單信道多業務光載無線系統研究

潘 武，李 柚，雷 達，尹怡輝

（重慶郵電大學光電工程學院，重慶 400065）

光載無線（Radio Over Fiber，ROF）技術結合了光纖通信技術和無線通信技術，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）等技術一并成為人們研究的熱點［1－3］。目前，在多業務ROF系統的研究中，基于波分復用的光載無線（WDM－ROF）系統備受人們關注［4－5］，WDM－ROF 系統對不同信道的業務信號進行復用，增加了系統的可重構性和靈活性，提高了多業務系統的傳輸效率。但是，WDM－ROF系統使用的多信道復用技術，一定程度上增加了信道間干擾，沒有充分利用信道的帶寬，在多業務的復用過程中，往往需要較復雜的結構和器件，增加了系統的成本，因此，單信道多業務ROF系統的研究對提高系統性能有著重要的作用。

本文設計和仿真實現了基于外調制技術的單信道多業務ROF系統，系統使用20 GHz本地振蕩信號，通過雙臂馬赫曾德外調制器（MZM）獲得雙邊帶調制（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制不同速率業務便可以獲得不同的傳輸方案。此方案實現了在ROF系統單一信道中同時傳輸不同速率的業務信號，提高了系統對單一信道帶寬的利用率，增強系統在應用中的靈活性，滿足無線通信對高速率、高帶寬和可重構性系統的要求。

1 系統工作原理

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

圖1 單信道多業務ROF系統工作原理圖

馬赫曾德調制器輸出光場為

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

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

從式 （3）中可以發現，零階和一階貝塞爾函數對應光載波和一階邊帶，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制，就可以獲得兩種方案的單信道多業務ROF系統。設不同速率業務的信號分別為A1（t）和A2（t），則強度調制后

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的本振信號驅動MZM，獲得DSB調制方式，使用兩個FBG分離邊帶和載波，選擇不同方案進行強度調制不同速率的業務，通過光纖傳輸到基站后，分成2路信號，經過可諧調光濾波器濾除加載不同業務的部分后，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 系統實驗仿真和結果分析

從式 （4）可以發現，方案一是通過在雙邊帶調制的兩個邊帶上分別加載不同速率業務來實現多業務的傳輸，得到的2種業務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務加載，通過和另外一個邊帶的拍頻來獲得毫米波，兩種業務毫米波頻率不相同。因此，相對于方案一，方案二的系統靈活性更強，工作效率更高，所以本文僅對方案二進行仿真和結果分析。

使用Optisystem軟件搭建系統進行仿真，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的本振射頻信號驅動雙臂MZM，產生DSB調制方式的光毫米波載波。

對于方案二，圖1中系統各點的頻譜圖如圖2所示。使用DSB調制方式 （圖2a）的一個邊帶和載波分別加載不同速率的業務信號，設置兩個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），對右邊帶強度調制速率為1.25 Gbit/s（數據I）的非歸零碼信號，對載波強度調制速率為1.75 Gbit/s（數據II）的非歸零碼信號，合波后 （圖2d）經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），經過PIN檢測輸出攜帶數據I的40 GHz毫米波，通過混頻器下變頻后得到業務一信號 （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），經過PIN獲得攜帶數據II的20 GHz毫米波，下變頻后獲得業務二信號 （信號II），經過下變頻和濾波后得到基帶信號，由此實現了加載不同速率業務信號 （業務一速率1.25 Gbit/s;業務二速率1.75 Gbit/s）的不同頻率 （業務一40 GHz;業務二20 GHz）毫米波的ROF系統。

圖3為光接收功率－17 dBm時兩種業務傳輸BTB（back－to－back，背靠背）和50 km后的眼圖及誤碼率特性曲線。可以發現傳輸50 km后的各個業務的眼圖有輕微的擾動增加，仍呈張開狀態，傳輸性能良好。在BER為10－10量級時，業務一傳輸50 km后的功率代價小于0.5 dB，業務二傳輸50 km后的功率代價小于1 dB，這是由于業務二的速率高于業務一，因此在眼圖及光功率與誤碼率曲線的性能上均略差于業務一。通過以上結果分析可以發現，此方法成功實現了ROF系統中單信道傳輸多種業務的功能，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 結論

本文設計和仿真實現了單信道多業務光載無線系統，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。仿真結果顯示，兩種業務信號傳輸50 km后眼圖清晰不閉合，最大功率代價小于1 dB，證明了該系統的有效性和可靠性。這種單信道多業務ROF系統，不僅增加了單一信道的利用率，一定程度上提高了系統的靈活性，而且使用方案二的方法可以獲得不同頻率的毫米波信號，能夠實現無線通信中不同頻段業務的兼容和系統拓展，滿足無線通信對寬帶寬、高速率、可重構和多業務綜合發展的要求。

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［1］CHEN Lin，SHUANGCHUN C W，LI Ying，et al.Optical front－ends to generate optical millimeter－wave signal in radio－over－fiber systems with different architectures［J］.Journal of Lightwave Technology，2007，25（11）:3381－3387.

［2］李小文，梁琳.TD－LTE下行信道估計的DSP實現 ［J］.電視技術，2011，35（7）:44－48.

［3］HUANG Mingfang，YU Jianjun，JIA Zhensheng，et al.Simultaneous generation of centralized lightwaves and double/single sideband optical millimeter－wave requiring only low－frequency local oscillator signals for radio－over－fiber systems［J］.Journal of Lightwave Technology，2008，26（15）:2653－2662.

［4］VEGAS OLMOS J J，KURI T，SONO T，et al.Reconfigurabl 2.5－Gb/s baseband and 60－Ghz（155－Mb/s）millimeter－waveband radio－over－fiber（Interleaving）access network ［J］.Journal of Lightwave Technology，2008，26（15）:2506－2512.

［5］HYUN－SEUNG K，THANG T P，YONG－YUK W，et al.Simultaneous wired and wireless 1.25－Gb/s bidirectional WDM－RoF transmission using multiple optical carrier suppression in FP LD ［J］.Journal of Lightwave Technology，2009，27（14）:2744－2750.