论文总字数：27321字

摘 要

众所周知，随着5G通信的发展，射频载波的频率进入毫米波段将会是必然趋势。然而毫米波在电缆中的传输损耗极高，将毫米波调制到光载波上将能解决这一难题。在光调制技术中，光学单边带调制因为其能克服色散的优势，已经成为目前光调制技术的研究热点。本论文主要对基于马赫曾德尔调制器（Mach-Zehnder Modulator，MZM）和90度混合耦合器的光学单边带（Optical Single Sideband，OSSB）调制的链路特性进行了研究。

首先，建立了OSSB调制的理论模型，并使用软件Optisystem进行仿真。在仿真实验中得到了系统的光谱图、1dB压缩点及三阶交截点等性能参数，仿真的结果很好地验证了理论模型。

搭建了基于MZM和90度混合耦合器的OSSB调制链路，测得MZM输出的光谱图，发现一阶边带抑制比约为20 dB。测出系统的1dB压缩点为11.7 dBm和链路增益为-32.9 dB，并分析了微波光子链路的频响特性，发现激光器功率的减少会引入更高的噪声。

建立了链路噪声和噪声系数的理论模型，测得链路的三阶交截点为15.8 dB，无杂散动态范围在96.5 dB-101.3 dB之间，噪声系数为47.8 dB，实测数据与理论计算结果略有误差但基本一致。

建立了基于120度混合耦合器的OSSB调制的理论模型，并使用软件Optisystem进行仿真。通过理论和仿真实验的分析，发现这种方案可以有效抑制-1阶和 2阶边带，但存在射频功耗增大的问题。比较两种方案具体的性能指标，新的方案的部分性能略有下降。考虑到新的方案的优势，其还是很具竞争力的。

关键词：微波光子学，光学单边带，马赫曾德尔调制器，光载无线通信

Abstract

As we all know, with the development of 5G communications, the carrier frequency is entering the millimeter wave band will be an inevitable trend. However, the transmission loss of the millimeter wave in the cable is extremely high, and this problem can be solved by modulating the millimeter wave to optical carrier. The optical single-sideband modulation (OSSB) has become a research hotspot of optical modulation technology for its advantage of overcoming dispersion. This dissertation mainly studies the link characteristics of optical single sideband modulation based on Mach-Zehnder Modulator (MZM) and 90-degree hybrid coupler.

First, a theoretical model of OSSB modulation was established and Optisystem was used for simulation. In the simulation, the system parameters such as 1dB compression point and third-order intercept point were obtained. And the simulation results verified the theoretical model well.

An OSSB modulation link based on a Mach-Zehnder modulator and a 90-degree hybrid coupler was built. The spectrum of the MZM output was measured and the first-order sideband suppression ratio was found to be about 20 dB. The measured 1dB compression point of the system is 11.7dBm and the link gain is -32.9dB. The frequency response of the microwave photonic link is analyzed. It is found that the reduction of laser power will introduce higher noise.

A theoretical model of link noise and noise figure is established. The third-order intercept point of the link is 15.8dB, the spurious-free dynamic range is between 96.5dB-101.3dB, the noise figure is 47.8dB. And the measured results accord with the theoretical calculations well and only slight differences are observed.

A theoretical model of the OSSB modulation based on the 120-degree hybrid coupler was established and simulated by using Optisystem. Through theoretical analysis and simulation, it is found that this scheme can effectively suppress the -1th order and the 2rd order sidebands, but RF power consumption will increase as well. Comparing the specific performances of the two schemes, some performances of the new scheme slightly decreased. Taking into account the advantages of the new scheme, it is still very competitive.

KEY WORDS：Microwave photonics, Optical single sideband (OSSB) , Mach–Zehnder modulator (MZM) , Radio over Fiber (RoF)

