论文总字数：16945字

目 录

一、绪论 3

1.1 研究背景及意义 3

1.2光载射频系统的概念与特点 3

1.3光生毫米波常用方法 4

1.3.1 光倍频法 4

1.3.2光外差法 4

1.3.3 谐波生成法 5

1.4光载射频技术的应用 5

1.4.1移动通信系统中光载射频技术的应用 5

1.4.2 RoF技术在智能交通领域的应用 6

1.4.3 ROF技术在军事领域的应用 6

1.5国内外研究现状 6

二、光生毫米波技术 7

2.1直接强度调制 7

2.2外部强度调制 7

2.2.1 双边带调制 8

2.2.2 单边带调制 8

2.2.3 抑制载波双边带调制 9

2.3 光外差技术 9

2.3.1 基本原理 9

2.3.2 光源选择 10

2.4 光外差优化技术 11

2.4.1 光注入锁定技术（OIL） 11

2.4.2 光学锁相环技术（OPLL） 12

2.4.3 光学注入锁相环技术（OIPLL） 12

三、基于光外差技术的W波段光载射频系统 13

3.1仿真平台介绍 13

3.2双光源光外差ROF系统 13

3.3基于单光源外差技术的ROF系统 16

四、基于相位调制技术的光载毫米波系统 19

4.1 光相位调制器的基本原理 19

4.2 基于单个光相位调制器的ROF系统 20

4.3 基于双平行光相位调制器的ROF系统 22

4.4 双平行光相位调制器与光外差技术结合的ROF系统 25

五、论文总结和展望 27

5.1 总结 27

5.2展望 28

参考文献 28

致谢 29

W波段光载射频系统的发射接收机研究

赵建业

，China

Abstract：Radio over Fiber (RoF) is the product of optical fiber communication and Wireless communication , it combines the advantages of both . The W-band millimeter wave has a very large bandwidth and a very high transmission rate ,so W-band Radio over Fiber System is researched in this article .

Firstly, the article introduces the technology of millimeter wave generation by optical heterodyne. Then the experimental simulation of the single-source optical heterodyne method and the dual-source optical heterodyne method was performed,and the effect of phase noise on the millimeter wave signals generated was compared .Finally, based on the optical phase modulator, three kinds of schemes were simulated, and based on the dual parallel optical phase modulator system, optical heterodyne technology was optimized to further improve the system's transmission distance.

Key words：Radio over Fiber (RoF) ;optical generation of millimeter wave; optical heterodyne ;optical phase modulator

一、绪论

1.1 研究背景及意义

近年来，随着网络的飞速发展，人们对网络带宽的需求与日俱增，宽带化和无线化是如今通信的研究热点。随着光纤研究制造技术日益成熟，具有通信容量大、传输距离远且损耗低等优点的光纤通信脱颖而出，逐渐成熟并且得到了广泛的应用，为通信网络发展带来了新的春天。与此同时，无线通信的灵活性和可移动性也倍受用户青睐，而日益成熟的光纤通信很好的解决了无线通信中带宽受限的问题，于是光纤通信和无线通信的结合必然会成为通信系统的发展方向。

光纤通信和无线通信的相互交融，开启了光载无线通信技术（RoF，Radio-over-Fiber）的发展之路。光载射频系统简单的说就是利用光纤通信容量大、传输距离远、损耗低的优势，在中心站将基带信号调制到激光上，再将调制后的带有信号的光波通过光纤链路实行传输，基站接收到光信号后，进行光电转换将光信号转化为电信号，再通过天线发射供用户使用。通过RoF能实现微波信号大带宽低失真的传输，对比同轴电缆，光载射频技术很好的解决了传输速率低、带宽受限等问题，极具研究价值。

目前30GHz以上的频率资源利用率很少，于是利用高频率段无线电波也就是所谓的毫米波进行通信成为研究热点^[1]。我们所说的毫米波指的是指30~300GHz频域（波长在1mm~10mm之间）的电磁波，其具有极宽的带宽、波束窄、全天候特性以及容易小型化的特点。本文研究的对象为W波段（80~100GHz）的毫米波，拥有非常大的带宽和很高的传输速率。

1.2光载射频系统的概念与特点

光载是射频技术（RoF）简单的说就是利用光纤作为传输媒介来代替大气传输信号，从而在一定程度上防止毫米波在大气中传播时衰减严重的状况。RoF系统主要由中心站、光纤链路和基站组成，其结构大致如图1.2.1所示^[2]。

