毫米波光載無線系統的結構優化

張　誠　陳章淵　胡薇薇

摘要：下一代接入網需要實現高帶寬和低成本的便攜性，基于寬帶光通信和無線接入的無縫融合的毫米波光載無線(ROF)通信技術被認為是一個很有前景的解決方案。但是由于其實現成本較高。需要對其系統結構進行相應優化。在毫米波光產生部分，光外差法可利用低頻信號源產生高頻的毫米波信號，同時采用對半導體激光器的注入鎖模可以提高其利用效率。在下行鏈路中，使用單邊帶調制可以提高光傳輸距離，而基于注入鎖模半導體激光器的單模調制(單邊帶調制)是一種較為簡單的方案；上行鏈路中，采用對于光外差信號的調制，可以實現上行毫米波信號的直接光學下變頻，從而簡化中心站接收機系統結構。在波分復用毫米波光載無線雙向系統中，利用上下鏈路的波長重用可以節省波長資源，提高系統使用效率。

關鍵詞：毫米波光載無線；上變頻；下變頻；波長重用；單模調制

近年來，由于無線通信的便攜性，移動通信在全球通信市場上發展迅速，并逐步占據了整個市場份額的一半以上。而隨著高速互聯網和高清電視等寬帶多媒體業務的推廣和發展，未來的無線通信將需要提供更大的通信帶寬，并保證每個用戶的低成本接入。在這樣的背景下，頻率高、潛在應用帶寬大的毫米波通信成為了一項很有競爭力的解決方案。參考文獻[1]中，60 GHz頻段由于是氧氣的吸收峰而倍受關注，它可以實現無線短距離、高帶寬的數據傳輸，并支持非常小的蜂窩結構。目前直接實現60 GHz無線通信由于器件成本的問題，難度較大，而如果將現有高帶寬的光纖通信技術和60 GHz毫米波通信技術相結合，在中心站和各個基站天線之間采用光纖連接，將復雜和昂貴的功能例如信號處理和路由等都放在中心站，則可大大降低整個系統的成本。于是，毫米波光載無線(RoF)通信技術應運而生。

一個典型的毫米波RoF通信系統主要由中心站、基站和用戶終端3個部分組成，如圖1所示。中心站與基站之間通過光纖連接，傳輸光信號；基站和用戶終端之間則為毫米波無線通信。中心站的主要功能是實現下行鏈路中的毫米波光產生、基帶信號的上變頻和上行鏈路信號的接收處理；基站的主要功能是實現光電信號轉換，發送下行信號，并將用戶上行電信號轉變成光信號回傳中心站。目前對于毫米波RoF通信系統結構優化的研究重點主要側重于中心站與基站之間的上下行光傳輸信號方面，具體的主要包括：毫米波光產生、下行信號上變頻、傳輸性能、上行信號下變頻、雙向鏈路波長重用等方面。

1毫米波光產生部分的結構優化

傳統的RoF通信系統對于微波的產生一般直接利用現有的射頻源，但是對于毫米波RoF系統來說，采用毫米波頻段的射頻源是相當昂貴的。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生毫米波信號，則可以大大降低系統成本。目前主流的毫米波光產生方法是采用光外差法，即利用低頻的射頻源生成一對間距為所需毫米波頻率的光相干縱模信號，通過將該信號接人光電二極管拍頻可實現毫米波的光產生，原理示意圖見圖2。

在光外差法的實現方面。目前主要方法是采用外調制器，其又有兩種具體的結構，分別采用雙臂鋰酸鈮強度調制器和相位調制器加光帶陷濾波器。

一種是采用雙臂鋰酸鈮強度調制器，合適地選擇調制器偏置點實現載波抑制調制，利用調制出的兩個一階邊帶實現相干光雙縱模，這樣就可以實現頻率加倍，從而使用30 GHz信號源產生60 GHz的信號，其原理見圖3(a)。

另一種是采用相位調制器加光帶陷濾波器，在調制器輸出的光譜中利用光帶陷濾波器將光載波濾除，剩余的兩個一階邊帶即可實現相干光雙縱模，其原理見圖3(b)。這種方法同樣實現了頻率加倍，不過結構較第一種復雜了些。

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

(1)FP激光器雙模注入鎖模實現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生的毫米波信號的質量，降低相位噪聲㈣。通過調整調制器的偏置點和FP激光器的偏置電流，可以實現了對于FP激光器的二階邊帶注入鎖模，從而利用15 GHz來產生60 GHz的毫米波信號。具體原理見圖4。獲得的相干光雙縱模信號和拍頻電譜見圖5。

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

(2)注入鎖模分布反饋式激光器四波混頻實現60 GHz毫米波

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

在這種方法下，通過直接調制或者間接調制實現注入的種子光，利用注入鎖定來增強所需要的模式。圖7(a)給出了相應的實驗裝置原理圖。圖7(h)比較了從DFB激光器的輸入光信號和輸出的FWM信號，對于輸入信號來說，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，長波長處的二階邊帶被放大了25 dB，同時被放大的還有注入鎖定的長波長的一階邊帶。圖7(c)是拍頻的60 GHz電信號，其在偏移100 kHz處的相位噪聲在-95 dBc／Hz以下，同時信號質量與參考的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生高質量的毫米波信號。

此外，更低頻率的參考源10GHz也可以被使用來實現60 GHz的毫米波信號，實驗結果表明其在偏移100kHz處的相位噪聲在-90 dBc／Hz以下，同時相比參考源只有lO dB的相位噪聲損傷。

