CN101079670A - 毫米波光纤传输系统的毫米波产生及调制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种毫米波光纤传输系统的毫米波产生及调制系统和方法。在本系统中，中心站将单频激光分成两路，对其中一路光波用低频周期性微波信号进行相位调制，另一路则不做任何信号处理，然后再把两路光波叠加干涉，通过光纤传输至基站用光探测器检测产生光电流，该电流信号里包含了低频微波信号的各次谐波，用带通滤波器取出高次谐波为所要的毫米波信号，即实现毫米波的光学产生；若在中心站对叠加干涉后的光波进行光强度调制，在基站不仅会生成毫米波信号，而且会获得已调制了信息的毫米波，从而实现信息从中心站到基站的调制传输。本发明的系统结构简单，易于实现，成本低廉，性能稳定，适合开发应用。

Description

毫米波光纤传输系统的毫米波产生及调制系统和方法

技术领域

本发明涉及毫米波光纤传输系统的毫米波光学生成及调制系统和方法，在此提出一种新的光学方法产生毫米波的技术，在中心站将单频激光分成两路，对其进行不同处理后再将两路信号叠加，通过光纤传送至基站光电转换后可输出所需要的毫米波信号；若在中心站对光波进行强度调制，在基站获得的毫米波也会得到相同的调制。

背景技术

最近几年射频光纤传输技术(RoF，Radio on Fiber)以其融合了光纤传输频带宽、损耗低、抗干扰强和无线通信覆盖灵活的优点，在宽带无线接入网、下一代移动通信、多媒体通信等研究领域成为一项非常有吸引力的解决方案。

为了适应终端用户对带宽日益增长的要求，射频光纤传输系统所用的射频频率必然向着频谱的高端发展，如针对毫米波频段的应用研究引起了广泛的关注。如何实现毫米波在光纤链路中的传输问题是毫米波光纤传输技术(mmRoF，millimeter-waveRoF)一项重要的研究课题，其中一个研究重点就是如何产生毫米波以及在此基础上如何实现对毫米波的调制，到目前为止，国际上已经提出多种方案，主要有以下几种：

1)光波边带调制(modulation-side-band technique)：基带信号对毫米波调制，然后用该毫米波直接对光波调制，到基站后光波两边带差频得到毫米波，这种方法本身就需要毫米波振荡器，所以毫米波是靠电的方法产生的。

2)双模激光器(dual-mode laser)：激光器产生两种频率，频率之差正好为毫米波频率。

3)光调频(调相)结合光纤色散(FM-modulated laser in conjunction with fiberdispersion)：用低频微波信号对激光器调频或光波外调相，通过色散光纤，将相位变化转化为幅度变化(FM-IM效应)，幅度变化包含微波信号及其高次分里量，提取高次谐波为毫米波的信号。如果把色散光纤换成梳状滤波器，就是光学倍频法。

4)非线性激光器谐波上变频(harmonic upconversion in nonlinear lasers)：将低频微波信号加到非线性激光器，激发出高次谐波，到光探测器差频得到所需的毫米波，与3)有点类似，但原理上有区别。

5)多光源技术(multiple optical source technique)：两光源频率之差即为毫米频率，到光探测器差频即得毫米波。

各种技术各有千秋，有自己独特应用场合和优点，但大多成本较高，系统复杂，不利于大规模推广应用。

发明内容

本发明的目的在于解决现有毫米波生成技术系统复杂、成本高昂、维护困难的问题，提出一种实现在此技术上的信号调制传输。该技术结构简单，易于实现，性能稳定，成本低廉，适合于实用产品的开发推广。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种毫米波光纤传输系统的毫米波产生及调制系统，包括中心站(1)、基站(2)和光纤(3)，中心站(1)和基站(2)通过光纤(3)互连，其特征在于：在所述的中心站(1)中，激光器(1-1)和一个起偏器(1-2)通过尾纤相连，所述的起偏器(1-2)通过保偏光纤(1-9)与一个光分路器(1-3)输入端连接，所述的光分路器(1-3)一输出端与一个光调相器(1-4)输入端通过保偏光纤(1-9)相连，有周期信号源(1-5)接入光调相器(1-4)；光分路器(1-3)另一输出端通过保偏光纤(1-9)与一个保偏耦合器(1-6)一输入端连接，光调相器(1-4)输出端与保偏耦合器(1-6)另一输入端相连，所述的保偏耦合器(1-6)输出端与一个光强度调制器(1-7)通过保偏光纤(1-9)相连，有调制信号(1-8)从光强度调制器(1-7)的电输入端接入，所述的光强度调制器(1-7)输出端通过光纤(3)连接到所述的基站(2)中的光探测器(2-1)光输入端；在所述的基站中，所述的光探测器(2-1)电输出端与一个带通滤波器(2-2)输入端相连，带通滤波器(2-2)输出与一个毫米波放大器(2-3)输入端连接，毫米波放大器(2-3)输出端与毫米波发射天线(2-4)相连。

