平衡探測技術在RoF系統獲取高質量毫米波上的應用

劉海燕

毫米波通信是當前通訊研究的熱點，而結合了光纖通信和毫米波通信的光纖無線電（RoF）技術為毫米波的長距離傳輸提供了可能。但在RoF系統中，噪音的干擾會影響到毫米波通信的質量。為了保證通信質量，平衡探測技術被廣泛應用于RoF系統高質量毫米波的獲取。本文基于平衡探測原理，重點分析了平衡探測技術在RoF系統獲取高質量毫米波上的應用，結果表明應用平衡探測技術能夠有效獲取高質量的毫米波信號。

【關鍵詞】毫米波 RoF技術 平衡探測

毫米波通信因其具有頻率高、帶寬大的特點，已成為當前有著高傳輸速率和大帶寬需求的無線通信技術領域研究的熱點。然而，毫米波在傳輸過程中易受到環境的影響，在大氣中傳播過程中衰減嚴重，傳輸距離短。光纖無線電（Radio over Fiber， RoF）技術的出現為解決這一問題提供了可能。在RoF系統中，充分利用了光纖通信高質大容量傳輸和毫米波通信高頻無線接入的優勢，能夠很好地滿足用戶的需求，成為未來高速移動通信的候選方案之一。

在RoF系統中，要實現信號在光纖中的傳輸，毫米波信號的產生技術至關重要。目前，常用的毫米波信號產生的方法有直接調制、外部調制、頻率上轉換法以及光外差法等。這些方法都有各自的優點并適用于一定的條件，但要獲得高質量的毫米波信號，必須在RoF系統信號傳輸的過程中獲得兩束相干的光信號，為實現這一目標，需采用平衡探測的探測技術。本文基于平衡探測的基本原理，重點研究平衡探測技術在RoF系統獲取高質量毫米波上的應用。

1 平衡探測原理

平衡探測是近年來發展起來的相干光探測技術，它通過利用兩個光電探測器將由耦合器輸送來的兩束相干光信號經由減法器處理來減少本地振蕩器信號中的噪聲效應，再經由帶通濾波處理后即可得到毫米波信號，其基本原理如圖1所示。

由式（3）可以看出，經過平衡探測后的光電轉換信號中部分噪聲信號被抵消掉了。盡管采用的兩個光電探測器增加了其散粒噪聲，但平衡探測抵消掉的噪聲大于因增加光電探測器引入的散粒噪聲，因此于系統信噪比的提高仍有利。

由此可見，采用平衡光電探測器產生的毫米波信號與傳統的單光電探測器產生的毫米波信號相比，能夠有效的抑制激光器強度波動產生的過剩強度噪聲，利用這個優勢可以提高整個系統的信噪比。

2 平衡探測技術在RoF系統中的應用

應用于無線通信領域的RoF系統，結合了光纖通信遠距離傳輸和毫米波通信高平率、大帶寬的優點。RoF系統實現信號的傳輸是通過中心站對信號的交換、控制和再生后，由光纖傳輸給基站進行光電轉換，然后由基站通過無線電發射到用戶終端的一個過程。在這個過程中涉及到毫米波調制光波、光纖調制光波傳輸、毫米波與光波的分離調制、毫米波的產生等一些變換，由于受到設備和環境因素的影響，在這一系列變換過程中會對傳輸的信號引入噪聲，影響通信質量。因此，在毫米波通信中，獲得高質量的毫米波信號對通信的質量至關重要。目前，應用平衡探測技術是RoF系統獲得高質量毫米波的常用技術手段。

在RoF系統信號的傳輸過程中，常會存在相位噪聲和系統強度噪聲，對傳輸的信號造成影響。利用平衡探測將法布里-珀羅（F-P）濾波器濾出的兩束相干光進行檢測，得到的光電輸出電流信號為：

式（4）中i1（t）、i2（t）為系統噪聲。由此可見，平衡探測獲得的毫米波信號頻率為相干光信號的頻率差，這就極大的削弱了噪聲信號對傳輸的毫米波信號的影響，使得系統噪聲得到了極大的改善。稅奇軍等的仿真結果進一步證實，經平衡探測的信號在通過帶通濾波器輸出后的信號頻率為兩相干光的頻率差，抵消了噪聲的干擾，使得獲得毫米波信號的質量得到了提高。

對于RoF系統中的相位噪聲，黃瓊提出了一種基于相位調制的平衡探測方法。該方法采用相位調制器，將電信號調制到光波上，并通過布拉格光珊（FBG）將相位調制的信號轉換成強度調制的信號，然后通過探測器平衡探測，輸出得到的電流信號為：

該方法提高了信號的功率，使得增強的信號功率遠大于增加的噪聲功率，從而從整體上仍增加了整個RoF系統的性能。

在進行平衡探測與單管探測在獲取未被噪聲湮沒環境中的微弱信號性能上的對比時，發現在一致性系數較大（k>0.6）時平衡探測的信噪比要優于單管探測。在平衡探測器一致性系數較小的情況下， 單管和平衡探測的信噪比相差不大，但在一致性系數較大的情況下，平衡探測器一致性微小的變化會引起平衡探測器的信噪比巨大變化。

在毫米波產生的光外差方法中，通常的光外差系統只使用一個光電探測器，這樣系統中激光器的強度噪聲、光電器的散粒噪聲等就會對產生的毫米波信號造成影響，降低了其信噪比。為了降低系統的噪音，對光外差系統進行優化以降低激光器頻漂對毫米波信號傳輸的影響，同時采用平衡探測抵消噪聲強度，提高系統毫米波信號的特性，從而提高整個系統的信噪比，有利于毫米波信號在ROF系統中的長距離傳輸。

3 結束語

在毫米波通信中，RoF技術為其長距離提供了可能。但要保證毫米波通信的質量，RoF系統中高質量毫米波信號的獲取至關重要。基于平衡探測的探測技術，能夠有效地抑制RoF系統中的噪音信號，獲取高質量的毫米波信號，從而提高了系統的信噪比，保證了毫米波通信的長距離傳輸。

參考文獻

[1]王沁泉，陳福深.光學外差法產生微波信號特性的研究[J].半導體光電，2009，06：955-957.

作者單位

長沙醫學院 湖南省長沙市 410219