光载无线通信ROF-姜希振

3.1.3 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。

3.1.4 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。

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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λ收区)，激光器LD2发送上行光波(波长λ外调制器(EAM)调制到下行光载波λ

2从处在

1处在

EAT的吸

EAT的过渡带)。已调毫米波副载波通过

然后下行光波λ1与上行光载波λ2混合，通过光1上，

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。

3.2 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。

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3.2.1 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）是将两种或多种不同的光载波信号在发送端经复用器(或称合波器) 汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中传输；在接收端经分波器(或称解复用器) 将各种波长的光载波分离后由光接收机作相应的处理而恢复原信号。WDM的优点是在不增建光缆线路或不改建原有光缆的基础上，扩大了光纤的传输容量；系统基本使用无源器件，结构简单，体积小，可靠性高，易于光纤耦合，成本低；同时可以在同一光纤里实现双向通信。目前，蜂窝状无线接入网也多采用这种复用技术。如果将WDM系统中调制光载波的基带电信号换成射频信号，这就是副载波复用技术。

光副载波复用（SCM）是将所要传输的信号先用于调制一个射频（超短波到微波的频率）载波，再用射频信号调制发射光源。在接收端经光电转换后恢复带有信号的射频波，再通过射频波检测还原成原信号。SCM系统不需要实现时钟同步和快速抽样等功能，结构简单，成本较低。虽然SCM也存在对系统非线性性能要求高等缺点，但仍旧被认为是在目前的研究和生产中实现ROF系统的首选复用技术。

另外还有一种处于研究阶段的光码分复用（CDM）技术。它的复用策略是给每路信号分配一个唯一的光正交码的码字作为该信号的地址码。在发送端，对要传输的数据该地址码进行光正交编码，然后实现信道复用；在接收端，用与发端相同的地址码进行光正交解码。它的亮点是能够增强系统的保密性和灵活性。但由于技术方面的原因，CDM并不成熟，距离实用化还有一段路要走。

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3.2.2 信号源的设计

从狭义的角度看，信号源由用于生成光信号的模块组成，它的主要功能是产生适合光纤链路传输的光信号；广义的看，所有用于生成适合BTS发送的RF信号的模块共同组成了信号源，即整个ROF系统是一个广义信号源。因此，信号源的设计，重点是回答好两个问题：如何产生高质量的光信号；如何产生合适的RF信号。产生光信号，无一例外的需要调制，即使是通过光收发机生成的光信号，其根本也是一个调制的过程。调制后光信号的带宽、啁啾等性质，将直接对通信系统的性能产生影响。目前，光载波调制分为直接调制和间接调制，下面给出了这两种调制方式并分析了他们的优缺点以及应用背景。

● 直接调制

优点：结构简单，成本低廉。 缺点：非线性强，受光源性能影响大。 应用背景：短距离，低副载波频率传输。 ● 间接调制

优点：线性度好，受光源性能影响小调制频率高。 缺点：元件多，成本高，插入损耗大。 应用背景：长距离，高副载波频率传输。

比较可以看出，间接调制更适用于60GHz的ROF系统。同时，在某些不需要极高带宽的环境下进行微区内的通信，则可以在保证带宽够用的前提下选用较低的副载波，采用直接调制技术系统的降低成本。

由上面的分析可知，回答“如何产生光信号”等同于根据系统应用条件选择一种光调制方式。相比之下，回答“如何产生合适的RF信号”比较复杂。目前，主流的RF信号产生技术是光外差和调制。需要提前说明的是，以下我们将针对如何产生包含有效信息的RF频段信号进行讨论，而并不是特指产生适合BTS发射的RF信号。光外差法主要思路是利用两路光（其频差是需要的RF信号频率）混频得到RF信号。

两束差频光可以分别由两个激光器产生，或者由一个多模激光器，难点是同步两个差频光源的相位，即消除二者的相位噪声。为了达到这一目的，人们使用了各种相位锁定和模式锁定以及二者结合的方式（OPLL,OIL,OIPLL）。在应用过程中，一个成熟的上述光源是相当昂贵的。

采用光外差法只能在BTS内通过混频生成RF信号。而采用调制技术，在CS和BTS

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