一种毫米波光纤传输系统的毫米波产生方法，采用上述的毫米波光纤传输系统的毫米波产生及调制系统，其特征在于在中心站(1)，将激光器(1-1)输出的激光分成两路，一路通过光调相器(1-4)，周期信号源(1-5)与光调相器(1-4)相连，该路光波经过光调相器(1-4)后与另一路光波叠加干涉，再将此合成波通过光纤(3)输送到光探测器(2-1)，光探测器(2-1)电输出再到毫米波带通滤波器(2-2)。

一种毫米波光纤传输系统的毫米波产生方法，采用上述的毫米波光纤传输系统的毫米波产生及调制系统，其特征在于从保偏耦合器(1-6)出来的叠加光波，经过光强调制器(1-7)，调制信号(1-8)与光强调制器(1-7)的电输入端相连，光强调制器(1-7)输出经光纤(3)输送到光探测器(2-1)，光探测器(2-1)电输出再到毫米波带通滤波器(2-2)。

以下对本发明作进一步的说明：

本方案属于光调相(频)外差技术，具体实现为：

如附图所示，在中心站1，激光器1-1发出单频激光到起偏器1-2，产生单一偏振方向，然后到光分路器分为两路光波，第一路由保偏光纤1-9到光调相器1-4，周期信号源1-5产生周期信号(可以是正余弦波、锯齿波、方波等)对光调相器1-4进行调相，输出到保偏耦合器1-6，此调相光波电场表达式为：

E₁(t)＝E_cexp[jω_ct+jβφ(t)+jΦ_PN]                           (1)

其中，E_c为光波电场振幅，ω_c为光波的中心角频率，β为调相指数，φ(t)是周期信号源1-5产生的周期信号，Φ_PN是激光本身的随机噪声。

第二路光波则不做信号处理，直接由保偏光纤1-9到保偏耦合器1-6，其光波电场表达式：

E₂(t)＝E_cexp[jω_c(t-Δτ)+jΦ_PN]                             (2)

其中，E_c为光波电场振幅，ω_c为光波的中心角频率，Δτ是光波分两路传输后的时延差，Φ_PN是激光本身的随机噪声。

由于两路光波都进行了保偏处理，偏振方向是一致的，由保偏耦合器1-6叠加后合成光波电场为：

E₃(t)＝E₁(t)+E₂(t)＝E_cexp[jω_ct+jβφ(t)+jΦ_PN]+E_cexp[jω_c(t-Δτ)+jΦ_PN]  (3)

此合成光波送到强度调制器1-7，调制信号1-8对光波E₃(t)进行调制，调制后光波信号表达式：

$E_{\mathrm{out}}\left(t\right)=E_c\sqrt{\mathrm{kM}\left(t\right)}\left\{\exp \right[{\mathrm{j\ω}}_{c}t+\mathrm{j\β\φ}\left(t\right)+j{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{PN}}]+\exp [{\mathrm{j\ω}}_c(t-\mathrm{\Δ\τ})+j{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{PN}}\left]\right\}---\left(4\right)$

式中k为调制指数，M(t)为调制信号，此信号可以是基带信号，也可以是已经调制了基带信息的微波信号。

调制好的光波由光纤3传输到基站2，光探测器2-1检测光强度，形成光电流I_d(t)，表达式(式中R、K是比例系数)如下：

$I_d\left(t\right)=\frac{1}{2}{\mathrm{RE}}_{\mathrm{out}}\left(t\right)E_{\mathrm{out}}{\left(t\right)}^{*}$

$=\frac{1}{2}{\mathrm{RE}}_c\sqrt{\mathrm{kM}\left(t\right)}\left\{\exp \right[j{\mathrm{\ω}}_{c}t+\mathrm{j\β\φ}\left(t\right)+j{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{PN}}]+\exp [{\mathrm{j\ω}}_c(t-\mathrm{\Δ\τ})+j{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{PN}}\left]\right\}$

