CN100536371C - 基于电光调制器和光纤光栅的微波光子下变频方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电光调制器和光纤光栅的微波光子下变频方法及装置。双边带本振信号在基站控制器端通过电光调制器产生，基站端无需激光源和本振源，并能通过光纤光栅滤波得到经载波抑制的单边带本振信号；基站端通过电光调制器将射频信号和单边带本振信号发生全光混频，经过混频的光信号由上行光纤链路传送到基站控制器端，在基站控制器端经光电探测器和中频滤波器得到经过下变频的中频信号。基站端无需本地的激光器和微波本振源，而激光器和微波本振源集中在基站控制器端，可大幅度降低系统的成本。本发明利用了光纤光栅的窄带滤波效应，光栅能够产生出经过载波抑制的单边带本振信号，避免了光纤色散效应对信号质量的影响并能提高系统的信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及光通信和无线通信领域，尤其涉及一种基于电光调制器和光纤光栅的微波光子下变频方法及装置。
背景技术
近年来，Radio over Fiber(RoF)技术引起了广泛的重视，RoF是一种模拟调制的副载波复用技术，它在无线/移动通信系统的接入系统中、在军用的天线远程控制和智能交通系统中有广泛的应用。RoF在无线/移动通信系统中应用，可将基站端的基带处理、调制、混频功能后移到基站控制器端集中处理，而基站端只保留光电转换、滤波和放大功能，这样可大大降低基站的成本，在未来的密集微蜂窝通信系统中，由于基站数量众多，采用RoF技术可大大降低系统的成本。
由于在微波/毫米波光纤系统中潜在的应用价值，光域上的变频技术(即所谓的微波光子变频技术)引起了众多研究者的兴趣。比起传统基于电子设备的微波信号处理，微波光子变频的好处是时间带宽积高、抗电磁干扰、线路和设备间的串扰小，最重要的是微波光子变频技术是在光域上对微波信号处理，它能与RoF等微波/毫米波光纤传输系统天然匹配，中间无需光电和电光转换设备。
微波光子变频的一个重要领域是在移动通信系统的基站接入系统中，在该系统中，基站控制器通过下行光纤链路向基站发送下行信号，而基站通过上行光纤链路向基站控制器发送上行信号。目前为止，用于实现RoF系统光子变频功能的主要方法有：基于电光调制器的光子变频系统、基于二相干激光器的变频系统和基于受激渊散射的光子变频技术。在J.Marti，et al，“SingleMach-Zehnder modulator electro-optic harmonic mixer for broadbandmicrowave/millimetre-wave applications，”Wireless Personal Communications，Vol.15，2000，pp31-42给出了一种基于电光调制器的微波光子变频方法，该方法中射频信号和本振信号从一个输入端馈入电光调制器，在本地通过电光调制器实现光子混频和变频。在G.J.Simonis and K.G.Purchase，“Optical generation，distribution and control of microwaves using heterodyne，”IEEE Transaction onMicrowave Theory and Techniques，Vol.38，1990，pp667-669给出通过相干激光器的给出光子混频的技术，其中需要两个具有一定频率差的激光器，这里两个激光器需要通过复杂的锁定技术才能实现相干。在Y.Shen，X.Zhang and K.Chen，“All-optical generation of microwave and millimetre wave using a two-frequencyBragg grating-based Brillouin fiber laser，”Journal of Lightwave Technology，Vol.23，No.5，2005，pp1860-1867给出的方法中，利用双频布里渊激光器产生11GHz频差来实现信号的发生和变频。在上述方法中，基于相干激光器的变频系统和布里渊激光器的变频系统实现方法比较复杂，用于密集微蜂窝移动通信系统的成本较高，而上述基于电光调制器的变频方法，虽然成本较低，但实现的功能有限，只能在本地产生变频信号，而对于移动通信基站接入系统的上行光纤链路变频功能则无法实现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电光调制器和光纤光栅的微波光子下变频方法及装置，采用基站控制器端装置和基站端装置的系统配置方式，共同实现远端信号下变频功能。
