專利名稱：毫米波光纖傳輸系統(tǒng)的下行鏈路結(jié)構(gòu)及其中毫米波的產(chǎn)生和信息調(diào)制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及毫米波光纖傳輸系統(tǒng)的下行鏈路結(jié)構(gòu)及其中毫米波產(chǎn)生和信息調(diào)制方法，在此提出一種新的毫米波光纖傳輸系統(tǒng)的下行鏈路結(jié)構(gòu)，在中心站將單頻激光分成兩路，對(duì)其進(jìn)行不同處理后再將兩路信號(hào)疊加，通過(guò)光纖傳送至基站光電轉(zhuǎn)換后可輸出所需要的毫米波信號(hào)，且該毫米波信號(hào)已經(jīng)獲得了信息的調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)信息從中心站到基站的下行鏈路傳輸。
背景技術(shù)：
最近幾年射頻光纖傳輸技術(shù)(RoF，Radio on Fiber)以其融合了光纖傳輸頻帶寬、損耗低、抗干擾強(qiáng)和無(wú)線通信覆蓋靈活的優(yōu)點(diǎn)，在寬帶無(wú)線接入網(wǎng)、下一代移動(dòng)通信、多媒體通信等研究領(lǐng)域成為一項(xiàng)非常有吸引力的解決方案。
為了適應(yīng)終端用戶對(duì)帶寬日益增長(zhǎng)的要求，射頻光纖傳輸系統(tǒng)所用的射頻頻率必然向著頻譜的高端發(fā)展，如針對(duì)毫米波頻段的應(yīng)用研究引起了廣泛的關(guān)注。如何實(shí)現(xiàn)毫米波在光纖鏈路中的傳輸問(wèn)題是毫米波光纖傳輸技術(shù)(mmRoF，millimeter-waveRoF)一項(xiàng)重要的研究課題，其中一個(gè)研究重點(diǎn)就是下行鏈路中如何在產(chǎn)生毫米波的同時(shí)實(shí)現(xiàn)信息的傳輸，到目前為止，國(guó)際上已經(jīng)提出多種方案，主要有以下幾種1)光波邊帶調(diào)制(modulation-side-band technique)基帶信號(hào)對(duì)毫米波調(diào)制，然后用該毫米波直接對(duì)光波調(diào)制，到基站后光波兩邊帶差頻得到毫米波，這種方法本身就需要毫米波振蕩器，所以毫米波是靠電的方法產(chǎn)生的。
2)雙模激光器(dual-mode laser)激光器產(chǎn)生兩種頻率，頻率之差正好為毫米波頻率。
3)光調(diào)頻(調(diào)相)結(jié)合光纖色散(FM-modulated laser in conjunction with fiberdispersion)用低頻微波信號(hào)對(duì)激光器調(diào)頻或光波外調(diào)相，通過(guò)色散光纖，將相位變化轉(zhuǎn)化為幅度變化(FM-IM效應(yīng))，幅度變化包含微波信號(hào)及其高次分里量，提取高次諧波為毫米波的信號(hào)。如果把色散光纖換成梳狀濾波器，就是光學(xué)倍頻法。
4)非線性激光器諧波上變頻(harmonic upconversion in nonlinear lasers)將低頻微波信號(hào)加到非線性激光器，激發(fā)出高次諧波，到光探測(cè)器差頻得到所需的毫米波，與3)有點(diǎn)類似，但原理上有區(qū)別。
5)多光源技術(shù)(multiple optical source technique)兩光源頻率之差即為毫米頻率，到光探測(cè)器差頻即得毫米波。