$\×E_c\sqrt{\mathrm{kM}\left(t\right)}\left\{\exp \right[-j{\mathrm{\ω}}_{c}t-\mathrm{j\β\φ}\left(t\right)-j{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{PN}}]+\exp [-j{\mathrm{\ω}}_c(t-\mathrm{\Δ\τ})-j{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{PN}}\left]\right\}$

$=\frac{1}{2}{{\mathrm{kRE}}_c}^{2}M\left(t\right)\{1+1+2\cos [\mathrm{\β\φ}\left(t\right)+{\mathrm{\ω}}_c\mathrm{\Δ\τ}\left]\right\}$

$=\mathrm{KM}\left(t\right)\{1+\cos [\mathrm{\β\φ}\left(t\right)+{\mathrm{\ω}}_c\mathrm{\Δ\τ}\left]\right\}$

$=\mathrm{KM}\left(t\right)\{1+\cos \left({\mathrm{\ω}}_c\mathrm{\Δ\τ}\right)\cos [\mathrm{\β\φ}\left(t\right)]-\sin \left({\mathrm{\ω}}_c\mathrm{\Δ\τ}\right)\sin [\mathrm{\β\φ}\left(t\right)]---\left(5\right)$

可见光电流里没有光相位噪声Φ_PN，两路光同源，差频后相位噪声已抵消，由此避免了光相位噪声对信号的影响。φ(t)可以是正余弦、方波、锯齿波等各种周期性信号波形，都可以用于产生毫米波，为了说明问题方便，我们这里选余弦波进行公式推导，即φ(t)＝cos(ω_st)，ω_s为角频率。

I_d(t)＝KM(t){1+cos(ω_cΔτ)cos[βcos(ω_st)]-sin(ω_cΔτ)sin[βcos(ω_st)]}  (6)

将其进行贝塞尔展开有

$I_d\left(t\right)=\mathrm{KM}\left(t\right)\{1+\cos \left({\mathrm{\ω}}_c\mathrm{\Δ\τ}\right)J_0\left(\mathrm{\β}\right)+2\cos \left({\mathrm{\ω}}_c\mathrm{\Δ\τ}\right)\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^n{J}_{2n}\left(\mathrm{\β}\right)\cos \left(2n{\mathrm{\ω}}_{s}t\right)$

$-2\sin \left({\mathrm{\ω}}_c\mathrm{\Δ\τ}\right)\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^{n-1}{J}_{2n-1}\left(\mathrm{\β}\right)\cos \left[(2n-1){\mathrm{\ω}}_{s}t\right]\}---\left(7\right)$

由式(7)看到，输出光电流信号由一系列谐波分量组成，这些分量频率间隔为ω_s，包含有奇次谐波和偶次谐波：

$\mathrm{KM}\left(t\right)\left\{2\cos \left({\mathrm{\ω}}_c\mathrm{\Δ\τ}\right)\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^n{J}_{2n}\left(\mathrm{\β}\right)\cos \left({2\mathrm{n\ω}}_{s}t\right)\right\}$ 是偶次分量

$\mathrm{KM}\left(t\right)\{-2\sin \left({\mathrm{\ω}}_c\mathrm{\Δ\τ}\right)\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^{n-1}{J}_{2n-1}\left(\mathrm{\β}\right)\cos [(2n-1){\mathrm{\ω}}_{s}t\left]\right\}$ 是奇次分量

只要取出适当的高次谐波分量，就可以得到我们需要的毫米波，比如当周期信号源1-5输出频率f_s＝5GHZ(ω_s＝2πf_s＝2π×5GHZ)，要产生60GHZ的毫米波，只要用带通滤波器2-2取出12次谐波即可。

我们可以控制两路光的光程使它们的时延差为0或很接近0，即Δτ→0，sin(ω_cΔτ)→0而cos(ω_cΔτ)→1，这样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(ω_cΔτ)＝1)，使能量更为集中；假如我们要的是2N次谐波，取出该项如下：

F_2N(t)＝2KM(t)J_2N(β)cos(2Nω_st)                            (8)

我们还可选取适当的调相指数β使J_2N(β)最大，即使需要的毫米波幅度最大。得到的毫米波已经调制了信号M(t)，如果将强度调制器1-7去掉，保偏耦合器直接连光纤3，或不加调制信号，只加直流偏置，则M(t)＝1，得到的将是未经调制的纯净毫米波。

