毫米波信号光纤传输技术的研究
摘要：用光纤链路传输微波毫米波信号((Radio over fiber, RoF)用于无线通信、雷达等系统
中，是目前国际学术界的研究热点。与传统的系统相比，RoF系统有着更广的蜂窝覆盖、更宽的带宽、较低的成本、较低的功耗和易安装等优点，在未来通信、军事上有着重要的应用价值。ROF对信号透明，任何涉及频率、调制的变化不会引起基站设备的更换，因此完全支持无线网络向3G、B3G的演变。针对目前存在的热点问题，本文实现了光学方式产生60GHz以上毫米波光载波信号，并展示了初步实验结果。
全文：
一、 ROF技术的产生和发展 1.1 ROF的技术发展
用光纤链路传输微波毫米波信号(Radio over fiber, RoF)用于无线通信、雷达等系统中，是目前国际学术界的研究热点。将RF副载波调制到光载波、并在光纤网络中进行分配的技术称为RoF技术。RoF系统基本结构：双向的收发模块；远端的收发模块；光纤。与传统的系统相比，RoF系统有着更广的蜂窝覆盖、更宽的带宽、较低的成本、较低的功耗和易安装等优点，在未来通信、军事上有着重要的应用价值。RoF技术的出现得益于近年来微波光子学的快速发展和进步[1]。
图1 ROF基本结构
如今ROF技术已是国际学术界微波毫米波领域的一个研究热点，ROF用于无线通信、雷达等系统中，是微波光子学的一个重要应用。IEEE每年都要举行一次微波光子学学术会议，每二年国际重要的学术刊物IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques与Journal of Lightwave Technology要联合出一期微波光子学专辑。长期以来，人们对微波光子学中涉及的光源、调制器、传输介质和探测器等作了大量的研究工作，正是微波光子学领域研究的快速发展，极大地推进ROF系统的应用进展。
1.2 ROF系统的优势
ROF网络中的RF基站小区RBS (radio base station)看上去与传统的无线通信系统中的蜂窝类似，但不同的是RBS处不需要对RF信号进行调制和解调，仅需要进行光电转换，这大大简化了RBS结构。经过光电转换后的光信号，从RBS
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通过光纤传输到控制中心CS (control station)。因此ROF网络的传输，与RF调制方式及其载波频率均没有关系，这意味着ROF网络可以灵活地处理各种调制RF信号和对新型无线业务进行自由扩充。经过光纤传输后的光信号在CS处进行调制和解调，CS还具有信道动态分配等功能。ROF网络中CS处对信号的集中处理功能，简化了整个网络，大大降低了网络成本，也更加容易采用新兴的调制和解调技术。ROF网络由传统的无线物理层和光学物理层构成。根据光链路结构不同，ROF网络拓扑结构可以分为星形结构、串行结构和环形结构。星形结构在通信系统中较为常见，因为其结构简单、易于维护、有较高的可靠性。但是由于建设一个基站就需要铺设一根光缆，这增加了系统的建设成本。而且在要求蜂窝(cell splitting)时增加基站数比较困难。而采用环形或者串行结构则可以降低光缆的使用数量，增建基站对 ROF网络进行扩展也较为容易。随着用户的增加，ROF网络需要增加RBS的数量，因此网络的可扩展性显得尤为重要。对于室内无线接入，ROF网络的灵活性或者尽可能少铺设光缆显得非常重要，因为由于网络的重构而再重新铺设光缆比较费时、费力，也比较浪费。因此在ROF网络中，应尽多采用环形或者串行结构。
ROF系统应用结合了光纤通信技术与无线通信技术，充分利用了光纤通信系统的巨大宽带传输，又具有无线通信技术能连接移动用户的特点。这种系统非常灵活，适应于各种调制方式、各种载波频率。总之，RF光纤传输系统的最重要优点有以下几点：
（一）解决频率问题：利用ROF系统，蜂窝半径可以做得很小，频率复用率大大提高；基站辐射功率能够做得极低，可以无需使用目前基站普遍使用的、昂贵的频率复接系统，也可省去大功率放大器，进一步降低基站成本，使得建设大量的、价格便宜的基站成为可能；同时辐射功率低，天线的覆盖范围小，降低了和其它蜂窝同频干扰的可能性。该优点使得ROF成为优于传统技术的好技术。
