ROF技术分析及其应用

1、ROF技术

1. 1  基于光纤光栅的单边带调制技术

      由于光纤存在色散,特别是随着传输信号频率的增大,色散引起的信号失真就越大,因而传统光载波双边带调制在长距离高频微波RoF系统中的色散问题将会严重降低系统的性能。因此,人们提出用单边带调制来代替传统的双边带调制,以减少色散的影响。双电极MZM(马赫-曾德尔调制器)结合耦合器可以实现单边带调制[1],但这种方法会增加RoF系统的成本;利用窄带光纤光栅也可实现微波RoF系统的单边带调制[2],与前一种方法相比,此方法具有插入损耗低、结构简单等优点。图1为采用光纤布拉格光栅(FBG)实现单边带调制的原理图。分布反馈式(DFB)激光器光源输出的光通过偏振控制器后,由光电调制器根据脉冲信号发生器(PSG)产生的微波信号对其进行双边带调制,光隔离器(ISO)是用于减少(FBG)反射光对光电调制器的影响,FBG滤除光信号的一个边带,经掺铒光纤放大器(EDFA)放大后送入光纤链路。已有实验表明,采用162QAM(16状态正交调幅)调制方式传输15GHz的高频微波信号,当传输距离为25km时,FBG单边带调制比传统双边带调制信噪比约提高4dB[2]。因此,利用FBG实现单边带调制,不仅系统结构简单,而且系统的传输性能也有较大的提高

1.2 自适应数字预失真系统

      激光二极管、光电二极管和射频放大器等非线性器件引起的信号非线性失真,在多用户的情况下,会严重降低RoF系统的性能。从一些实验数据来看,RoF系统的输出射频功率与输入射频功率不成线性关系,即存在AMΠAM失真(AmplitudetoAmplitudeDistortion)[3];而且输出信号的相位偏移也不与输入射频功率成线性关系,即存在AMΠPM失真(AmplitudetoPhaseDistortion),所以RoF系统的性能在很大程度上要靠这些非线性器件的性能来保证。为了克服这些缺点,有人提出基于FPGA(现场可编程门阵列)的自适应性数字预失真系统的方法[4]。预失真系统的原理是先让输入信号通过一个预失真器,再送入非线性器件进行处理,通过调节预失真器参数,使得它的非线性特性和非线性器件的正好相反,从而整个系统表现为一线性系统。图2为自适应数字预失真系统的框图。QAM信号产生器产生的信号,经过脉冲整形滤波器和模Π数(AΠD)转换器送入自适应数字预失真器中,根据输入信号X和反馈信号Z对信号进行预失真处理。预失真后的信号经过数Π模(DΠA)转换并进行正交调制后送入RoF链路中,而反馈信号通过正交解调和AΠD转换后送入自适应数字预失真器中。自适应数字预失真器是整个系统的关键,其实现的方式一般有两种:a.基于查询表(LookUpTable,LUT)方式,这种方式可用于任何增益波形图的情况,线性化效果好;b.基于多项式方式,这种方式较易初始化和实时修正,但其线性化误差较大。该自适应预失真系统能够自适应不同的调制方式和各种情况的非线性影响,具有很广的应用范围。

1.3 波长交叉的波分复用技术

    在RoF中运用的复用技术,一般都倾向于波分复用(WDM)或副载波复用(SCM)的方法,然而在某些情况下使用传统的WDM,频带利用率不是很高,如图3a)所示,可以看出信道的间隔是大于载波频率的两倍,而且载波和信号之间有一大部分频带并没有得到利用。为了充分利用频带资源,人们提出了波长(WavelengthInterleaving,WI)WDM技术[5]。对于WI的WDM有两个方案:a.如图3b)所示,信道间隔大于一倍的载波频率,但小于两倍的载波频率,解复用时只要用一个光带通滤波器就可以分离出所需要的信号和载波;b.如图3c)所示,信道间隔小于载波的频率,但在解复用时需要两个带通滤波器才能分离出所需的信号。可见利用WI的WDM技术可以在RoF系统中更加有效地利用光纤的频带资源

2、ROF技术的应用       

       随着RoF技术的不断发展,其应用领域也越来越广,如室内信号覆盖、基站客栈、宽带无线接入、车载无线通信系统以及军事系统。下面将介绍RoF技术在4G无线接入网、路途车辆通信系统和室内信号覆盖中的应用。

2.1 4G无线接入网

       现在的蜂窝移动通信网络为了能够给用户提供更大的带宽,必须提高其载波频率并减小每个基站所覆盖的范围。RoF技术不仅可以解决高频信号的传输问题,而且还可以有效降低基站(BS)建设的成本和复杂程度,所以被认为在未来的4G无线接入网中占有重要的地位[6]。RoF技术将传统BS结构改为分布式结构,BS与中心站(CS)之间用光纤传输高频的射频信号。处理和控制的功能都在CS实现,远程的BS只负责射频信号的收发和光电转换,无需对信号进行调制和解调[7],大大简化了BS的结构,使得实现BS的密集覆盖成为可能。并且由于一个CS可以负责多个BS,所以在CS中可以对每个BS的信道进行动态分配。为了进一步降低BS的建设成本,还可以使用电吸收收发机(ElectronicAbsorptionTransceiver,EAT)[7]。EAT可以在无偏置的情况下使用,并且可以实现副载波信号的接收和传送,目前低成本的EAT研制正成为一个热点。图4为采用EAT实现BS的方案,其中BS不再需要高质量的光源,其上行线路所需的光载波(λ2)是由CS提供的,所以可以进一步降低BS的成本。

  2. 2  路途车辆通信系统

  智能交通系统( ITS) 是指应用最新的移动通信技术来提高交通信息的传输能力 ,使交通变得更为安全、高效和舒适。ITS 主要可分为路途车辆通信系统( RVC) 和车辆内的通信系统( IVC) 。未来 RVC系统的设计 ,预计每个移动终端能达到 2～10 Mb s的速率 ,包括语言、数据和多媒体等多种业务 ,其工作频率可能在 36 GHz 或 60 GHz 。由于这种高频信号在大气中的衰减很大 ,因此每个蜂窝的覆盖范围很小(大约为几十米) 。为满足一定的覆盖范围 ,必须沿公路两旁安装许多的 BS , 如图 5 所示。应用RoF 技术来实现 CS 和 BS 间的通信可以使 BS 的结构更为简单 ,易于管理 ,从而降低系统建设和维护的成本。

  2. 3  室内信号覆盖

  在一些大型建筑物中 ,如机场、商业中心、大厦等 ,需要高质量的无线信号。但由于无线信号在建筑物内的衰减很大 ,并且目前的移动通信系统的信道在室外和室内是共享的 ,因此无线信号不可能在室内实现高质量的覆盖。如果应用 RoF 技术 ,可以将一个专用的微蜂窝BS 放置在大楼里的合适位置 ,然后用分布天线(Distributed Antenna System ,DAS) 完成射频信号的分布和发送 ,从而提高大楼内的信号覆盖率。BS 到各 DAS 的射频信号传输可采用 RoF技术 ,其结构如图 6 所示。考虑到成本 ,现在多数的室内信号覆盖系统仍选择漏泄同轴电缆来实现信号的分布 ,但由于光纤的附加损耗低、质量轻和易安装等优点 ,特别是低损耗的塑料光纤( POF) 的发展 ,相信 RoF 技术应用在室内信号覆盖中将会有巨大的市场。