另外，在具体实现系统的时候一定要保证两路光的偏振方向的一致性，这样可使叠加后形成最佳干涉，否则光探测器2-1光电流有用信号输出衰减甚至变为0。

由此本方案实现了毫米波的产生和基于此生成技术的信息调制。

本发明与现有技术相比较，具有以下突出实质性特点和显著优点：(1)本发明使用普通低频微波源和光子技术结合产生毫米波，与直接用毫米波本振源对光调制的RoF传输系统相比，无需价格昂贵的毫米波振荡器和电吸收调制器(EAM)，实现真正意义上的利用微波和光通信技术产生毫米波的低成本实用mmRoF方案。(2)与传统光学倍乘法相比，省掉了梳状滤波器(Mach-Zenhnder干涉器或Fabry-Perot滤波器等)，核心架构只需一个光调相器和少许保偏无源光器件，大大减少了系统成本和结构，并且提高了稳定性(3)与采用双模激光器和双光源生成毫米波技术相比，本发明只需一个普通单频激光器，节约了成本，避免了光相位噪声的影响(4)只要控制两路光波的光程相等使其产生时延差为0时，奇次谐波将彻底消除而与光频率无关，无需调整光频率就可以使谐波更少，频谱能量更集中，有利于提高有用毫米波的信噪比和系统性能，使系统维护更容易(5)本发明调制技术方便灵活，加到光强度调制器1-7的调制信号1-8可以是直接的数字基带信号，也可以是几路已经调制了信息的微波信号(比如两个载频为2.4GHZ、2.6GHZ的QPSK信号)，进而实现子载波复用(6)本发明结构巧妙简单，成本低廉，使毫米波的生成技术进一步走向实用化

附图说明

图1是毫米波光纤传输系统的毫米波产生及调制系统结构图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例是一个应用于60GHz RoF系统的下行传输系统：

参见图1，本毫米波光纤传输系统的毫米波产生及调整系统由中心站1、基站2和连接它们的光纤3组成。在所述的中心站1中，激光器1-1和一个起偏器1-2通过尾纤相连，所述的起偏器1-2通过保偏光纤1-9与一个光分路器1-3输入端连接，所述的光分路器1-3一输出端与一个光调相器1-4输入端通过保偏光纤1-9相连，有周期信号源1-5接入光调相器1-4；光分路器1-3另一输出端通过保偏光纤1-9与一个保偏耦合器1-6一输入端连接，光调相器1-4输出端与保偏耦合器1-6另一输入端相连，所述的保偏耦合器1-6输出端与一个光强度调制器1-7通过保偏光纤1-9相连，有调制信号1-8从光强度调制器1-7的电输入端接入，所述的光强度调制器1-7输出端通过光纤3连接到所述的基站2中的光探测器2-1光输入端；在所述的基站中，所述的光探测器2-1电输出端与一个带通滤波器2-2输入端相连，带通滤波器2-2输出与一个毫米波放大器2-3输入端连接，毫米波放大器2-3输出端与毫米波发射天线2-4相连。

毫米波的生成和调制过程为：

在中心站1的发送端，用作光源的半导体激光器1-1工作在1550nm波长，线宽10MHz，功率10mW。周期信号源1-5产生频率为f_s＝5GHZ的余弦波驱动光调相器1-4，调相指数β＝13.8，则从分光器1-3出来的第一路光波被调相后到保偏耦合器1-6的电场表达式为：

E₁(t)＝E_cexp[jω_ct+jβcosω_st+jΦ_PN]

其中，E_c为光波电场振幅，ω_c为光波的中心角频率，β为调相指数，ω_s是周期信号源1-5产生的余弦信号的角频率，ω_s＝2πf_s＝2π×5GHZ，Φ_PN是激光本身的随机噪声。

已经控制好了两路光波的光程差为0，则Δτ＝0，而第二路到保偏耦合器后的光波电场表达式：

E₂(t)＝E_cexp[jω_ct+jΦ_PN]

两个光波偏振方向经过偏振控制，是一致的，所以合成光波为：

E₃(t)＝E₁(t)+E₂(t)＝E_cexp[jω_ct+jβcosω_st+jΦ_PN]+E_cexp[jω_ct+jΦ_PN]

如果该合成光波E₃(t)不经过光强度调制器1-7，直接通过光纤3到基站，光探测器2-1输出光电流：

$I_d\left(t\right)=K\{1+J_0\left(\mathrm{\β}\right)+2\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^n{J}_{2n}\left(\mathrm{\β}\right)\cos \left({2\mathrm{n\ω}}_{s}t\right)$

