《ROF系统功率设计及增益分配研究【文献综述】》由会员分享，可在线阅读，更多相关《ROF系统功率设计及增益分配研究【文献综述】（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、毕业设计文献综述电子信息科学与技术ROF系统功率设计及增益分配研究摘要：无线化和宽带化是当今通信业乃至整个信息业的热点。无线通信使得在任何时候、任何地方与任何人之间的通信成为可能。而宽带通信可以将数据、话音、视频和多媒体等各种业务信息很快地传送到企业和家庭个人用户，丰富了人们的工作以及生活。所以，这两者的结合无疑是未来通信的发展方向。基于此， ROF(Radio-over-Fiber)技术利用光纤和高频无线电波各自的优点，能实现大容量、低成本的射频信号有线传输和超宽带无线接入，具有低损耗、高带宽、不受无线频率的干扰、便于安装和维护、功率消耗小以及操作更具灵活等优点。关键词：Radio-over
2、-Fiber，光纤，射频，毫米波一、 引言随着人类社会信息化的进程，人们对多媒体宽带业务的需求日益增强，而目前拥塞的微波频谱面对这些精彩纷呈的业务却显得力不从心，因此毫米波频段的应用是无线通信迈向更大容量和更高速率的有效途径。60GHz毫米波系统具有频段宽、设备尺寸小和受大气衰减影响显著的特点；而光纤拥有丰富的频带资源和抗电磁干扰的能力，将毫米波和光纤传输技术相融合，可以有效解决毫米波传输距离短和控制系统成本等问题，具有广阔的应用前景。二、 材料来源及本课题的研究价值ROF技术是将射频信号调制到光信号上，通过光纤链路来传送无线信号的一种技术。RoF技术由于其灵活性、高带宽和高性价比，被认为是未
3、来光纤无线接入技术的必然选择，特别是在建筑物内或者公司等应用场所。由于中心站与基站之间通过光纤传输，损耗很低，加上光纤通信的巨大容量。RoF技术是未来解决“最后一公里问题”最有前景的方案之一。RoF技术使用未经使用的30-60GHz毫米波段以避免频率拥塞。其基本结构由基站和中心站组成，如图1.1所示。由于基站数量巨大，因此基站功能必须最简化，以便获得价格上的优势。基于很多基站共用一个中心站的特点，微波毫米波通常集中在中心站产生。为了减少基站的费用，一般都采用由中心站向远端基站光纤馈送毫米波的方法，即在中心站产生需要发送的毫米波，通过光纤馈送至远端天线进行发送。基站只需进行最简单的光电转换，然后
4、直接向空气中发送微波毫米波信号。而在上行链路上，基站只需将接收到的微波毫米波信号调制到光载波上，通过光纤传回中心站进行处理即可。由于电域器件昂贵，而且由于微波毫米波无法在铜缆上传输较远距离，使用全光的方法产生和传播微波毫米波信号非常具有前景。通过使用副载波调制技术将射频频率调制到光载波上远端馈送到基站上，可以充分利用光纤容量巨大、损耗小的优势。通过把主要功能集中到中心站，大量基站共享同一个中心站的方式来减低费用。RoF链路的关键技术一般包括RoF系统构架、微波/毫米波的产生、调制与解调、微波信号的光子学处理、链路性能改善、超宽带技术(UWB)等等。RoF的系统构架包括单工链路(独立下行链路)、
5、双工链路、有线无线结合的链路以及与未来波分复用无源光网络的结合的链路等等。图1.2显示了最基本的双工RoF链路。在下行链路中，中心站负责将电信号调制到光载波上，通过光纤将调制好的光信号传输到基站上，而基站只需进行简单的光电转换，然后通过毫米波段的天线发射到空气中去。而在上行链路中，基站负责将天线接收到的射频信号调制到光载波上，通过光纤将该信号传输到中心站进行处理。因此基站只需要实现简单的光电和电光转换功能即可，结构简单，费用低廉，维护方便。而中心站集中实现对信号的编码、调制和上变频等各种处理。一个中心站可以由很多个基站共享，这将大大减少费用，也便于系统的更新和维护。图1.2 RoF 基本链路有
