超宽带光载无线系统及其关键技术

为了满足日益增长的对高速数据、图像和多媒体业务的需求，宽带接入技术受到广泛的关注。目前，基于铜线的宽带接入技术(如不对称数字用户线(ADSL)、甚高速数字用户线(VDSL)等)已经接近其所能提供的最高速率。随之光载无线(RoF)概念被提出来，用来在光纤无线接入网络中提供固定和移动双重宽带业务接入。RoF技术不仅仅局限于现有微波波段，更高频率的毫米波段(30～300 GHz)以及超宽带无线信号(UWB)的应用更能体现出RoF技术的巨大潜力和优势。

RoF技术通过光纤链路在中心局(CO)和远端基站(BS)之间实现无线射频(RF)信号(包括毫米波段)的分发。RoF技术在简化远端基站的同时，也可以在中心局实现功能的集中、器件设备的共享以及频谱带宽资源的动态分配，从而大幅度降低整个宽带无线接入系统的成本。在传统的无线通信系统中，大部分射频信号处理功能是在基站中通过电信号处理器来完成，从而受到诸多成本和带宽的限制。RoF系统中功能集中化的配置和光电域的转换使得在中心局完成一些全光射频信号的处理功能成为可能，如光生毫米波、复杂码型的全光矢量调制(如正交幅度调制(QAM)、差分相移键控(DPSK)、UWB信号等)、全光频率变换或混频、微波光子滤波和频谱交叉复用等。与传统的电信号处理方法相比，全光射频信号处理的优势在于高带宽、低损耗、抗电磁干扰、可并行处理、高采样频率等。因此，研究超宽带无线信号(包括毫米波信号)的全光处理及光纤传输技术对于未来低成本、高性能商用超宽带光纤无线接入系统的设计与应用具有重要意义。上述关键技术的突破可以简化远端基站结构，降低系统传输成本并提高系统传输性能、频谱效率、覆盖区域和灵活性，实现超宽带毫米波无线接入与光传输技术的融合^[1-10]。

1 基于全光矢量调制技术的RoF系统

在电路上直接设计和制作高性能的毫米波信号发生器已经十分困难，在电路上实现对毫米波信号进行各种调制格式的高速数字调制则更加困难，因而研究光学毫米波高速数字矢量信号调制和解调器件有着十分重要的意义。本文提出一种全光矢量DPASK/QAM调制技术，并应用在RoF系统，系统结构框图如图1所示，光载波先经马赫-曾德调制器(MZM)调制射频时钟，此处MZM工作在推挽状态实现载波抑制双边带调制。梳状滤波器将载波抑制后的上下边带分别分开，使上下边带相向通过电光相位调制器(EOPM)。由于EOPM对方向敏感，于是不同方向的光信号所获得的相位偏移不同，这就使得正向通过的上边带的相位变化正比于EOPM上所调制的相位信号，而反向通过的下边带的相位偏移则正比于EOPM上所调制的电信号的平均功率。经两个光环行器后，上下边带被耦合器成一路再进行幅度信号的调制。在接收端经光电二极管差拍后可得到DPASK信号。若EOPM上所加电压为一定比例的相位信号与幅度信号之和时，则可产生圆QAM信号。当在光纤中传输时，为了抗色散，相位信号需要预先进行差分编码。

在图2中为了便于观察，相位信号为一个2 GHz的时钟信号。根据曲线的光滑性，由图2可见，上边带信号同时包含了相位与幅度信号，而下边带只含有幅度信号。

2 基于毫米波相移键控调制的全双工RoF系统

调制码型是光载无线系统的一项关键技术。用电光相位调制器直接产生调相的信号需要特殊的器件如马赫泽得干涉仪来解调。本文提出一种产生毫米波调相的方法，如图3所示，其中解调与调幅信号完全一样。马赫-曾德调制器偏置在传递函数最低点实现光载波抑制以产生两个边带。用梳状滤波器分离然后分别正向和反向通过电光相位调制器。由于电光相位调制器的正反两个方向调制效率有差异，当电光相位调制器受到外加数据信号的调制时，正向通过和反向通过的两个边带会有不同的相移，这个相移差会受到外加数据信号的调制。这两个边带耦合到一起进行光电转换后，产生的毫米波其相位就是两个边带间的相位差，因而产生的了调相的毫米波信号。

全双工是未来接入系统的趋势。结合以上产生毫米波调相的方法，本文提出简单可靠的全双工设计。此方案主要基于半反射的光纤光栅(反射率50%)。产生的毫米波调相信号两个边带其中一个的波长与半反射光栅的中心波长一致，透射光谱除了一个边带减小了3 dB以外基本没有变化，而反射光谱用环形器分离后即可作为上行信号光载波。通过一个低插损的强度调制器加载上行数据。这样便实现了无源基站的全双工操作。

3 多业务混合传送的RoF系统

毫米波光载无线系统由于其较高的载波频率从而能够提供吉比特速率的无线接入。这种技术兼有光纤高带宽透明传输和无线通信移动性和灵活性的