本发明针对现有技术的不足，提出一种新的微波光子变频方法，应用于移动通信系统的基站接入系统中，比起现有的微波光子变频方法，本发明特别适用于微波光子上行链路的远端下变频，能大大降低系统的复杂度。本发明通过在基站端放置的光纤光栅作为窄带滤波器，将从基站控制器端传送的本振信号提取，并且能将本振信号从双边带调制转换为单边带调制器信号。这样一方面，由于是单边带调制，因而可以抵消光纤链路色散的不利影响，并且光纤光栅具备了载波抑制的功能，因而可以提高传输信号的信噪比，另一方面本地提取出来的单边带本振信号可直接作为基站端光信号源，因而基站端无需使用激光器光源，同时实现下变频和提供光信号的功能。为了实现这样的目的，本发明分别设计了基站控制器端和基站端的系统配置方式，它们共同实现上行链路的远端信号下变频功能。
本发明给出的用于全光纤远端微波光子变频技术的基站控制器端装置的主要功能是为基站提供微波本振信号以及接收从基站端来的经过混频的光信号信号并经滤波得到中频信号。为实现这样的目的，基站控制器端的特征在于微波本振信号由微波信号经放大器后输入到电光调制器，将由半导体激光器产生的光波调制上双边带微波本振信号并通过下行链路发送到远端的基站。另外，由基站端产生的已混频微波光子信号由光探测器转换为微波信号，并经中频滤波器得到所需的中频信号。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一、基于电光调制器和光纤光栅的微波光子下变频方法：
由微波本振信号和半导体激光器产生的光波通过电光调制器产生双边带微波本振信号；双边带微波本振信号在基站控制器端通过电光调制器产生并通过下行光纤链路传送到基站端，基站端无需激光源和本振源；然后在基站端通过光纤光栅滤波得到经载波抑制的单边带本振信号；基站端通过电光调制器将射频信号和单边带本振信号发生全光混频，经过混频的光信号由上行光纤链路传送到基站控制器端，在基站控制器端经光电探测器和中频滤波器得到经过下变频的中频信号。
二、基于电光调制器和光纤光栅的微波光子下变频装置：
包括由半导体激光器、微波放大器、第一电光调制器、光电探测器和中频滤波器组成的基站控制器端装置，由三端口光环形器、光纤光栅、光放大器、第二电光调制器、基站天线和射频放大器组成的基站端装置；其中：
微波放大器的输入端接微波本振信号输入端，微波放大器的输出端接电光调制器的射频输入端，半导体激光器输出的光波接第一电光调制器的输入端，第一电光调制器的输出端经下行光纤链路接三端口光环形器的第一端，三端口光环形器的第二端接光纤光栅，光放大器的输入端接三端口光环形器的第三端，光放大器的输出端接第二电光调制器的输入端，第二电光调制器的输出端经上行光纤链路接光电探测器的输入端，中频滤波器分别与光电探测器的输出端和中频信号的输出口连接，射频放大器分别与第二电光调制器的射频输入端和基站天线连接。
本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：
本发明针对已有的微波光子变频技术应用于移动通信基站接入系统的缺陷，提出一种变频方法，应用于移动通信基站接入系统的上行路链路中，该方法可实现远端变频，基站端无需本地的激光器和微波本振源，而激光器和微波本振源集中在基站控制器端，这种方式可大幅度降低系统的成本，尤其是在未来的密集微蜂窝移动通信系统中。本发明利用了光纤光栅的窄带滤波效应，利用光栅能够产生出经过载波抑制的单边带本振信号，避免了光纤色散效应对信号质量的影响并能提高系统的信噪比。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。图1中实线表示光信号链路，虚线表示电信号链路。
图2是本发明提出的利用光纤光栅实现单边带滤波和载波抑制功能的示意图。
图中：1.半导体激光器，2.微波本振信号输入端，3.微波放大器，4.第一电光调制器，5.光电探测器，6.中频滤波器，7.中频信号输出口，8.下行光纤链路，9.三端口光环形器，10.光纤光栅，11.光放大器，12.第二电光调制器，13.基站天线，14.射频放大器，15.上行光纤链路，16.输入双边带本振信号的光谱图，17.光纤光栅反射谱和双边带本振信号光谱的对应图，18.经过单边带滤波和载波抑制的单边带本振信号的光谱图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的电光调制器和光纤光栅的微波光子下变频装置的结构示意图。图1中实线表示光信号链路，虚线表示电信号链路。图1中左边虚框表示基站控制器端装置，右边虚框表示基站端装置。基站控制器端装置的功能主要包括：将微波本振信号的调制到光载波上并提供给远端的基站、接收从基站来的经过光混频的光信号并滤出中频信号。基站端装置的主要功能包括：利用光纤光栅将从基站控制器端来的双边带微波本振信号转换为载波抑制的单边带本振信号、利用电光调制器将射频信号和单边带本振光信号发生全光混频并将混频后的光信号通过上行光纤链路传送到基站控制器。
