CN101043274A - 无调制器的光毫米波产生方法及全双工光纤无线通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种属于光纤无线(Radio－on－Fiber，缩写为ROF)通信系统技术领域、不采用光调制器产生光毫米波的方法及其全双工光纤无线通信系统。将基带数据信号与射频正弦波信号混频后驱动直接调制激光器，产生双边带信号，并通过光纤传送至基站，在基站中采用滤波的方法分离一阶边带信号和中心载波。一阶边带形成重复频率为射频信号两倍的光毫米波。本发明所述的全双工光纤无线通信系统，提供了5种上行链路的实现方案以及二种接收机方案。所述的光毫米波产生方法及由此构成的全双工光纤无线通信系统减少了使用的光器件的数量，可获得经济效果。

Description

无调制器的光毫米波产生方法及全双工光纤无线通信系统

(一)技术领域

本发明属于光纤-无线(Radio-over-Fiber，缩写为ROF)通信系统技术领域。

(二)背景技术

未来的无线接入系统无疑将会延伸到毫米波段，由于毫米波信号在空气中传输距离短，且毫米波电子器件较为昂贵，目前的无线接入方式不能适应毫米波通信的要求。光纤-无线系统(Radio-Over-Fiber System，简称为ROF系统)将会成为解决宽带无线接入最有前景的技术。ROF系统是在中心站中将毫米波和数据信号同时上传到光载波上，并传输至基站，在基站中只需进行光电转换和放大，因而基站的结构可变得简单。因而ROF系统可以以最低的价格满足毫米波通信的要求。

光毫米波的产生是降低造价和提高ROF系统性能的关键技术之一。至今为止，已提出的光毫米波的产生的方法有三种：直接强度调制，外部强度调制和远程外差。【A.Wiberg，“Chromatic dispersion in fiber-optic microwaveand millimeter transmission”，IEEE Photonics TechnologyLetters，Vol.18，No.1，pp.1716-1724，2005】，【J.Yu，“Opticalmillimeter-wave generation or up-conversion using external modulation”，IEEE Photonics Technology Letters，Vol.18，No.1，pp.265-267，2006】。单目前所采用的这些技术在中心站都必须采用一个光源和至少一个宽带电光调制器。光源产生连续波用作光载波或者直接调制数据信号，宽带电光调制器在正弦波射频信号的驱动下产生光毫米波。目前这些方法势必增加了中心站的造价，因此如何用最简单、廉价的方法产生光毫米波是目前ROF系统中所必须解决的关键性的技术。

为了解决上述问题，我们的方案只采用一个直接调制激光器可以实现光毫米波的产生，同时实现数据信号的上传。这样中心站无需使用宽带电光调制器，降低了光毫米波产生的成本，同时也降低了中心站的成本；本发明还提供了一种全双工光纤无线通信系统，利用了激光器产生的中心载波作为上行链路的光载波，在基站中无需使用光源，本发明提出了五种简单基站结构和与之相应的二种用户移动终端接收机的简化方案。

(三)发明内容

本发明针对上述情况，本发明的目的是解决光毫米波产生所存在的问题，仅使用一个激光器产生光毫米波同时上传数据信号，使得中心站结构简单，降低系统的造价。本发明提供了五种简单的基站结构，在简化了中心站的同时，也简化了全双工光纤无线通信系统的基站。与之相对应，本发明还提供了二种用户移动终端接收机的简化方案。

为了达到上述目的，本发明所采用的光毫米波产生的方案如下：

在中心站中将随机序列的基带数据信号和射频正弦波信号混频后驱动直接调制激光器，即可实现将毫米波信号和数据信号同时上传至光载波上。直接调制激光器产生双边带毫米波信号，双边带信号发送至光纤链路并传送至基站，在基站中将双边带信号分解为一阶边带信号和中心载波，其中一阶边带信号即可形成光毫米波，而中心载波可作为上行链路的光载波。

