光纤无线系统中光毫米波的产生和全双工通信研究

摘要

光纤无线通信技术采用光纤链路来传输无线电信号，有机结合了光纤通信的超宽带、抗电磁干扰以及无线通信的高度灵活等优势，无疑将在未来宽带无线通信中扮演重要的角色。本文正是基于这样的一种考量，对光纤无线通信系统中毫米波信号的光学产生和传输、基于波长重用技术的无光源基站设计和全双工通信的实现展开了较全面的研究，主要内容包括： 第一，提出了一种采用单电极马赫—曾德尔调制器和马赫—曾德尔干涉型全光纤交错复用器产生光毫米波信号的新方案，建立了光毫米信号在色散光纤中传输的理论模型。分析了调制信号频率与光纤交错复用器的自由频谱范围不匹配问题。基于建立的模型，实验生成40GHz光毫米载波，并利用该毫米载波成功实现了2.5Gb/s基带数据信号的40km光纤传输。 第二，建立了基于光相位调制器和载波滤除技术的毫米波光纤链路模型，推导出了表示毫米波信号的简练通用解析式，该解析式能精确表示任意阶高次谐波信号。讨论了调制系数、色散光纤距离以及载波抑制功率等因素对毫米波信号以及各次谐波传输性能的影响。分析发现，小信号调制和高载波抑制功率产生的二次谐波能够有效克服光纤色散的影响。对这一结论进行了仿真和实验验证，采用20GHz本振信号生成了40GHz的光毫米波信号，该光毫米波经60km传输后的功率代价仅为2dB。 第三，研究了毫米波光纤链路中色散对基带信号码元波形的影响。揭示了利用光相位调制器产生双边带、载波抑制双边带光毫米波的光纤传输链路中，调制在直流信号、一次谐波和二次谐波上的基带数据信号的码元波形变化规律。为了克服色散导致的码元失真，我们提出了一种新的光毫米波产生及基带信号调制方案。该方案只采用载波抑制光毫米波的一个边带传输基带数据信号，通过该方案提高了毫米波信号的传输距离。最后通过仿真和实验验证了该方案的可行性。 第四，基于波长重用技术，提出并实验研究了两个新颖的全双工光纤无线通信方案，成功实现了40km传输距离、数据速率达2.5Gbit/s的双向通信。 第一个方案使用载波抑制光毫米波的一个边带传输下行数据，而另外一个边带传输至基站作为上行链路的光载波使用。该方案不仅产生了2倍于调制信号频率的毫米波信号，而且实现了上行链路的波长重用。由于采用一个边带调制下行基带信号，因此该方案还可以有效地克服光纤色散引起的基带信号码间干扰问题。第二个方案利用光学交错复用器分离单电极马赫—曾德尔调制器产生的双边带光信号的中心载波和上/下边带，利用上/下边带传输下行基带数据，而中心载波作为上行链路的光载波实现波长重用。该方案采用了双边带光信号中较高功率的中心载波作为上行链路的光载波，从而使光信号的全部功率都得到了合理利用。 第五，研究采用直接调制激光器产生和传输光毫米波信号。提出了采用直接调制激光器和外部调制器产生和传输载波抑制光毫米波信号的新方案。该方案充分利用了载波抑制光毫米波的抗色散性能和直接调制激光器的低成本优势。提出了一种基于单一直接调制激光器的全双工光纤无线通信方案。该方案在中心站采用本振信号与下行基带信号的混频信号驱动直接调制激光器产生双边带光信号，在基站将分离上/下边带拍频产生电毫米波信号，而中心载波作为上行链路的光载波重用。该方案不仅充分利用了光毫米波信号的全部功率，并且简化了光毫米波的产生配置。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第1章绪 论

1.1. 选题背景与意义

1.2. 光纤无线通信概述

1.2.1. 光纤无线系统的基本结构及特点

1.2.2. 光纤无线系统的应用

1.3. 光纤无线通信的关键技术及研究现状

1.3.1. 毫米波信号的光学产生和传输

1.3.2. 简单基站的设计

1.3.3. 色散的影响和抑制

1.4. 本论文的工作

第2章基于MZI型全光纤交错复用器的毫米波全光产生技术

2.1. 引言

2.2. MZI型全光纤交错复用器原理

2.3. 频率为调制频率偶数倍的毫米波信号的全光产生

2.3.1. 毫米波信号的全光产生原理

2.3.2. 色散光纤传输

2.3.3. 仿真实验及结果

2.3.4. 结论

2.4. 基于MZI型全光纤交错复用器产生载波抑制光毫米波

2.4.1. 产生机制

2.4.2. 调制信号频率与交错复用器自由频率范围的匹配问题

2.4.3. 实验装置和实验结果

2.5. 本章小结

第3章应用光相位调制器的毫米波光纤链路

3.1. 引言

3.2. 微波/毫米波电光相位调制和检测原理

3.3. 基于光相位调制器和滤波技术的毫米波光纤链路建模

3.3.1. 一般性模型的理论推导

3.3.2. 双边带光毫米波和载波抑制光毫米波

3.3.3. 小信号调制分析

3.4. 基于光相位调制器和载波滤除技术产生载波抑制光毫米波

3.4.1. 实验原理及性能分析

3.4.2. 实验装置与实验结果

3.5. 本章小结

第4章光纤色散影响光毫米波传输性能研究

4.1. 引言

4.2. 链路模型

4.3. 光纤色散影响传输性能分析

4.3.1. 直流信号

4.3.2. 一次谐波信号

4.3.3. 二次谐波信号

4.4. 一种有效克服码元退化的数据调制方案

4.4.1. 方案原理

4.4.2. 实验装置和实验结果

4.5. 本章小结

第5章基于波长重用技术的全双工光纤无线通信

5.1. 引言

5.2. 基于边带重用的全双工RoF系统

5.2.1. 实验原理

5.2.2. 实验装置和实验结果

5.3. 基于中心载波重用的全双工RoF系统

5.3.1. 实验原理

5.3.2. 实验装置和实验结果

5.4. 本章小结

第6章基于直接调制激光器的光毫米波产生技术

6.1. 引言

6.2. 基于直接调制激光器和外部调制器产生和传输光毫米波

6.2.1. 实验原理

6.2.2. 实验装置和实验结果

6.3. 基于单一直接调制激光器产生光毫米波的全双工RoF系统

6.3.1. 实验原理

6.3.2. 实验装置和实验结果

6.3.3. 下行信号对上行信号的码间串扰

6.3.4. 频率啁啾影响毫米波信号传输性能的分析

6.4. 本章小结

总结和展望

参考文献

致谢

附录A攻读博士学位期间发表的学术论文