基于MZM调制器实现混合网络的研究_论文定稿

毕业设计说明书 

作   者：    刘雪姣   学  号：    ******  

学   院：    信息工程学院                                

系(专业)：        通信工程                           

题   目：   基于MZM调制实现混合网络的研究                        

指导者：       卢嘉          讲师      

评阅者：                               

    2013 年 6 月 3 日

毕业设计（论文）中文摘要

        基于MZM调制实现混合网络的研究

摘要：

随着通信技术的迅猛发展，RoF（radio over fiber）技术以其高宽带、大容量、低成本的特点应运而生。本课题实现了基于双边带调制和奇数边带抑制调制实现混合网络的两种方案。在中心站采用MZM调制产生光毫米波，并对一个边带和中心载波加载数据。将耦合信号经光纤耦合后传输到基站，通过基站光电转换成电信号。同时对另一个纯净边带加载数据，实现波长重利用。

通过仿真得出结论：随着光纤传输距离变大，毫米波承载的无线数据信号和波长重利用信号会越受到衰减和色散的影响,由此受到的干扰越大,毫米波信号的性能变差；而有线信号传输受光纤色散影响小。奇数边带抑制方案最大传输距离为30km；双边带调制方案最大传输距离为40km。

Title    Research on Hybrid Network Based on a                 

           Mach-Zehnder Modulator                                           

Abstract

With the rapid development of communication technology, RoF (Radio over fiber) came into being with its high-bandwidth, high-capacity, low-cost. The paper has realized two schemes of the hybrid network based on double sideband modulation (DSB) and an odd sideband suppression modulation. Millimeter wave (mm-wave) is generated based on Mach-Zehnder modulator (MZM) at the central station and data are modulated on both one sideband and cental carrier. The coupled signals are transmitted over the optical fiber to the base station, then electrical signals are done by optical-electric conversion at base station. At the same time, another pure sideband carry data to realize the wavelength reuse .

A conclusion is obtained based on the simulation: With the longer optical transmission distance, millimeter wave of wireless signals and wavelength reuse signals will be more under the influence of attenuation and dispersion, then the disturbance is larger, so the performance of millimeter wave signal is worse; The maximum transmission distance of double sideband modulation scheme is 30km,and the maximum transmission distance of odd sideband suppression modulation scheme is 40km.

1 引言

    古代伊始，信息传递就已经开始被广泛应用，从信鸽传信到烽火狼烟再到近代的传真电报等通信方式，人们的通信越来越便捷，随着信息社会不断发展，信息从简单的手势，到文字，再到多种图像，声音传输，单一的通信方式和信息传输方法，已经不能满足人们的需求。多元化的信息通信方式如电话，电视，网络信息交流，意味着更多的宽带和高要求的信道，大家对音频、图像，影音等多媒体通信的要求越来越高，这些通信处理技术越来越受到欢迎[1]。科技发达进步很大程度上都要依靠信息的发展，要提高通信质量，增大通信传输的能力，微波信号就显得有点力不从心，因此毫米波信号的产生，就显得那么必要。同时大容量带宽信号传输，单靠基站进行数据处理与信息交换远远不够，所以必须要设立一个中心站，使中心站负责射频信号的处理，将处理后信号通过有线光纤传输到基站，经过基站天线发射接收实现数据交换，减轻了基站的负担，同时实现了高速，大容量的通信，这就促成了RoF（radio over Fiber)的出现[2]。此种通信方式将有线光纤传输技术和无线射频技术结合起来，实现混合网络传输，增加了信道利用率，同时降低了成本，是一种不可多得的通信方式。

1.1 研究背景

光纤通信技术可以使用非常大的带宽，为了充分利用这一特点，并且结合无线信息技术使网络传输更加的灵活，降低成本，混合网络传输诞生。将射频无线电技术与光纤传输技术结合既可以增加网络的容量和传输移动性，同时可以缩小成本，是一种非常可行的方案。因此国际上对于光纤传输无线电信号（Radio-over-Fiber,缩写为RoF）的通信技术高度关注［3－7］。光纤传输无线信号技术结合了——无线射频技术和光纤有线传输技术：光纤用来传输基站与中心站之间的信息，而终端发射接收信号完全采用无线通信技术［8］。这样使得通信分工明确，并且降低了信息传输的成本。

