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崔炜 陈磊（长春理工大学电信学院,吉林长春130022）
摘 要：文章提出了一种用于WLAN的低成本G比特数据率的光和毫米波相结合的通信系统结构,采用单载波差分编码二相移键控调制解调技术和技术相对成熟的高稳定度低相噪的微波频率源+倍频组件来获得毫米波频率源的方法有效地降低了系统的开发成本.当1Gbit/s的数据在单模光纤中进行双向传输,传输距离为Skm时,ROF网络的传输功率代价少于1dB.
关键词：光生毫米波；60GHz；无线通信；无线局域网
中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1009-2374( 2011) 22-0001-02
ROF网络已经成为最有希望传递宽带服务的技术之一,它使光纤接入网能够提供有线和无线双重服务,将可移动毫米波技术和光纤通信技术相结合,在60GHz频谱附近提供大约7GHz的带宽,满足无线通信系统对带宽的不断需求.
60GHz无线通信系统可以提供1-- 3Gbit/s的数据率,由于传播衰减较大,不能穿过建筑物,要覆盖较大的建筑物可能会需要几百个小单元.因此ROF网络的发展趋势是低成本高速率,在满足高速率的同时,应尽量降低系统成本.为了降低整个系统成本可以采用简化结构的基站,开发无色光网络单元是降低波分复用无源光网(WDM PON)系统成本的关键.另外,对于任何无线系统的设计,调制方式是决定系统复杂程度的关键,其次就是功放的非线性和频率源的相位噪声特性.本文论述了一种低成本ROF网络系统,为了进一步降低成本,采用单载波差分编码二相移键控调制解调技术,采用技术相对成熟的高稳定度低相噪的微波频率源+倍频组件来获得毫米波频率源.
一、ROF系统构成
ROF系统结构如图1所示,由中心站(CS),光多路复用器／多路解复用器(MIUX/DEJvIUX),基站(BS)和移动终端(MIT)等基本功能模块组成.中心站主要由以下三部分组成：下行通道(Downstream),上行通道( upstream)和控制处理单元等,另外还包含一些必要的接口电路.在下行通道,数据流首先注入到下行无线电处理单元,下行无线电处理单元与上行无线电处理单元处理相应的工作波长.无线电处理单元实现毫米波频段的信号处理以及中频信号调制解调,每一个无线电处理子单元包含上行／下行光波对的无线电基带和中频调制／解调处理.每个子单元中都允许进行多种调制和编码模式,经调制的无线信号被法布里珀罗激光二极管(FP-LD)转换为光信号.对于每一个子单元载有无线信号的光载波进行了预定义,这里用乃,表示子单元1中的光载波.乃,在通过一个稀疏波分复用器(CWDM)的复用／解复用后注入到阵列波导光栅(AWG),并与下行光波相混合.再通过光学传输段进行传输之前,下行光波先通过一对背靠背的CWDM复用／解复用,它用来与光载波产生单元(OCSU)产生的下行流载波相混合.
二、用户终端结构
用户终端如图1所示,由一个60GHz毫米波通信系统构成,主要包括：60GHz频段毫米波前端组件,基于FPGA的基带数据处理单元以及以太网接口电路等.
为了简化接收机并消除接收端解调的相位模糊的问题,系统采用单一载波二进制相移键控调制和差分编码,前端信号带宽2. 5GHz满足无线链路吉比特数据率的需求.
当通信带宽为2GHz,毫米波天线方向角为120°、发射最大平均发射功率为1MW、通信距离在0.5～20米时,要求基站和用户端毫米波前端具有50dB的动态范围.为了简化毫米波前端结构、提高用户端毫米波系统的性价比,使系统能够适应未来商用的需求,系统采用单载波发射DBPSK调制方式和非相关解调模式通信.毫米波收发前端原理如图3所示,主要包括发射支路、接收支路以及毫米波频率元电路.在信号输入到毫米波发射支路之前,首先进行差分编码,可以表示为：
其中： xn 是输入信号, yn 是输出信号,差分编码由高速异或门和D触发器实现.
在图3中,系统的中频处理频率为3.5GHz,毫米波频率范围是58.7～61.2GHz,毫米波通过4次谐波混频器实现上下变频,本振频率为14.12GHz,收发支路的两个本振由锁相环路提供,环路使用100MHz恒温晶振作参考,60GHz毫米波频段本振的相位噪声约-85dBc/Hz@100kHz.
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在毫米波前端发射支路,差分编码后的信号首先被调制到3.5GHz中频,然后再由一个带宽为2GHz带通滤波器滤波,并用2～6GHz的放大器放大16dB,最后与后级4次谐波混频器混频滤波后得到0dBmW的毫米波发射信号.而在毫米波前端接收支路,来自天线的信号首先经过一个带宽为2GHz的带通滤波器与14.12GHz本振产生的四次谐波进行混频得到3.5GHz中频信号,混频后的中频信号幅度在-65～-20dBm,经滤波放大20dB后降至中频.中频信号由对数放大器放大到信号处理所需的电平,对数放大器的动态范围为50dB.
三、系统性能分析
在BER等于10-9情况下,当系统码元速率为1.08Gbit/s,传输距离5km后,上行链路和下行链路的功率代价分别为0.2dB和0.7dB结果表明,1Gbit/s数据在单模光纤中成功进行双向传输,传输距离为5km时,ROF网络的传输功率代价少于1dB,上下行信道眼图分别如图4、图5所示：
四、结论
实验结果表明这种混合光纤/毫米波混合系统可以实现G比特数据率通信,能够满足未来G比特WLAN的需求.另外,系统采用单载波差分编码二相移键控调制解调技术和技术相对成熟的高稳定度低相噪的微波频率源+倍频组件来获得毫米波频率源的方法有效地降低了系统的开发成本.
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作者简介：崔炜（1978-）,女,吉林长春人,长春理工大学电信学院讲师,博士,研究方向：微波通信及信号处理.（责任编辑：王书柏）
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