6、关ROF系统中的关键技术分析ROF技术需要解决的关键问题是如何用光波传送无线信号，并且在基站产生受基带信号调制的微波/毫米波载波，同时要克服光纤色散对无线信号的影响8。另一方面，ROF技术方案必须综合考虑经济因素，因为系统成本尤其是基站设备和维护成本决定了ROF技术是否有实用价值。ROF系统中的关键技术分析用光学的方法生成毫米波，具有便捷、易调节和便于与光纤传输系统集成的优点，是国际上ROF技术研究中一个非常有吸引力的方向。目前从事该课题研究的主要有日本、韩国及欧美的一些国家，其研究重点主要集中在基站和中心站间的毫米波产生和传输技术9。目前，在毫米波ROF技术研究方面国外提出的比较有价值的方案
7、大致有四种:直接调制技术、上下变频技术、光自外差技术、电吸收收发器技术。直接调制技术直接调制技术的原理就是用毫米波副载波直接调制光波。一般光波的调制方法主要分直接调制和外调制。直接调制虽然简单，但不能保持激光器频谱稳定，而且无法工作在10GHz以上，所以不适合用于毫米波调制。外调制采用独立的光源和调制器，发光器件和光调制器都能够工作在最佳状态，同时外调制器可以工作在更高的频段。 图3.1 直接调制技术系统结构外调制技术方案是在CS中用基带信号调制毫米波副载波，然后再用光调制器把己调毫米波信号调制到光波上。图3.1是采用外调制法的系统结构，CS中将毫米波本振源的输出信号一分为二，一路先经过毫米波
8、调制器与基带信号混合，成为携带基带信号的已调毫米波(59.6GHz)，然后通过电吸收光调制器(EAM)对光波（波长1）进行强度调制，另外一路纯净的毫米波(57GHz)通过电吸收光调制器(EAM)对光波（波长2）进行强度调制。基站中通过解波分复用器将接收到的两个波长的光波分路，用高速的光探测器对携带基带信号的一路（波长1）光波进行检测，就直接生成已调毫米波信号(59.6GHz)。另外一路（波长2）光波用作BTS上行光源，通过电吸收光调制器(EAM)用接收到的来自无线用户的毫米波信号(59.6GHz)对携带57GHz副载波的光波进行调制的同时，已经将59.6GHz信号变成了光波上携带的2.6GHz
9、信号，然后经过光纤传送回中心站。 直接调制技术的一个主要问题是所产生的光双边带信号(DSB)在光纤传输过程中会受到光纤色散的影响。假设使用非色散位移单模光纤，高于1300nm的光DSB信号在长距离传输过程中，其下边带(LSB)滞后于上边带(USB)。而在基站光信号接收端，LSB和USB波分别携带的毫米波副载波分量，经平方律探测器产生差拍，差拍产生的毫米波信号沿光纤轴线呈周期性的衰落。总的来说，外调制技术具有结构简单的优点，但光纤色散影响较严重，调制深度不高，有非线性响应。另外从经济角度考虑，中心站需要毫米波本振和毫米波调制器，尤其是基站也需要使用毫米波段的光调制器，这些器件都是相当昂贵的，不利
10、于实际系统的推广。上/下变频技术上/下变频技术在中心站中使用中频信号(1-3GHz)作为副载波，数据信息调制在中频信号上，已调制的中频信号再直接调制光波10。基站中需要毫米波本振源，进行中频信号的上变频和毫米波信号的下变频，分别应用于基站的下行链路和上行链路。实现上变频和下变频有两种不同的技术，既可以在电信号域实现，又可以在光信号域实现，如图3.2所示。 图3.2 上/下变频技术ROF系统结构图图3.2(a)是以电的方式实现上下变频的系统结构，在基站中经探测器直接提取中频副载波，并与基站中的毫米波本振源直接混频，将中频副载波上变频到毫米波频段。图3.2(b)是以光的方式实现上下变频，在基站中不
11、使用电的毫米波本振源，上/下变频所需要的毫米波载波用一个前向反馈光场调制模块产生。这个光模块包括了两个独立的相位噪声相关的激光器，用两路光波差拍生成的低相位噪声的毫米波信号作为上/下变频的本振信号。上/下变频技术使得光纤链路中传输的是中频副载波信号，因而受光纤色散的影响小，但缺点是变频效率不高，基站中需要毫米波本振和毫米波混频器，或者需要两个激光器差拍得到毫米波信号，使基站设备非常复杂。光学自外差技术由于光速很高，两个激光器的波长的微小差异所对应的频率差异就是毫米波频率，例如在1550nm波段，0.8nm的波长差异对应100GHz的频率差异。因此若有两个波长相近、相位相干、偏振相符的激光器，将
