Die steigende Nachfrage nach Schmalbanddiensten in bestehenden Funksystemen hat die Verfügbarkeit der für drahtlose Breitbandsysteme erforderlichen hohen Kapazität im Funkfrequenzspektrum verringert. Um diese Einschränkung zu überwinden, wird der Einsatz von Millimeterwellen-Funkverbindungen (26–100 GHz) für Anwendungen in Mikro-/Pikozellial-Breitbandsystemen, Festnetz-Funkzugangssystemen und drahtlosen lokalen Netzwerken (WLANs) erwogen. Die Komplexität dieser Funkverbindungen lässt sich durch die gemeinsame Nutzung von Millimeterwellen-Sendern und -Empfängern auf verschiedenen Funkkanälen mittels Subträger-Multiplexing vereinfachen.
In diesen drahtlosen Netzwerken ermöglicht die hohe atmosphärische Dämpfung im Millimeterwellenbereich die Entwicklung zellularer Architekturen mit verbesserter Frequenzwiederverwendung und damit vereinfachtem Spektrummanagement. Aufgrund der geringeren Abdeckungsfläche erfordert die größere Anzahl an Basisstationen jedoch deren funktional einfaches Design. Sind die Basisstationen mit einer Kontrollstation verbunden, werden Routing- und Verarbeitungsfunktionen zentralisiert, was die Basisstationsausrüstung vereinfacht. Glasfaserkabel sind aus den drei oben genannten Gründen das ideale Medium für diese Verbindungen. Werden die Funksignale im Millimeterwellenbereich über Glasfaser übertragen, vereinfachen sich die Basisstationen zusätzlich, da ihre Ausrüstung auf optoelektronische Komponenten und elektrische Verstärker reduziert wird und somit Frequenzumsetzer entfallen. Durch die direkte Signalübertragung von der Kontrollstation über Glasfaserkabel entfällt die Notwendigkeit, den Hochfrequenzträger an der Basisstation zu erzeugen, die sich unter Umständen in einem schwer zugänglichen Bereich befindet. Für den großflächigen Einsatz dieser Systeme ist es daher erforderlich, kostengünstige Verfahren zur Erzeugung und zum Empfang des optischen Signals im Millimeterwellenbereich zu finden.
Erzeugungstechniken
Aktuell liegt die maximale Modulationsfrequenz von Laserdioden bei etwa 30 GHz, wodurch eine direkte Modulation im Millimeterwellenbereich praktisch nicht möglich ist. Elektrooptische Modulatoren, die mit Frequenzen bis zu 50 GHz arbeiten oder sogar für ein bestimmtes Frequenzband (z. B. 60 GHz) optimiert sind, sind zwar kommerziell erhältlich, jedoch teuer und benötigen hohe Spannungen. Dennoch wird die optische Modulation im Millimeterwellenbereich mit kostengünstigeren, niederfrequenten optoelektronischen Bauelementen intensiv erforscht. Der Fokus der Forschung liegt dabei auf der Entwicklung neuer Techniken und weniger auf der Verbesserung der Leistung oder Funktionalität bestehender Geräte. Konkret wurden verschiedene Methoden untersucht: Modulation von Laserresonanzen, Harmonischenerzeugung und kohärente optische Mischung.
Die erste Technik wurde mit externen Resonatorlasern demonstriert, bei denen Frequenzen, die Vielfache der Umlaufzeit des Resonators betragen, verstärkt werden. Harmonische Erzeugungstechniken ermöglichen hingegen den Einsatz optoelektronischer Komponenten bei relativ niedrigen Frequenzen als integralen Bestandteil des Millimeterwellensystems. Bei all diesen Komponenten wird die nichtlineare optische Reaktion auf das elektrische Eingangssignal genutzt. Somit können sowohl Laser als auch elektrooptische Modulatoren für diesen Zweck eingesetzt werden, um eine effiziente Millimeterwellen-Frequenzerzeugung mittels höherer Harmonischer zu erreichen. Schließlich kann auch kohärente optische Mischung zur Erzeugung von Millimeterwellensignalen verwendet werden. Wenn zwei kohärente optische Träger auf dieselbe Fotodiode treffen, wird am Ausgang der Fotodiode eine Signalkomponente mit der unterschiedlichen Frequenz der beiden Träger erzeugt. Beispielsweise erzeugt eine Differenz von 0,5 nm bei einer Mittenwellenlänge von 1550 nm eine Signalüberlagerung mit einer Frequenz knapp über 60 GHz. Diese Technik leidet jedoch im Allgemeinen unter Problemen wie Stabilität und spektraler Reinheit der erzeugten Signale. Die Harmonischenerzeugung hingegen erzeugt Signale mit spektraler Reinheit, die vom verwendeten Referenzoszillator abgeleitet ist, wodurch es möglich wird, Signale mit Linienbreiten unter 1 Hz zu synthetisieren.
