毫米波光載無(wú)線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張　誠(chéng)　陳章淵　胡薇薇

摘要：下一代接入網(wǎng)需要實(shí)現(xiàn)高帶寬和低成本的便攜性，基于寬帶光通信和無(wú)線接入的無(wú)縫融合的毫米波光載無(wú)線(ROF)通信技術(shù)被認(rèn)為是一個(gè)很有前景的解決方案。但是由于其實(shí)現(xiàn)成本較高。需要對(duì)其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化。在毫米波光產(chǎn)生部分，光外差法可利用低頻信號(hào)源產(chǎn)生高頻的毫米波信號(hào)，同時(shí)采用對(duì)半導(dǎo)體激光器的注入鎖?？梢蕴岣咂淅眯省Ｔ谙滦墟溌分?，使用單邊帶調(diào)制可以提高光傳輸距離，而基于注入鎖模半導(dǎo)體激光器的單模調(diào)制(單邊帶調(diào)制)是一種較為簡(jiǎn)單的方案；上行鏈路中，采用對(duì)于光外差信號(hào)的調(diào)制，可以實(shí)現(xiàn)上行毫米波信號(hào)的直接光學(xué)下變頻，從而簡(jiǎn)化中心站接收機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在波分復(fù)用毫米波光載無(wú)線雙向系統(tǒng)中，利用上下鏈路的波長(zhǎng)重用可以節(jié)省波長(zhǎng)資源，提高系統(tǒng)使用效率。

關(guān)鍵詞：毫米波光載無(wú)線；上變頻；下變頻；波長(zhǎng)重用；單模調(diào)制

近年來，由于無(wú)線通信的便攜性，移動(dòng)通信在全球通信市場(chǎng)上發(fā)展迅速，并逐步占據(jù)了整個(gè)市場(chǎng)份額的一半以上。而隨著高速互聯(lián)網(wǎng)和高清電視等寬帶多媒體業(yè)務(wù)的推廣和發(fā)展，未來的無(wú)線通信將需要提供更大的通信帶寬，并保證每個(gè)用戶的低成本接入。在這樣的背景下，頻率高、潛在應(yīng)用帶寬大的毫米波通信成為了一項(xiàng)很有競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案。參考文獻(xiàn)[1]中，60 GHz頻段由于是氧氣的吸收峰而倍受關(guān)注，它可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線短距離、高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸，并支持非常小的蜂窩結(jié)構(gòu)。目前直接實(shí)現(xiàn)60 GHz無(wú)線通信由于器件成本的問題，難度較大，而如果將現(xiàn)有高帶寬的光纖通信技術(shù)和60 GHz毫米波通信技術(shù)相結(jié)合，在中心站和各個(gè)基站天線之間采用光纖連接，將復(fù)雜和昂貴的功能例如信號(hào)處理和路由等都放在中心站，則可大大降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。于是，毫米波光載無(wú)線(RoF)通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

一個(gè)典型的毫米波RoF通信系統(tǒng)主要由中心站、基站和用戶終端3個(gè)部分組成，如圖1所示。中心站與基站之間通過光纖連接，傳輸光信號(hào)；基站和用戶終端之間則為毫米波無(wú)線通信。中心站的主要功能是實(shí)現(xiàn)下行鏈路中的毫米波光產(chǎn)生、基帶信號(hào)的上變頻和上行鏈路信號(hào)的接收處理；基站的主要功能是實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，發(fā)送下行信號(hào)，并將用戶上行電信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào)回傳中心站。目前對(duì)于毫米波RoF通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究重點(diǎn)主要側(cè)重于中心站與基站之間的上下行光傳輸信號(hào)方面，具體的主要包括：毫米波光產(chǎn)生、下行信號(hào)上變頻、傳輸性能、上行信號(hào)下變頻、雙向鏈路波長(zhǎng)重用等方面。

1毫米波光產(chǎn)生部分的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

傳統(tǒng)的RoF通信系統(tǒng)對(duì)于微波的產(chǎn)生一般直接利用現(xiàn)有的射頻源，但是對(duì)于毫米波RoF系統(tǒng)來說，采用毫米波頻段的射頻源是相當(dāng)昂貴的。如果能使用低頻的射頻源甚至不使用射頻源的光域方法來產(chǎn)生毫米波信號(hào)，則可以大大降低系統(tǒng)成本。目前主流的毫米波光產(chǎn)生方法是采用光外差法，即利用低頻的射頻源生成一對(duì)間距為所需毫米波頻率的光相干縱模信號(hào)，通過將該信號(hào)接人光電二極管拍頻可實(shí)現(xiàn)毫米波的光產(chǎn)生，原理示意圖見圖2。

