单信道多业务光载无线系统研究

潘 武，李 柚，雷 达，尹怡辉

（重庆邮电大学光电工程学院，重庆 400065）

光载无线（Radio Over Fiber，ROF）技术结合了光纤通信技术和无线通信技术，利用了光纤的大容量、低损耗、抗电磁干扰等特点，使用高频毫米波作为扩大无线通信带宽的工具，极大地提高了无线通信带宽和接入的灵活性，和第四代移动通信（4G）及长期演进（LTE）等技术一并成为人们研究的热点［1－3］。目前，在多业务ROF系统的研究中，基于波分复用的光载无线（WDM－ROF）系统备受人们关注［4－5］，WDM－ROF 系统对不同信道的业务信号进行复用，增加了系统的可重构性和灵活性，提高了多业务系统的传输效率。但是，WDM－ROF系统使用的多信道复用技术，一定程度上增加了信道间干扰，没有充分利用信道的带宽，在多业务的复用过程中，往往需要较复杂的结构和器件，增加了系统的成本，因此，单信道多业务ROF系统的研究对提高系统性能有着重要的作用。

本文设计和仿真实现了基于外调制技术的单信道多业务ROF系统，系统使用20 GHz本地振荡信号，通过双臂马赫曾德外调制器（MZM）获得双边带调制（DSB），利用光纤布拉格光栅（FBG）分离出两个边带和载波，从中选取不同的组合进行强度调制不同速率业务便可以获得不同的传输方案。此方案实现了在ROF系统单一信道中同时传输不同速率的业务信号，提高了系统对单一信道带宽的利用率，增强系统在应用中的灵活性，满足无线通信对高速率、高带宽和可重构性系统的要求。

1 系统工作原理

单信道多业务ROF系统工作原理如图1所示，在毫米波生成方面，使用双臂马赫曾德调制器获得双边带调制方式，其原理如下。

图1 单信道多业务ROF系统工作原理图

马赫曾德调制器输出光场为

式中:ωRF为射频驱动信号V（t）=Vmcos（ωRFt）的频率，γ=（Vdc/Vπ），Vdc为上下两臂偏置电压之差，Vπ为调制器半波电压，α=（Vm/Vπ）是归一化幅度。调整MZM上下臂的相位差，使下臂的信号受到θ=π的相位延迟，设定两臂偏压差为Vπ/2，即可实现双边带调制方式，此时化简式（1）的输出光场贝塞尔函数展开式得

J0（.）和J1（.）分别为零阶和一阶贝塞尔函数。对式 （2）进行傅里叶变换后，得到光功率谱

从式 （3）中可以发现，零阶和一阶贝塞尔函数对应光载波和一阶边带，二阶及以上边带由于功率太低而忽略。此时，分离左右边带和载波，选择不同的组合进行强度调制，就可以获得两种方案的单信道多业务ROF系统。设不同速率业务的信号分别为A1（t）和A2（t），则强度调制后

式中:S1（ω）=F（A1（t））和S2（ω）=F（A2（t））分别为A1和A2的傅里叶变换。

采用以上原理，在中心站使用20 GHz的本振信号驱动MZM，获得DSB调制方式，使用两个FBG分离边带和载波，选择不同方案进行强度调制不同速率的业务，通过光纤传输到基站后，分成2路信号，经过可谐调光滤波器滤除加载不同业务的部分后，进行光电二极管（PIN）检测，便可获得毫米波信号，在接收机端进行信号下变频就可以得到所需的基带信号。

2 系统实验仿真和结果分析

从式 （4）可以发现，方案一是通过在双边带调制的两个边带上分别加载不同速率业务来实现多业务的传输，得到的2种业务毫米波信号频率相同。而方案二是在一个边带和光载波上进行不同业务加载，通过和另外一个边带的拍频来获得毫米波，两种业务毫米波频率不相同。因此，相对于方案一，方案二的系统灵活性更强，工作效率更高，所以本文仅对方案二进行仿真和结果分析。

使用Optisystem软件搭建系统进行仿真，激光光源输出功率为0 dBm、中心频率为193.1 THz的光波，使用20 GHz的本振射频信号驱动双臂MZM，产生DSB调制方式的光毫米波载波。

对于方案二，图1中系统各点的频谱图如图2所示。使用DSB调制方式 （图2a）的一个边带和载波分别加载不同速率的业务信号，设置两个FBG的中心频率为193.12 THz和193.1 THz，分别滤出右边带和光载波 （图2b和2c），对右边带强度调制速率为1.25 Gbit/s（数据I）的非归零码信号，对载波强度调制速率为1.75 Gbit/s（数据II）的非归零码信号，合波后 （图2d）经过光放大器放大后进入光纤传输，在基站，将光路分成两路，一路使用中心频率为193.1 THz的光滤波器滤除光载波 （图2e），经过PIN检测输出携带数据I的40 GHz毫米波，通过混频器下变频后得到业务一信号 （信号I），另一路使用中心频率为193.12 THz的光滤波器滤除右边带 （图2f），经过PIN获得携带数据II的20 GHz毫米波，下变频后获得业务二信号 （信号II），经过下变频和滤波后得到基带信号，由此实现了加载不同速率业务信号 （业务一速率1.25 Gbit/s;业务二速率1.75 Gbit/s）的不同频率 （业务一40 GHz;业务二20 GHz）毫米波的ROF系统。

图3为光接收功率－17 dBm时两种业务传输BTB（back－to－back，背靠背）和50 km后的眼图及误码率特性曲线。可以发现传输50 km后的各个业务的眼图有轻微的扰动增加，仍呈张开状态，传输性能良好。在BER为10－10量级时，业务一传输50 km后的功率代价小于0.5 dB，业务二传输50 km后的功率代价小于1 dB，这是由于业务二的速率高于业务一，因此在眼图及光功率与误码率曲线的性能上均略差于业务一。通过以上结果分析可以发现，此方法成功实现了ROF系统中单信道传输多种业务的功能，且传输性能良好，满足无线通信要求。

图3 眼图及误码率特性曲线

3 结论

本文设计和仿真实现了单信道多业务光载无线系统，同时传输了携带速率为1.25 Gbit/s的40 GHz的毫米波信号和携带速率为1.75 Gbit/s的20 GHz的毫米波信号。仿真结果显示，两种业务信号传输50 km后眼图清晰不闭合，最大功率代价小于1 dB，证明了该系统的有效性和可靠性。这种单信道多业务ROF系统，不仅增加了单一信道的利用率，一定程度上提高了系统的灵活性，而且使用方案二的方法可以获得不同频率的毫米波信号，能够实现无线通信中不同频段业务的兼容和系统拓展，满足无线通信对宽带宽、高速率、可重构和多业务综合发展的要求。

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