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一种基于光学倍乘法的新型毫米波RoF双向传输系统

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第13卷第4期 2007年8月 上海大学学报(自然科学版) JOURNAL OF SHANGHAI UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE) V01.13 No.4 Aug.2007 文章编号:1007.2861(2007)04.0352.05 一种基于光学倍乘法的新型毫米波 RoF双向传输系统 林如俭, 修明磊, 秦海琳 (上海大学通信与信息工程学院,上海200072) 摘要:该文提出一种基于光学倍乘法的毫米波Radio.on.Fiber(RoF)双向传输系统的新结构,在中心站用基带信号和 扫频正弦波的混和信号对光波进行相位调制,在基站将从中心站传输过来的光波分成两路,使其分别通过不同参 数的周期性光滤波器、光探测器和带通滤波器,从而在一条支路获得毫米波下行已调波,同时在另一条支路获得上 行链路所需要的参考本振.该系统结构具有最小化中心站、避免基站使用毫米波本地振荡器和光纤链路色散小的 优点. 关键词:双向传输系统;光学倍乘法;毫米波光纤载射频 中图分类号:TN 929.11 文献标识码:A Novel Bidirectional Transmission Configuration of Millimeter-Wave Radio-on-Fiber System Based on Optical Frequency Multiplication LIN Ru—jian,XIU Ming-lei, QIN Hai—lin (School of Communication and Information Engineering,Shanghai University,Shanghai 200072,China) Abstract:A bi-directional transmission configuration based on optical frequency multiplication is presented for imllimeter-wave radio-on—fiber systems.At CS,the phase of lightwave is modulated by sweeping sine wave together with basedata.At BS,the input lightwave is divided into two branches composed of periodic optical filter,photodiode and bandpass filter operating at different parameters with relative branch.A millimeter-wave signal modulated by basedata can be generated at one branch,while a reference millimeter-wave oscillator is produced at the other.The scheme Can minimize CS,does not need a millimeter-wave local oscillator at BS, nad Can depress link dispersion. Key words:bidirectional transmission system;optical frequency multiplying;millimeter-wave radio-on-fiber 最近几年射频光纤传输技术(Radio.on.Fiber, 宽日益增长的要求,射频光纤传输系统所用的射频 RoF)以其融合了光纤传输频带宽、损耗低、抗干扰 频率必然向着频谱的高端发展,如针对毫米波频段 强和无线通信覆盖灵活的优点,在宽带无线接入网、 的应用研究引起了广泛的关注 .如何解决毫米波 下一代移动通信、多媒体通信等研究领域成为一项 在光纤链路中的传输问题是毫米波光纤传输技术一 非常有吸引力的解决方案.为了适应终端用户对带 项重要的研究内容,它既包括了基站中下行链路的 收稿日期:2007.03.30基金项目:国家自然科学基金资助项目(60377024) 通信作者:林如俭(1939~),男,教授,博士生导师,研究方向为光纤通讯.E-mail:mjianlin@rip.sina.coln 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期 林如俭,等:~种基于光学倍乘法的新型毫米波RoF双向传输系统 353 毫米波下行已调波的产生和传输问题,也包括了基 在文献[7]中,我们对此作了修正和发展.