所述的光毫米波产生方法，其特征在于包括以下步骤：

使用的激光器为直接调制的激光器；

将数据信号和射频正弦波信号混频后直接调制到光载波上；

直接调制激光器输出双边带调制信号；

双边带信号的频谱包括中心载波和一阶边带；

双边带调制信号发送至光纤链路并传送至基站；

在基站中滤波的方法将一阶边带和中心载波分开，其中一阶边带形成光毫米波；

为了实现上述目的，本发明还提供了一种利用直接调制激光器产生光毫米波的结构简单的中心站。如图1所示。

所述的利用直接调制器产生光毫米波的中心站包括：

一个射频正弦波信号源，用于产生射频正弦波信号；

一个电混频器，用于将射频信号和基带数据信号进行混频；

一个直接调制激光器，用于将混频后的基带信号和射频信号调制到一定波长的光载波上；

所述的中心站其特征在于包括以下工作过程：

电基带数据信号和射频正弦波信号通过混频器进行混频，混频后的信号驱动直接调制激光器对激光器产生的光载波进行调制，直接调制激光器输出双边带信号，双边带信号包括中心载波和一阶边带信号。双边带信号发送至光纤链路中，并传送至基站。

为了进一步实现上述目的，本发明还提供了与所述的中心站相适应的结构简单的基站。

本发明所述的结构简单的基站，其工作过程如下：

将中心站产生的双边带信号分开成为二路，一路是一阶边带信号，产生光毫米波，这是下行链路；另一路是中心载波，用作上行链路的光载波。在下行链路中，一阶边带信号进入光电检测器，产生电毫米波，电毫米波经过高频电放大器进行放大后，通过天线发射出去，变成无线电信号。在上行链路中，从天线中接收来自于用户移动终端的无线信号，并将接收到的信号调制到光载波上，或者将无线信号所带的数据信号进行下传，再将数据信号调制到光载波上，并发送至中心站进行处理。

本发明所述的基站，按照上行链路的构造不同，本发明还提供了五种简单的方案：

方案一：

当接收到无线电信号后可以将信号分成二路，分别进入电混频器，通过混频后下传的数据信号再驱动电光调制器，将数据信号调制到光载波上，电光调制器输出的光信号发送至中心站。所述的光载波来是从中心站发送过来的中心光载波。

方案二：

在混频器中将天线收到的无线电信号与无线载波同频率的本振信号进行混频，下传的数据信号后再通过电光调制器调制到中心光载波上并发送至中心站。

方案三：

将接收到的无线电信号采用方案一所述的自混频方法将数据信号下传，再将数据信号输入至半导体光放大器的电输入端，基站所接收到的中心光载波作为半导体放大器的输入光。通过半导体光放大器将上行链路的数据信号调制到光载波上变成光信号并同时得到放大，输出的光信号送至中心站。

方案四：

将接收到的无线电信号采用方案一所述的自混频方法将数据信号下传，再将数据信号输入至F-P激光器的电输入端，激光器的光输入端输入光中心载波，这样通过F-P激光器将上行链路的数据信号调制到光载波上，F-P激光器输出的光信号发送至中心站。

方案五：

将接收到的无线电信号通过外部电光调制器调制到中心光载波上，并发送至基站。

为了进一步实现上述目的，按照接收机的不同，本发明还提供了二种结构简单的用户移动终端方案。

方案一：

用户移动终端包括上行链路和下行链路，下行链路中，用户移动终端天线接收来自于基站发过来的无线电信号，分成二路，一路输入电混频器的其中一个输入端，另一路输入至另一输入端，二路信号混频后解调出数据信号，在上行链路中，将用户的数据信号与射频信号源产生的载波信号进行混频，再通过用户移动终端天线发射出去。

