:562-564.2 WIBERG A, MILLAN P P, ANDRES M V, et al. Fiber-optic 40GHzmm-wave link with 2.5Gb/s data transmissionJ. IE

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