（二）基站设备简单：仅需要光电转换设备，而传统的基站具有无线信号的调制解调功能及接收电平的监测功能，因此基站的设备比较复杂，成本也比较高。低成本的新技术使得它的实用化成为可能。
（三）对信号透明：任何涉及频率、调制的变化不会引起基站设备的更换，因此完全支持无线网络向3G、B3G的演变。这一点优点符合了网络和通信系统的演进规律，即使一项新的技术多么好和便宜，也可能由于与以前的技术不兼容，导致它不能成为一项商业上成功的技术。
（四）系统功能强大：经过光纤传输后的光信号在中心站（CS）处进行调制和解调。ROF网络中CS处对信号的集中处理功能，简化了整个网络，提高了网络系统功能，也更加容易采用新兴的调制和解调技术。 （五）网络分配灵活： CS能对信道灵活动态分配
二、 毫米波ROF系统
毫米波是指10 mm（30GHz）到1 mm（300GHz）的电磁波，在军事、通信和微波传感方面上均有广泛的应用。其中军用的8 mm(35GHz)和 3 mm(94GHz)毫米波段（大气窗口）在雷达领域有非常重要的应用；另一方面最近兴起的60GHz波段的无线宽带接入技术引起非常大的关注。由于载波频率高，可以实现用户的
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Gb/s级宽带移动无线接入，比目前3G无线技术的接入速率高一到两个数量级。同时由于57-GHz波段在空气中的衰减相当严重，该波段只能在小范围使用，不需要经过无线频谱管理当局的批准，因此不需要昂贵的牌照费用，因此它被认为是未来无线宽带接入中最具潜力的技术，美日欧等发达国家对这项技术相当重视，并已投入了大量的人力物力进行研究。IEEE 802.15组无线个人网(WPAN)讨论组在2005年3月成立了802.15.3c小组，讨论60GHz波段的无线接入技术[2]。
图2 毫米波ROF通信系统
毫米波光纤无线技术是微波光子学中研究在毫米波频域内高速光子器件、微波与光相互作用及其应用的科学。它强调微波与光子在概念、器件、电路和系统的结合。其研究成果将促进包括无线光纤(ROF)通信、电缆电视信号的传输与分配、相控阵雷达技术以及微波各频段的测量等技术的发展，同时也将促进微波、超快电子学和超快光子学等多学科交叉领域的发展。在这些交叉学科领域中，典型的基础科学研究包括：通过光学方法进行高速微波信号的产生、处理和转换；微波信号在宽带光链路中的分配、传输和交换等。毫米波频域的研究是微波光子学的前沿，由于频率非常高，具有与其它频段不同的理论问题和技术难点。 欧美日等发达国家都已经充分认识到毫米波光纤无线技术，是面向未来的一个目标，是实现下一代宽带无线接入系统的关键技术，纷纷投入巨资研究。光纤通信与无线通信的融合将给整个信息行业产生巨大影响，通过建立ROF接入网络，向下可以带动关键的光电子器件及微波器件的发展，向上可以推动新型网络体系结构的演进[3]。
三、光生毫米波信号技术：
由于毫米波段频率已达到几十GHz到上百GHZ，将毫米波信号转换到光波信号的光调制器件的速度往往很难满足要求，通过光学拍频的方法则很容易实现几十GHZ到上百GHZ的光载毫米波载波（因为在1550nm波段，0.8nm的光频差就达到100GHz）。目前国际研究领域中主要有三种光生微波技术：通过光调制产生的高阶频率分量进行拍频产生所需毫米波光载波，它的特点是可以保证相位稳定；
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注入锁定激光器产生多纵模进行拍频生成毫米波光载波；双波长激光器利用同一谐振腔内产生的两个波长的激光，它们间的拍频则是在毫米波频段[4~6]。 1995年，英国电信（BT）研究院的David Wake首次利用一种多纵模DFB激光器的两个纵模进行拍频，实现了微波信号的四倍频，获得了一个42GHz的毫米波信号的输出[MTT1995]。2005年，加拿大姚建平研究小组提出利用大微波输入功率驱动一个铌酸锂调制器可以获得光载波和两个二次光边带分量，用一个FBG滤波器滤去光载波分量就可以获得两个二次光边带，然后拍频实现微波信号的光学四次倍频，从而可以获得一个32GHz到50GHz宽带可调节的毫米波信号[MTT2005]。2006年，清华大学课题组设计了一种新型结构的双波长光纤激光器，通过拍频可以产生频率范围从20GHz到60GHz变化的微波信号[PTL2006]。
