超寬帶光載無(wú)線系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)

徐　坤　殷　杰　李建強(qiáng)

摘要：基于微波光子技術(shù)的超寬帶光載無(wú)線(RoF)系統(tǒng)是未來(lái)低成本、高性能超寬帶無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)的重要解決方案，前人已有許多研究成果。基于已有研究成果，文章設(shè)計(jì)了基于全光矢量調(diào)制技術(shù)的光載無(wú)線(RoF)系統(tǒng)，使信號(hào)的頻譜效率進(jìn)一步提高；基于毫米波相移鍵控調(diào)制的全雙工光載無(wú)線系統(tǒng)，可以大大簡(jiǎn)化基站的結(jié)構(gòu)和光纖的鋪設(shè)；多業(yè)務(wù)混合傳送的光載無(wú)線系統(tǒng)?？梢酝瑫r(shí)承載有線和多個(gè)無(wú)線信號(hào)的業(yè)務(wù)。文章還展示了一種基于RoF的高清視頻傳輸平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：光載無(wú)線系統(tǒng)；超寬帶無(wú)線通信；光纖通信；微波光子；光無(wú)線覆蓋

為了滿足日益增長(zhǎng)的對(duì)高速數(shù)據(jù)、圖像和多媒體業(yè)務(wù)的需求，寬帶接入技術(shù)受到廣泛的關(guān)注。目前，基于銅線的寬帶接入技術(shù)(如不對(duì)稱數(shù)字用戶線(ADSL)、甚高速數(shù)字用戶線(vDSL)等)已經(jīng)接近其所能提供的最高速率。隨之光載無(wú)線(RoF)概念被提出來(lái)，用來(lái)在光纖無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)中提供固定和移動(dòng)雙重寬帶業(yè)務(wù)接入。RoF技術(shù)不僅僅局限于現(xiàn)有微波波段，更高頻率的毫米波段(30。300 GHz)以及超寬帶無(wú)線信號(hào)(uWB)的應(yīng)用更能體現(xiàn)出RoF技術(shù)的巨大潛力和優(yōu)勢(shì)。

RoF技術(shù)通過(guò)光纖鏈路在中心局(cO)和遠(yuǎn)端基站(Bs)之間實(shí)現(xiàn)無(wú)線射頻(RF)信號(hào)(包括毫米波段)的分發(fā)。RoF技術(shù)在簡(jiǎn)化遠(yuǎn)端基站的同時(shí)。也可以在中心局實(shí)現(xiàn)功能的集中、器件設(shè)備的共享以及頻譜帶寬資源的動(dòng)態(tài)分配，從而大幅度降低整個(gè)寬帶無(wú)線接人系統(tǒng)的成本。在傳統(tǒng)的無(wú)線通信系統(tǒng)中，大部分射頻信號(hào)處理功能是在基站中通過(guò)電信號(hào)處理器來(lái)完成，從而受到諸多成本和帶寬的限制。RoF系統(tǒng)中功能集中化的配置和光電域的轉(zhuǎn)換使得在中心局完成一些全光射頻信號(hào)的處理功能成為可能，如光生毫米波、復(fù)雜碼型的全光矢量調(diào)制(如正交幅度調(diào)制(QAM)、差分相移鍵控(DPSK)、UWB信號(hào)等)、全光頻率變換或混頻、微波光子濾波和頻譜交叉復(fù)用等。與傳統(tǒng)的電信號(hào)處理方法相比，全光射頻信號(hào)處理的優(yōu)勢(shì)在于高帶寬、低損耗、抗電磁干擾、可并行處理、高采樣頻率等。因此，研究超寬帶無(wú)線信號(hào)(包括毫米波信號(hào))的全光處理及光纖傳輸技術(shù)對(duì)于未來(lái)低成本、高性能商用超寬帶光纖無(wú)線接人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用具有重要意義。上述關(guān)鍵技術(shù)的突破可以簡(jiǎn)化遠(yuǎn)端基站結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)傳輸成本并提高系統(tǒng)傳輸性能、頻譜效率、覆蓋區(qū)域和靈活性，實(shí)現(xiàn)超寬帶毫米波無(wú)線接入與光傳輸技術(shù)的融合。

1基于全光矢量調(diào)制技術(shù)的RoF系統(tǒng)