2下行鏈路基帶信號光學上變頻部分及傳輸性能的結構優化

傳統的RoF系統中，由于直接采用了微波射頻源，其對下行基帶信號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利用外調制器調制到光載波上。而對于毫米波RoF系統，由于毫米波射頻源的昂貴，在毫米波產生部分已經采用光外差法，則在基帶信號上變頻方面需要進行相應的改動。

對于外調制器法，可以利用多加入一級光調制器來實現基帶信號的

上變頻。而在FP激光器雙模注入鎖模方式中，則可以利用對FP激光器的電流直接調制實現基帶信號的上變頻。

上述兩種基帶信號上變頻方法，最終實現的均是對光相十雙縱模的雙模調制，即兩個縱模上都帶有基帶信號。而在毫米波RoF通信系統中，光纖色散損傷(特別是1.55 um處)會對系統中光信號的作用距離加以限制。雖然相比傳統的光雙邊帶調制(DsB)，采用雙模調制對于傳輸距離的色散損傷限制要弱些，但仍不如傳統的光單邊帶調制(ssB)。

目前實現高頻的單邊帶調制或者類似的單縱模調制已有的方法有DSB調制加濾波法、光外差法分波后單獨調制一個縱模強注入鎖模DFB激光器的選擇性放大作用，其中文獻的方法需要DFB激光器有極高直調頻率響應。最近一種實現基于DFB激光器單模鎖模的、類似于SSB調制的單模調制新方法被提出，下行的基帶信號可以被主要調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。

具體的實驗裝置和實驗原理圖見圖8(a)所示，圖8(b)中給出了光信號傳輸22.2 km單模光纖后的接收到的毫米波功率隨基帶調制頻率的變化(測試的中心頻率為54 GHz，采用一階邊帶單模注入鎖模)，可以看到單模調制在對抗色散的影響方面較雙模調制有很大的優勢，雙模調制在基帶頻率為3 GHz處有一個很大的射頻功率衰落，而單模調制則變化不大。最后調制輸出的光譜見圖8(c)，而對比外調制法中加一級調制器上載基帶數據后的光譜圖如圖8(d)所示。從圖8(c)可以看到，由于注入鎖模效應，當改變從DFB激光器的電流時，被注入鎖定的模式(1 550.39 nm)調制度較大，而另外一個未注入鎖定的模式(1 550-82 nm)調制度較小，兩者相差22 dB以上。此外，基于60GHz毫米波的RoF單模調制2.5 Gb／s數據傳輸也進行了實驗，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，可實現無誤碼傳輸。而如果采用雙模調制，則無法獲得眼圖信號。

3上行鏈路中信號下變頻部分的優化

在傳統的RoF系統中，用戶終端接收到的微波信號轉換成基帶信號的一般做法是在基站或中心站利用混頻器在電域將其下變頻。而對于毫米波RoF系統，由于毫米波射頻源的昂貴，就需要對系統結構進行優化以節省成本。

一種優化手段是在基站利用高速電吸收調制器，通過對下行鏈路中空閑的、頻率間隔與毫米波頻率相同的光相干雙縱模信號的調制，然后直接檢測低頻基帶信號即可實現上行信號的下變頻。

另一個可行方法是利用注入鎖模DFB激光器來實現光下變頻。其實驗原理裝置圖見圖9(a)。目前已經有很多研究證明了在強注入鎖定下，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。同時本文前面也說明了雙模注入鎖模可以大大提升半導體激光器的頻率響應。在注入鎖模DFB激光器來實現光下變頻的實驗中，通過注入鎖模，DFB激光器的直調頻率響應從自由振蕩的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從中心站發送到基站并注入鎖定DFB激光器，同時將基站接收到的天線信號調制該DFB激光器，則注入縱模的調制后的邊帶將落在另一個縱模的基帶，由于兩個縱模是相干的，于是直接進行光濾波則可將中頻或者基帶信號獲得。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行毫米波信號的下變頻。

4波分復用毫米波RoF系統中的波K重用

在單路RoF系統(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不同的波長。但是實際應用環境下，由于毫米波信號短距作用的特性，需要部署大量的基站，這時如何降低基站的成本，同時適應波分復用(WDM)-RoF系統是設計中需要重視的問題。在光網絡中，波長是一個重要的資源，如果能實現波長的重復利用則將大大降低資源消耗，所以當前波分復用無源光網絡(WDM-PON)是光網絡中發展的重要趨勢。目前在毫米波RoF系統中實現WDM-PON有幾種可行方案。

中心站采用外調制法發送下行信號，同時保留光載波，下行基帶數據采用強度調制。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用調制器或者半導體光放大器調制上光作為上行信號上傳。

中心站采用外調制法實現光外差信號，下行基帶數據的上載方式采用DPSK相位調制。基站處，發送的下行數據可用1比特馬赫一曾德干涉儀解調，而對于上行的基帶數據則可利用鋰酸鈮調制器采用強度調制上光，中心站只需要進行強度檢測即可。

5結束語

由于在傳輸帶寬和無線接人方面的巨大優勢，毫米波RoF系統是下一代接入網的一個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現系統的“成本一資源”考慮，本文針對毫米波光產生、下行信號上變頻和傳輸性能、上行信號下變頻、雙向鏈路中的波長重用等方面進行了毫米波RoF系統結構優化方面的討論。相信隨著未來相應結構優化研究的深入，毫米波RoF系統的實用化將指日可待。