各種技術(shù)各有千秋，有自己獨(dú)特應(yīng)用場(chǎng)合和優(yōu)點(diǎn)，但大多成本較高，系統(tǒng)復(fù)雜，不利于大規(guī)模推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有毫米波光纖傳輸系統(tǒng)下行鏈路系統(tǒng)復(fù)雜、成本高昂、維護(hù)困難的問(wèn)題，提出一種毫米波光纖傳輸系統(tǒng)和下行鏈路結(jié)構(gòu)及其中毫米波產(chǎn)生和信息調(diào)制方法。該鏈路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，性能穩(wěn)定，成本低廉，適合于實(shí)用產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)推廣。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種毫米波光纖傳輸系統(tǒng)的下行鏈路結(jié)構(gòu)，包括中心站(1)、基站(2)和光纖(3)，中心站(1)和基站(2)通過(guò)光纖(3)互連，其特征在于在所述的中心站(1)中，一個(gè)激光器(1-1)和一個(gè)起偏器(1-2)通過(guò)尾纖相連，所述的起偏器(1-2)通過(guò)保偏光纖(1-9)與一個(gè)光分路器(1-3)輸入端連接，所述的光分路器(1-3)一輸出端與一個(gè)光調(diào)相器(1-4)輸入端通過(guò)保偏光纖(1-9)相連，有周期信號(hào)源(1-5)從與光調(diào)相器(1-4)電輸入端接入，光調(diào)相器(1-4)輸出端與一個(gè)保偏耦合器(1-6)一輸入端相連；所述的光分路器(1-3)另一輸出端與一個(gè)光場(chǎng)幅度調(diào)制器(1-7)輸入端通過(guò)保偏光纖(1-9)相連，有調(diào)制信號(hào)(1-8)從光場(chǎng)幅度調(diào)制器(1-7)電輸入端接入，光場(chǎng)幅度調(diào)制器(1-7)輸出端與所述的保偏耦合器(1-6)另一輸入端用保偏光纖(1-9)相連；所述的保偏耦合器(1-6)輸出端通過(guò)光纖(3)連接到基站(2)的光探測(cè)器(2-1)光輸入端；在所述的基站(2)中，所述的光探測(cè)器(2-1)電輸出端與一個(gè)帶通濾波器(2-2)輸入端相連，帶通濾波器(2-2)輸出與一個(gè)毫米波放大器(2-3)輸入端連接，毫米波放大器(2-3)輸出端與一個(gè)毫米波發(fā)射天線(3-4)相連。
一種毫米波光纖傳輸系統(tǒng)的下行鏈路中毫米波的產(chǎn)生和信息調(diào)制方法，采用根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米波光纖傳輸系統(tǒng)的一行鏈路結(jié)構(gòu)，其特征在于在中心站(1)，將激光器(1-1)輸出的激光分成兩路，一路光波通過(guò)光調(diào)相器(1-4)，周期信號(hào)源(1-5)與光調(diào)相器(1-4)相連；另一路光波則經(jīng)過(guò)光場(chǎng)幅度調(diào)制器(1-7)，調(diào)制信號(hào)(1-8)與光場(chǎng)幅度調(diào)制器(1-7)電輸入端相連；再將光調(diào)相器(1-4)輸出光波和光場(chǎng)幅度調(diào)制器(1-7)輸出光波疊加干涉，然后將此合成波通過(guò)光纖(3)輸送到光探測(cè)器(2-1)，光探測(cè)器(2-1)電輸出再到毫米波帶通濾波器(2-2)。以下對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明本方案屬于光調(diào)相(頻)外差技術(shù)，具體實(shí)現(xiàn)為如附圖所示，在中心站1，激光器1-1發(fā)出單頻激光到起偏器1-2，產(chǎn)生單一偏振方向，然后到光分路器分為兩路光波，第一路由保偏光纖1-9到光調(diào)相器1-4，周期信號(hào)源1-5產(chǎn)生周期信號(hào)(可以是正余弦波、鋸齒波、方波等)對(duì)光調(diào)相器1-4進(jìn)行調(diào)相，輸出到保偏耦合器1-6，此調(diào)相光波電場(chǎng)表達(dá)式為E1(t)＝Ecexp[jωct+jβφ(t)+jΦPN] (1)其中，Ec為光波電場(chǎng)振幅，ωc為光波的中心角頻率，β為調(diào)相指數(shù)，φ(t)是周期信號(hào)源1-5產(chǎn)生的周期信號(hào)，ΦPN是激光本身的隨機(jī)噪聲。