12、它们所产生的光波同时投射到具有平方率电场检测特性的光探测器上，就能产生出毫米波，其频率是两个光源的频率之差。这个方法在原理上是简单的，实现的关键是如何获得两个相干的光源。如果使用两个独立的激光器作为光源，要得到稳定可用的毫米波信号是非常困难的。这是由于：（1）每个激光器输出的光波相位随机，很难保持两路光波的严格相干;（2）温度或偏置电流的变化会引起激光器输出中心波长的漂移，使差拍出来的毫米波频率也发生漂移，例如:激光器中心波长偏移0.1nm对应的频偏就是12.5GHz。为了获得频谱纯净的相干光源，已提出了许多方案，包括光锁相环、锁模激光二极管(MLLD)和双步光外差技术等11。 图3.3 光学
13、自外差技术生成毫米波的系统框图图3.3所示为锁模激光二极管产生了几个相干的波长，经波导阵列列光栅取出其中的两个，频差为需要的毫米波频率12。一个光波被数据调制，与另一个一起经光纤传输到达基站，在光探测器上差拍出己调毫米波信号，经放大后向外发射。电吸收光收发技术电吸收型光收发器(EAT，Electro-absorption Transceivers)是一种可以工作在60GHz频段的光电器件，有两个独立的射频端口和两个光纤接口。EAT元件由三个部分组成，分别是光探测器、无源波导、光调制器。 图3.4 电吸收光收发器ROF方案采用EAT的ROF系统结构如图3.4所示。在中心站，数据信号与毫米波本振混
14、频，产生60GHz的己调毫米波副载波。同时激光器LD1发送下行光波(波长1处在EAT的吸收区)，激光器LD2发送上行光波(波长2从处在EAT的过渡带)。已调毫米波副载波通过外调制器(EAM)调制到下行光载波1上，然后下行光波1与上行光载波2混合，通过光纤传送到基站。在基站中，下行光信号经EAT元件解调后，直接从射频输出端口输出60GHz的己调毫米波信号，该信号由天线发送出去。基站接收无线用户发送的毫米波信号，并且通过EAT元件将其直接调制到上行的光载波上，再通过光纤传送回中心站。采用EAT元件的传输系统可以使基站系统大大简化，基站中只进行光电、电光转换，不需要其他的光学元件，但是中心站仍然需要
15、使用毫米波本振以及高频率的光调制器。另外EAT器件为日本的专利产品，成本昂贵，距离商品化还有一定的过程，所以EAT技术的ROF系统方案构思虽好，但是其推广应用还有相当大的难度。 ROF系统的实现技术一个完整的ROF系统主要由物理层和协议层构成。协议层要根据不同的服务（比如移动通信，本地多点分布系统LMDS等）从功能级角度描述。物理层从传输级角度实现对信息的“透明”传输。下面主要从物理层的角度介绍一些ROF系统的实现技术。光复用技术为了有效利用光纤提供的超大带宽，ROF系统采用复用技术，将中心站到多个基站的信号放在同一条光纤里传输。目前，主流的光复用技术分为时分复用(TDM)，波分复用（WDM），副载波复用（SCM）和码分复用（CDM）四种。不同的复用方式有各自的优缺点，而且各种复用方式还可以结合使用，那一种复用技术更适合用于实现ROF系统，成为一个研究点。光时分复用(TDM)是用多个电信道信号分别调制频率相同但在时间上相互错开的光脉冲载波，然后进行光复用；接收端用TDM 解复用器(光开关) 在定时的控制下分出不同信道的光信号, 然后分别解调, 恢复出原信道电信号。TDM系统只用到了一个波长，光源的实现比较容易，但是由于需要精确的控制各路信号的时隙，对时钟同步的精度和快速抽样都有较高的要求。所以，TDM技术不适合用于实现ROF系统。光波分复用（WDM）是将两种或多种不