Radio-over-fiber的通信方式包括全双工通信方式、半双工通信（下行通信）方式、有线无线相结合的通信方式及与波分复用无源光网络混合传输的通信方式等。我们重点介绍全双工通信方式。所谓全双工通信就是分为两个通道，即上行通道和下行通道。在下行通道中，中心站负责将电信号调制到光载波上，并且进行相应的数据处理，处理后的光信号经过有线光纤传输到基站，在基站只需要进行相应的解调技术，然后将调制好的电信号经过发射天线发射到空中。在上行通道中，基站将天线接收到的无线射频信号调制到光载波上，经过光纤传输到中心站，由中心站进行解调并进行相应的处理。在全双工系统中，中心站分担了部分基站的工作，基站只需要做简单的滤波，光电转换，及电光转换等基础的工作，基站的工作内容大大减少，并且基站的建设结构简单并且易于工作人员维护[9-12]。中心站对信号进行编码调制等多项任务［13］。一个中心站可以连接多个基站，这样基站的建设成本得到了有效地降低，而且系统工作及维护起来也非常的简单，方便。

1.2 国内外研究现状

随着通信技术发展的越来越迅速，网络大容量和良好的移动性，成为迫切的要求。为了解决这一问题，光纤得到广泛使用，以降低成本并且增大带宽。同时无线通信技术凭借其灵活性，与光纤通信结合，混合网络应运而生。光纤传输无线信号技术（RoF）越来越得受到国际上的欢迎和肯定。RoF技术混合了射频无线电技术和光纤技术两种技术——光纤用来进行长距离信号传输，而终端之间的通信由射频无线电技术来完成。

RoF的通信方式包括下行通信、全双工通信、有线与无线结合的混合通信等等。下面重点讲解双工RoF通信：在下行通信中,中心站通过调制技术将射频信号调制到激光器发射的光信号中，并且将调制好的光信号通过光纤传输到基站,而基站通过光电转换和低通滤波等技术对信号进行处理,然后通过天线发射到空气中去。而在上行链路中,基站将天线接收到的上行数据信号调制到光毫米波载波信号中,经光纤传输到中心站进行处理。基站的作用仅仅在于光电转换和电光转换，工作量大大减小,降低了基站的成本，同时结构简单易于维护。中心站负责实现信号编码，调制等各种信号处理技术过程。多个基站共享一个中心站，降低了成本的同时，系统也便于更新等等。

 使用RoF实现混合网络的关键在于光毫米波的产生。截止到今天,人们已经想到并验证了多种光毫米波的产生方法。比如2003 年基于 EAM 的 60GHz 毫米波、微波以及基带信号进行混合调制与传输的方案由 Kensuke Ikeda 提出；而Alejandro Martinez研究出了基于mach-zehndor Modulator产生毫米波并与基带信号混合调制的三种不同案；更有Hyun-Seung Kim等科学家提出基于单边带调制方式的混合网络传输方案,这种方案的中心站结构相当复杂，并且基带信号与毫米波信号加载的数据信号相同；而国内Shu-HaoFa提出了另一种单边带调制方式的混合接入RoF系统方案，虽然中心站的成本依然很高，但是利用了强度调制加载无线信号，相位调制加载有线信号，这样一来实现了有线信号和无线信号的同时传输；后来Wen-Jr Jiang等人提出了基于单个载波抑制调制实现混合网络的研究方案，这种方案使得RoF系统实现了不同数据信号的混合传输，并且结构相对简单，稳定性高[14]。近年来我们国家也进行了很多相关研究，清华大学，湖南大学也做过很多的学术探讨和课题研究，提出了基于单边带调制、双边带调制，载波抑制调制等多种方法实现混合网络的方法。湖南大学雷晓燕采用新型单边带技术，滤除奇数边带，只剩下一个二阶边带，降低了信号干扰，增加了传输距离。而这种方法同样可以用在混合网络当中。下面我介绍的方案之一即采用了这种方法，将奇数边带抑制，只剩下中心载波和两个二阶边带，通过加载数据信号和波长重利用技术，实现混合网络的研究。

结合以上几点，本文主要讨论使用MZM实现混合网络的几种新型方案。

1.3 论文结构

基于MZM调制实现混合网络的特性，本文对基于双边带调制和奇数边带抑制调制进行了研究，并且通过仿真对系统性能进行了详细的分析和比较。论文结构如下：　　　　　　　　　　　　　　　　　　

(1) 第二章详细地介绍了MZM调制实现混合网络的关键技术，包括MZM调制产生毫米波技术，波长重利用技术，光电检测技术。这几种技术在整个RoF系统中起到了非常重要的作用，为后面的MZM系统实现混合网络的研究奠定了基础。

　　(2) 第三章系统介绍了基于MZM调制实现混合网络研究的两个方案—基于双边带调制实现混合网络的研究和基于奇数边带抑制实现混合网络的研究。详细设计出两个方案的实施计划和具体的理论推导。对RoF系统进行了系统的仿真连线并软件仿真，得到最终的仿真结果。