第二路光波則由光場(chǎng)幅度調(diào)制器1-7進(jìn)行光場(chǎng)幅度調(diào)制(AM)，由保偏光纖1-9到保偏耦合器1-6，此時(shí)光波電場(chǎng)表達(dá)式E2(t)＝EckM(t)exp[jωc(t-Δτ)+jΦPN] (2)其中，Ec為光波電場(chǎng)振幅，k為調(diào)制指數(shù)，M(t)為調(diào)制信號(hào)，此信號(hào)可以是基帶信號(hào)，也可以是已經(jīng)調(diào)制了基帶信息的微波信號(hào)，ωc為光波的中心角頻率，Δτ是光波分兩路傳輸后的時(shí)延差，ΦPN是激光本身的隨機(jī)噪聲。
由于兩路光波都進(jìn)行了保偏處理，偏振方向是一致的，由保偏耦合器1-6疊加后合成光波電場(chǎng)為Eout(t)＝E1(t)+E2(t)＝Ecexp[jωct+jβφ(t)+jΦPN]+EcM(t)exp[jωc(t-Δτ)+jΦPN] (3)合成光波由光纖3傳輸?shù)交?，光探測(cè)器2-1檢測(cè)光強(qiáng)度，形成光電流Id(t)，表達(dá)式(式中R、K、K1是比例系數(shù))如下Id(t)=12REout(t)Eout(t)*]]>=12REc{exp[jωct+jβφ(t)+jΦPN]+kM(t)exp[jωc(t-Δτ)+jΦPN]}]]>×Ec{exp[-jωct-jβφ(t)-jΦPN]+kM(t)exp[-jωc(t-Δτ)-jΦPN]}]]>=12REc2{1+[kM(t)]2+2kM(t)cos[βφ(t)+ωcΔτ]}]]>=K{1/2+[kM(t)]2/2+kM(t)cos[βφ(t)+ωcΔτ]}]]>=K/2+K[kM(t)]2/2+K1M(t){cos(ωcΔτ)cos[βφ(t)]-sin(ωcΔτ)sin[βφ(t)]}---(4)]]>
可見(jiàn)光電流里沒(méi)有光相位噪聲ΦPN，兩路光同源，差頻后相位噪聲已抵消，由此避免了光相位噪聲對(duì)信號(hào)的影響。φ(t)可以是正余弦、方波、鋸齒波等各種周期性信號(hào)波形，都可以用于產(chǎn)生毫米波，為了說(shuō)明問(wèn)題方便，我們這里選余弦波進(jìn)行公式推導(dǎo)，即φ(t)＝cos(ωst)，ωs為角頻率。
Id(t)＝K/2+K[kM(t)]2/2+K1M(t){cos(ωcΔτ)cos[βcos(ωst)]-kM(t)sin(ωcΔτ)sin[βcos(ωst)]}(5)將其進(jìn)行貝塞爾展開(kāi)有Id(t)=K/2+K[kM(t)]2/2]]>+K1M(t){cos(ωcΔτ)J0(β)+2cos(ωc~Δτ)Σn=1∞(-1)nJ2n(β)cos(2nωst)]]>-2sin(ωcΔτ)Σn=1∞(-1)n-1J2n-1(β)cos[(2n-1)ωst]}---(6)]]>由式(6)看到，輸出光電流信號(hào)由一系列諧波分量組成，這些分量頻率間隔為ωs，包含有奇次諧波和偶次諧波K1M(t){2cos(ωc~Δτ)Σn=1∞(-1)nJ2n(β)cos(2nωst)}]]>是偶次分量K1M(t){-2sin(ωcΔτ)Σn=1∞(-1)n-1J2n-1(β)cos[(2n-1)ωst]}]]>是奇次分量只要取出適當(dāng)?shù)母叽沃C波分量，就可以得到我們需要的毫米波，比如當(dāng)周期信號(hào)源1-5輸出頻率fs＝5GHZ(ωs＝2πfs＝2π×5GHZ)，要產(chǎn)生60GHZ的毫米波，只要用帶通濾波器2-2取出12次諧波即可。
我們可以控制兩路光的光程使它們的時(shí)延差為0或很接近0，即Δτ→0，sin(ωcΔτ)→0而cos(ωcΔτ)→1，這樣就可以消除奇次分量，只有偶次分量并且使偶次分量最大(cos(ωcΔτ)＝1)，使能量更為集中；假如我們要的是2N次諧波，取出該項(xiàng)如下F2N(t)＝2K1M(t)J2N(β)cos(2Nωst)(7)