方案二：

方案二的用户移动终端的上行链路与方案一是相同的，下行链路中无线电信号与一个本振无线电信号进行混频解调出数据信号。

本发明所述的移动终端的下行链路与天线构成了用户移动终端接收机。

本发明所述的用户移动终端接收机方案一与所述的基站方案一、三、四、五配合使用，以及与本发明所述的中心站构成了的全双工光纤无线通信系统。

本发明所述的用户移动终端接收机方案二与所述的基站方案二配合使用，并与所述的中心站构成了全双工光纤无线通信系统。

本发明利用激光直接调制原理，节约光子器件，并采用了简单的基站结构和相应的用户移动终端，使得整个ROF系统的结构简单、易于实现。

(四)附图说明

图1为本发明的中心站的示意图。

图2为本发明基站实现方案一；

图3为本发明基站实现方案二；

图4为本发明基站实现方案三；

图5为本发明基站实现方案四；

图6为本发明基站实现方案五；

图7为本发明的用户移动终端方案一；

图8为本发明的用户移动终端方案二；

图9为第一种基站实现方案与第一种用户移动终端方案

图10为第二种基站实现方案与第二种用户移动终端方案

图中：1-基带数据信号

2-射频正弦波信号源

22-基站中的射频正弦波信号源

222-用户移动终端的上行链路正弦波信号源

2222-用户移动终端的下行链路正弦波信号源

3-中心站中的电混频器

33-基站中的电混频器

333-用户移动终端的上行链路电混频器

3333-用户移动终端的下行链路电混频器

4-直接调制激光器

5-中心站

6-下行光纤链路

7-光滤波器(光交叉复用器、光可调谐滤波、光纤光栅)

8-基站

9-下行链路光电检测器

99-上行链路光检测器

10-高频电放大器

11-双工机

12-基站天线

13-电光调制器

14-上行光纤链路

15-光环形器

16-半导体光放大器

17-法布里-伯罗腔激光器(F-P激光器)

18-用户移动终端天线

19-用户移动终端双工机

(五)具体实施方式

下面结合具体实验例子和附图，对本发明作具体说明。

由图1所示，中心站的各部件分别说明如下：

基带数据信号1，是指下行链路的数据信号；

射频率正弦波信号源2，产生射频正弦波信号；

混频率器3，用于将数据信号与射频正弦波信号进行混频率；

直接调制激光器4，用于产生指定波长的单纵模光载波并将混频输出的信号调制到光载波上，可以为DFB-LD；本实施例中，射频信号为1-40GHZ，也可以为更高的频率；

中心站中的光电检测器99，主要用于将上行链路发送过来的光信号进行光电转换。

图2为本发明所述的基站的第一种实现方案，包括：

光滤波器7，主要功能是将中心站通过光纤传送过来的双边带光信号分离，分离后的信号分为二路，一路为一阶边带信号，另一路为中心载波。本实施例中光滤波器7可以为光纤光栅，可调谐滤波器，或光交错复用器等；

光检测器9，其主要作用是将一阶边带信号进行光电转换，产生电毫米波信号，其频率为射频信号源2所产生的射频信号的二倍；

高频率电放大器10，其主要作用是对电毫米波进行放大；

双工机11，其主要作用是信号的收发，即将下行链路的电毫米波传送至天线，同时也接收来自于天线的无线电信号，并传送至上行链路的相应元器件；

天线12，主要用于将下行链路的电毫米波信号发射至空气中，同时也接收来自于用户端的无线电信号并通过双工机11传送至上行链路相应的元器件中；

混频器33，其主要作用是将来自于同一路的无线电信号进行混频，通过自混频后即可下传数据信号；

电光调制器13，是上行链路的元器件，其主要作用是将上行链路的数据信号调制到中心光载波上。电光调制器13的光输入端与滤波器7相连结，输入的是中心光载波，其电输入端为来自于混频器33的数据信号。电光调制器13的输出光信号发送至上行链路光纤中并传送至中心站的检测器99。

图3为本发明所述的基站的第二种实现方案：

下行链路中所有元器件与所述的基站的第一种实现方案所描述的相应元器件相同；

天线12，双工机11的功能与第一种实现方案所描述的相同；

上行链路中电光调制器13的连接与工作方式与所述的基站的第一种实现方案相同；

射频率正弦波信号源22，主要用于产生射频正弦波信号；

电混频器33，其输入信号一路来自于天线所接收到的无线电信号，另一路信号由射频正弦波信号源22所产生，射频正弦波信号源22所产生的射频正弦波信号的频率等于中心站中射频正弦波信号源2所产生的信号频率的二倍；