在電路上直接設(shè)計(jì)和制作高性能的毫米波信號(hào)發(fā)生器已經(jīng)十分困難，在電路上實(shí)現(xiàn)對(duì)毫米波信號(hào)進(jìn)行各種調(diào)制格式的高速數(shù)字調(diào)制則更加困難，因而研究光學(xué)毫米波高速數(shù)字矢量信號(hào)調(diào)制和解調(diào)器件有著十分重要的意義。本文提出一種全光矢量DPASK／QAM調(diào)制技術(shù)，并應(yīng)用在RoF系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，光載波先經(jīng)馬赫一曾德調(diào)制器(MZM)調(diào)制射頻時(shí)鐘，此處MZM工作在推挽狀態(tài)實(shí)現(xiàn)載波抑制雙邊帶調(diào)制。梳狀濾波器將載波抑制后的上下邊帶分別分開，使上下邊帶相向通過(guò)電光相位調(diào)制器(EOPM)。由于EOPM對(duì)方向敏感，于是不同方向的光信號(hào)所獲得的相位偏移不同，這就使得正向通過(guò)的上邊帶的相位變化正比于EOPM上所調(diào)制的相位信號(hào)，而反向通過(guò)的下邊帶的相位偏移則正比于EOPM上所調(diào)制的電信號(hào)的平均功率。經(jīng)兩個(gè)光環(huán)行器后，上下邊帶被耦合器成一路再進(jìn)行幅度信號(hào)的調(diào)制。在接收端經(jīng)光電二極管差拍后可得到DPASK信號(hào)。若EOPM上所加電壓為一定比例的相位信號(hào)與幅度信號(hào)之和時(shí)，則可產(chǎn)生圓QAM信號(hào)。當(dāng)在光纖中傳輸時(shí)，為了抗色散，相位信號(hào)需要預(yù)先進(jìn)行差分編碼。

在圖2中為了便于觀察，相位信號(hào)為一個(gè)2 GHz的時(shí)鐘信號(hào)。根據(jù)曲線的光滑性，由圖2可見，上邊帶信號(hào)同時(shí)包含了相位與幅度信號(hào)，而下邊帶只含有幅度信號(hào)。

2基于毫米波相移鍵控調(diào)制的全雙工ROF系統(tǒng)

調(diào)制碼型是光載無(wú)線系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。用電光相位調(diào)制器直接產(chǎn)生調(diào)相的信號(hào)需要特殊的器件如馬赫澤得干涉儀來(lái)解調(diào)。本文提出一種產(chǎn)生毫米波調(diào)相的方法，如圖3所示，其中解調(diào)與調(diào)幅信號(hào)完全一樣。馬赫一曾德調(diào)制器偏置在傳遞函數(shù)最低點(diǎn)實(shí)現(xiàn)光載波抑制以產(chǎn)生兩個(gè)邊帶。用梳狀濾波器分離然后分別正向和反向通過(guò)電光相位調(diào)制器。由于電光相位調(diào)制器的正反兩個(gè)方向調(diào)制效率有差異，當(dāng)電光相位調(diào)制器受到外加數(shù)據(jù)信號(hào)的調(diào)制時(shí)。正向通過(guò)和反向通過(guò)的兩個(gè)邊帶會(huì)有不同的相移，這個(gè)相移差會(huì)受到外加數(shù)據(jù)信號(hào)的調(diào)制。這兩個(gè)邊帶耦合到一起進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生的毫米波其相位就是兩個(gè)邊帶間的相位差，因而產(chǎn)生的了調(diào)相的毫米波信號(hào)。

全雙工是未來(lái)接入系統(tǒng)的趨勢(shì)。結(jié)合以上產(chǎn)生毫米波調(diào)相的方法，本文提出簡(jiǎn)單可靠的全雙工設(shè)計(jì)。此方案主要基于半反射的光纖光柵(反射率50％)。產(chǎn)生的毫米波調(diào)相信號(hào)兩個(gè)邊帶其中一個(gè)的波長(zhǎng)與半反射光柵的中心波長(zhǎng)一致，透射光譜除了一個(gè)邊帶減小了3 dB以外基本沒(méi)有變化，而反射光譜用環(huán)形器分離后即可作為上行信號(hào)光載波。通過(guò)一個(gè)低插損的強(qiáng)度調(diào)制器加載上行數(shù)據(jù)。這樣便實(shí)現(xiàn)了無(wú)源基站的全雙工操作。