我們還可選取適當(dāng)?shù)恼{(diào)相指數(shù)β使J2N(β)最大，即使需要的毫米波幅度最大。得到的毫米波已經(jīng)調(diào)制了信號(hào)M(t)。
另外，在具體實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的時(shí)候一定要保證兩路光的偏振方向的一致性，這樣可使疊加后形成最佳干涉，否則光探測(cè)器2-1光電流有用信號(hào)輸出衰減甚至變?yōu)?。
由此本方案實(shí)現(xiàn)了下行鏈路中毫米波的產(chǎn)生和信息的調(diào)制傳輸。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有以下突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明使用普通低頻微波源和光子技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生毫米波，與直接用毫米波本振源對(duì)光調(diào)制的RoF傳輸系統(tǒng)相比，無(wú)需價(jià)格昂貴的毫米波振蕩器和電吸收調(diào)制器(EAM)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的利用微波和光通信技術(shù)產(chǎn)生毫米波的低成本實(shí)用mmRoF方案。(2)與傳統(tǒng)光學(xué)倍乘法相比，省掉了梳狀濾波器(Mach-Zenhnder干涉器或Fabry-Perot濾波器等)，核心架構(gòu)只需一個(gè)光調(diào)相器和光場(chǎng)幅度調(diào)制器及少許保偏無(wú)源光器件，大大減少了系統(tǒng)成本和結(jié)構(gòu)，并且提高了穩(wěn)定性(3)與采用雙模激光器和雙光源生成毫米波技術(shù)相比，本發(fā)明只需一個(gè)普通單頻激光器，節(jié)約了成本，避免了光相位噪聲的影響(4)只要控制兩路光波的光程相等使其產(chǎn)生時(shí)延差為0時(shí)，奇次諧波將徹底消除而與光頻率無(wú)關(guān)，無(wú)需調(diào)整光頻率就可以使諧波更少，頻譜能量更集中，有利于提高有用毫米波的信噪比和系統(tǒng)性能，使系統(tǒng)維護(hù)更容易(5)本發(fā)明調(diào)制技術(shù)方便靈活，加到光強(qiáng)度調(diào)制器1-7的調(diào)制信號(hào)1-8可以是直接的數(shù)字基帶信號(hào)，也可以是幾路已經(jīng)調(diào)制了信息的微波信號(hào)(比如兩個(gè)載頻為2.4GHZ、2.6GHZ的QPSK信號(hào))，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)子載波復(fù)用(6)本發(fā)明結(jié)構(gòu)巧妙簡(jiǎn)單，成本低廉，使毫米波的生成技術(shù)進(jìn)一步走向?qū)嵱没?br>

圖1是毫米波光纖傳輸系統(tǒng)的下行鏈路結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例是一個(gè)應(yīng)用于60GHz