超寬帶信號在光纖通信系統(tǒng)中傳輸探析

【摘 要】超寬帶信號的特點是發(fā)送不需要載波調(diào)制、抵抗干擾能力強、傳輸速率快同時系統(tǒng)容量大。在光纖中傳輸可以解決它傳輸距離短的問題。本文介紹了超寬帶信號的特點，描述了超寬帶信號在光纖系統(tǒng)的傳輸?shù)哪Ｐ?，分析了該模型的的具體模塊并介紹相關(guān)參數(shù)指標。

【關(guān)鍵詞】超寬帶 光纖 傳輸

一 超寬帶信號在光纖系統(tǒng)中傳輸?shù)南嚓P(guān)背景

自由靈活和環(huán)保高速是現(xiàn)今通信業(yè)務(wù)發(fā)展的時代要求。用戶業(yè)務(wù)需求變得越來越多樣化，業(yè)務(wù)形式包括語音、圖像、數(shù)據(jù)文件等多媒體形式。過去的無線數(shù)據(jù)技術(shù)都以窄帶無線通信為主，已經(jīng)無法跟上時代的腳步。目前相關(guān)領(lǐng)域的研究專家和電信運營商研究熱點是下一代寬帶無線技術(shù)，在現(xiàn)有的無線通信和光纖通信的基礎(chǔ)上進行改造，不必再次投入大量人力物力來完善網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。寬帶無線技術(shù)建網(wǎng)費開銷小、運營維護成本低、操作簡單同時安全可靠性高。但是多徑衰落嚴重和基站體積大建設(shè)成本高是它的缺陷。

二 超寬帶技術(shù)以及光纖通信系統(tǒng)的特點

早期的UWB系統(tǒng)主要運用在軍事方面，民用方面主要用于雷達定位等等，英特爾和摩托羅拉等公司開始了UWB系統(tǒng)的民用技術(shù)開發(fā)，主要研究方向是將UWB技術(shù)運用到消費電子領(lǐng)域，來滿足用戶的短距離、低功率、高速率、低成本的要求。國內(nèi)的關(guān)于UWB的研究已經(jīng)列入863計劃的信息領(lǐng)域。

FCC關(guān)于UWB信號的定義是-10dB的相對帶寬大于20%或者-10dB絕對帶寬大于1.5GHz，超寬帶允許使用的頻帶范圍是3.1GHz～10.6GHz，發(fā)射功率限定在1mW以下。UWB信號是時間短至僅僅幾十納秒的脈沖信號，直接在一個很寬的頻帶上實現(xiàn)信號調(diào)制，所占用頻率范圍取決于該調(diào)制過程的時間長短。其極寬的帶寬使其區(qū)別于傳統(tǒng)的寬帶。UWB技術(shù)特點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、發(fā)射功率低、多徑分辨能力強、傳輸速率高、信道容量大和穿透能力強等，主要應用場景是室內(nèi)WLAN應用、雷達系統(tǒng)、定位應用和傳感器應用等等。

在UWB系統(tǒng)中，超寬帶天線會引起色散現(xiàn)象，信號會因此產(chǎn)生畸變，無線傳輸?shù)目煽啃詴档停@一特性使得UWB傳輸距離限定在10m范圍內(nèi)，這一缺點也限制了UWB的應用范圍。而光纖通信和無線通信結(jié)合起來的新技術(shù)ROF技術(shù)的基本原理是利用分布式光纖網(wǎng)絡(luò)在中心站將微波調(diào)制到激光上，再通過光纖鏈路進行傳輸，在基站利用光電轉(zhuǎn)換對微波進行解調(diào)，借此來延長無線信號傳播距離，降低衰減，提高傳輸速度。將UWB技術(shù)和ROF兩種具有互補優(yōu)勢的兩種技術(shù)結(jié)合在一起構(gòu)成UWB over fiber系統(tǒng)，利用光纖來代替自由空間的無線兼職，傳輸損耗大大降低，系統(tǒng)損耗也較輕、脈沖窄，在光纖中傳播也會減少電磁干擾。

三 UWB over fiber系統(tǒng)

1 系統(tǒng)總體框圖。UWB over fiber系統(tǒng)流程是先讓超寬帶信號進行直接或者間接調(diào)制到光纖上傳輸，然后利用光鏈路中的耦合器實現(xiàn)信號一對多的點傳輸，信號通過光纜到達目的覆蓋地，之后再進行光電轉(zhuǎn)換之后還原出所要的超寬帶信號，再由UWB天線發(fā)射。系統(tǒng)總體框圖如下：