3多業(yè)務(wù)混合傳送的ROF系統(tǒng)

毫米波光載無(wú)線系統(tǒng)由于其較高的載波頻率從而能夠提供吉比特速率的無(wú)線接人。這種技術(shù)兼有光纖高帶寬透明傳輸和無(wú)線通信移動(dòng)性和靈活性的特點(diǎn)而倍受關(guān)注。由于用戶需求和業(yè)務(wù)的多樣性，未來(lái)的寬帶接入系統(tǒng)要求能同時(shí)提供多種接入方式，包括固定有線接人和寬帶無(wú)線接人。這就要求光載無(wú)線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也要力求能夠同時(shí)承載多種不同的業(yè)務(wù)。基于這種趨勢(shì)，本文提出了一種能夠在一根光纖中同時(shí)傳輸3種不同業(yè)務(wù)，包括毫米波、微波和有線接入的光載無(wú)線系統(tǒng)?；驹砣鐖D4所示。

在中心局，一方面，光源提供的光載波一分為二，一部分直接加載數(shù)據(jù)信號(hào)作為有線接入的光載波，另一部分采用副載波調(diào)制用來(lái)承載無(wú)線業(yè)務(wù)，然后分別調(diào)節(jié)兩路信號(hào)的偏振方向至正交狀態(tài)。采用偏分復(fù)用的方式復(fù)用到一根光纖中傳輸。由于兩個(gè)正交的偏振態(tài)獨(dú)立傳輸互不影響，在用戶接收端，將兩個(gè)正交的偏振態(tài)分離，分別用來(lái)提供有線接入和無(wú)線接入。另一方面，用來(lái)承載無(wú)線業(yè)務(wù)的光載波經(jīng)過(guò)馬赫一曾德調(diào)制器上變頻，馬赫一曾德調(diào)制器偏置在傳輸函數(shù)最低點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)光載波抑制，并將驅(qū)動(dòng)的微波信號(hào)放大至合適值，利用調(diào)制器的非線性產(chǎn)生高階邊帶，其中五階和五階以上的邊帶可以忽略，而正負(fù)一階和三階邊帶用梳狀濾波器分開，一路光僅含正負(fù)一階邊帶，另一路僅含正負(fù)三階邊帶，這樣便產(chǎn)生了重復(fù)頻率為本振的二倍和六倍的光生微波及毫米波信號(hào)。它們分別可以用來(lái)承載不同速率的接入業(yè)務(wù)。然后

耦合至同一光纖中傳輸，在基站處再用梳狀濾波器將其分開。其中六倍頻的光生毫米波可以用來(lái)提供高速的無(wú)線業(yè)務(wù)，但由于毫米波在空氣中的衰減其覆蓋范圍受限，二倍頻的光生微波可以用來(lái)提供較低速率的無(wú)線業(yè)務(wù)，但其覆蓋范圍較廣，可以用來(lái)覆蓋毫米波接人的盲區(qū)，從而彌補(bǔ)其不足。

在基站需要將3種業(yè)務(wù)分離，分別傳遞給不同用戶。首先用偏振分束器可以將傳輸有線業(yè)務(wù)的基帶信號(hào)分離出來(lái)，直接提供給固定用戶。然后用梳狀濾波器將承載兩種不同頻段的無(wú)線業(yè)務(wù)的光毫米波和微波分離，分別用于無(wú)線接入。

在實(shí)驗(yàn)中，5.8 GHz的微波驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)帶寬為10 GHz的光電調(diào)制器和25／50 GHz的光梳狀濾波器，全光產(chǎn)生11.2 GHz的微波信號(hào)和34.8 GHz的毫米波信號(hào)，并在34.8 GHz毫米波上成功演示了1.25 Gb／s高速數(shù)據(jù)的光纖和無(wú)線傳輸。其中，光毫米波信號(hào)在光纖中傳輸25 km，功率代價(jià)小于1.5 dB。毫米波信號(hào)在空氣中傳輸2m，功率代價(jià)小于2 dB。