CS

上行编号宿主

O/E

基带处理

/射频调制

E/O

O/E

放大

E/O

光纤传输

1.2.1 典型RoF系统结构图

中心站（Center Station，CS）主要进行射频（Radio Frequency，RF）信号的调制、基带信号的处理以及管理和分配整个系统的无线、路由等资源，也就是处理上行链路的信号并将RF信号调制后通过光纤链路传送到基站（Base Station，BS）。而基站的主要任务是对来自光纤下行链路的光信号进行解调得到RF信号后再经过放大最后从天线发射。

根据以上对RoF技术的背景及简介我们可以发现，ROF技术同时具有光纤和毫米波的特点，即^[3]：

1. 低损耗。这是由于光纤通信损耗低的特点，信号在光纤中即使传播的距离较远也只需很小的传送功率。于是使得系统的成本得到了很大的降低。
2. 高带宽。相比同轴电缆，光纤能提供的带宽要高很多，于是超大容量信号可以在光纤中传输。
3. 系统构造简单。ROF系统中基站的主要任务是进行光电转换、上下变频以及发射和接收信号的工作，所以需要的设备很简单。
4. 成本低。ROF系统中的重要设备都在中心站，而现在采用的“一中心站多基站”的结构使得系统的成本十分有效的降低了。

1.3光生毫米波常用方法

1.3.1 光倍频法

光倍频法是通过对光信号进行处理，使低频扫频信号上变频为高频射频信号，从而得到我们想要的毫米波信号。系统结构大致如下图^[4]：

激光器

调制器

光电

探测器

带通

滤波器

梳状光

滤波器

ISO

频谱

分析仪

1.3.1 光倍频系统结构图

激光器发射出的光载波通过调制器调制后，产生扫频光信号，再通过ISO（光学绝缘体）与梳状光滤波器连接，利用梳状光滤波器将光信号由频率变化转化为强度变化。此时输出的光信号已经拥有了我们想要的毫米波成分，通过光电探测器实现光信号到电信号的转换，再与带通滤波器连接，得到所需的电毫米波信号。

1.3.2光外差法

如图1.3.2所示，利用两个激光器产生的不同频率ω₁、ω₂的光波，将数据信号调制到其中一束上后，经过光电二极管平方律检波后，可拍频产生频率为ω_e=ω₂ - ω₁的电毫米波信号。具体理论下文将会详细解释。

ω₁

ω₂

光谱

光电二极管拍频

ω_e =ω₂-ω₁

ω_e

电谱

1.3.2 外差法原理简介图

1.3.3 谐波生成法

谐波生成技术包含频率-强度（FM-IM）调制技术、带宽调制技术以及基于混频的干涉仪技术。FM-IM技术是在光纤的色散效应的基础上，选择调制信号的谐波得到毫米波信号，带宽调制技术则是利用马赫曾德尔调制器的非线性传输特性生成谐波从而得到毫米波信号，而基于混频的干涉仪技术是使用本振信号和射频信号调制激光器在干涉仪上混频产生毫米波信号。

1.4光载射频技术的应用

1.4.1移动通信系统中光载射频技术的应用

网络通信速度的要求与日俱增，人们已经不再满足于蜂窝通信网络而是转向对大容量通信进行不断追求。在移动通信系统中，为了对用户带宽有限的问题进行有效的解决，我们可以提高载频频率或者对基站系统信号的覆盖范围进行降低。这两种手段分别面临着高频传输和成本变高的问题，而ROF技术能有效解决这些问题，即损耗很低地传输高频信号的同时还能对基站建设的成本进行大大的减少。于是我们可以利用ROF系统的高移动性与大容量性，传输包括WLAN、3G、4G以及数字媒体广播（Digital Media Broadc asting，DMB）等多种业务，系统结构如下图所示^[5]：

3G/4G

5G

WLAN

DMB

光发送/

接收机

1.4.1 RoF系统用于移动通信系统的结构示意图

1.4.2 RoF技术在智能交通领域的应用

信息技术的日益发展使得车辆也开始进入智能化。给车辆配备无线互联装置使之能在移动网络中进行数据传输实现信息交换成为大家的关注点。

日本与欧洲在该领域已经进行了相关的研究。在欧洲的智能交通系统已经达到60~80GHz的工作范围下，日本也研制出工作于36~37GHz之间的从道路到汽车的通信(Radio-to-Vehicle Communication. RVC)实验系统（范友强）。ROF系统在这种智能交通应用中，使高速的数据传输及处理得到了实现：从道路两旁的基站收集数据，再通过光纤链路传送到中心站，中心站处理数据后提高导航或者路况等信息。

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