色散对ROF系统性能的影响

ｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｎＵｉＴｌｂｅｒ ｏｆ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ（ｓｏｌｉｔａｒｙ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｄｕａｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈｉｒｐｅｄ
ｔｏ ｔｈｅ
Ｓｉ蹲】ａｌ ｉｎ ｉｔｓ ｔｒａｎｓｒｎｉ．蹬ｓｉｏｎ．Ｔｈｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｉｓ ｔｈａｔ ＳＳＢ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎⅨ汜ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｓＯｌ＇ｈｅ
ｐｅ而砌ａｎＯｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ
ｏｆ ＲＯＦ ｓｙｓｔｅｍ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒａｄｉｏ ｏｖｅｒ ｆｉｂｅｒ（ＲＯＦ）；ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ；ｓｉｇｎａｌ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ｓｉｇｎａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ
光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤作为 传输媒介的一种通信方式．它具备容鼍大、速率高、 传输质量佳的优点．目前随着人们对移动通信所提 供的质量及服务要求的不断提高，一种光和微波接 合的通信技术——Ｒ（）Ｆ技术便应运而生．ＲＯＦ（ｒａ— ｄｉｏ ｏｖｅｒ ｆｉｂｅｒ）技术是用光纤系统传输微波毫米波信 号，既利用了光纤系统容量大的特点，满足了用户对 带宽的需求，又利用了无线通信的高灵活性，实现无 线接入网．尽管利用光纤传输毫米波有着美好的发 展前景，但随着载波频率和传输速率的增大，光纤本
０１１ ＲＯＦ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ、＾ｄｔｈ ｔｈｅ
ｔｈｅ ｔｒａｍｚｎｉ．商ｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ｅｖｅｎ ｌｅａｄ ｔｏ ｔｈｅ
ａｒｅ同咖ａ—ｚｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｄｉｓ；ｐｅｒｓｉｏｎ ｏｎ ＲＯＦ
低频器件可以大大降低成本，因此双波长调制有很
好的应用前景【７｜．
单波长ＤＳＢ调制中输出毫米波信号的幅度恻８为
Ｐ‰ｏＣｅｏｓＺ（华猕）
பைடு நூலகம்
（２）
式中可以看出毫米波信号的幅度与光纤传输距离
Ｌ、色散系数Ｄ、光载波波长Ａ，以及射频信号调制
功率扇Ｆ有直接关系．
单波长ＳＳＢ由于检波后只有一项，所以不像单
波长ＤＳＢ会有致衰减因子．双波长调制中输出毫米 波信号的幅度为
万方数据
光电技术应用
第２４卷
ｒｉｅｒ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ），因为该技术常常采用多信道ＲＦ 信号的光载波调制．
２．１节中提到的双边带调制及单边带调制是根 据幅度调制方式来分类的．从调制的波长数来分类， 主要分为单波长调制和双波长调制．ＲＯＦ中的单波