Eine weitere Methode zur Erzeugung von Millimeterwellensignalen nutzt einen frequenzmodulierten Laser, an dessen einen Anschluss ein Steuersignal angelegt wird. Das optische Spektrum eines frequenzmodulierten Lasers enthält mehrere Linien, die durch die Frequenz des Modulationssignals getrennt sind. Millimeterwellenfrequenzen lassen sich durch Überlagerung dieser Seitenbänder in einem Fotodetektor erzeugen. Ein reines FM-Signal besitzt jedoch eine konstante Intensität und erzeugt keinen Fotostrom bei Harmonischen der Modulationsfrequenz. Daher wird das Signal durch eine dispersive optische Faser geleitet, um die relative Phase der Seitenbänder zu verändern. Dadurch können Harmonische des Modulationssignals am Ausgang des Fotodetektors detektiert werden.
Obwohl sich die oben beschriebene FM-1M-Konversionstechnik (Frequenz-Intensitäts-Konversion) zur Erzeugung von Millimeterwellensignalen als effektiv erwiesen hat, benötigt sie Laser mit großen Frequenzabweichungen, um gute Wirkungsgrade zu erzielen. Darüber hinaus ist diese Technik für kurze Faserlängen oder dispersionsverschobene Fasern ungeeignet. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurde auch die Verwendung von Phasenmodulatoren in Verbindung mit Beugungsgittern auf der optischen Faser als dispersives Element vorgeschlagen.
Mögliche Alternativen zu dieser Technik sind der Einsatz externer Modulatoren wie Mach-Zehnder- oder elektroabsorptiver Modulatoren. Die Erzeugung von Oberwellen bei der Modulationsfrequenz in einem Mach-Zehnder-Modulator basiert auf der nichtlinearen Charakteristik seiner Übertragungsfunktion. Diese ist sinusförmig und weist drei typische Betriebsbereiche auf. Der lineare Bereich ist der normale Betriebsbereich. Durch hohe Modulationsamplituden lassen sich jedoch aufgrund des ungeraden Verhaltens Oberwellen 3., 5., 7. usw. erzeugen. Die nichtlinearen Bereiche MITB (Minimum Transmission Bias) und MATB (Maximum Transmission Bias) erzeugen aufgrund des geraden Verhaltens (Bereiche um das Minimum bzw. Maximum der Übertragungsfunktion) Oberwellen 2., 4., 6. usw. Schließlich stellen elektroabsorptive Modulatoren eine vielversprechende Alternative zur Oberwellenerzeugung dar, da ihre Übertragungsfunktion nichtlinearer ist als die von Mach-Zehnder-Modulatoren.
Signalerkennung
Im Bereich der Detektion sind kommerziell erhältliche Hochgeschwindigkeits-Photodioden teuer und weisen eine geringe Effizienz auf. Daher wird auch nach hocheffizienten und potenziell kostengünstigen Photodioden für Millimeterfrequenzen gesucht. Beispiele hierfür sind monolithisch integrierte Photodioden mit optischen Vorverstärkern und bipolare Heteroübergangs-Phototransistoren (PhotoHBTs).
Die größte Einschränkung von Fotodetektoren ist ihre geringe Empfindlichkeit. Da sich die optische Vorverstärkung in vielen Systemen als effiziente Methode zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses erwiesen hat, bilden eine monolithische Fotodiode und ein optischer Vorverstärker einen Fotodetektor mit hoher effektiver Empfindlichkeit. Mit diesem Bauelement wurden Bandbreiten von 33 GHz und eine Empfindlichkeit von 89 A/W erreicht. Die Kombination aus hoher optischer Verstärkung und großer Bandbreite macht dieses Bauelement daher ideal für faseroptische Anwendungen im Millimeterwellenbereich.
Der Photo-HBT ist ein weiteres Beispiel für einen Photodetektor mit hoher Verstärkung. Die Verstärkung im elektrischen Bereich wird hierbei durch einen Transistor erzielt. Praktischerweise handelt es sich bei diesem Bauelement um einen Heterojunction-Bipolartransistor (HBT) mit einem Fenster für den optischen Eingang. Die in der Basis-Kollektor-Schicht von InP-basierten Bauelementen verwendete InGaAs-Schicht gewährleistet eine starke Absorption bei der gewünschten Wellenlänge um 1550 nm. Obwohl dieses Bauelement als einfacher Photodetektor eingesetzt werden kann, eignet es sich auch für Anwendungen, die seine Doppelfunktion als Photodiode und aktives elektronisches Element nutzen. Ein Beispiel hierfür ist ein optisch gekoppelter Oszillator, der eine wichtige Komponente in faseroptischen Funksystemen darstellt, da er die Entwicklung kostengünstiger, leistungsstarker Oszillatoren ohne Einschränkungen hinsichtlich der spektralen Reinheit ermöglicht.