RoF系統(tǒng)的下行鏈路結(jié)構(gòu)在所述的中心站1中，一個(gè)激光器1-1和一個(gè)起偏器1-2通過(guò)尾纖相連，所述的起偏器1-2通過(guò)保偏光纖1-9與一個(gè)光分路器1-3輸入端連接，所述的光分路器1-3一輸出端與一個(gè)光調(diào)相器1-4輸入端通過(guò)保偏光纖1-9相連，有周期信號(hào)源1-5從與光調(diào)相器1-4電輸入端接入，光調(diào)相器1-4輸出端與一個(gè)保偏耦合器1-6一輸入端相連；所述的光分路器1-3另一輸出端與一個(gè)光場(chǎng)幅度調(diào)制器1-7輸入端通過(guò)保偏光纖1-9相連，有調(diào)制信號(hào)1-8從光場(chǎng)幅度調(diào)制器1-7電輸入端接入，光場(chǎng)幅度調(diào)制器1-7輸出端與所述的保偏耦合器1-6另一輸入端用保偏光纖1-9相連；所述的保偏耦合器1-6輸出端通過(guò)光纖3連接到基站2的光探測(cè)器2-1光輸入端；在所述的基站2中，所述的光探測(cè)器2-1電輸出端與一個(gè)帶通濾波器2-2輸入端相連，帶通濾波器2-2輸出與一個(gè)毫米波放大器2-3輸入端連接，毫米波放大器2-3輸出端與一個(gè)毫米波發(fā)射天線3-4相連。參見(jiàn)圖1，本毫米波光纖傳輸系統(tǒng)的下行鏈路結(jié)構(gòu)由中心站1、基站2和連接它們的光纖3組成。下行鏈路毫米波生成及信息傳輸過(guò)程如下在中心站1的發(fā)送端，用作光源的半導(dǎo)體激光器1-1工作在1550nm波長(zhǎng)，線寬10MHz，功率10mW。周期信號(hào)源1-5產(chǎn)生頻率為fs＝5GHZ的余弦波驅(qū)動(dòng)光調(diào)相器1-4，調(diào)相指數(shù)β＝13.8，則從分光器1-3出來(lái)的第一路光波被調(diào)相后到保偏耦合器1-6的電場(chǎng)表達(dá)式為E1(t)＝Ecexp[jωct+Jβcosωst+jΦPN]其中，Ec為光波電場(chǎng)振幅，ωc為光波的中心角頻率，β為調(diào)相指數(shù)，ωs是周期信號(hào)源1-5產(chǎn)生的余弦信號(hào)的角頻率，ωs＝2πfs＝2π×5GHZ，ΦPN是激光本身的隨機(jī)噪聲。
已經(jīng)控制好了兩路光波的光程差為0，則Δτ＝0，而第二路光波進(jìn)行幅度調(diào)制，調(diào)制信號(hào)1-8為速率100Mbps的數(shù)字基帶信號(hào)M(t)，到保偏耦合器后的光波電場(chǎng)表達(dá)式E2(t)＝EckM(t)exp[jωct+jΦPN]兩個(gè)光波偏振方向經(jīng)過(guò)偏振控制，是一致的，所以合成光波為Eout(t)＝E1(t)+E2(t)＝Ecexp[jωct+jβcosωst+jΦPN]+EckM(t)exp[jωct+jΦPN]光信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖3傳輸?shù)交镜墓馓綔y(cè)器2-1，產(chǎn)生光電流Id(t)Id(t)=K/2+K[kM(t)]2/2+K1M(t)J0(β)+2K1M(t)Σn=1∞(-1)nJ2n(β)cos(2nωst)]]>12次諧波為所要的60GHZ毫米波，經(jīng)過(guò)中心頻率為60GHZ通帶為400MHZ的帶通濾波器2-2后取出該諧波，得到信號(hào)如下(K2為幅度常數(shù))K2M(t)J12(13.8)cos(12ωst)＝0.2858K2M(t)cos(2π×60×109t)可見(jiàn)，不僅產(chǎn)生了60GHZ毫米波，還實(shí)現(xiàn)了100Mbps數(shù)字基帶調(diào)制信號(hào)1-8M(t)對(duì)60GHZ毫米波的AM調(diào)制，再把此毫米波信號(hào)經(jīng)過(guò)毫米波放大器2-3放大，用毫米波發(fā)射天線2-4發(fā)射出去，這樣就完成了60GHZ RoF傳輸系統(tǒng)從中心站到基站的下行鏈路信息調(diào)制傳輸?shù)墓δ堋?br> 權(quán)利要求
