單信道多業(yè)務(wù)光載無線系統(tǒng)研究

潘 武，李 柚，雷 達，尹怡輝

（重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶 400065）

光載無線（Radio Over Fiber，ROF）技術(shù)結(jié)合了光纖通信技術(shù)和無線通信技術(shù)，利用了光纖的大容量、低損耗、抗電磁干擾等特點，使用高頻毫米波作為擴大無線通信帶寬的工具，極大地提高了無線通信帶寬和接入的靈活性，和第四代移動通信（4G）及長期演進（LTE）等技術(shù)一并成為人們研究的熱點［1－3］。目前，在多業(yè)務(wù)ROF系統(tǒng)的研究中，基于波分復(fù)用的光載無線（WDM－ROF）系統(tǒng)備受人們關(guān)注［4－5］，WDM－ROF 系統(tǒng)對不同信道的業(yè)務(wù)信號進行復(fù)用，增加了系統(tǒng)的可重構(gòu)性和靈活性，提高了多業(yè)務(wù)系統(tǒng)的傳輸效率。但是，WDM－ROF系統(tǒng)使用的多信道復(fù)用技術(shù)，一定程度上增加了信道間干擾，沒有充分利用信道的帶寬，在多業(yè)務(wù)的復(fù)用過程中，往往需要較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和器件，增加了系統(tǒng)的成本，因此，單信道多業(yè)務(wù)ROF系統(tǒng)的研究對提高系統(tǒng)性能有著重要的作用。

本文設(shè)計和仿真實現(xiàn)了基于外調(diào)制技術(shù)的單信道多業(yè)務(wù)ROF系統(tǒng)，系統(tǒng)使用20 GHz本地振蕩信號，通過雙臂馬赫曾德外調(diào)制器（MZM）獲得雙邊帶調(diào)制（DSB），利用光纖布拉格光柵（FBG）分離出兩個邊帶和載波，從中選取不同的組合進行強度調(diào)制不同速率業(yè)務(wù)便可以獲得不同的傳輸方案。此方案實現(xiàn)了在ROF系統(tǒng)單一信道中同時傳輸不同速率的業(yè)務(wù)信號，提高了系統(tǒng)對單一信道帶寬的利用率，增強系統(tǒng)在應(yīng)用中的靈活性，滿足無線通信對高速率、高帶寬和可重構(gòu)性系統(tǒng)的要求。

1 系統(tǒng)工作原理

單信道多業(yè)務(wù)ROF系統(tǒng)工作原理如圖1所示，在毫米波生成方面，使用雙臂馬赫曾德調(diào)制器獲得雙邊帶調(diào)制方式，其原理如下。

圖1 單信道多業(yè)務(wù)ROF系統(tǒng)工作原理圖

馬赫曾德調(diào)制器輸出光場為

式中:ωRF為射頻驅(qū)動信號V（t）=Vmcos（ωRFt）的頻率，γ=（Vdc/Vπ），Vdc為上下兩臂偏置電壓之差，Vπ為調(diào)制器半波電壓，α=（Vm/Vπ）是歸一化幅度。調(diào)整MZM上下臂的相位差，使下臂的信號受到θ=π的相位延遲，設(shè)定兩臂偏壓差為Vπ/2，即可實現(xiàn)雙邊帶調(diào)制方式，此時化簡式（1）的輸出光場貝塞爾函數(shù)展開式得

J0（.）和J1（.）分別為零階和一階貝塞爾函數(shù)。對式 （2）進行傅里葉變換后，得到光功率譜

從式 （3）中可以發(fā)現(xiàn)，零階和一階貝塞爾函數(shù)對應(yīng)光載波和一階邊帶，二階及以上邊帶由于功率太低而忽略。此時，分離左右邊帶和載波，選擇不同的組合進行強度調(diào)制，就可以獲得兩種方案的單信道多業(yè)務(wù)ROF系統(tǒng)。設(shè)不同速率業(yè)務(wù)的信號分別為A1（t）和A2（t），則強度調(diào)制后

式中:S1（ω）=F（A1（t））和S2（ω）=F（A2（t））分別為A1和A2的傅里葉變換。

采用以上原理，在中心站使用20 GHz的本振信號驅(qū)動MZM，獲得DSB調(diào)制方式，使用兩個FBG分離邊帶和載波，選擇不同方案進行強度調(diào)制不同速率的業(yè)務(wù)，通過光纖傳輸?shù)交竞?，分?路信號，經(jīng)過可諧調(diào)光濾波器濾除加載不同業(yè)務(wù)的部分后，進行光電二極管（PIN）檢測，便可獲得毫米波信號，在接收機端進行信號下變頻就可以得到所需的基帶信號。