UWB在光纖系統(tǒng)中的傳輸系統(tǒng)的組成部分是超寬帶信號發(fā)射機、光電轉(zhuǎn)換器、發(fā)送光纜和光電轉(zhuǎn)換器等。

UWB over fiber系統(tǒng)是建立在ROF系統(tǒng)之上的，ROF系統(tǒng)構(gòu)架是基于傳統(tǒng)的光纖通信的鏈路結(jié)構(gòu)，為了使射頻信號也能在光鏈路上傳輸，ROF系統(tǒng)也包含星型結(jié)構(gòu)、總線結(jié)構(gòu)和環(huán)形結(jié)構(gòu)等網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。以下用一個星型結(jié)構(gòu)的UWB over fiber系統(tǒng)為例說明。在一輛安裝有中央處理單元的列車上，每一節(jié)車廂都配有遠端天線單元，這些天線單元通過多模光纖互相連接起來，分散的遠端天線單元直接與移動終端進行通信，中央處理單元集中處理信號，每一臺遠端天線單元成本較為低廉。在超寬帶室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)中，點對點通信結(jié)構(gòu)的終端用戶沒有直接進行通信，UWB芯片組數(shù)量大。為了解決這些問題，出現(xiàn)了帶有1×N耦合器的點對多點結(jié)構(gòu)和N×N的多點對多點耦合器，多點對多點的優(yōu)勢是光和無線設(shè)備之間通信可以通過單一UWB系統(tǒng)的物理層來控制。

2 光發(fā)射模塊。光發(fā)射模塊的作用是把微波信號轉(zhuǎn)換成光信號，由激光光源、溫度/功率控制模塊、外調(diào)器件和電路器件部分等構(gòu)成?？梢允褂玫恼{(diào)制方式有直接調(diào)制和外調(diào)制兩種，根據(jù)外調(diào)制的結(jié)果進行阻抗設(shè)計，滿足系統(tǒng)帶內(nèi)平坦型參數(shù)要求。

3 光接收模塊。接收模塊負責將光信號轉(zhuǎn)換成微波信號，主要包含光路自適應器件、檢測器、寬帶放大等部分。光探測器選擇要求是暗電流小、電容小而且具有高響應度。根據(jù)光探測器結(jié)果進行阻抗電路匹配設(shè)計，使得光電轉(zhuǎn)換率高，反射效率低，降低信號的非線性失真，增加輸出信噪比。

4 影響UWB系統(tǒng)中的器件選擇和參數(shù)。激光器件性能優(yōu)于發(fā)光二極管，但是成本高昂。垂直腔面發(fā)射激光器技術(shù)的發(fā)展解決了光源成本和性能的抉擇難題，它的優(yōu)勢是光譜窄、速度快、耦合效率高，可以滿足中距離室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)信號的傳輸。多模光纖與垂直腔面半導體激光器聯(lián)合起來可以提高耦合率，多模光纖的傳送波長性能選擇原則是在滿足系統(tǒng)指標要求時盡可能選擇短波長。簡單的PN光電二極管無法滿足ROF系統(tǒng)性能要求，APD的響應度較高，但是巨大的噪聲和非線性特性是無法規(guī)避的缺點，相較而言，PIN光電二極管的量子效率高、偏壓低以及不倍增等優(yōu)點十分適合使用在ROF系統(tǒng)中。光鏈路增益包括超寬帶信號輸入增益、電光轉(zhuǎn)換增益、光纖鏈路增益、光電轉(zhuǎn)化增益和超寬帶信號輸出增益。光纖受到的噪聲影響很小，光鏈路噪聲則主要來自熱噪聲、光電探測器散粒噪聲和強度噪聲。其中，熱噪聲是系統(tǒng)主要的噪聲來源。PIN接收機的信噪比為平均信號功率比上噪聲功率，正比于電功率和電流的平方比。

四 結(jié)語

無線通信技術(shù)的高速發(fā)展伴隨著人們對于無線通信速度和容量的愈來愈高的要求。無線通信與光纖通信技術(shù)的互補結(jié)合是未來通信技術(shù)的主流發(fā)展方向。ROF技術(shù)的成熟和元器件工藝的發(fā)展使得二者的結(jié)合成為可能。UWB技術(shù)的諸多優(yōu)勢使得其與ROF組合的UWB over fiber系統(tǒng)被引用在家庭網(wǎng)絡(luò)等場合。自身技術(shù)的進步和市場的推動是實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破的要點。