　　(3) 第四章通过查看不同方案的仿真结果，并且观察系统的眼图，验证了所设计系统有良好的传输性能，从而验证了设计方案的合理性和可实施性。并且对两个方案的结果进行分析比较，得出结论。

2　关键技术

2.1　基于MZM调制产生光毫米波的方法

    在RoF系统中,光毫米波信号的产生和传输是全双工RoF的重要技术之一。至今，光毫米波的产生方法已经有很多种，并且都得到了验证。其中，使用外部调制技术得到高达40 GHz高频毫米波的研究方法，是目前位置相对理想且成熟的。外部调制器通过不同的调制方案来产生不同调制格式的毫米波,如双边带调制技术、单边带调制技术和光载波抑制调制技术，奇数边带抑制调制技术，偶数边带抑制调制技术等［15－22]。

双边带技术的配置相对简单,但由于光纤会产生色散，使产生的毫米波受到影响，信号经光纤传输后拍频产生的两个边带的射频(RF)电信号具有不同的相位，以致RF信号的功率随着光纤距离的变化而产生变化，如果两个边带信号都加载数据信号,那么码间干扰的影响将不容小觑,从而导致毫米波信号迅速衰减，使得基带数据的传输距离受到[23,24]。解决方法是在中心站采用马赫-曾德尔调制器产生双边带信号，并对这两个边带进行滤波，将数据信号只加载到一个边频上，对另一个边频信号不做处理，将两个信号进行耦合后再经光纤传输。这种方法有效地解决了码间干扰的问题。

    载波抑制调制产生毫米波的电路相对复杂，需要控制直流偏置电压和对称的射频信号。载波抑制调制方式会使得调制器受到直流偏置漂移的影响,因此就必须采用光纤布拉格光栅(FBG)，通过载波抑制和滤波来减轻影响。而问题在于这样做由于FBG对温度敏感，使得系统的性能并不是太稳定。解决方法是在中心站采用马赫-曾德尔调制器载波抑制调制信号, 采用滤波技术分离产生的两个一阶边带，并将其中一个边带加载数据信号，另一个不予以处理，然后将两个边带耦合经光纤传输到基站。这样可以减轻由于色散引起的走离效应导致其加载的数据信号衰减迅速，从而延长光纤的传输距离[25]。

单边带调制技术原理是利用马赫-曾德尔调制器，通过参数设置来产生可用的双边带调制信号，然后对信号进行滤波，将中心载波加载数据信号，并与任一未加载数据信号的边带信号进行耦合传输。单边带调制可以提高光毫米波的色散抵抗能力，同时有效地抑制数据信号的走离效应，传输距离可以达到更远,优于DSB方式，但由于中心波长处的直流分量较高，因此接收机的灵敏度低[26]。

边带抑制调制技术，与双边带技术相似，在中心站设置参数，调制出奇数边带抑制信号（偶数边带抑制信号），将信号的其中一个偶数边带信号（奇数边带信号）加载数据，另一个不做处理，并与其耦合传输，这样减轻了码间干扰，同时增加了传输距离。

外调制技术产生毫米波的原理很简单，激光器产生的信号和射频信号一起调制到MZM调制器中，产生的光毫米波信号通过滤波经光纤传输到基站进行光电转换，将电信号发射出去。原理如图2.1下：

图2.1 外调制原理图

2.2　波长重利用技术

RoF 系统中采用波长重用技术，基站不需要再添加任何光源，简化了基站的配置，使系统更加灵活，同时这种做法降低了系统的成本，提高了系统光信号的利用率。

波长重用技术的基本原理是将在中心站未得到任何处理的信号传送至基站，然后在基站被滤波分离用来调制需要上行传输的无线电信号。其基本过程为：中心站采用频率为fe的射频信号和频率为f0的激光器信号经过MZM调制产生双边带信号，经滤波器将信号分离，一路为中心载波f0 ，用于加载有线信号，另一路是其中一个边带信号（f0±fe)，通过调幅调制器调制下行传输的基带数据信号，而另一路边带信号不作任何处理。然后将三路信号再次耦合，并经过光纤传输至基站。在基站，利用滤波器将中心载波与两个边带分离，再单独滤出一个未加载数据信号的一阶边带。分离的一阶上下边带经过光电转换技术生成了频率间隔为 2fe 的电毫米波信号，通过低通滤波将该电毫米波信号发射到终端。而中心载波信号经过光电转换技术生成了电毫米波信号，同样经过天线发射出去。最后对另外一路未加载任何数据的边带信号进行波长重用，通过AM调幅调制器强度加载接收的数据信号进行光纤传输，通过光电检测，低通滤波等完成上行信号传输。原理如图2.2下：