Abbildung 1 zeigt ein Blockdiagramm einer typischen Millimeterwellen-Transceiver-Konfiguration. Das eingehende optische Signal wird photodetektiert, und eines seiner Seitenbänder wird zur Verstärkung und Übertragung an die Mobilstation herausgefiltert. Der Filter liefert gleichzeitig den Millimeterwellen-Träger für die Rückstrecke. Das von der Mobilstation empfangene Signal wird verstärkt, in Zwischenfrequenz (ZF) umgewandelt und mittels Laser über die Glasfaser zurückgesendet. Diese Konfiguration vereinfacht die Optoelektronik der Rückstrecke erheblich, da ein direkt modulierter Niederfrequenzlaser verwendet werden kann.
Übertragung über Glasfaserverbindungen
Die chromatische Dispersion der Faser hat einen signifikanten Einfluss auf die erreichbare Übertragungsdistanz in optischen Kommunikationssystemen mit intensitätsmodulierter Detektion (MI-DD), die Millimeterwellensignale oberhalb von 20 GHz übertragen. In einer MI-DD-Verbindung wird der Millimeterwellen-Subträger mittels zweier Modulationsseitenbänder (oberes und unteres) beidseitig des optischen Trägers übertragen. Aufgrund der Dispersion und des großen Frequenzabstands zwischen den beiden Seitenbändern und dem optischen Träger erfahren die einzelnen Frequenzkomponenten des übertragenen optischen Signals eine differentielle Phasenverschiebung. Nach der Detektion führt diese Phasendifferenz zu einer Verringerung der empfangenen elektrischen Leistung und somit zu einer Verschlechterung des Träger-Rausch-Verhältnisses.
Die elektrische Leistung am Ausgang des Fotodetektors variiert periodisch in Abhängigkeit von der Übertragungsdistanz und weist dabei Übertragungsmaxima und -minima (Nullstellen) auf. Dieses periodische Verhalten ist auf konstruktive oder destruktive Interferenz im Fotodetektor zwischen den beiden Modulationsbändern zurückzuführen, deren Phasenverschiebungen von der Modulationsfrequenz und der Länge der optischen Faser abhängen. Diese Variation beschleunigt sich mit steigender Modulationsfrequenz. Beispielsweise tritt bei einer Hilfsträgerfrequenz von 30 GHz die erste Übertragungsnullstelle nach etwa 4 km Faserlänge auf, während sie sich bei einer Frequenz von 60 GHz bereits auf 1 km verschiebt. Daher sind analoge optische Systeme, die im Millimeterwellenbereich arbeiten, stark eingeschränkt.
Die zulässige, durch Dispersion verursachte Leistungsdämpfung einer gegebenen Kommunikationsverbindung hängt vom Leistungsverhältnis und der jeweils verfügbaren Reserve ab. Für allgemeine Analysezwecke wird jedoch typischerweise eine maximale Leistungsdämpfung von 1 dB angenommen. Dieser Wert gewährleistet einen minimalen Einfluss der Dispersion auf die Gesamtleistung des Systems hinsichtlich des Träger-Rausch-Verhältnisses.
Die Abhängigkeit der Übertragungsdistanz von der chromatischen Dispersion der Faser und der Subträgerfrequenz von Millimeterwellenfasern ist in Abbildung 2 dargestellt. Daraus lässt sich ableiten, dass die Distanz proportional zur Dispersion (1/D) und proportional zur Subträgerfrequenz (1/f) ist. Folglich begrenzt eine Erhöhung der Dispersion oder der Frequenz die erreichbare Übertragungsdistanz.
Die Leistung kann durch den Einsatz dispersionsverschobener Fasern deutlich verbessert werden. Wie Abbildung 2 zeigt, ist die Toleranz gegenüber dem Dispersionswert in diesem Fall jedoch sehr gering, da bereits eine Änderung des Dispersionswerts um wenige ps/km·nm zu großen Schwankungen der maximal erreichbaren Reichweite führt (steilere Kurve bei reduzierten Werten des chromatischen Dispersionsparameters). Obwohl die Faserdispersion im Allgemeinen nicht stark variiert, sind die relativen Schwankungen umso größer, je kleiner der Dispersionsparameter ist. Daher muss dieser Aspekt bei Systemen mit dispersionsverschobenen Fasern sorgfältig berücksichtigt werden.
MODAL-System
Das MODAL-System (Microwave Optical Duplex Antenna Link) ist ein Forschungsprojekt von RACE II (Research and Development for Advanced Communications in Europe), das darauf abzielt, Anwendungen von photonischen Techniken zur Erzeugung von Millimeterfrequenzsignalen für die Bereitstellung mobiler Telekommunikationsdienste in Europa zu finden.
