光与无线网络系统架构的基本原理

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：所以对于大带宽的光与无线网络系统，一般使用外调制方法。强度调制直接检测就是对经过强度调制的光与无线网络系统直接进行包络检测，即经过强度调制的信号在基站经过光电探测器就可以直接恢复成原射频信号。

光与无线网络系统首先要解决如何将目标信号加载到光源的发射光束上（光载波），即电光调制；调制后的光信号经过光纤信道送至接收端，由光接收机鉴别出它的变化，恢复原来的信息，即光电解调。在光与无线网络系统中，目标信号是射频信号，即模拟信号，因此发送、传输和接收三部分的技术都是针对模拟信号的，这与传统的数字光纤系统不同。下面对调制解调的相关原理和技术进行介绍。

1.调制方法

光与无线网络系统的调制方法与传统数字光纤系统的相同，分为直接调制（Direct Modulation）和外调制（External Modulation）。

直接调制用于半导体光源，通过直接调制将信息转换为电流信号并直接输入激光器，从而获得调制光信号。半导体光源一般为半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）。其中，发光二极管只能用于性能要求较低的系统，目前大多数光与无线网络系统用的直接调制光源均为半导体激光器。直接调制的原理框图如图3-1所示。

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图3-1　直接调制原理框图

直接调制具有简单、经济等特点，可以进行强度调制。但是直接调制容易引入噪声，对于大带宽光源会导致严重的色散，当带宽达到2.5 GHz时，啁啾现象将会对系统产生严重的影响。

外调制的结构相对复杂，原理框图如图3-2所示。

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图3-2　外调制原理框图

外调制不但可以进行强度调制，还可以进行频率及相位调制，调制性能也优于直接调制。所以对于大带宽的光与无线网络系统，一般使用外调制方法。

经过直接调制或外调制可得到光信号。光与无线网络系统调制频谱变换图如图3-3所示。

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图3-3　光与无线网络系统调制频谱变换图(https://www.chuimin.cn)

从图3-3中可以看出，光纤传输信号的中心频率即光载波的频率，为fc，其两个边带上的信号分别位于fc±fRF附近，称为副载波。fRF为原射频信号的射频载波频率。当系统所传输的信号是一个频分复用信号时，就会产生多个副载波fRF1，fRF2，…，fRFn。信号经过光纤传输至基站。在基站，光信号通过光电探测器可以被还原为射频信号。

2.解调方法

对于光与无线网络系统，解调方法也有两种，分别是强度调制直接检测（IM-DD）和相干检测。强度调制直接检测就是对经过强度调制的光与无线网络系统直接进行包络检测，即经过强度调制的信号在基站经过光电探测器就可以直接恢复成原射频信号。

相干检测可以检测强度、相位、频率调制的光载无线信号。光信号在进入光接收机之前与接收端的本振激光器（LO）进行混频，产生一个等于本振激光器的频率和原光源频率之差的中频分量。

在相干检测中，设接收的光信号的电域表达式为

式（3-1）中，A1为光信号的电场幅度，可用于表示强度调制；ws为光载波的频率，可用于表示频率调制；φs为信号的相位，可用于表示相位调制。接收端本振激光器输出的信号可以表示为

式（3-2）中，A2为本振光信号的电场幅度，wLO是本振光的频率，这里假设本振输出的初始相位为0，则混频后的中频信号频率为此时，输入光电探测器的信号表达式为

经过光电探测器，有

经过滤波器可得到式（3-4）的第三项2A1A2cos（w1t-φs），此项包含表示强度调制的A1和表示相位调制的φs。w1=wLO-ws直接与表示频率调制的ws相关。因此相干检测的方式可以恢复强度、相位、频率调制的光载信号。

与直接检测相比，相干检测更容易获得大信噪比，可以恢复多种调制信号，更适合密集波分复用系统。但是相干检测会提高系统的复杂性，并缺少灵活性。

光与无线网络系统架构的基本原理

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