图2.2 波长重利用原理图

2.3　光电检测技术

光电检测技术是RoF系统中不可或缺的技术之一，工作原理是利用光线激光等通信器件，将光辐射信号经光电检测器接收并转换为电信号，经过放大、滤除不需要的波形等来提取想要的信息，经过模电转换等一系列处理得到关键的信息。原理原理如图2.3下：

图2.3光电检测原理图

    其技术主要包括光信息获取技术、光信息测量技术、测量信息的光电处理技术、光电转换技术等。

3  基于MZM调制实现混合网络

3.1　基于双边带调制实现混合网络的方案

3.1.1　方案设计

   图3.1　　基于双边带调制实现混合网络 CW：连续激光器；MZM：调制器；Filter：滤波；AM：振幅调制；PIN：探测器；BERT：眼图；Mixer：混频器

    图3.1中心站采用双边带调制技术和滤波处理分别产生两个双边带信号和中心载波信号。将无线数据信号只调制到其中一个边模上，有线数据信号调制到中心载波上，然后三个信号耦合产生光毫米波信号通过光纤传输到基站。基站进行信号分离，天线发射接收及解码。

这种方法可以减轻基站工作量，同时抑制码间串扰。

  3.1.2　理论推导

图3.1为基于双边带调制实现混合网络的方案图。连续激光器产生光波频率为光场幅度为A的光波被一个MZ集成调制器所调制，集成调制器被两个频率均为（为驱动信号频率），初始相位为0的射频本振源所驱动。假设输入光信号是，，是RF调制电压，,是分别加到双臂的偏置电压（直流），输入端产生的光信号为:

                                                              （3-1）

     表示第二个臂与输入功率比值(或第二个臂的输出与输出功率的比值).,其中, 

    由于(偏置开启电压)有可能与RF开启电压不同, 因此,将直流偏置电压分别作为参数。

    如果偏置开启电压与RF开启电压相等,并且电信号规一化参数为false,偏置电压就可以包括在电信号里。

　　我们假设模型是消光比足够大，损耗足够小的理想状态，则上式化简为:

　　　　　　　　　　　　　　　　　（3-2）

假设:

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　     （3-3a）

    　　　　　　　　　　　　　    （3-3b）

其中

化简得:

　    （3-4）

对上式取实部可得:

　　　　　　　　　　　  （3-5）

    一般情况下, LiNbO3 Mach---Zehnder Modulator的RF调制电压幅度相等,频率相同,即.为了简化分析,使即:,这与optisystem中的参数设置一致.

方程再次化简为:

　　　（3-6）

令,

  （3-7）

将上式中三项分别合并在一起：

                                                                      （3-8）

的项分别为载波项、偶边带项、奇边带项。

    而后进行滤波器滤波，只考虑中心载波和一阶边带的能量，其他忽略，分别产生承载有线、无线、上行信号的光波的表示为：

    有线信号：2.5Gbit/s的数据信号调制到，用于传输有线信号到基站，再经发射天线发射出去。其中L(t)即为频率为2.5GHz的有线数据信号。

    无线信号：2.5Gbit/s的数据信号调制到，用于毫米波传输无线信号到基站，再经发射天线发射出去。其中S(t)即为频率为2.5GHz的无线数据信号。

    上行信号：上行数据信号H(t)在基站时，调制在，即，从而实现波长重利用。

3.1.3 系统仿真结果及其分析

图3.2为中心站的仿真连线图，其中CW产生频率为193.1THz功率为0dBm的连续光波。射频信号初始相位为0，频率为20GHz，设置MZM调制器参数为图3.3，调制产生双边带毫米波。设置滤波器参数：频率为193.12THz，带宽为18GHz，滤出承载无线信号的光毫米波信号，用以加载2.5Gbit/s无线信号。频率为193.08THz，带宽为18GHz，滤出承载上行信号的光波，用以加载上行信号。频率为193.1THz，带宽为18GHz，滤出承载有线信号的光波，用以加载2.5Gbit/s有线信号。

图3.2  MZM调制器设置参数

图3.3　　中心站仿真图

    图3.4是中心站产生的仿真频谱结果,(a)图是MZM调制器产生的双边带信号。中心频率193.1THz，一阶边带和中心边带频率差为20GHz，中心载波-11dBm，两个边带均为-18dBm。抑制比为7dBm。图(b)是滤波产生的其中加载数据信号的边带，频率为193.12THz。图(c)是另一个边带信号（用于波长重利用），频率为193.08THz。图(d)是加有线信号的载波信号，频率为193.1THz。