2 系統(tǒng)實驗仿真和結(jié)果分析

從式 （4）可以發(fā)現(xiàn)，方案一是通過在雙邊帶調(diào)制的兩個邊帶上分別加載不同速率業(yè)務(wù)來實現(xiàn)多業(yè)務(wù)的傳輸，得到的2種業(yè)務(wù)毫米波信號頻率相同。而方案二是在一個邊帶和光載波上進行不同業(yè)務(wù)加載，通過和另外一個邊帶的拍頻來獲得毫米波，兩種業(yè)務(wù)毫米波頻率不相同。因此，相對于方案一，方案二的系統(tǒng)靈活性更強，工作效率更高，所以本文僅對方案二進行仿真和結(jié)果分析。

使用Optisystem軟件搭建系統(tǒng)進行仿真，激光光源輸出功率為0 dBm、中心頻率為193.1 THz的光波，使用20 GHz的本振射頻信號驅(qū)動雙臂MZM，產(chǎn)生DSB調(diào)制方式的光毫米波載波。

對于方案二，圖1中系統(tǒng)各點的頻譜圖如圖2所示。使用DSB調(diào)制方式 （圖2a）的一個邊帶和載波分別加載不同速率的業(yè)務(wù)信號，設(shè)置兩個FBG的中心頻率為193.12 THz和193.1 THz，分別濾出右邊帶和光載波 （圖2b和2c），對右邊帶強度調(diào)制速率為1.25 Gbit/s（數(shù)據(jù)I）的非歸零碼信號，對載波強度調(diào)制速率為1.75 Gbit/s（數(shù)據(jù)II）的非歸零碼信號，合波后 （圖2d）經(jīng)過光放大器放大后進入光纖傳輸，在基站，將光路分成兩路，一路使用中心頻率為193.1 THz的光濾波器濾除光載波 （圖2e），經(jīng)過PIN檢測輸出攜帶數(shù)據(jù)I的40 GHz毫米波，通過混頻器下變頻后得到業(yè)務(wù)一信號 （信號I），另一路使用中心頻率為193.12 THz的光濾波器濾除右邊帶 （圖2f），經(jīng)過PIN獲得攜帶數(shù)據(jù)II的20 GHz毫米波，下變頻后獲得業(yè)務(wù)二信號 （信號II），經(jīng)過下變頻和濾波后得到基帶信號，由此實現(xiàn)了加載不同速率業(yè)務(wù)信號 （業(yè)務(wù)一速率1.25 Gbit/s;業(yè)務(wù)二速率1.75 Gbit/s）的不同頻率 （業(yè)務(wù)一40 GHz;業(yè)務(wù)二20 GHz）毫米波的ROF系統(tǒng)。

圖3為光接收功率－17 dBm時兩種業(yè)務(wù)傳輸BTB（back－to－back，背靠背）和50 km后的眼圖及誤碼率特性曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)傳輸50 km后的各個業(yè)務(wù)的眼圖有輕微的擾動增加，仍呈張開狀態(tài)，傳輸性能良好。在BER為10－10量級時，業(yè)務(wù)一傳輸50 km后的功率代價小于0.5 dB，業(yè)務(wù)二傳輸50 km后的功率代價小于1 dB，這是由于業(yè)務(wù)二的速率高于業(yè)務(wù)一，因此在眼圖及光功率與誤碼率曲線的性能上均略差于業(yè)務(wù)一。通過以上結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，此方法成功實現(xiàn)了ROF系統(tǒng)中單信道傳輸多種業(yè)務(wù)的功能，且傳輸性能良好，滿足無線通信要求。

圖3 眼圖及誤碼率特性曲線

3 結(jié)論

本文設(shè)計和仿真實現(xiàn)了單信道多業(yè)務(wù)光載無線系統(tǒng)，同時傳輸了攜帶速率為1.25 Gbit/s的40 GHz的毫米波信號和攜帶速率為1.75 Gbit/s的20 GHz的毫米波信號。仿真結(jié)果顯示，兩種業(yè)務(wù)信號傳輸50 km后眼圖清晰不閉合，最大功率代價小于1 dB，證明了該系統(tǒng)的有效性和可靠性。這種單信道多業(yè)務(wù)ROF系統(tǒng)，不僅增加了單一信道的利用率，一定程度上提高了系統(tǒng)的靈活性，而且使用方案二的方法可以獲得不同頻率的毫米波信號，能夠?qū)崿F(xiàn)無線通信中不同頻段業(yè)務(wù)的兼容和系統(tǒng)拓展，滿足無線通信對寬帶寬、高速率、可重構(gòu)和多業(yè)務(wù)綜合發(fā)展的要求。

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