1.一種毫米波光纖傳輸系統(tǒng)的下行鏈路結(jié)構(gòu)，包括中心站(1)、基站(2)和光纖(3)，中心站(1)和基站(2)通過(guò)光纖(3)互連，其特征在于在所述的中心站(1)中，一個(gè)激光器(1-1)和一個(gè)起偏器(1-2)通過(guò)尾纖相連，所述的起偏器(1-2)通過(guò)保偏光纖(1-9)與一個(gè)光分路器(1-3)輸入端連接，所述的光分路器(1-3)一輸出端與一個(gè)光調(diào)相器(1-4)輸入端通過(guò)保偏光纖(1-9)相連，有周期信號(hào)源(1-5)從與光調(diào)相器(1-4)電輸入端接入，光調(diào)相器(1-4)輸出端與一個(gè)保偏耦合器(1-6)一輸入端相連；所述的光分路器(1-3)另一輸出端與一個(gè)光場(chǎng)幅度調(diào)制器(1-7)輸入端通過(guò)保偏光纖(1-9)相連，有調(diào)制信號(hào)(1-8)從光場(chǎng)幅度調(diào)制器(1-7)電輸入端接入，光場(chǎng)幅度調(diào)制器(1-7)輸出端與所述的保偏耦合器(1-6)另一輸入端用保偏光纖(1-9)相連；所述的保偏耦合器(1-6)輸出端通過(guò)光纖(3)連接到基站(2)的光探測(cè)器(2-1)光輸入端；在所述的基站(2)中，所述的光探測(cè)器(2-1)電輸出端與一個(gè)帶通濾波器(2-2)輸入端相連，帶通濾波器(2-2)輸出與一個(gè)毫米波放大器(2-3)輸入端連接，毫米波放大器(2-3)輸出端與一個(gè)毫米波發(fā)射天線(3-4)相連。
2.一種毫米波光纖傳輸系統(tǒng)的下行鏈路中毫米波的產(chǎn)生和信息調(diào)制方法，采用根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米波光纖傳輸系統(tǒng)的一行鏈路結(jié)構(gòu)，其特征在于在中心站(1)，將激光器(1-1)輸出的激光分成兩路，一路光波通過(guò)光調(diào)相器(1-4)，周期信號(hào)源(1-5)與光調(diào)相器(1-4)相連；另一路光波則經(jīng)過(guò)光場(chǎng)幅度調(diào)制器(1-7)，調(diào)制信號(hào)(1-8)與光場(chǎng)幅度調(diào)制器(1-7)電輸入端相連；再將光調(diào)相器(1-4)輸出光波和光場(chǎng)幅度調(diào)制器(1-7)輸出光波疊加干涉，然后將此合成波通過(guò)光纖(3)輸送到光探測(cè)器(2-1)，光探測(cè)器(2-1)電輸出再到毫米波帶通濾波器(2-2)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種毫米波光纖傳輸系統(tǒng)的下行鏈路結(jié)構(gòu)及其中毫米波產(chǎn)生和信息調(diào)制方法。本毫米波光纖傳輸系統(tǒng)的下行鏈路結(jié)構(gòu)，在中心站將單頻激光分成兩路，對(duì)其中一路光波用低頻周期性微波信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制，對(duì)另一路光波進(jìn)行光電場(chǎng)幅度調(diào)制，然后再把兩路光波疊加干涉，通過(guò)光纖傳輸至基站用光探測(cè)器檢測(cè)產(chǎn)生光電流，該電流信號(hào)里包含了低頻微波信號(hào)的各次諧波，用帶通濾波器取出高次諧波為所要的毫米波信號(hào)，且該毫米波信號(hào)已獲得信息的調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)信息從中心站到基站的下行鏈路傳輸。本鏈路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，性能穩(wěn)定，成本低廉，適于應(yīng)用。
文檔編號(hào)H04Q7/20GK101075852SQ20071004273
公開(kāi)日2007年11月21日 申請(qǐng)日期2007年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月26日
發(fā)明者朱美偉, 林如儉, 葉家駿, 修明磊 申請(qǐng)人:上海大學(xué)