长调制就是副载波信号只调制到一个光载波信号
上；双波长调制是指有２个光载波信号，它们的频率
ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｒｅｅ＆ｓｐｅｃＫｓ：ｔｈｅ
ｐ１１ｅｎ（ｍ删ｃａｕｓｅｄ ｔｗｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗａｙｓ ｏｆ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｒｒＤｄｕｌａｔｉｏｎ（ＤＳＢ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ＳＳＢ ｒｒｌＯｄｕｌａｔｉｏｎ），ｔｈｅ ｔＷＯ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗａｙｓ ｏｆ ｎ似ｌｕｌａ—
单波长ＳｓＢ冈为检波后只有一项，不存在干涉 项，所以不会受到色散致衰减的影响；而单波长 ＤＳＢ由于有２个边带，且两者的相位不严格相干， 所以会出现式（２）所示的衰减因子；而双波长调制相 当于２个单波长ＳＳＢ的情况，由于２个载频存在频 差，差频卺加时会出现幅度的衰减．但是因为双波长 调制中存在中频信号ＩＦ，频率远远低于射频信号 ＲＦ，受到色散的影响较单波长ＤＳＢ的情况较小，所
间隔就是所需毫米波的频率，将副载波信号调制到
其中一个载波信号上，经过差频得到所需的毫米波 信号．单波长调制的技术比较成熟，目前应用比较广
泛．但是现在ＲＯＦ系统多采用差频得到毫米波信
号，即多采用双波长调制，因为双波长调制是利用２ 个频率较低的信号得到高频率的毫米波信号，不像
单波长调制一样要采用高频的器件，在系统中采用
万方数据
第５期
高嵩等：色散对ＲＯＦ系统性能的影响
５９
频率分量有不同的延时，对于数字系统会导致展宽脉 冲，增大误码率，对于模拟系统会导致带宽受限ｕ］．
色散描述的就是不同频率的光在光纤中会以不 同的速度传播．当复色光在光纤中传播时，由于色散 的作用，不同频率的光传播的速度不同，到达接收端 的时间自然也不相同，从而导致光脉冲在时域上的 展宽，造成码间串扰，引起误码率的上升，影响系统 的性能，并降低光纤通信系统的传输速率．
以衰减的情况没有单波长ＤＳＢ严重．
２．３色散对信号传输的影响
由于ＲＯＦ技术中副载波频率较高，因此光纤色 散对于ＲＯＦ信号传输的影响不容忽视．在ＲＯＦ通
信系统中，光纤色散会令脉冲展宽，而且色散会使输 出光的幅度随光纤长度的周期性起伏变化．
ＲＯＦ系统的光源可以设为带有线性啁啾的高
斯脉冲，表示为［９］
Ａ（０，Ｔ）：ｅｘｐ［一半（三）２］ （４）
ｕｎ一——２兀ｃ—ｆ１２
Ａ２
式中，卢：＝嘉是光纤的色散因子．以下就以式（１）
为基础分析色散对ＲＯＦ系统的影响．
２色散在ＲＯＦ系统中的影响与应用 分析
２．１双边带调制（ＤＳＢ）与单边带（ＳＳＢ）调制的色散 问题
将信号调制到光载波上有双边带调制（调制完 后载波有２个边带）与单边带调制（调制完后采用滤 波器过滤掉１个边带，只传输１个边带）．与双边带 调制相比，单边带调制技术可以避免带宽翻倍，同时 避免将能量浪费在载波上，不过因此设备会变得复 杂，成本也会相应增加．
收稿日期：２００９—０９—２１ 基金项目：国家自然科学基金（６０７７１００８，３７００２）；北京市自然科学基会（４０８２０２４）；留学同国人员基金（教外２００８８９０）；教育部博士点基金 （２００８０００４０００２） 作者简介：高嵩（１９８７一），男，山东泰安人，博士研究生，研究方向为光纤无线通信．
而单边带调制传输的只有一个边带，不存在相 位差的问题，因此，与采用双边带调制相比，采用单 边带调制的ＲＯＦ性能具有相当大的优势．而且传输 单边带信号还可以节省带宽，并叮以通过减少一个 边带的发射功率来提高功率利用率．