在光外差法的實(shí)現(xiàn)方面。目前主要方法是采用外調(diào)制器，其又有兩種具體的結(jié)構(gòu)，分別采用雙臂鋰酸鈮強(qiáng)度調(diào)制器和相位調(diào)制器加光帶陷濾波器。

一種是采用雙臂鋰酸鈮強(qiáng)度調(diào)制器，合適地選擇調(diào)制器偏置點(diǎn)實(shí)現(xiàn)載波抑制調(diào)制，利用調(diào)制出的兩個(gè)一階邊帶實(shí)現(xiàn)相干光雙縱模，這樣就可以實(shí)現(xiàn)頻率加倍，從而使用30 GHz信號(hào)源產(chǎn)生60 GHz的信號(hào)，其原理見圖3(a)。

另一種是采用相位調(diào)制器加光帶陷濾波器，在調(diào)制器輸出的光譜中利用光帶陷濾波器將光載波濾除，剩余的兩個(gè)一階邊帶即可實(shí)現(xiàn)相干光雙縱模，其原理見圖3(b)。這種方法同樣實(shí)現(xiàn)了頻率加倍，不過結(jié)構(gòu)較第一種復(fù)雜了些。

前面的兩種方法均是使用30 GHz的信號(hào)源來產(chǎn)生60 GHz的信號(hào)，但是30GHz的射頻源仍然較為昂貴，于是在外調(diào)制器法的基礎(chǔ)上，可以通過激光器的注入鎖模來降低對(duì)參考頻率源頻率的要求，從而利用更低的頻率源來產(chǎn)生60 GHz的毫米波信號(hào)。

(1)FP激光器雙模注入鎖模實(shí)現(xiàn)60 GHz毫米波

采用法布爾一帕羅(FP)激光器雙模注入鎖模的方法可提高所產(chǎn)生的毫米波信號(hào)的質(zhì)量，降低相位噪聲㈣。通過調(diào)整調(diào)制器的偏置點(diǎn)和FP激光器的偏置電流，可以實(shí)現(xiàn)了對(duì)于FP激光器的二階邊帶注入鎖模，從而利用15 GHz來產(chǎn)生60 GHz的毫米波信號(hào)。具體原理見圖4。獲得的相干光雙縱模信號(hào)和拍頻電譜見圖5。

通過FP激光器雙模注入鎖模，鎖定的相干光雙縱模信號(hào)光信噪比在20 dB以上，拍頻的毫米波電信號(hào)信噪比在40 dB以上，相位噪聲100 kHz-處為－94.30 dBc／Hz，質(zhì)量很好。此外，通過對(duì)FP激光器的雙模注入鎖模還可以提高激光器的直調(diào)帶寬，見圖6，它在后面的基帶信號(hào)光學(xué)上變頻甚至上行信號(hào)光學(xué)下變頻方面有很高的利用價(jià)值。

(2)注入鎖模分布反饋式激光器四波混頻實(shí)現(xiàn)60 GHz毫米波

四波混頻(FWM)效應(yīng)是一種非線性效應(yīng)，目前已經(jīng)有在高非線性光纖和半導(dǎo)體光放大器(sOA)中的應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)頻率的加倍[3-81。而在強(qiáng)注入條件下，可利用注入鎖模分布反饋(DFB)激光器中的FWM效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)頻率的三倍頻。

在這種方法下，通過直接調(diào)制或者間接調(diào)制實(shí)現(xiàn)注入的種子光，利用注入鎖定來增強(qiáng)所需要的模式。圖7(a)給出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置原理圖。圖7(h)比較了從DFB激光器的輸入光信號(hào)和輸出的FWM信號(hào)，對(duì)于輸入信號(hào)來說，二階邊帶比一階邊帶低30 dB以上，直接拍頻的60 GHz幾乎沒有。而通過FWM效應(yīng)，長(zhǎng)波長(zhǎng)處的二階邊帶被放大了25 dB，同時(shí)被放大的還有注入鎖定的長(zhǎng)波長(zhǎng)的一階邊帶。圖7(c)是拍頻的60 GHz電信號(hào)，其在偏移100 kHz處的相位噪聲在-95 dBc／Hz以下，同時(shí)信號(hào)質(zhì)量與參考的20 GHz射頻源相比只有5 dB的損傷，見圖7(d)，利用這種方法也能產(chǎn)生高質(zhì)量的毫米波信號(hào)。