12次谐波为所要的60GHZ毫米波，用中心频率为60GHZ通带为400MHZ的带通滤波器2-2后取出该谐波，得到信号如下：

KJ₁₂(13.8)cos(12ω_st)＝0.2858Kcos(2π×60×10⁹t)

可见获得的就是所要产生的60GHZ毫米波。

如果合成光波E₃(t)经过光强度调制器1-7调制，调制信号1-8为M(t)速率为100Mbps的数字基带信号，则调制后输出信号：

$E_{\mathrm{out}}\left(t\right)=E_c\sqrt{\mathrm{kM}\left(t\right)}\left\{\exp \right[j{\mathrm{\ω}}_{c}t+\mathrm{j\β}\cos {\mathrm{\ω}}_{s}t+j{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{PN}}]+\exp [{\mathrm{j\ω}}_{c}t+j{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{PN}}\left]\right\}$

光信号经过光纤3传输到基站的光探测器2-1，产生光电流I_d(t)

$I_d\left(t\right)=\mathrm{KM}\left(t\right)\{1+J_0\left(\mathrm{\β}\right)+2\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^n{J}_{2n}\left(\mathrm{\β}\right)\cos \left({2\mathrm{n\ω}}_{s}t\right)$

12次谐波为所要的60GHZ毫米波，经过中心频率为60GHZ通带为400MHZ的带通滤波器2-2后取出该谐波，得到信号如下：(K₁为幅度常数)

K₁M(t)J₁₂(13.8)cos(12ω_st)＝0.2858K₁M(t)cos(2π×60×10⁹t)

可见，不仅产生了60GHZ毫米波，还实现了100Mbps数字基带调制信号1-8M(t)对60GHZ毫米波的AM调制，再把此毫米波信号经过毫米波放大器2-3放大，用毫米波发射天线2-4发射出去，这样就完成了60GHZ RoF传输系统的下行链路信息调制传输的功能。

Claims (3)

1.一种毫米波光纤传输系统的毫米波产生及调制系统，包括中心站(1)、基站(2)和光纤(3)，中心站(1)和基站(2)通过光纤(3)互连，其特征在于：在所述的中心站(1)中，激光器(1-1)和一个起偏器(1-2)通过尾纤相连，所述的起偏器(1-2)通过保偏光纤(1-9)与一个光分路器(1-3)输入端连接，所述的光分路器(1-3)一输出端与一个光调相器(1-4)输入端通过保偏光纤(1-9)相连，有周期信号源(1-5)接入光调相器(1-4)；光分路器(1-3)另一输出端通过保偏光纤(1-9)与一个保偏耦合器(1-6)一输入端连接，光调相器(1-4)输出端与保偏耦合器(1-6)另一输入端相连，所述的保偏耦合器(1-6)输出端与一个光强度调制器(1-7)通过保偏光纤(1-9)相连，有调制信号(1-8)从光强度调制器(1-7)的电输入端接入，所述的光强度调制器(1-7)输出端通过光纤(3)连接到所述的基站(2)中的光探测器(2-1)光输入端；在所述的基站中，所述的光探测器(2-1)电输出端与一个带通滤波器(2-2)输入端相连，带通滤波器(2-2)输出与一个毫米波放大器(2-3)输入端连接，毫米波放大器(2-3)输出端与毫米波发射天线(2-4)相连。

2.一种毫米波光纤传输系统的毫米波产生方法，采用根据权利要求1所述的毫米波光纤传输系统的毫米波产生及调制系统，其特征在于在中心站(1)，将激光器(1-1)输出的激光分成两路，一路通过光调相器(1-4)，周期信号源(1-5)与光调相器(1-4)相连，该路光波经过光调相器(1-4)后与另一路光波叠加干涉，再将此合成波通过光纤(3)输送到光探测器(2-1)，光探测器(2-1)电输出再到毫米波带通滤波器(2-2)。

3.一种毫米波光纤传输系统的毫米波产生方法，采用根据权利要求1所述的毫米波光纤传输系统的毫米波产生及调制系统，其特征在于从保偏耦合器(1-6)出来的叠加光波，经过光强调制器(1-7)，调制信号(1-8)与光强调制器(1-7)的电输入端相连，光强调制器(1-7)输出经光纤(3)输送到光探测器(2-1)，光探测器(2-1)电输出再到毫米波带通滤波器(2-2)。

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