             (a)                                            (b) 

               (c)                                       (d)                                   

     图3.4　　　中心站产生的仿真频谱 (a) 图对应仿真连线图中a点  (b)图对应仿真连线图中b点 (c)图对应仿真连线图中c点 (d)图对应仿真连线图中d点

　　图3.5耦合信号经过光纤传输到基站，中心频率193.1THz，两个边带频率间隔40GHz。 

图3.5　对应连线图e点 

    图3.6是基站连线图。基站把光纤传输来的信号滤波，分离产生三种信号，通过解调。分别实现有线信号、无线信号、上行信号的传输。频率为193.12THz，带宽为20GHz，滤出承载无线信号的光毫米波信号，光电转换之后电信号与频率为40GHz，相位为的射频信号进行混频，滤出0,40GHz的两个信号，进行低通滤波后发射出去。频率为193.08THz，带宽为18GHz，滤出承载上行信号的光波，用以在基站加载2.5Gbit/s上行信号，进行光电转换低通滤波。频率为193.1THz，带宽为36GHz，滤出承载有线信号的光波，进行光电转换低通滤波。 

　　　　　　　　　　　　图3.6　　　基站仿真图

    图3.7,3.8是基站仿真频谱图，其中3.7图是承载无线信号的毫米波经光电转换后的频谱，双边带信号两个一阶边带间隔的频率为40GHz。左边带为0，右边带为40GHz。3.8(a)图是边带信号加载数据信号后的光信号，后经光纤传输到中心站，经光电转换后发射，实现上行信号传输。(b)图是加载有线数据信号的光波，频率为193.1THz

 图3.7承载无线信号的毫米波经光电转换后的频谱对应连线图中f点

(a)                                 (b)                                        

图3.8　　基站仿真频谱图 (a)图对应连线图中g点  (b)图对应连线图中h点      

3.2　基于奇数边带抑制调制实现混合网络的方案。

 3.2.1　方案设计

图3.9中心站用MZM调制器实现抑制奇数边带调制，产生频率间隔为2倍射频信号源频率的双边带信号和中心载波信号。将无线数据信号只调制到其中一个边带上，有线数据信号加载到中心载波信号上，然后三个信号耦合产生光毫米波信号通过光纤传输到基站。基站进行信号分离，天线发射接收及解码。

这种方法可以减轻基站工作量，同时抑制码间串扰。提高了倍频因子，容易产生不需要的高频信号。

 图3.9  奇数边带抑制调制实现混合网络 CW：连续激光器；  MZM：调制器；Filter

滤波； AM：振幅调制；PIN：探测器；BERT：眼图；Mixer：混频器

3.2.2 理论推导

    图3.9为基于奇数边带抑制调制实现混合网络的方案图。连续激光器CW产生光波频率为光场幅度为A的光波被一个MZ集成调制器所调制，集成调制器被两个频率为（为驱动信号频率），初始相位分别为0，180度的射频本振源所驱动。假设输入光信号是，， RF调制电压，,是分别加到双臂的偏置电压（直流），输入端产生的光信号为:

                                                             （3－9）

    表示第二个臂与输入功率比值(或第二个臂的输出与输出功率的比值).,其中, 

    由于(偏置开启电压)有可能与RF开启电压不同, 因此,将直流偏置电压分别作为参数。

    如果偏置开启电压与RF开启电压相等,并且电信号规一化参数为false,偏置电压就可以包括在电信号里。

　　我们假设模型是消光比足够大，损耗足够小的理想状态，则上式化简为:

　　　　　　　　　　　　　　　　　（3-10）

假设:

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　    （3-11）

    　　　　　　　　　　　　　   （3-12）

其中

化简得:

　  （3-13）

对上式取实部可得:

　　　　　　　　　　　 （3-14）

    一般情况下, LiNbO3 Mach---Zehnder Modulator的RF调制电压幅度相等,频率相同,即.为了简化分析,使即:,这与optisystem中的参数设置一致.