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1光学单边带调制的特性及应用 1

1.2.2 基于120°hybrid Coupler的光学单边带调制 2

1.2.3 光学单边带调制的新应用 2

1.3主要研究内容 3

第二章 OSSB调制原理与仿真实验 4

2.1 OSSB调制的理论分析 4

2.2 OSSB调制的性能指标 6

2.2.1链路增益 6

2.2.2 1dB压缩点 7

2.2.3 三阶交截点 7

2.3 基于90°Hybrid Coupler的OSSB调制仿真 8

2.3.1 准备工作及光谱图仿真 8

2.3.2 1dB压缩点仿真 8

2.3.3三阶交截点仿真 9

第三章 基于OSSB调制链路的搭建与测试 11

3.1准备步骤 11

3.2 基于90°Hybrid Coupler的OSSB调制光谱图 12

3.3 1dB压缩点的测量 13

3.4 链路增益与频响特性分析 14

3.5 微波光子链路噪声分析与噪声系数 16

3.5.1 热噪声 16

3.5.2 散弹噪声 16

3.5.3 相对强度噪声 17

3.5.4 噪声系数 17

3.6 三阶交调失真与无杂散动态范围的测量 18

3.6.1 实验准备步骤 18

3.6.2 实验数据处理与分析 19

3.6.3 无杂散动态范围的测量 20

3.6.4 微波光子链路噪声分析 21

第四章 光学单边带调制的改进 23

4.1基于120°Hybrid Coupler的OSSB调制 23

4.2基于120°Hybrid Coupler的OSSB调制链路仿真 24

4.3基于120°Hybrid Coupler的OSSB调制链路搭建 25

4.4基于120°Hybrid Coupler的OSSB调制光谱图 26

4.5基于120°Hybrid Coupler的OSSB调制的性能参数 26

4.5.1 链路增益与1dB压缩点的测量 26

4.5.2 三阶交截点的测量 27

4.5.3 无杂散动态范围的测量 28

4.6基于120°Hybrid Coupler的OSSB调制的综合分析 28

第五章 总结与展望 29

5.1工作总结 29

5.2研究展望 29

致 谢 30

参考文献 31

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

目前，随着通信技术的快速发展，移动运营商原先所提供的语音业务被扩展为图像、视频等多媒体业务，这就对移动通信技术的传输速度传输容量等指标提出了更高的要求。为了满足日益增长的移动通信需求，现有的频带资源已经被极大地开发，因此必须开发新的频带资源。光载无线通信（RoF）技术就是应运而生的一项技术，其满足了速度快、容量大的无线通信需求，是将光纤通信和无线通信相结合的一项新兴无线接入技术。在RoF技术中光纤被作为基站与中心站之间的传输链路，光被用来传输射频信号。中心站的作用就是用激光作为载波，将待传输的射频信号调制到激光上，之后经调制的光波通过光纤链路进行信号传输。待光波信号到达基站后，光波信号经过光电转换将射频信号解调，再通过天线发射供用户接收使用。

RoF技术中，如何调制所需的光波信号一直是研究的热点。通常，RoF系统中的调制方式有直接调制和间接调制两种。直接调制面临调制速率低，高速调制会产生啁啾现象等问题。间接调制主要分为光学单边带调制和光学抑制边带调制等。不过光学双边带调制中的两个不同频率的光学边带信号经过长距离光纤传输后，由于光纤的色散效应会导致两个光学边带干涉，这种现象会随传输长度变化而产生干涉相长和相消，致使射频信号随这种干涉效应出现周期性衰落。光学单边带调制只传输一个一阶边带信号，故可以克服这种周期性衰落现象。光学单边带调制有许多实现方案，典型的如光学滤波法和调制器驱动控制法。随着技术的进步，激光二极管、光纤及硅片等制作工艺不断发展，现在的许多单边带调制技术未来会投入实际运用中。RoF技术也会随之发展，更广泛地分布在我们日常生活的各个角落，用更低的成本实现信息实时高速的传输。

1.2国内外研究现状

1.2.1光学单边带调制的特性及应用

在微波光子链路应用中，光学单边带（OSSB）调制与光学双边带调制是两种常见的调制方案。文献^[1]中从理论和实验比较了这两者的不同性能。首先是对这两种调制的光功率的分析， 基于90°hybrid Coupler的光学单边带（OSSB）调制与基于180°hybrid Coupler的光学双边带（ODSB）调制相比，前者的一阶边带要高3dB，而受抑制的一阶边带则要小40dB。对于光载波的功率，推挽马赫增德尔调制器（MZM）的ODSB调制要比单臂ODSB调制小3dB，要比基于90°hybrid Coupler的SSB调制小6dB。基于90°hybrid Coupler的SSB调制与单臂DSB调制的射频功率相等，180°hybrid Coupler的光学双边带（ODSB）调制的射频功率要比这两者高2.6dB。最后，这三者的3阶交截点相同，且无杂散动态范围相差在0.5dB内。

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