基于光学四波混频的毫米波倍频功能单元的结构示意图如下图所示：
图3 基于光学四波混频的毫米波倍频功能单元
该功能单元可以将低频率的信号通过基于光学四波混频的六次倍频，可以通过级联实现最高达18次的倍频，从而得到更高频率的毫米波信号[7]。微波信号通过电光调制器对输入的连续波激光进行载波抑制调制，使得光载波分量得到压缩，而保留了一次谐波分量，从而产生波长间隔为调制微波频率两倍的瞬时完全相干的两束光波，再进入到第二个光电调制器，合理调整微波移相器及偏置电压，再次进行载波抑制调制，使得二倍频或四倍频处的谐波分量最大，而包括载波在内的其他谐波分量都干涉相消，获得高强度的高倍频信号的产生。然后进入作为非线性元件的半导体光放大器，在其中实现光波的四波混频，在这两束光波的上下频率两侧产生两束混频光波，它们的波长间隔为半导体光放大器输入光波长间隔的三倍，也就是微波信号频率的六倍或更高。由于输入的两束光波瞬时完全相干，混频得到的光波同样与输入的光波是相干的，因此可以通过光纤光栅滤波器提取半导体光放大器输出端的任意两束光输入光检测器进行拍频，产生二倍、四倍或六倍频率的微波信号。在半导体光放大器后面使用一个光学滤波器，经过滤波器后，在光电探测器处实现光波拍频信号得到高
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次倍频微波的产生。其中的主要问题是合理调整相位调制器的相移及偏置，以抑制不同级次的谐振波，获得需要的相应高次倍频微波；同时需要对半导体光放大器的偏置及增益加以合适的控制，这需要详细的理论分析和实验验证[8]。 实验装置图如下：
(LD: Laser Diode, PC: Polarization Controller, RF: Radio Frequency, MOD: Modulator, BPF: Bandpass Filter, EDFA: Erbium-doped Fiber Amplifier, ATT: Tunable Optic Attenuator, ISO: Isolator, BEF: Band-Elimination Filter, SOA: Semiconductor Optical Amplifier, PD: Photodetector, ESA: Electric Spectrum Analyzer, OSA: optical spectrum analyzer.)
图4 基于光学四波混频的毫米波倍频实验装置图
实验得到的光谱图：
图5 光谱图（左：经过LiNbO3强度调制器后的光谱图；中：经过SOA的光谱图；右：经过带阻滤波后的光谱图）
实验得到的电谱图：
图6 电谱图（左：微波源；中：光探测器测得的全电谱图；右：产生的六倍频信号电谱图）
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该实验验证了前面提出的毫米波产生原理的可行性，能够产生稳定的毫米波。该实验装置能利用7GHz的微波源，产生42GHz的毫米波信号。从而为进一步研究提供了基础。该成果发表在2007年1月份的EL上。
参考文献：
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[7] A. Wiberg, P. P-Millán, M. V. Andrés, and P. O. Hedekvist, “Microwave-photonic frequency
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