方程再次化简为:

　　　（3-15）

令,

（3-16）

      奇数边带抑制调制没有奇数项，将上式中含有的项分别合在一起：                                                                

  公式为

　　　　　　　（3-17）

    而后进行滤波器滤波，分别产生承载有线、无线、上行信号的光波的表示为：

    有线信号：5Gbit/s的数据信号调制到，用于传输有线信号到基站，再经发射天线发射到空中。

    无线信号：2.5Gbit/s的数据信号调制到，用于毫米波传输无线信号到基站，再经发射天线发射到空中。

上行信号：上行数据信号调制在，即，从而实现波长重利用。

3.2.3 系统仿真结果及其分析

图3.11为中心站的仿真连线图，其中CW产生频率为193.1THz功率为0dBm的连续光波。射频信号一个初始相位为0，频率为10GHz，另一个初始相位为，频率为10GHz。设置MZM调制器参数为图3.10，调制器经设置参数后产生奇数边带抑制调制毫米波信号。设置滤波器参数：频率为193.12THz，带宽为18GHz，滤出承载无线信号的光毫米波信号，用以加载2.5Gbit/s无线信号。频率为193.08THz，带宽为15GHz，滤出承载上行信号的光波，用以加载上行信号。频率为193.1THz，带宽为36GHz，滤出承载着有线信号的光毫米波信号，用以加载2.5Gbit/s有线信号。

图3.10  MZM调制器设置参数

　　　　　　　　　　　图3.11　　中心站仿真图

图3.12是中心站产生的仿真频谱,(a)图是MZM产生的奇数边带抑制调制信号。中心频率193.1THz，一阶边带和中心边带频率差为20GHz，中心载波-8dBm，一阶边带被抑制，两个二阶边带均为-28dBm。抑制比为20dBm。图(b)是滤波产生的其中加载数据信号的边带，频率为193.12THz。图(c)是另一个边带信号（用于波长重利用），频率为193.08THz。图(d)是加有线信号的载波信号，频率为193.1THz。

                 (a)                                      (b)

               (c)                                      (d)

    图3.12　中心站产生波形 (a) 图对应仿真连线图中a点  (b)图对应仿真连线图中b点 (c)图对应仿真连线图中c点 (d)图对应仿真连线图中d点 

图3.13耦合信号经过光纤传输到基站，中心频率193.1THz，两个边带频率间隔40GHz。

　 图3.13　对应连线图e点 

图3.14是基站连线图。基站把光纤传输来的信号滤波，分离产生三种信号，通过解调。分别实现有线信号、无线信号、上行信号的传输。频率为193.12THz，带宽为20GHz，滤出载有无线数据信号的毫米波信号，光电转换之后电信号与频率为40GHz，相位为的射频信号进行混频，滤出0,40GHz的两个信号，进行低通滤波后发射出去。频率为193.08THz，带宽为18GHz，滤出载有上行信号的毫米波信号，在基站加载2.5Gbit/s数据信号到毫米波信号中，进行光电转换低通滤波。频率为193.1THz，带宽为36GHz，滤出承载有线信号的光波，进行光电转换低通滤波。

图3.14　基站连线图

  　图3.15，3.16是基站仿真频谱图，其中3.15是光电转换后的电谱图，双边带信号的两个一阶边带之间间隔频率为40GHz。左边带为0，右边带为40GHz。 3.16(a)图是边带信号加载数据信号后的光信号，后经光纤传输到中心站，经光电转换后发射，实现上行信号传输。(b)图是加载有线数据信号的光信号，频率为193.1THz。

图3.15 光电转换后的电谱图  对应连线图中f点

         (a)                                 (b)

 图3.16　基站仿真频谱图   (a)图对应连线图中g点  (b)图对应连线图中h点    

4 系统性能分析 

 4.1  系统仿真结果及其性能分析

奇数边带抑制调制

分析系统的性能连续激光器CW产生频率为193.1THz功率为0dBm的连续光波。两个射频信号初始相位分别为0，，频率为10GHz，混频器射频信号为40GHz,初始相位为。经过仿真得到以下眼图： 

           (a)                                    (b)

                 (c)                                      (d)

图 4.1 不同长度光纤下观察到的承载无线信号的眼图结果  (a)B-T-B  (b) 10 km (c)20 km  (d) 30 km  

图4.1中(a)、(b)、(c)、(d)分别是光纤长度为B-T-B、10km、20 km、 30km下观察承载无线信号的毫米波得到的眼图情况。图(a)不经过光纤传输，可以看到得到的眼图质量非常好，误码率为e-21。由图4.1可以看出眼图的质量随着光纤长度的增加而下降，因为光纤的长度越长，传输数据会越受到衰减和色散的影响。由此受到的干扰越大，所以眼图的质量越坏。图中当光纤长度大于30km时眼图已变得非常不理想，误码率e-2，实际仿真中当光纤长度增加到40km时，将不能传输承载无线信号的毫米波信号。

 (a)                                    (b)

(c)                                 (d)