本工作在此 站中上行链路的毫米波参考本振的获取问题. 前研究的基础上,提出了一种巧妙的参考本振产生方 纵观国际上针对毫米波光学生成方法的研究,大 法,从而在基站获得毫米波下行已调波的同时也获得 致可以分为3种方案:(1)光自外差技术 。 .为了获 上行链路所需要的参考本振. 得频谱纯净的相干光源并固定其频差,多采用锁相或 锁模激光器方案.这一类方法的缺点是在中心站需要 1 原理分析 特殊的激光器,非常昂贵.(2)外调制技术与光学上/ 系统构建框图如图1所示.在中心站发送端,将 下变频技术 .毫米波通过光强度调制器对单个激光 扫频正弦波振荡器产生频率为. 的扫频正弦波与 器的输出光波进行调制,造成边频光波分量,在光探 下行基带信号混合后,共同驱动LiNbO3相位调制 测器上差拍,就转成毫米波.这类方案必需高速外调 器,对半导体激光器输出的光波进行相位调制.中心 制器,若采用60 GHz的毫米波载波,目前尚没有这个 站最后输出的光波电场表示为 频段的商用外调制器.(3)光学倍乘技术 .运用正 E(t)=E exp[jo ̄ t+jflsino ̄ t+j7cg(t)],(1) 弦波调制光波相位产生扫频光波,采用周期性光滤波 式中,∞ 为光波的中心角频率,E 为光波电场振 器将相位变化的光波变成强度变化的光波,经光探测 幅,∞ 为扫描正弦波的角频率,g(t)是以不归零码 器后生成若干的毫米波谐波分量.光学倍乘法由荷兰 教授首次提出 ],但是其中的理论分析有错误之处, 表示的下行基带信号, 为调相指数. 菇 调彳日器 ⑩ l r_] 广 .\ Mach-Zehnder 光探测器带通滤波 V放大器 E弦波—+I+) 干涉器 I ⑩ 干-涉Z器h嗍n探测器 JI载波  大V放1 大器 …L= I :厂—— 厂一 、竺一,: 、 …… ……j 、 ….一 ,…一……… 图1 基于光学倍乘法的毫米波RoF双向传输系统框图 Fig・1 Configuration of millimeter-wave RoF bidirectional transimission system based-on OFM 基站接收端将接收到的光波分成两路,其中一 延差. 路是下行信号转发支路,获得携带基带信号的毫米 光探测器输出的光电流用贝塞尔函数展开,表 波已调波并发送出去,另一路是上行链路毫米波本 示为 振提取支路,用于为上行链路提供毫米波参考本振. id(t)= 两条支路的不同在于周期性光滤波器和带通滤波器 io+COS[∞ r眦+丁cg(t)一丁cg(t—r眦)]・ 的参数设计,假设基站中两条支路的周期性滤波器 都采用Mach—Zehnder光滤波器,接收到的光波电场 .,。(2 n )+2cos[ + f)_ 经过周期性光滤波器后可统一表示为 1 7cg(t—r )]∑(一1) .,: ・ E(t)=寺E。{exp[j ̄o t+jlfsino ̄ t+j7cg(t)]+ exp[jo ̄ (t—r )+jflsino ̄ (t—r )+ (2 n )cos2n z一 )】+ j7cg(t一2"mz)』}, (2) 2sin[∞。r眦+丁cg(t)一丁cg(t—r眦)]・ 式中,r 为Mach.Zehnder光滤波器两支臂的时 维普资讯 http://www.cqvip.com 354 上海大学学报(自然科学版) 第13卷 ( 2 n )・ 考本振支路的Mach—Zehnder滤波器FSR=10 GHz (r =0.1 as),带通滤波器的中心频率和带宽分别  GHz. (3) 为60和1cos(2尼+1) 一 ). 为了使获得的毫米波频率分量功率最大,令 ∞ r = 兀,以消除奇次谐波分量;同时令 sin ‘ —— ■一:: 1,’ 使贝塞尔函数取得最大值.经过滤波后的毫米波信 号表达式为 i (t)=cos[ ̄g(t)一丌g(t—r )]・ J2 (2p)cos(2/209 t). (4) 由式(4)可见,本来调制光波相位的基带信号g(t) 最终变成归零码g(t)一g(t—r :)调制毫米波载波 的幅度.脉冲的占空比与Mach—Zehnder光滤波器的 延时r 有关,如果"/'mz很小,那么信号的占空比就会 非常小(如图2(a)),信号能量会分散在很宽的频谱 范围内;而r 比较大时,信号的占空比会相对比较 大(如图2(b)),信号能量相对集中在低频部分.由 此可见,对于输出携带基带信号的毫米波已调波支 路,将Mach.Zehnder光滤波器的延时r 取较大的 值,滤波后基带信号的频谱则不会受到太大的影响; 对于提取毫米波参考本振的支路,将Mach.Zehnder 光滤波器的延时r 取较小的值,然后通过滤波器滤 除基带信号的频谱. 