毫米波光载无线系统的结构优化

摘要：下一代接入网需要实现高带宽和低成本的便携性，基于宽带光通信和无线接入的无缝融合的毫米波光载无线(RoF)通信技术被认为是一个很有前景的解决方案。但是由于其实现成本较高，需要对其系统结构进行相应优化。在毫米波光产生部分，光外差法可利用低频信号源产生高频的毫米波信号，同时采用对半导体激光器的注入锁模可以提高其利用效率。在下行链路中，使用单边带调制可以提高光传输距离，而基于注入锁模半导体激光器的单模调制(单边带调制)是一种较为简单的方案；上行链路中，采用对于光外差信号的调制，可以实现上行毫米波信号的直接光学下变频，从而简化中心站接收机系统结构。在波分复用毫米波光载无线双向系统中，利用上下链路的波长重用可以节省波长资源，提高系统使用效率。

近年来，由于无线通信的便携性，移动通信在全球通信市场上发展迅速，并逐步占据了整个市场份额的一半以上。而随着高速互联网和高清电视等宽带多媒体业务的推广和发展，未来的无线通信将需要提供更大的通信带宽，并保证每个用户的低成本接入。在这样的背景下，频率高、潜在应用带宽大的毫米波通信成为了一项很有竞争力的解决方案。参考文献[1]中，60 GHz频段由于是氧气的吸收峰而倍受关注，它可以实现无线短距离、高带宽的数据传输，并支持非常小的蜂窝结构。目前直接实现60 GHz无线通信由于器件成本的问题，难度较大，而如果将现有高带宽的光纤通信技术和60 GHz毫米波通信技术相结合，在中心站和各个基站天线之间采用光纤连接，将复杂和昂贵的功能例如信号处理和路由等都放在中心站，则可大大降低整个系统的成本。于是，毫米波光载无线(RoF)通信技术应运而生。

一个典型的毫米波RoF通信系统主要由中心站、基站和用户终端3个部分组成，如图1所示。中心站与基站之间通过光纤连接，传输光信号；基站和用户终端之间则为毫米波无线通信。中心站的主要功能是实现下行链路中的毫米波光产生、基带信号的上变频和上行链路信号的接收处理；基站的主要功能是实现光电信号转换，发送下行信号，并将用户上行电信号转变成光信号回传中心站。目前对于毫米波RoF通信系统结构优化的研究重点主要侧重于中心站与基站之间的上下行光传输信号方面，具体的主要包括：毫米波光产生、下行信号上变频、传输性能、上行信号下变频、双向链路波长重用等方面。

1、毫米波光产生部分的结构优化

传统的RoF通信系统对于微波的产生一般直接利用现有的射频源，但是对于毫米波RoF系统来说，采用毫米波频段的射频源是相当昂贵的。如果能使用低频的射频源甚至不使用射频源的光域方法来产生毫米波信号，则可以大大降低系统成本。目前主流的毫米波光产生方法是采用光外差法，即利用低频的射频源生成一对间距为所需毫米波频率的光相干纵模信号，通过将该信号接入光电二极管拍频可实现毫米波的光产生，原理示意图见图2。

在光外差法的实现方面，目前主要方法是采用外调制器，其又有两种具体的结构[2]，分别采用双臂锂酸铌强度调制器和相位调制器加光带陷滤波器。

一种是采用双臂锂酸铌强度调制器，合适地选择调制器偏置点实现载波抑制调制，利用调制出的两个一阶边带实现相干光双纵模，这样就可以实现频率加倍，从而使用30 GHz信号源产生60 GHz的信号，其原理见图3(a)。

另一种是采用相位调制器加光带陷滤波器，在调制器输出的光谱中利用光带陷滤波器将光载波滤除，剩余的两个一阶边带即可实现相干光双纵模，其原理见图3(b)。这种方法同样实现了频率加倍，不过结构较第一种复杂了些。

前面的两种方法均是使用30 GHz的信号源来产生60 GHz的信号，但是30 GHz的射频源仍然较为昂贵，于是在外调制器法的基础上，可以通过激光器的注入锁模来降低对参考频率源频率的要求，从而利用更低的频率源来产生60 GHz的毫米波信号。

(1)FP激光器双模注入锁模实现60 GHz毫米波

采用法布尔-帕罗(FP)激光器双模注入锁模的方法可提高所产生的毫米波信号的质量，降低相位噪声[3]。通过调整调制器的偏置点和FP激光器的偏置电流，可以实现了对于FP激光器的二阶边带注入锁模，从而利用15 GHz来产生60 GHz的毫米波信号[4]。具体原理见图4。获得的相干光双纵模信号和拍频电谱见图5。

通过FP激光器双模注入锁模，锁定的相干光双纵模信号光信噪比在20 dB以上，拍频的毫米波电信号信噪比在40 dB以上，相位噪声100 kHz处为-94.30 dBc/Hz，质量很好。此外，通过对FP激光器的双模注入锁模还可以提高激光器的直调带宽，见图6，它在后面的基带信号光学上变频甚至上行信号光学下变频方面有很高的利用价值。