Im Bereich der Mobilkommunikation wird erwartet, dass UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) den Großteil der benötigten Kapazität bereitstellen wird. Da UMTS jedoch mit niedrigen Mikrowellenfrequenzen arbeitet, kann es keine Breitbanddienste anbieten. Daher wird für zukünftige drahtlose Hochleistungsnetze das Millimeterwellenspektrum als Zugangsmedium genutzt. Zu diesem Zweck wurden in Europa zwei Teilbänder für mobile Breitbandanwendungen identifiziert: das 62-63-GHz-Band für Verbindungen zwischen Basisstation und Mobilgerät sowie das 65-66-GHz-Band für Verbindungen zwischen Mobilgerät und Basisstation. Diese Bänder sind aufgrund der ausreichenden Verfügbarkeit von Funkfrequenzen besonders attraktiv für Hochleistungssysteme. Ein solches System ist das sogenannte MBS (Mobile Broadband System), das derzeit intensiv erforscht wird.
Das MODAL-Projekt hat zur Entwicklung dieser Systeme beigetragen, indem es faseroptische Verfahren zur Verbindung von entfernten Antenneneinheiten mit einer zentralen Basisstation erforschte. Zusätzlich wurden optische Methoden zur Erzeugung der für diese Systeme benötigten Millimeterwellenfrequenzen untersucht. Das Konsortium, das sich ursprünglich aus Alcatel-SEL, der Universität von Wales, der Universität Aveiro, der Nationalen Technischen Universität Athen und CET zusammensetzte, wurde später durch weitere Mitglieder wie GEC-Marconi, Caswell, Thomson-CSF, die Universität Lille und das Fraunhofer-Institut ergänzt.
Das MODAL-Projekt hatte ursprünglich zum Ziel, eine bidirektionale Glasfaserverbindung mit einer Betriebsfrequenz von 30 GHz zu demonstrieren. Die Entscheidung für 30 GHz basierte auf der kommerziellen Verfügbarkeit optoelektronischer Bauelemente in diesem Frequenzbereich. Später wurden die Projektziele erweitert und die Betriebsfrequenz auf 60 GHz erhöht. Dies umfasste die Entwicklung neuer MMIC-Schaltungen und optoelektronischer Bauelemente, um diese höheren Frequenzen zu ermöglichen. Abbildung 3 fasst den Umfang und die Anwendungsbereiche des MODAL-Projekts zusammen.
Die Topologie des MODAL-Systems ist in Abbildung 4 dargestellt. Für die Downlink-Übertragung (Basisstation zu Mobilgerät) werden eine optische Zweifrequenzquelle und ein linearer elektrooptischer Modulator mit niedriger Frequenz als Sender verwendet. Dieses Übertragungsverfahren eignet sich besonders für die Arbeit mit modulierten Subträgern, da andere Methoden bei hohen Frequenzen nicht ausreichend linear sind. Die Betriebswellenlänge betrug 1550 nm, um die Integration von Erbium-dotierten Faserverstärkern (EDFAs) in das System zu ermöglichen und so eine ausreichende optische Leistung für die erforderliche elektrische Signalqualität am Eingang der entfernten Antenneneinheit zu erzielen.
Das optische Zweiquellen-Generierungsverfahren nutzt die nichtlineare Photodetektion zur Erzeugung des Millimeterwellen-Trägers. Die optische Quelle erzeugt zwei kohärente optische Träger, die exakt um die gewünschte Millimeterwellenfrequenz versetzt sind. Einer dieser Träger wird mit dem niederfrequenten Datensignal moduliert und mit dem anderen Träger für die Übertragung über die Glasfaserverbindung kombiniert. Da in diesem Fall nur ein Träger moduliert wird, begrenzt die chromatische Dispersion der Faser die Reichweite des Systems nicht. Am Empfänger erzeugt die nichtlineare Überlagerung der beiden optischen Träger an der Photodiode den Millimeterwellen-Träger, auf den die übertragenen Daten moduliert werden.
Für die Rückverbindung wurde eine Wellenlänge von 1300 nm (zweites Fenster) gewählt, sodass dieselbe Glasfaserverbindung in beide Richtungen genutzt werden kann. Diese Uplink-Verbindung (Mobilgerät zur Basisstation) verwendet eine hochlineare Laserdiode als optischen Sender, um Intermodulationsverzerrungen zu minimieren, sowie einen abgestimmten, rauscharmen Empfänger mit großem Dynamikbereich, um die vielfältigen Signalpegel im mobilen Umfeld zu verarbeiten.
Autor: Francisco Ramos Pascual. Telekommunikationsingenieur. Professor für Funkkommunikation an der Polytechnischen Universität Valencia.