图 4.2 不同长度光纤下观察到的承载有线信号的眼图结果  (a)B-T-B  (b) 30 km (c)60 km  (d) 120 km  

图4.2中(a)、(b)、(c)、(d)分别是光纤长度为B-T-B、30km、60 km、 120km下观察承载有线信号的毫米波得到的眼图情况。可以看到得到的眼图质量非常好,光纤距离在0-60km时不受光纤传输距离影响,误码率为0，而在60km以后随着光纤传输距离的增大，眼图质量下降，120km时误码率e-5,再增加距离，则光纤不能传输承载有线信号的毫米波信号。

 (a)                                    (b)

(c)(d)

图 4.3 不同长度光纤下观察到的承载上行信号的眼图结果  (a)B-T-B  (b) 10 km (c)40 km  (d) 120 km  

图4.3中(a)、(b)、(c)、(d)分别是光纤长度为B-T-B、10km、40 km、 120km下观察承载上行信号的毫米波得到的眼图情况。图(a)不经过光纤传输，可以看到得到的眼图质量很好误码率e-52。而后随着光纤长度增加，质量变差，在10km时的眼图质量最差e-34，而后随着光纤长度增加，传输质量变好，在40km时误码率e-46。当大于40km时，眼图质量随着光纤长度增加而下降，120km时误码率达到e-10，光纤距离大于120km以上不能传输

双边带调制

分析系统的性能连续激光器CW产生频率为193.1THz功率为0dBm的连续光波。两个射频信号初始相位为0，频率为20GHz，混频器射频信号为40GHz,初始相位为。经过仿真得到以下眼图： 

   (a)                                    (b)

(c)                                        (d)

图 4.4 不同长度光纤下观察到的承载无线信号的眼图结果  (a)B-T-B  (b) 10 km (c)40 km  (d) 70 km

图4-4中(a)、(b)、(c)、(d)分别是光纤长度为B-T-B、10km、40 km、 70km下观察承载无线信号的毫米波得到的眼图情况。图(a)不经过光纤传输，可以看到得到的眼图质量非常好。由图4-4可以看出眼图的质量随着光纤长度的增加而下降，因为光纤的长度越长，传输数据会越受到衰减和色散的影响。由此受到的干扰越大，所以眼图的质量越坏。图中当光纤长度大于70km时眼图已变得非常不理想，加大传输距离，将不能传输。

  (a)                                    (b)

(c)                                        (d)

图 4.5不同长度光纤下观察到的承载有线信号的眼图结果  (a)B-T-B  (b) 50 km (c)60 km  (d) 120 km

图4.5中(a)、(b)、(c)、(d)分别是光纤长度为B-T-B、50km、60 km、 120km下观察承载有线信号的毫米波得到的眼图情况。可以看到得到的眼图质量非常好,光纤距离在0-50km时不受光纤传输距离影响,误码率为0，而在60km以后随着光纤传输距离的增大，眼图质量下降，120km时误码率e-9,再增加距离，则光纤不能传输。

     (a)                                    (b)

(c)                                        (d)

图 4.6不同长度光纤下观察到的承载上行信号的眼图结果  (a)B-T-B  (b) 70 km (c)90 km  (d) 170 km

图4.6(a)、(b)、(c)、(d)分别是光纤长度为B-T-B、70km、90 km、 170km下观察承载上行信号的毫米波得到的眼图情况。光纤长度为0-70km时，可以看到得到的眼图质量非常好，误码率0。而后随着光纤长度增加，质量变差，在170km时的眼图质量最差，误码率e-6，当光纤距离大于170km以上不能传输。

4.2  两个方案之间的性能比较 

我们以系统实现传输无线数据信号功能为例，比较基于双边带调制和奇数边带抑制调制实现混合网络的性能。在第3章中我们对两个系统参数进行了设置。区别在于双边带调制中加到MZM调制器的两个射频信号初始相位为0，频率为20GHz，而奇数边带抑制的两个射频信号初始相位分别为0，180度,频率为10GHz。得到的眼图结果如下：　

(a)                                            (b)

　　　(c)

        图 4.7 不同调制方式下观察到的实现无线数据信号传输的眼图结果  

        (a)基于双边带调制实现混合网络，光纤长度为20 km 

        (b)基于奇数边带抑制调制实现混合网络，光纤长度为20 km  

              (c)基于双边带调制实现混合网络，光纤长度为40 km 

图4.7中(a)、(b)描述的是当光纤传输距离为20 km时，双边带调制和奇数边带抑制调制两种调制方式下观察到的实现无线数据信号传输的眼图情况。图(a)、(b)光纤长度为20 km，可以看到(a)图的眼图质量(误码率e-104)要好于(b)图(误码率e-6)。这是因为双边带调制方案产生的光毫米波信号，中心频率193.1THz，一阶边带和中心边带频率差为20GHz，中心载波-11dBm，两个边带均为-18dBm。抑制比为7dBm；奇数边带抑制调制方案产生的毫米波信号，中心频率193.1THz，二阶边带和中心边带频率差为20GHz，中心载波-8dBm，一阶边带得到有效的抑制，两个二阶边带均为-28dBm。抑制比为20dBm。奇数边带抑制的边带能量小，受到的干扰影响大，所以眼图的质量越坏。