需要说明的是,普通的Mach—Zehnder干涉仪的 两路干涉臂时延差较小,而本方案中的Mach. Zehnder干涉仪两路干涉臂时延差r 较大,因而干 涉臂的长度差也较大,考虑到光的偏振特性,在具体 实现时通常采用保偏光纤耦合器和保偏光纤干涉臂 来制作所需要的Mach—Zehnder干涉仪,并采用温度 补偿电路进行控制和补偿,以控制因温度和应力的 变化而导致的r 的变化. 2 系统仿真 我们使用VPIphotonics光子仿真软件做系统仿 真,系统参数设置如下:中心站发送端,激光器工作 波长为1 550 nln,谱宽为10 MHz,功率为10 roW;扫 频正弦波频率 =5 GHz,调相指数 =6.3;基带信 号的速率为100 Mbit/s.在基站中,已调波支路的 Mach.Zehnde滤波器FSR=1 GHz(r =1 as),带通 滤波器的中心频率和带宽为分别为60和2 GHz;参 烈f) 图2(a) f 较小时基带信号波形 Fig.2(a)Baseband signal waveshape at lesser fm f) g(卜矗吐) g(f)一g( 图2(b) f 较大时基带信号波形 Fig.2(b)Baseband waveshape at biggish f 不同占空比脉冲的功率谱如图3所示,图3(a) 是不归零码的功率谱,可见信号的大致带宽是100 MHz;图3(b)是占空比为0.1的脉冲功率谱,可见信 号的带宽从100 MHz增加到1 GHz左右;图3(c)是 占空比为0.0l的脉冲功率谱,信号带宽超过1.5 GHz,信号的能量非常分散. 可见,当毫米波已调波支路中(r =1 aS)基带 信号的脉冲占空比为0.1时,经过滤波后基带信号 的频谱经本上能够被保留下来.而当参考本振支路 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期 林如俭,等:一种基于光学倍乘法的新型毫米波RoF双向传输系统 355 中(r =0.1 ns)信号的脉冲占空比为0.01时,所以 窄,但是只要合理设置判决电路和定时信号,噪声对 用滤波器就可以将基带信号的谱线基本滤除. 量 ∞ \ 锝 频率/GHz 图3(a) 不归零码频谱 Fig.3(a)Spectrum of NRZ data 一15 -25 兽一35 一45 E∞ 辫辞 一55 -65 -75 -85 频率/GHz 图3(b) 占空比0.1归零码频谱 Fig.3(b)Spectrum of RZ data 8t duty・ratio 0.1 —4 —8 —12 善一16 .2。 一24 —28 -32 0 1 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 l_3 1.5 频率/GHz 图3(C) 占空比O.O1归零码频谱 Fig.3(c)Spectrum of RZ data at duty-ratio 0.01 参考本振支路中光探测器输出的光电流频谱如 图4所示,其中60 GHz参考信号的功率大约为一24 dBm,由于脉冲占空比很低所以基带信号的功率很 小,基本上在一65 dBm以下.在毫米波已调波支路 中,光探测器输出光电流的频谱如图5所示,对应脉 冲占空比为0.1,可见基带信号的功率相对比较大 图6所示为经过相干解调后基带信号的波形和 眼图,可见脉冲占空比下降导致解调后的波形比较 基带信号的影响不大,仍然可以正确恢复数据信息. ● L  。-LI .■_ - f5lI 啊咖 W ,丽Ⅱ ‘_ 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 频率/GHz 图4参考本振支路60 GHz信号频谱 Fig.4 Spectrum of 60 GHz reference LO E∞ 斛辞 前 频率/GHz 图5已调波支路6o GHz已调波频谱 F .5 Spectrum of 60 GHz modulated signal 0.8 0.6 一、,  I ¨ JvJ ,一1『I『 0.4 一 名0.2 - 魁0 馨一0.2 -0.4 -0.6 40 80 120 140 160 180 200 时间/as 图6(a) 已调波支路基带信号波形 Fig.6(a) Waveshape of baseband signal at modulated branch 0.8 0 6 0.4 名0.2 趣0 肇一0.2 -0.4 -o 6 -0.8 V V 7 8 9 10l1 121314 15161718 19 20 21 时间/as 图6(b) 已调波支路基带信号眼图 Fig.6f b)Eye-digram of baseband slgn ̄at modulated branch 维普资讯 http://www.cqvip.com 356 上海大学学报(自然科学版) 第13卷 3 结 语 using two—mode locked fabry—perot slave lasers[J].IEEE Trnasactions on Microwave Theory and Techniques,2003,51 以上系统仿真结果与理论分析相符合,验证了 (2):382—391. 