外调制产生RoF毫米波信号的仿真模型设计与分析

摘要：RoF（光载无线电）系统中，毫米波信号的产生方式直接影响架构设计和成本。从理论角度分析了毫米波的三种外调制产生方式DSB、SSB和OCS的原理。然后设计仿真模型，运用OptiSystem软件模拟仿真，并根据仿真结果，评估三种外调制方式产生的毫米波的传输性能。结果表明，DSB、OCS调制方式产生的毫米波适用于短距离传输，SSB调制方式产生的毫米波适用于长距离传输。

关键词：光载无线电；毫米波；外调制；功率周期性衰落

中图分类号：TP302

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2014）003-0036-04

0 引言

近年来，在RoF系统中，毫米波信号的产生方法得到了较深入研究[1，2]。目前，学术界已提出多种毫米波产生方法[3-6]：直接调制技术、光外差技术、上变频（光学倍频）技术、外调制技术。直接调制技术受激光器调制带宽和调制速率的限制，只适用于低频系统；光外差技术对光源性能和调制技术要求较高。此外，外差的两束光来自不同的激光器，使得接收端接收到的毫米波的性能容易受到相位噪声的影响；上变频（光学倍频法）技术的基站需要毫米波本振源和混频器，基站结构比较复杂，成本高[7]；外调制技术利用调制器的电光效应或电吸收效应调制光场，能使输出的光信号随电信号的变化而变化。通过设置合适的电路结构和合理的参数，能实现双边带（Double Sideband，DSB）调制、单边带（Single Sideband，SSB）调制和光载波抑制（Optical Carrier Suppression，OCS）调制[8-10]。

有关RoF毫米波信号的产生方法大致可分为两类。一类是利用光学器件搭建硬件实验平台，利用实物仿真方法产生毫米波。搭建硬件实验平台需要大量光学器件和光学测量仪器，高昂的价格增加了研究成本[11]；另一类是借助VPI、OptiSystem等光学仿真软件设计仿真模型，利用软件仿真的方法产生毫米波。VPI包含VPI ComponentMaker和VPItransmissionMaker，只能分别模拟设计器件级和系统级模型。如用户想同时模拟设计器件级和系统级模型，需购买全部模块，研究成本较高。OptiSystem拥有丰富的器件库和仿真模型，但自身没有语言接口，不支持新算法和协议仿真。研究者如需改进算法或提出新的链路通信协议，可以借助Matlab或SCILAB编程构造新组件来实现[12]。此外，研究者在设计光通信系统时，OptiSystem利用Matlab的可扩展架构进行联合仿真、分析和设计优化。本文在前人工作的基础上，详细给出了外调制产生RoF毫米波的方案。

1 外调制原理

外调制基本原理如图1所示。激光器输出的光波输入到调制器1，基带信号通过调制器1调制到入射光波上，从调制器1输出的光波在调制器2中经本振信号调制，得到光载毫米波。通过对调制器2的偏置及本振信号相位的调节，可以实现DSB、SSB、OCS调制，从调制器2输出三种结构的毫米波信号。

假设激光器出射的光波为E0（t）=Aexp（jωct），A为光波幅值，ωc为光波频率，则调制器1输出光波为Ea（t）=A（t）exp（jωct），A（t）为基带信号。本振为Vm（t）=Vmcosωmt，ωm为本振频率，Vm为射频幅值。假设调制器2上臂的射频电压为V1，直流偏置电压为VD1；下臂的射频电压幅值为V2，直流偏置电压为VD2；调制器的幅度衰减系数为α，半波电压为Vπ；调制器分光比是1∶1，作用于调制器2上下臂的射频信号间的相位差为θ。因此，调制器2输出的毫米波信号为：

2 仿真模型

为了评估外调制法中3种方式产生的毫米波的传输性能，本文采用如图2所示的外调制产生毫米波的RoF系统仿真模型。连续激光器产生中心频率为193.1THz、功率为0dBm、线宽很窄的连续激光作为光载波，码速率为2.5Gbit/s的伪随机信号经过非归零后，通过马赫-曾德尔调制器进行强度调制，把基带信号加载到光载波上，其中，马赫-曾德尔调制器的消光比为30dB。若马赫-曾德尔调制器的两臂均加载幅度为

3 结果讨论

对于图2所示的系统模型，为帮助分析，在OptiSystem仿真环境中搭建模型，进行仿真验证。

在B-T-B（back to back，即光纤长度为0km）条件下，采用DSB、SSB、OCS三种调制方式。仿真执行后，A点的毫米波信号光谱图如图3所示；B点的毫米波信号频谱图如图4所示；C点的毫米波信号如图5所示。