此外，更低頻率的參考源10GHz也可以被使用來實(shí)現(xiàn)60 GHz的毫米波信號(hào)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其在偏移100kHz處的相位噪聲在-90 dBc／Hz以下，同時(shí)相比參考源只有l(wèi)O dB的相位噪聲損傷。

2下行鏈路基帶信號(hào)光學(xué)上變頻部分及傳輸性能的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

傳統(tǒng)的RoF系統(tǒng)中，由于直接采用了微波射頻源，其對(duì)下行基帶信號(hào)的上變頻采用高頻的混頻器即可，然后再將混頻后的微波信號(hào)利用外調(diào)制器調(diào)制到光載波上。而對(duì)于毫米波RoF系統(tǒng)，由于毫米波射頻源的昂貴，在毫米波產(chǎn)生部分已經(jīng)采用光外差法，則在基帶信號(hào)上變頻方面需要進(jìn)行相應(yīng)的改動(dòng)。

對(duì)于外調(diào)制器法，可以利用多加入一級(jí)光調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)的

上變頻。而在FP激光器雙模注入鎖模方式中，則可以利用對(duì)FP激光器的電流直接調(diào)制實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)的上變頻。

上述兩種基帶信號(hào)上變頻方法，最終實(shí)現(xiàn)的均是對(duì)光相十雙縱模的雙模調(diào)制，即兩個(gè)縱模上都帶有基帶信號(hào)。而在毫米波RoF通信系統(tǒng)中，光纖色散損傷(特別是1.55 um處)會(huì)對(duì)系統(tǒng)中光信號(hào)的作用距離加以限制。雖然相比傳統(tǒng)的光雙邊帶調(diào)制(DsB)，采用雙模調(diào)制對(duì)于傳輸距離的色散損傷限制要弱些，但仍不如傳統(tǒng)的光單邊帶調(diào)制(ssB)。

目前實(shí)現(xiàn)高頻的單邊帶調(diào)制或者類似的單縱模調(diào)制已有的方法有DSB調(diào)制加濾波法、光外差法分波后單獨(dú)調(diào)制一個(gè)縱模強(qiáng)注入鎖模DFB激光器的選擇性放大作用，其中文獻(xiàn)的方法需要DFB激光器有極高直調(diào)頻率響應(yīng)。最近一種實(shí)現(xiàn)基于DFB激光器單模鎖模的、類似于SSB調(diào)制的單模調(diào)制新方法被提出，下行的基帶信號(hào)可以被主要調(diào)制到光雙縱模中注入鎖模的縱模上，從而大大克服色散損傷的影響。

具體的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)原理圖見圖8(a)所示，圖8(b)中給出了光信號(hào)傳輸22.2 km單模光纖后的接收到的毫米波功率隨基帶調(diào)制頻率的變化(測(cè)試的中心頻率為54 GHz，采用一階邊帶單模注入鎖模)，可以看到單模調(diào)制在對(duì)抗色散的影響方面較雙模調(diào)制有很大的優(yōu)勢(shì)，雙模調(diào)制在基帶頻率為3 GHz處有一個(gè)很大的射頻功率衰落，而單模調(diào)制則變化不大。最后調(diào)制輸出的光譜見圖8(c)，而對(duì)比外調(diào)制法中加一級(jí)調(diào)制器上載基帶數(shù)據(jù)后的光譜圖如圖8(d)所示。從圖8(c)可以看到，由于注入鎖模效應(yīng)，當(dāng)改變從DFB激光器的電流時(shí)，被注入鎖定的模式(1 550.39 nm)調(diào)制度較大，而另外一個(gè)未注入鎖定的模式(1 550-82 nm)調(diào)制度較小，兩者相差22 dB以上。此外，基于60GHz毫米波的RoF單模調(diào)制2.5 Gb／s數(shù)據(jù)傳輸也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，采用G，652單模光纖，傳輸距離為50 km，傳輸后眼圖仍然較為清晰，可實(shí)現(xiàn)無(wú)誤碼傳輸。而如果采用雙模調(diào)制，則無(wú)法獲得眼圖信號(hào)。