另外图4.7中(c)图中当光纤长度为40km时眼图质量（误码率e-50）虽然比20km(误码率e-104)时差，但仍然可以传输，而奇数边带抑制调制方式下的混合网络系统当光纤长度大于30km时眼图已变得非常不理想，实际仿真中当光纤长度增加到40km时会发现光纤不能再传输承载无线数据的毫米波信号。

因此得出，两种方案都具有可行性，但是基于双边带调制实现混合网络的性能要比基于奇数边带抑制调制的性能好一些。

结  论

本文就混合网络的实现提出了基于双边带调制和奇数边带抑制调制实现混合网络的方案。并且利用optisystem软件仿真，验证了方案的正确性，和可实施性。同时分析了光纤传输长度对系统性能的影响，并对两个方案之间的性能进行了比较。

本文主要做了以下工作：

(1)简单介绍了ROF系统的研究背景，随着社会发展越来越快，通信技术发展迅速，ROF（radio over fiber）技术以其高宽带、大容量、低成本的特点应运而生。此种通信方式将有线光纤传输技术和无线射频技术结合起来，实现混合网络传输，增加了信道利用率，同时降低了成本，是一种不可多得的通信方式。同时，介绍了国内外对于ROF技术的研究现状，重点介绍了外部调制方式实现混合网络的研究进展。

(2)详细的介绍了MZM调制实现混合网络的关键技术，包括MZM调制产生毫米波技术，波长重利用技术，光电检测技术。对MZM调制中采用双边带调制技术，单边带调制技术，载波抑制边带调制技术，奇数边带抑制调制技术等的优缺点进行了分析。为后面基于双边带调制和奇数边带抑制调制实现混合网络打下了坚实的基础。

(3)详细介绍了基于MZM调制实现混合网络的两个方案。对毫米波信号的产生进行了详细的理论推导和分析，同时构建系统的仿真图，设置系统参数，对系统进行仿真得到仿真结果，验证了方案的可行性。从结论中可以看出基于双边带调制和奇数边带抑制调制，将有线数据信号，无线数据信号从中心站传输到基站转换成电信号再经天线发射，将上行信号调制到毫米波的一个边带经光纤传输到中心站，中心站将信号进行光电转换处理后，通过天线发射出去，从而实现了混合网络的传输，增加了带宽利用率。从而可以说明所设计方案的合理性。

(4)观察两个方案实现的系统的眼图，发现设计方案的信号传输质量很好，误码率很低，验证了方案的可实施性，和正确性。随着光纤传输距离变大，毫米波承载的无线数据信号和波长重利用信号会越受到衰减和色散的影响,由此受到的干扰越大,毫米波信号的性能变差；而有线信号传输受光纤色散影响小。奇数边带抑制方案最大传输距离为30km；双边带调制方案最大传输距离为40km。

将双边带调制和奇数边带抑制调制实现无线数据传输两个方案进行比较，发现光纤长度相同时，双边带调制实现混合网络的眼图效果更清晰，而且当光纤距离大于30km时，双边带调制实现混合网络的眼图效果很好，而奇数边带抑制调制实现混合网络的眼图已经很不清晰。当大于40km时，前者仍然可以传输，后者不能。这是因为双边带调制的毫米波，边带能量要比奇数边带抑制调制的大，受到的干扰也小，所以得到的眼图效果更好，而可以传输的距离就能够更长。

参 考 文 献

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 致  谢

在整个毕设的设计过程中，卢嘉老师作为我的指导老师非常的尽心尽力，体谅学生。工作非常严谨，不论是论文内容方法还是论文格式，老师都非常认真，力求让我们养成严谨的好习惯。毕设涉及到的内容之前都没有接触过，学习起来非常吃力。在此期间，我遇到了一些困难，也犯过一些错误，老师都不厌其烦的教导我，指导我，让我感到非常的温暖。后参加工作后，深刻体会到内容规范的重要性，更加感激老师的严谨和耐心，让我养成了认真细心的好习惯。在这里，请允许我对老师说一声，您辛苦了。感谢您的教诲，使我完成了毕设，也学会了好多道理。

同时也非常感谢陪我一起学习成长的同学们，我的成长离不开你们的陪伴与支持！