本文提出的基于光学倍乘法的毫米波RoF双向传输 [4] TANIGUCHI T.SAKURAI N.An optical/electrical two—step 系统的新结构.本系统方案的巧妙之处在于,在中心 heterodyne technique for wideband 60 GHz radio・-on-・ifber 站将基带信号与扫频信号混和调制光波相位,从而 access[c]//OFC,America.2004:FE1. [5] KURI T. KITAYAMA K I. OGAWA H. Fiber-optic 在基站同时获得毫米波已调波和参考本振信号,上 millimeter-wave uplink system incorporating remotely fed 60一 下行光纤链路中的光波相当于中频副载波调制,降 GHz—band optical pilot tone[J J.IEEE Trans Microwave 低了色散的影响. hTeory Tech,1999,47(7):1332—1337. [6] KOONEN T,NG’OMA A,SMULDERS P,et a1.In—house 参考文献: network using multimode polymer optical fiber for broadband DAVID W.Trends and prospects for radio over ifber picocells wireleSS services l C J//Phtonics Network Communications. [C]//Intenrational Topical Meeting on Microwave Photonics, Netherlnads:K1uwer Academic Publisher,2003,5(2):177— Japan.2002:21—24. 187. [2] KITAYAMA K I.Architectuml considerations of fiber-radio l7 J 修明磊,秦海琳,林如俭.毫米波射频光纤技术的探讨 millimeter-wave wireless access systems[J].Fiber and [C]//第六届中国光电通信论坛论文集,武汉.2006: Integrated Optics,2000(19):167—186. 2o3—218. [3] OGUSU M,INAQGAKI K,MIZUGUCHI Y,et a1.Carrier (编辑:陈海清) generation and data transmission on millimeter-wave bands (上接第351页) [3] 李先华,兰立波,黄雪樵,等.卫星数字图像的非均匀 image data[J].Computer Geoscience,1996,22(7):785— 大气修正[J].遥感技术与应用,1994,9(2):1-7. 793. [4] 李先华,池天河.遥感数据的地面反射率反演计算的 LI X H,LIU X F,CHENG A Y S,et a1.Atmospheric path 原理与方法[J].环境遥感,1993,8(4):306.314. radiation map generated from remote sensing distal image [5] 李先华,兰立波,黄雪樵,等.自然光辐射各分量卫星 based on heterogeneous surface reflectance[J].Geographic 遥感图像的计算机生成方法及原理[J].环境遥感, Information Sciences,2005,11(2):139—146. 1995,10(3):217—223. [9] BARTOLUCCI A,CHANG M,PAUL E A,et a1. [6] SONOYO M.Atmospheric correction of remote sensing Atmospheric effects on landsat TM thermal IR data lJ J. images of the ocean based on multiple scattering calculations IEEE Dransactions on Geoscience and Remote Sensing, [J].IEEE Drnasactions on Geoscience and Remote 1988,26(2):171—176. Sensing,1990,28(4):696—702. (编辑:赵 宇) [7] RUDOLF R.Atmospheric correction of DAIS hyperspectral 

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