电光调制器13，其作用与基站的第一种实现方案所描述的一致。

图4为本发明所述的基站的第三种实现方案：

下行链路中所有元器件与所述的基站的第一种实现方案所描述的相应元器件相同；

天线12，双工机11的功能与基站的第一种实现方案所描述的相同；

混频器33的工作方式及连接信号的方式与基站的第一种实现方案所描述的相同；

半导体光放大器16，主要用于将混频器33输出的数据信号调制到中心光载波上并同时进行放大。其电输入端与电混频器33的输出端相连，其光连接端与光环形器的第2端口相连；

光环形器15，其第1端口与光滤波器7相连，从滤波器7分离出来的中心光载波输入至光环形器第1端口，通过第2端口进入半导体光放大器16受到上行链路数据信号的调制，经调制和放大的光信号从半导体光放大器16输出再次进入光环形器第2端口，通过光环形器的第3端口输出，发送至上行链路的光纤14中。

图5为本发明所述的基站的第四种实现方案：

滤波器7，光电检测器9，高频电放大器10，双工机11，天线12，光环形器15等器件的功能与连接方式与本发明所述的基站的第三种实现方案所描述的相同；

F-P激光器17，其主要作用是将上行链路的数据调制到中心光载波上。F-P激光器17的电输入端与电混频器33的输出端相连，电输入端输入数据信号，其光端口与光环形器15相连。

第四种方案的基站，其上行链路的工作过程如下：

基站中的天线12接收来自于用户移动终端的无线信号并通过基站中的双工机11分二路转发至电混频器33的二个电输入端，下传数据信号从电混频器输出。数据信号传送至F-P激光器17的电输入端，并作为其驱动信号；光环形器15的第1端口接收来自于光滤波器7的光中心载波并通过端口2输入至F-P激光器的光端口，在激光器中将数据信号调制到光中心载波上，并从光端口输出，输出的光信号进入光环形器的第2端口，并传送至第3端口，由第3端口发送至上行链路光纤14中。

图6为本发明所述的基站的第五种实现方案：

其下行链路的元器件：滤波器7，光电检测器9，高频电放大器10，双工机11，天线12等器件的功能与连接方式与本发明所述的基站的第一种实现方案所描述的相同；

电光调制器13，其电输入端输入的信号为来自于双工机11的天线接收的无线电信号，光输入端的输入信号是滤波器输出的光中心载波。因此，电光调制器13的作用是直接将无线电信号调制到中心光载波上，并输出至上行链路的光纤14中。

本发明所述的用户移动终端，按照其接收机的不同，本发明提供了二种实现方案：

图7为本发明所述第一种用户移动终端方案：

用户接收天线18，主要用于接收无线电信号和发送无线电信号，用户移动终端双工机19用于转发天线所接收和发送的无线信号；

用户移动终端下行链路混频器3333，二个输入端所输入的信号来自于天线所接收到的同一信号，并进行混频，输出所需要的数据信号；

用户移动终端中的正弦波信号源222，其主要作用是产生上行链路的射频正弦波载波信号；

混频器333，其主要作用是将用户的数据信号与上行链路的射频正弦波载波信号进行混频，调制产生用户上行链路的无线电信号；

正弦波信号源222，混频器333，双工机19，以及天线18构成了用户移动终端的上行链路，或称为用户移动终端发射机；

双工机19，混频率器333以及天线18构成了用户移动终端的下行链路，或称为用户移动终端接收机；

图8为本发明所述第二种用户移动终端方案：

用户天线18，用户端双工机19，上行链路混频器333以及上行链路射信号源222的连接方式和工作过程与本发明所述的用户移动终端的第一种方案相同；

用户下行链路混频器3333，其主要作用是将接收到无线电信号与下行链路射频信号源2222产生的射频信号混频，得到用户需要的数据信号。

本发明所述的全双工光纤无线通信系统，由本发明所述的中心站，基站及用户移动终端所构成。所述的基站与用户移动终端的组合方式为：

基站的第一、三、四、五种实现方案必须与第一种用户移动终端方案相配合使用。本实施例中如图9，为第一种基站实现方案与第一种用户移动终端方案所构成的全双工光纤无线通信系统。

