光载无线通信系统的传输限制与抑制方法

摘要：针对光载无线通信(RoF)系统的传输限制因素，文章提出并实验证明两种传输距离长性能高的RoF系统。一种是采用抑制奇数边带的基于外部调制的40 GHz的RoF系统；另一种是采用载波抑制(OCS)的外部调制的40 GHz光正交频分复用(OFDM) RoF系统。理论与实验证明这两个系统不仅抗色散能力强，而且可以实现远距离传输。

随着通信技术的不断发展，人们对语音、数据、图像、视频多媒体通信的需求越来越大，这样就需要更大的带宽来传输更多的信息，来满足人们的需求；此外，人们希望"不论何时，不论何地，不论何人"都可以使用网络资源。综合以上两种需求，光纤无线电通信系统(RoF)应运而生。RoF可以将两种优点结合，具有很大的技术优势，被认为是一种可以满足多媒体通信需求的最佳通信方式[1]。RoF系统通过合并无线电系统的各项功能于一个集中的数据收发器，让所有的基站连接到这个功能集中的中心站，来实现系统结构的简化。如果整个反馈网络都用低成本的光纤来搭建，利用光纤传输特有的低损耗和高带宽，那么整个系统的成本将大大降低。

目前，中国外有大量关于RoF系统的研究[2-9]，国际上基于40 GHz光毫米波的RoF系统的研究已趋于成熟。但RoF基站和用户端的连接(无线)只是处于实验研究阶段。受到光电器件的限制，40 GHz的毫米波系统实验上利用标准光纤传输可以传输40 km的距离。基于60 GHz光毫米波的RoF系统实验研究也不完善，关于60 GHz的毫米波系统的研究很少，做出60 GHz系统的只有日本，美国的少数几个实验室。

RoF系统由于色散、非线性等因素的影响使得传输距离受到限制。本文将介绍影响RoF系统传输的主要因素，提出两种增加系统传输距离的RoF实验系统，并分析其抵抗色散及非线性效应的性能。

1 抑制RoF系统传输的因素

RoF系统传输受限的主要原因有色散、光纤的非线性及串扰等因素。

(1)色散

在光通信中有多种形式的色散，最主要的有模间色散、偏振模色散(PMD)以及色散射。而模间色散一般发生在多模光纤中。本文这里只考虑单模光纤中的传输，而偏振模色散主要是由于光纤芯存在椭圆度，不同的偏振态会以不同的群速度传播。目前光通信正向着高速率高容量方向发展，所以PMD色散对高速率的系统来说，是一种严重的影响。目前在考虑单模光纤中色散对系统的影响，也就是色散射。它的产生是由于一个脉冲中不同的频率分量在光纤中以不同的群速度传播，并且以不同的时间到达到链路的另一端所引起的。色散会使系统性能衰退而且会造成码间时移现象。在RoF系统中，色散所引起的衰退现象表现在信号功率沿着光纤的传输发生周期性的变化(类似余弦信号波动)。码间时移会破坏信号质量使得信号的眼图随着光纤的传输而闭合。

(2)光纤非线性

当传输时光纤上的光功率很小的时候，光纤可以看作是线性的媒介，这样光纤的损耗和折射率与信号功率是无关的。但是当光纤中的功率很大的时候，这时非线性影响很大，就会对系统特别是高速系统产生更大影响。对于非线性，本文主要考虑两类：一类是受激布里渊散射(SBS)和受激拉曼散射(SRS)，这一类是由于二氧化硅介质中光波与声子相互作用形成了光纤介质中的散射效应；第二类是由于折射率与光功率的依赖性，主要包括四波混频(FWM)，自相位调制(SPM)和交叉相位调制(CPM)等。在RoF系统中可以通过控制入纤功率来降低第二类非线性。

(3)串扰

串扰是指其他信号对所需要信号的影响。在RoF双向系统中，当数据在单根光纤中沿两个方向传输，就会对系统有附加的串扰。还有由于器件的泄露而造成的信道内串扰都会抑制系统的传输。

2 两种通过增加传输距离改善RoF系统的方案

针对第1部分讨论的抑制RoF系统传输的因素，下面介绍两种改善系统性能，增加系统传输距离的方案。文献[10]分析通过外调制的方法，在单边带(SSB)、双边带(DSB)和载波抑制(OCS) 3种调制方式中，OCS抵抗色散能力最强。但是利用OCS方法产生的40 GHz的RoF系统所需要20 GHz的射频(RF)频率，因此本文提出仅采用10 GHz的RF信号产生40 GHz的RoF实验系统，抗色散能力强。最近几年，光通信朝着大容量长距离方向发展，因此色散的解决越显重要，2005年，光正交频分复用(OOFDM)技术作为一种新型的光传输技术被提出。应用OOFDM技术可以做到无色散补偿的高速光纤传输。2007年日本DKKI研究出可将52.5 Gb/s的OFDM信号无色散补偿地传输4 160 km[11]的系统。因此，如果将OFDM信号应用在RoF系统中，则将解决色散对系统的影响。下面本文提出了两种基于外调制的OFDM-RoF系统及实验结果。

2.1 基于抑制奇数边带的40 GHz的RoF全双工