3上行鏈路中信號(hào)下變頻部分的優(yōu)化

在傳統(tǒng)的RoF系統(tǒng)中，用戶終端接收到的微波信號(hào)轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)的一般做法是在基站或中心站利用混頻器在電域?qū)⑵湎伦冾l。而對(duì)于毫米波RoF系統(tǒng)，由于毫米波射頻源的昂貴，就需要對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以節(jié)省成本。

一種優(yōu)化手段是在基站利用高速電吸收調(diào)制器，通過對(duì)下行鏈路中空閑的、頻率間隔與毫米波頻率相同的光相干雙縱模信號(hào)的調(diào)制，然后直接檢測(cè)低頻基帶信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)上行信號(hào)的下變頻。

另一個(gè)可行方法是利用注入鎖模DFB激光器來實(shí)現(xiàn)光下變頻。其實(shí)驗(yàn)原理裝置圖見圖9(a)。目前已經(jīng)有很多研究證明了在強(qiáng)注入鎖定下，DFB激光器或者垂直腔面反射激光器(VCSEL)可以大大提高激光器的頻率響應(yīng)。同時(shí)本文前面也說明了雙模注入鎖?？梢源蟠筇嵘雽?dǎo)體激光器的頻率響應(yīng)。在注入鎖模DFB激光器來實(shí)現(xiàn)光下變頻的實(shí)驗(yàn)中，通過注入鎖模，DFB激光器的直調(diào)頻率響應(yīng)從自由振蕩的5 GHz提高到了超過20 GHz。如果將縱模間距為毫米波頻率的光相干雙縱模信號(hào)從中心站發(fā)送到基站并注入鎖定DFB激光器，同時(shí)將基站接收到的天線信號(hào)調(diào)制該DFB激光器，則注入縱模的調(diào)制后的邊帶將落在另一個(gè)縱模的基帶，由于兩個(gè)縱模是相干的，于是直接進(jìn)行光濾波則可將中頻或者基帶信號(hào)獲得。這樣就可以在不需要在高速光電二極管和混頻器的條件下進(jìn)行毫米波信號(hào)的下變頻。

4波分復(fù)用毫米波RoF系統(tǒng)中的波K重用

在單路RoF系統(tǒng)(中心站、基站各一)中，下行鏈路和上行鏈路可以分別占有兩個(gè)不同的波長(zhǎng)。但是實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下，由于毫米波信號(hào)短距作用的特性，需要部署大量的基站，這時(shí)如何降低基站的成本，同時(shí)適應(yīng)波分復(fù)用(WDM)-RoF系統(tǒng)是設(shè)計(jì)中需要重視的問題。在光網(wǎng)絡(luò)中，波長(zhǎng)是一個(gè)重要的資源，如果能實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的重復(fù)利用則將大大降低資源消耗，所以當(dāng)前波分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(WDM-PON)是光網(wǎng)絡(luò)中發(fā)展的重要趨勢(shì)。目前在毫米波RoF系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)WDM-PON有幾種可行方案。

中心站采用外調(diào)制法發(fā)送下行信號(hào)，同時(shí)保留光載波，下行基帶數(shù)據(jù)采用強(qiáng)度調(diào)制。在基站中則將光載波利用光濾波器濾出，然后將下變頻的用戶上行基帶信號(hào)用調(diào)制器或者半導(dǎo)體光放大器調(diào)制上光作為上行信號(hào)上傳。

中心站采用外調(diào)制法實(shí)現(xiàn)光外差信號(hào)，下行基帶數(shù)據(jù)的上載方式采用DPSK相位調(diào)制。基站處，發(fā)送的下行數(shù)據(jù)可用1比特馬赫一曾德干涉儀解調(diào)，而對(duì)于上行的基帶數(shù)據(jù)則可利用鋰酸鈮調(diào)制器采用強(qiáng)度調(diào)制上光，中心站只需要進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)即可。

5結(jié)束語(yǔ)

由于在傳輸帶寬和無(wú)線接人方面的巨大優(yōu)勢(shì)，毫米波RoF系統(tǒng)是下一代接入網(wǎng)的一個(gè)很有潛力的解決方案。鑒于目前毫米波頻段器件的昂貴以及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的“成本一資源”考慮，本文針對(duì)毫米波光產(chǎn)生、下行信號(hào)上變頻和傳輸性能、上行信號(hào)下變頻、雙向鏈路中的波長(zhǎng)重用等方面進(jìn)行了毫米波RoF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的討論。相信隨著未來相應(yīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究的深入，毫米波RoF系統(tǒng)的實(shí)用化將指日可待。