基站的第二种实现方案与第二种用户移动终端接收机实现方案所述的用户移动终端相配合使用。本实施例中如图10，为第二种基站实现方案与第二种移动终端接收机所构成的全双工光纤无线通信系统。

本发明中的所述的方法及装置适合于频率为1～40GHZ以及其它频率的WDM光纤传输无线信号系统。

本发明采用直接调制激光器产生光毫米波，不必使用光调制器，使得中心站结构简单、高稳定性和造价便宜，同时构造了几种结构简单的基站和用户移动终端，简化了全双工光纤无线通信系统的结构。

总之，本发明的优点是能用较低的成本产生高性能光毫米波，实现简单的基站，简单的用户移动终端机，尽量减少了所使用的元器件的数量，性能稳定，容易实现。

Claims (7)

1、一种光毫米波的产生方法，用于为ROF系统的下行链路产生可以携带数据信号的光毫米波，其特征在于所述的方法包括以下步骤：

使用的激光器为直接调制的激光器；

将数据信号和射频正弦波信号混频后直接调制到光载波上；

直接调制激光器输出双边带调制信号；

双边带信号的频谱包括中心载波和一阶边带；

双边带调制信号发送至光纤链路并传送至基站；

在基站中采用滤波的方法将一阶边带和中心载波分开，其中一阶边带形成光毫米波；

2、根据权利1所述的滤波方法，可以采用光可调谐滤波器、光交错复用器以及光纤光栅等器件来实现。

3、一种全双工光纤无线通信系统，该系统包括：

中心站，包括一个射频正弦波信号源，一个电混频器，一个直接调制激光器，其工作过程如下：电混频器将射频正弦波信号与数据信号进行混频，输出的混频信号驱动直接调制激光器，对光载波进行调制，产生双边带信号。

基站，其主要作用是将中心站产生的双边带信号中的一阶边带信号和光中心载波进行有效的分离，分离得到的一阶边带信号进入光电检测器转换成电毫米波信号，并通过天线发射至大气中；同时将天线接收到的无线电信号调制到滤波器分离出来的光中心载波上，并发送至中心站的光检测器中。

用户移动终端，主要包括移动终端接收机和发射机，接收机的主要作用是接收基站发送过来的无线电毫米波信号，发射机的主作用是将用户数据信号与射频载波信号混频并发射至大气中。

4、根据权利2所述的全双工光纤无线通信的中心站，其特征在于采用了权利1所述的光毫米波产生方法。

5、根据权利2所述的全双工光纤无线通信的基站，本发明提供了5种上行链路的实现方案，方案1是将从天线接收到的无线电信号分成二路进行混频，下传数据信号后送入外部光调制器，将上行链路的数据信号调制到中心光载波上。方案2是将从天线接收到的无线电信号与本振射频波信号进行混频，下传数据信号后送入外部调制器将上行链路的数据信号调制到中心光载波上。方案3是将从天线接收到的无线电信号分成二路进行混频，下传数据信号后送入半导体光放大器后将数据信号调制到光中心载波上并同时进行放大。方案4是从天线接收到的无线电信号分成二路进行混频，下传数据信号后送入F-P激光器后将数据信号调制到光中心载波上并同时进行放大，方案5是将从天线接收到的无线电信号直接调制到光中心载波上并发送至中心站。

6、根据权利2所述的全双工无线通信系统的移动终端，其接收机有二种方案，方案1是将接收到的信号分成二路进行混频，下传数据信号。方案2是将接收到的无线信号与本振射频信号进行混频，下传数据信号。

7、根据权利4所述的五种基站的方案，所述的方案一、三、四、五与权利5所述移动终端接收机的方案1相配合使用。所述的基站方案2与权利5所述的移动终端接收机的方案2相配合使用。

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