图4（a）和图5（a）表明，在DSB调制方式下产生了20GHz分量的射频信号，且功率远大于其它分量。20GHz分量的射频信号由图3（a）所示的光载波与+1阶边带、光载波与-1阶边带拍频产生。因为在DSB调制方式下产生的光载毫米波信号，光载波、+1阶边带、-1阶边带的功率比其他频率成分的功率要大，所以由这三个分量拍频产生的20GHz分量的射频信号的功率要比其他频率的射频分量的功率大。

图4（b）和图5（b）表明，SSB调制方式下产生了20GHz分量的射频信号，且功率远大于其它分量。20GHz分量的射频信号由图3（b）所示的光载波与-1阶边带拍频产生。因为在SSB调制方式下产生的光载毫米波信号，光载波、-1阶的功率比其它频率成分的功率要大，所以由这两个分量拍频产生的20GHz分量的射频信号的功率要比其它频率的射频分量的功率大。

图4（c）和图5（c）表明，在OCS调制方式下产生了40GHz分量的射频信号，且功率远大于其它分量。40GHz分量的射频信号由图3（c）所示的+1阶边带与-1阶边带拍频产生。因为在OCS调制方式下产生的-1阶边带和+1阶边带的功率比其它频率成分的功率要大，所以，由这两个分量拍频产生的40GHz分量的射频信号的功率要比其它频率的射频分量的功率大。此外，与DSB调制和SSB调制相比，OCS调制产生的毫米波信号在接收端拍频后产生的射频信号频率是本振信号频率的2倍。这是因为拍频的两个光频率成分（+1阶边带和-1阶边带）的频率间隔是本振的2倍，即40GHz。

采用DSB、SSB、OCS三种调制方式产生的毫米波，经光纤传输后，随着光纤长度的变化（B-T-B到50km），D点的基带信号眼图变化规律分别如图6（a）、6（b）、6（c）所示。

由图6可以得到，随着光纤长度的变化（从B-T-B到50km），在DSB调制方式下，从光载毫米波信号中解调出来的基带信号的最小误码率分别为1.30×10-12、5.64×10-17、1.53×10-18、3.27×10-15、4.45×10-10、4.85×10-5；在SSB调制方式下，从光载毫米波信号中解调出来的基带信号的最小误码率分别为7.90×10-36、5.32×10-35、1.32×10-30、2.81×10-25、2.09×10-11、6.56×10-5；在OCS调制方式下，从光载毫米波信号中解调出来的基带信号的最小误码率分别为2.12×10-43、2.30×10-35、1.26×10-17、3.98×10-6、1.22×10-3、1.45×10-2。从眼图的变化情况和最小误码率数值中，可以得出以下结论：①在DSB调制方式下，随着光纤长度的增加，基带信号眼图质量由坏变好，再由好变坏。最小误码率数值由大变小，再由小变大。波动较大，总趋势变差；②在SSB调制方式下，随着光纤长度的增加，基带信号眼图逐渐闭合，质量逐渐由好变坏，误码率数值由小变大；③在OCS调制方式下，随着光纤长度的增加，基带信号眼图逐渐闭合，质量逐渐由好变坏，误码率数值由小变大。在光纤中传输时，DSB调制方式产生的毫米波信号存在功率周期性衰落效应，SSB和OCS则不存在。DSB调制方式产生的毫米波信号出现功率周期性衰落效应的定性解释为：光载波与-1阶边带拍频产生的射频分量和光载波与+1阶边带拍频产生的射频分量在光纤中传输时相干叠加，使得毫米波信号时而加强，时而减弱，毫米波信号的功率表现出周期性衰落现象。

在不同调制方式下，毫米波误码率随传输距离的变化情况如图7所示。当传输距离小于10km时，OCS调制方式产生的毫米波优于SSB调制方式产生的毫米波，SSB调制方式产生的毫米波优于DSB调制方式产生的毫米波；当传输距离在10～20km之间时，SSB调制方式产生的毫米波优于OCS调制方式产生的毫米波，OCS调制方式产生的毫米波优于DSB调制方式产生的毫米波；当传输距离在20km与50km之间时，SSB调制方式产生的毫米波优于DSB调制方式产生的毫米波，DSB调制方式产生的毫米波优于OCS调制方式产生的毫米波。

4 结语

真模型设计展开研究。鉴于实物研究成本高，本文根据外调制方法产生毫米波的原理设计仿真模型，运用OptiSystem软件模拟仿真，并根据仿真结果评估传输性能。系统的仿真结果最终表明，运用设计的仿真模型在OptiSystem上模拟仿真，能有效地模拟实物环境，仿真结果符合实际情况，为RoF通信系统研究提供了有益参考。

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