毫米波RoF系统中频率转换和信号传输研究

摘要

RoF（Radio over Fiber）技术属于微波光电子学研究范畴，是用模拟光纤链路传输微波或毫米波信号。它结合了光通信技术和射频微波通信技术，在无线通信、智能交通、宽带无线接入网、军事领域等具有重要的应用。本论文研究了RoF系统的一些关键问题，如毫米波信号的全光产生、全光上下变频、RoF系统结构设计、信号传输以及在有线和无线信号传输中的应用。全文内容如下:
　　 (1)研究了一种基于高非线性色散位移光纤(HNL-DSF)中交叉相位调制(XPM)效应的全光频率上转换射频耦合到光纤（RoF）系统。数值计算结果表明:由于交叉相位调制引起的调制不稳定性，波长1.54μm、重复频率为40 GHz的泵浦光可使波长为1.56，载有速率为2.5 Gbit/s的非归零码作为下行链路数据的弱信号光光波分裂，μm产生与载波距离为40 GHz 且与载波相位差恒定的两个一阶调制边带。泵浦光脉宽，泵浦光功率和光纤长度对载波与边带功率差值有较大影响。仿真实验结果证实了以上原理，速率为2.5 Gbit/s的数据信号在高非线性色散位移光纤中被上转换到40 GHz 毫米波上。信号光功率为0 dBm时，得到的优化光纤长度为600m，泵浦光功率为17 dBm。
　　 (2)基于高非线性色散位移光纤中交叉相位调制效应，提出同步全光频率下转换技术，并被模拟证实。将其应用于波分复用(WDM)RoF系统，得到16 路无错同步全光频率下转换WDM RoF 上行链路信道。文中提出使用高非线性色散位移光纤实现全光同步频率下转换的构想，并给出了中心站，基站之间实现全光同步频率下转换的上行链路示意图，并对转换特性和传输性能进行了研究。经仿真证实16 路载有2.5 Gb/s振幅键控(ASK)数据44GHz WDM 光射频信号在高非线性色散位移光纤内基于交叉相位调制同步下转换到4 GHz。模拟结果显示WDM信号和单个信号性能相一致，不存在大的干涉。合适的本振功率在21 dBm和26 dBm之间。过大的本振功率会导致额外的非线性效应。载波与边带功率差值(CSD)独立于本振(LO)功率。优化的高非线性色散位移光纤长度在200m和300m之间。下转换信号带宽超过20 nm。结果显示系统在高数据率情况下有良好的转换性能，在较宽波长范围内不存在饱和限制和信道间干涉，是多个波长信道RoF系统有效解决方案(3)提出了一种新的RoF系统结构用以降低中心站和基站的成本，并提出多路全双工的概念。多路同步全双工方式共用一个中心站光源降低了系统的成本。在中心站利用基于高非线性光纤中交叉相位调制效应的频率转换技术和光滤波技术产生四倍于本振信号频率的DWDM 光生毫米波信号。下行链路中和毫米波一同传输的光载波分离出来后加载上行链路数据使得基站得以简化。使用该系统产生60GHz 光生毫米波信号，经单模光纤传输40 km后下行链路功率代价小于0.6 dB，而上行链路信号传输40 km后功率损失几乎可以忽略。系统成功地实现了速率为2.5 Gb/s的双向链路传输并具有产生更高频率DWDM 毫米波信号的能力。
　　 (4)提出一种新的在中心站使用单个光源的全双工光纤无线通信系统。该系统在中心站基于半导体光放大器(SOA)的交叉增益调制效应产生用于下行链路传输的40GHz 毫米波信号。下行链路的基带信号仅调制于一个光载波边带上，而上行链路数据在基站中调制于来自中心站的光载波并发射回中心站。另外在频率上转换过程中，由于不涉及基带数据信号在波长之间转换，避免了交叉增益调制时消光比严重退化问题，充分利用了这种调制方式的优点。在40 km的传输距离内，双向误码特性都没有基底，下行链路功率代价为3.5 dBm，上行链路功率代价小于0.5 dBm，成功地实现了速率为2.5 Gb/s的双向链路传输。系统在高射频波段和多信道全双工系统中有着重要的应用价值。
　　 (5)提出并展示了一种同步产生有线信号和无线信号光纤无线通信系统。该方案用相位调制器产生双边带调制信号。分离出上下边带和载波后，同时将2.5 Gb/s和10Gb/s 无线信号和有线信号通过常规强度调制器分别加于其中一个一阶边带和光载波上。理论分析了两种信号的传输特性，色散对毫米波信号的影响仅仅导致基带信号产生时延，没有出现上下边带都加载数据情况下的码间干扰。有线和无线信号成功地在单模光纤中同时传输50km 而功率代价不超过1 dBm。结果显示系统适合于远距离传输，能同时为固定和移动用户提供超宽带服务。