4高清電視業(yè)務(wù)傳輸平臺(tái)的展示

由于RoF系統(tǒng)的傳輸帶寬很寬?？梢詡魉透哌_(dá)2.5 Gb／s的無(wú)線數(shù)據(jù)，因此完全可以實(shí)現(xiàn)無(wú)壓縮高清電視的光纖傳輸和無(wú)線接入。系統(tǒng)框圖如圖5所示，該系統(tǒng)采用家用高清DVD節(jié)目源，通過(guò)對(duì)VGA端口輸出的RGB信號(hào)采樣，獲得1.1 Gb／s的并行信號(hào)。該信號(hào)按照一定的格式編碼，并通過(guò)同步的并串轉(zhuǎn)換和8B／10B轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生便于光纖傳輸和恢復(fù)時(shí)鐘的1.3 Gb／s串行信號(hào)。將該電信號(hào)放大后調(diào)制到第一級(jí)的MZM調(diào)制器上，得到的光信號(hào)再經(jīng)過(guò)一級(jí)MZM調(diào)制器，在該調(diào)制器上使用微波源輸出的16 GHz的射頻載波，通過(guò)載波抑制歸零碼(CSRZ)的調(diào)制格式在光上實(shí)現(xiàn)二倍頻，實(shí)現(xiàn)了32 GHz光載波的加載。經(jīng)過(guò)光纖傳輸之后，進(jìn)入光電探測(cè)器中檢測(cè)，輸出的帶32 GHz載波的毫米波射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)30 dB的Ka波段放大器放大后驅(qū)動(dòng)角錐天線發(fā)射，角錐天線的增益為12 dBi。在接收端有一個(gè)同樣的角錐天線，接收到射頻信號(hào)再經(jīng)過(guò)低噪聲放大、混頻和低通濾波后，恢復(fù)出原始的高清電視信號(hào)。

由于經(jīng)過(guò)多次調(diào)制和無(wú)線傳輸，信號(hào)產(chǎn)生了一定的抖動(dòng)和重疊，將該信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)頻率可自適應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)器，使信號(hào)得到定時(shí)再生和放大，經(jīng)過(guò)和上述流程相反的格式轉(zhuǎn)換和串并轉(zhuǎn)換，恢復(fù)成原來(lái)的RGB信號(hào)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明經(jīng)RoF鏈路傳輸?shù)男盘?hào)穩(wěn)定、清晰，與不經(jīng)過(guò)光鏈路的高清電視相比幾乎沒(méi)有差別，誤碼率達(dá)10以下。

高清電視業(yè)務(wù)傳輸系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用前景如下：

·采用通信中未使用的30 GHz左右的毫米波頻段頻率能夠避開現(xiàn)有的十分緊張的低端無(wú)線頻率資源。由于該頻段衰減較大，適合短距離傳送信號(hào)，對(duì)遠(yuǎn)距離同頻信號(hào)干擾小。

·傳輸帶寬大，在30 GHz附近有6—7 GHz的帶寬適用于傳輸信號(hào)，由于可用帶寬高，可以使用較為簡(jiǎn)單的調(diào)制方法，且有傳送更高速率信號(hào)的潛力。

·隨著高清電視節(jié)目的普及，越來(lái)越多的視頻信號(hào)采用高清的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行采集。采用該方案可以很方便地將前方高清攝像機(jī)拍攝的視頻信號(hào)傳回后方處理，在家庭環(huán)境中可以靈活方便的播放高清，甚至未來(lái)的超高清電視節(jié)目。

5結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)基于全光矢量調(diào)制技術(shù)的光載無(wú)線系統(tǒng)、基于毫米波相移鍵控調(diào)制的全雙工光載無(wú)線系統(tǒng)、多業(yè)務(wù)混合傳送的光載無(wú)線系統(tǒng)和基于光載無(wú)線系統(tǒng)的高清電視業(yè)務(wù)傳輸平臺(tái)進(jìn)行了介紹和分析，上述方案可簡(jiǎn)化遠(yuǎn)端基站結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)傳輸成本并提高系統(tǒng)傳輸性能、頻譜效率、覆蓋區(qū)域和靈活性，實(shí)現(xiàn)超寬帶毫米波無(wú)線接入與光傳輸技術(shù)的融合。