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Radioover Fiber宽带无线接入网络的关键技术研究

昌庆江  
【摘要】: Radio over Fiber(RoF)宽带无线接入网络是新兴的研究领域,它结合光纤通信和无线通信两大技术,可以实现超过Gb/s无线业务的传输,在未来高速宽带无线通信系统中具有重要的应用。本论文研究了RoF宽带无线接入网络中的若干关键技术,提出并设计新颖的RoF系统结构,主要进行如下几方面的研究: 1.光子产生射频信号技术 在RoF系统中,需要使用高频信号携载高速数据以提高无线通信系统的容量,但是目前采用电产生高频信号的方法难度大、成本高、技术复杂。而光子产生高速射频信号具有显著的优点,是实现RoF的关键技术之一。本论文提出三种新颖的光子产生射频信号的技术方案: 1)光子产生六倍频的高速毫米波:基于两个级联的单驱动马赫曾德调制器(MZM),采用10-GHz的微波信号,光子产生60-GHz的毫米波。传统的方案如果要得到超过四倍频的射频信号,需要结合四波混频非线性效应和光域的滤波。该方案不需要非线性处理,以及光域和电域上的滤波;而且在频率上具有可扩展性,如果采用当前成熟的40-GHz光电器件,可以得到240-GHz的亚毫米波。 2)光子产生四倍频的高速毫米波:基于单个集成的双平行马赫曾德调制器(DPMZM),采用10-GHz的微波信号,光子产生40-GHz的毫米波。该方案在频率上具有扩展性;电信号处理简单,不需要严格的电信号相位匹配;也不需要光域和电域的滤波;采用单个的集成调制器,插入损耗低、结构简单、容易控制。 3)24-GHz超宽带(UWB)脉冲射频信号:基于DPMZM和级联的单驱动MZM,集成光子产生和光子上变频技术,得到24-GHz超宽带(UWB)脉冲射频信号。我们还首次对24-GHz的超宽带信号在光纤传输中的性能进行了测试和分析。 2.应用于双向RoF系统的OCS-DPSK调制格式研究 在RoF系统中,需要同时传输下行和上行信号,以满足交互式业务的需求,因此,双向RoF系统设计也是关注的热点。本论文首次提出采用新颖的光载波抑制-差分相移键控(OCS-DPSK)信号,实现双向RoF系统中三个关键的功能:将基带信号上变换到射频频段,产生远端本振信号以及上行数据重调制,从而最小化RoF接入网络的配置成本。我们提出两种新颖的OCS-DPSK信号产生技术: 1)基于幅移键控(ASK)到差分相移键控(DPSK)调制格式的转换,采用单个集成的DPMZM,通过抑制OCS-ASK信号的两个边带中离散的直流成分,得到OCS-DPSK调制格式。相比较传统的OCS-DPSK发射机,提出的方案具有结构紧凑、插入损耗低等显著优点。 2)基于单驱动MZM,通过产生双极性的电副载波信号,以及利用光载波抑制技术,得到OCS-DPSK信号。提出的方案只采用单个调制器,并且实现了双向RoF系统的三个关键功能,最小化整个RoF系统的配置成本。 3)我们还延伸了单驱动MZM产生OCS-DPSK调制格式的原理,采用单个的DPMZM,首次提出并实验演示了在RoF系统中产生和传输新颖的OCS-DQPSK信号。在RoF传输系统,OCS-DQPSK调制格式可以实现在公共的射频载波上传输多个无线业务,提高射频频谱效率。 3.融合RoF和PON技术的混合多业务传输系统的设计 在未来的光通信中,既需要提供光纤到户的宽带有线接入服务,也需要用光纤传输宽带无线业务。因此,融合RoF和无源光网络(PON)技术,将无线和有线业务集中整合到同一个网络结构中,成为当前RoF研究领域的又一个热点。我们提出三种新型的、在单载波上提供混合多业务的系统设计方案: 1)多波段RoF系统设计:采用DPMZM和级联的单驱动MZM,基于光载波抑制和频谱搬移技术,同时产生和传输有线基带数据、两倍频的无线微波信号,和四倍频的无线毫米波信号。 2)集成RoF技术的WDM-PON双广播业务分发系统:通过设计正交相位/强度调制码型和光副载波格式,首次实现了在单载波上同时传输点对点的高速下行数据信号和点对多点的双广播业务。 3)融合RoF技术分发三重混合业务的WDM-PON系统:采用集成的DPMZM,实现了在单载波上同时传输单个有线业务和两种无线业务的三重混合业务的功能。该方案只需要单个集成的调制器,具有结构紧凑、成本有效、信号容易控制、插入损耗低等优点。 4. RoF系统中的光子射频信号处理技术 光子射频信号处理突破了传统的电处理方法的带宽瓶颈,而且具有处理速度快、精度高、不受电磁干扰、传输损耗低等优点,在RoF系统中具有重要的地位。我们首次将硅波导器件应用于RoF系统中,具有开创性的意义。基于硅波导环形谐振腔的非线性效应,设计出新颖的光子上变频器和光子射频移相器: 1)利用硅波导环形谐振腔的自由载流子色散效应,设计并实验演示了微米刻度的光子上变频器,将1-Gb/s的基带数据成功上变频到40-GHz的毫米波,提出的方案可以实现毫米波频率可扩展的光子上变频器。 2)采用硅波导环形谐振腔器件的非线性热效应,设计并实验演示了40-GHz的高速光子射频移相器,相移的范围达到4.6弧度,这是目前实验报道的最高频率的光子射频移相器。同时还实验验证了该光子射频移相器的相移响应速度。


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