如图1所示，本发明包括：由半导体激光器1、微波放大器3、第一电光调制器4、光电探测器5和中频滤波器6组成的基站控制器端装置，由三端口光环形器9、光纤光栅10、光放大器11、第二电光调制器12、基站天线13和射频放大器14组成的基站端装置；其中：
微波放大器3的输入端接微波本振信号输入端2，微波放大器3的输出端接电光调制器4的射频输入端，半导体激光器1输出的光波接第一电光调制器4的输入端，第一电光调制器4的输出端经下行光纤链路8接三端口光环形器9的第一端，三端口光环形器9的第二端接光纤光栅10，光放大器11的输入端接三端口光环形器9的第三端，光放大器11的输出端接第二电光调制器12的输入端，第二电光调制器12的输出端经上行光纤链路15接光电探测器5的输入端，中频滤波器6分别与光电探测器5的输出端和中频信号的输出口7连接，射频放大器14分别与第二电光调制器12的射频输入端和基站天线13连接。
本发明的工作原理如下：
半导体激光器1发出的光信号作为携带本振信号的光源，微波本振信号从微波本振信号输入端2输入后经微波放大器3放大，然后经第一电光调制器4调制到光信号上，经调制的微波本振双边带信号经下行光纤链路8传送到基站端。从基站端来的光信号输入基站控制器端的光电探测器5，经中频滤波器6后输出经过变频的中频信号。从基站控制器端来的双边带调制微波本振信号经三端口环形器9后输入到工作在反射模式的光纤光栅10，由于光纤光栅10的滤波作用，双边带调制的微波本振信号转换为载波抑制的单边带信号，然后经三端口环形器9输入到光放大器11，经过光放大器11的单边带调制微波本振光信号作为光源输入到第二电光调制器12，然后从基站天线13来的射频信号经过射频放大器14后，经放大的射频信号输入第二电光调制器12上，在此电光调制器12上，射频信号和单边带本振信号发生全光混频，经混频的光信号通过上行光纤链路15传送到基站控制器端的光电探测器5，然后经中频滤波6可提取出经过变频的微波中频信号。
本发明通过利用光纤光栅的窄带滤波功能实现将双边带微波本振信号转换为单边带信号，为更好地说明光纤光栅的作用，图2给出了为本发明提出的利用光纤光栅实现单边带滤波和载波抑制功能的示意图。
由基站控制器端发送的已调微波本振信号的光信号的光谱图如16，由于是双边带调制信号，光谱包含载波和上、下两个边带，该双边带信号经三端口光环形器9后输入到工作在反射模式的光纤光栅10，为了滤出一个边带并抑制载波，需要将光栅的反射峰对准其中一个边带，光纤光栅反射谱和双边带本振信号光谱的对应图如17所示，经过单边带滤波和载波抑制的单边带本振信号的频谱如18，该本振信号经光放大器11放大后提供给基站的电光调制器作为基站的光源和本振源。需要指出的是，光纤光栅的反射谱必须与需要传送的本振频率相匹配，系统中所需的光栅，其反射谱的3dB带宽约为微波本振频率的一半，这种光纤光栅可以从市场买到。本发明中所有用到的光电器件也都可以从市场买到。
Claims (2)
1.一种基于电光调制器和光纤光栅的微波光子下变频方法，其特征在于：由微波本振信号和半导体激光器产生的光波通过电光调制器产生双边带微波本振信号；双边带微波本振信号在基站控制器端通过电光调制器产生并通过下行光纤链路传送到基站端，基站端无需激光源和本振源；然后在基站端通过光纤光栅滤波得到经载波抑制的单边带本振信号；基站端通过电光调制器将射频信号和单边带本振信号发生全光混频，经过混频的光信号由上行光纤链路传送到基站控制器端，在基站控制器端经光电探测器和中频滤波器得到经过下变频的中频信号。
2.一种基于电光调制器和光纤光栅的微波光子下变频装置，其特征在于包括：由半导体激光器(1)、微波放大器(3)、第一电光调制器(4)、光电探测器(5)和中频滤波器(6)组成的基站控制器端装置，由三端口光环形器(9)、光纤光栅(10)、光放大器(11)、第二电光调制器(12)、基站天线(13)和射频放大器(14)组成的基站端装置；其中：
微波放大器(3)的输入端接微波本振信号输入端(2)，微波放大器(3)的输出端接电光调制器(4)的射频输入端，半导体激光器(1)输出的光波接第一电光调制器(4)的输入端，第一电光调制器(4)的输出端经下行光纤链路(8)接三端口光环形器(9)的第一端，三端口光环形器(9)的第二端接光纤光栅(10)，光放大器(11)的输入端接三端口光环形器(9)的第三端，光放大器(11)的输出端接第二电光调制器(12)的输入端，第二电光调制器(12)的输出端经上行光纤链路(15)接光电探测器(5)的输入端，中频滤波器(6)分别与光电探测器(5)的输出端和中频信号的输出口(7)连接，射频放大器(14)分别与第二电光调制器(12)的射频输入端和基站天线(13)连接。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090902 Termination date: 20120418 |