采用双电极ＭＺＭ（马赫一曾德尔调制器）结合 耦合器可以产生单边带信号旧Ｊ，但是这种方法会令 ＲＯＦ系统的成本增加．利用窄带光纤光栅也可以实 现单边带调制ＨＪ，相对于前一种方法而言，这种方 法插入损耗低，结构简单，实现比较容易．
在长距离传输的Ｒ（）Ｆ系统中，与单边带调制相 比，传统的双边带调制存在较严重的色散问题．
在ＲＯＦ系统中采用直接调制的方式会使激光 器的输出不稳定，输出的光会带有较大的初始啁啾． 为了减少啁啾的影响，在ＲＯＦ系统中多采用外部调 制．双边带调制信号在长为Ｌ的光纤上传输，经过 光电ＰＩＮ管探测后，探测到的微波功率Ｐ正比于 ∞ｓ２（砝２ＤＬ ２）．式中，Ａ是光载波波长； Ｄ
Ｐ名。。Ｃｃ哥［翌当分ｊ妇］
（３）
式中可以看出，双波长调制与单波长调制的区别就 在于双波长调制的ＲＦ信号幅度与２个光载波的频 率都有关系．
由式（２）及式（３）可以得出以下结论：色散之所 以会令产生信号的幅度衰减，最终是因为得到不止 一个毫米波信号，由于色散的原因，这些信号的相位 不相同，存在相位差，这些不严格相干的信号叠加之 后会使得幅度衰减．在其他已定的情况下，对幅度有 影响的因子只是这些同频的干涉项．
的色散系数；ｆ是真空中的光速．很明显功率是周期 性衰减的，可根据上式大概算出功率的衰减节点和 衰减周期１２Ｊ．
光纤色散使得不同频率的光产生不同的时延， 表现在相位上就是相位的超前或者滞后．双边带调 制的解调需要２个边带之间有很高的相位相干性， 当相位不严格相干时，解调得到的信号会跟调制信 号有所差异．当色散使得２个边带的相位相差１８０。 的时候，解调器就再也不能从已调信号中恢复出调 制信号，这对ＲＯＦ系统的传输性能有着巨大的影 响，这显然小是设计者想要的．
第２４卷第６期 ２００９年１２月
光电技术应用 ＥＬＥ（汀Ｒｏ—ｏＦＴＩＣ ＴＥ（：ＨＮｏＬＤＧＹ ＡＰＰＬＩＣ竹ＩｏＮ
Ｖ０１．２４，Ｎｏ．６ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ．２００９
·信号与信息处理·
色散对ＲＯＦ系统性能的影响
高 嵩，裴 丽，祁春慧，安丽靖，李卓轩，赵瑞峰
（ａｔ京交通大学光波技术研究所，北京１０００４４）
传输距离的增加，群速度色散使得脉冲展宽，色散长
度Ｌ［）决定了展宽的程度．
脉冲宽度变化反映了脉冲频谱结构的变化，即
使初始脉冲是无啁啾脉冲，脉冲在色散光纤中传播
时，也会产生啁啾成分．
把Ｕ（ｚ，Ｔ）写成下面的形式【１０］
Ｕ（ｚ，丁）＝Ｉ Ｕ（ｚ，Ｔ）ｅｘｐ（一ｉ妒（ｚ，Ｔ））Ｉ （８）
其中 驴ｃ ｚ，Ｔ，＝气掣粼丢＋吉ａｒｃｔａｎｃ磊，
利用如下关系式引入归一化振幅Ｕ
Ａ（ｚ，Ｔ）＝￣／ＰｏＵ（ｚ，Ｔ）
（５）
最终解得
ｕ（ｚ，Ｔ）２ｉ；ｉ：＿ｉＺ＂驴ｏ
ｅｘｐ（一芝ｉ南）
（６）
．
式（６）表明高斯脉冲在传输中形状不变，但是其宽度
ｒ随传输距离ｚ的增加而变化
ｒ（ｚ）＝ｒｏ［１＋（ｚ／ＬＤ）２］２
（７）
式中，Ｌ，）＝ｒ０／Ｉ ｆ１２ Ｉ为色散长度．式（７）表明，随着
身的传输特性（尤其足色散）对系统的限制也变得突 出．通过对色散的基本理论进行研究，可为分析不同 传输速率条件下色散对ＲＯＦ系统的影响提供理论 指导，通过对不同的调制方式受到的不同程度的色 散比较，可为在ＲＯＦ系统应用中选用双边带调制提 供理论依据．
色散的基本理论分析
光纤色散对于传统的光通信系统而言，由于不同
图１是利用光纤布拉格光栅（ＦＢＧ）实现单边带 调制的原理图．分布反馈式（ＤＦＢ）激光器输出的光 经过偏振控制器后，由光电调制器对脉冲信号发生 器（ＰＳＧ）产生的信号进行双边带调制，光隔离器 （ＩＳｏ）是用来减少反射光对光电调制器的影响，利 用ＦＢＧ滤掉双边带信号的其中一个边带（上边带或 者下边带），经过掺饵光纤放大器（ＥＤＦＡ）放大后送 入光纤链路传输ｂｊ．