CN101232331B - 光纤无线电下行链路中的全光副载波调制装置及方法 - Google Patents

Abstract

光纤无线电下行链路中的全光副载波调制装置及方法属于光通讯技术领域，特别涉及毫米波光纤无线电下行链路的副载波相位调制，上变频。主要解决现有方案中对毫米波混频器、毫米波源、传输线等价格昂贵、性能受限的毫米波器件及子系统的依赖。本发明提出一种全光的信号处理技术，通过控制两束相干光中的一束的相位，来控制探测所得毫米波副载波信号的相位，在光域实现毫米波信号的相位调制。本发明使得在产生同样效果的毫米波副载波相位调制时，对于微波源、电光调制器的带宽需求降至一半到十分之一，且不需要经过毫米波混频器进行上变频；只在探测器与天线之间需要一段毫米波传输线，避免使用其他高频器件，使系统结构简单、性能可靠、成本低廉。

Description

光纤无线电下行链路中的全光副载波调制装置及方法

技术领域

一种全光副载位调制技术，属于光通讯技术领域，特别涉及毫米波光纤无线电下行链路的副载波调制，上变频。

背景技术

近些年来无线通信快速发展，无线用户逐年递增，业务更加多样化，数据业务急剧攀升，使得宽带无线信号和载波频率向高频毫米波频段扩展的需求日益迫切。工作于该频段电子器件，由于其成本、性能等问题，远远不能满足未来需求的增长。而日益兴起的光纤无线电技术，利用光纤技术的宽带、低损特性，为传送各种无线业务信息提供了必要的巨大带宽，有效解决了宽带无线通信网络发展所面临的难点问题。

光纤技术的引用使得毫米波无线接入系统具有体积小、重量轻、成本低、损耗小、抗电磁干扰，带宽大、信道容量高等优点，解决了传统微波传输系统在毫米波段存在损耗大、抗干扰能力弱等问题。此外，它将光纤网络的巨大容量和无线接入网络的适应性与移动性有机结合，为无线网络提供了“最后一公里”无缝接入，可以实现真正意义的“任何人、任何时间，于任何地点，以任何形式的通信”的需求。

目前，在现有的毫米波光纤无线电下行链路中，数据信号或模拟信号在中心站经过调制、一次或多次上变频等步骤，获得毫米波已调信号，该信号再通过电光调制器等器件调制到光上，经过光纤传至基站，通过光电探测器直接探测得到电域的毫米波信号。这种方法对于每一个毫米波副载波信道，都需要毫米波混频器、毫米波源、毫米波传输线、毫米波频段的电光调制器等毫米波器件以及子系统，价格昂贵，难以进一步提升。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提出一种全光的信号处理技术，通过控制两束相干光中的一束的相位与强度，来控制探测所得毫米波副载波信号的相位与强度，在光域实现毫米波信号的全光副载波调制。

本发明提供了一种光纤无线电下行链路中的全光副载波调制装置，包括中心站和基站，其特征在于：

在光纤无线电接入系统下行链路的中心站部分，依次包括光源、偏振态旋转模块、调制模块、起偏器；

中心站和基站经过光纤连接，基站包括顺序连接的光电探测器、放大器、滤波器、天线；

对每个光信道，光源产生两束光：一个波长为载波，它不被调制，称为载波光；另一个波长为副载波，它会被调制，称为边带光；这两束光的偏振态平行，相差恒定；

载波光以及边带光进入偏振态旋转模块，使两束光的偏振态进行不同程度的旋转，达到偏振态正交的目的；

将旋转后的光信号输入调制模块，使边带光与调制模块中调制器的主轴方向平行，此时载波光与调制器的主轴方向垂直；

调制模块包括至少一个电光调制器，电光调制器是电光相位调制器、电光强度调制器中的一种；

调制模块后放置一个起偏器。若只有一个调制器，则此调制器后放置一个起偏器；若有多个调制器，则在光信号经过的最后一个调制器后，放置一个起偏器；

起偏后的光经过光纤传输后，照射在基站的光电探测器，得到其输出光电流的交流项，也就是可供天线发射的毫米波信号。

本发明的光纤无线电下行链路中的全光副载波调制的基本原理如图1。

在光纤无线电接入系统下行链路的中心站部分，对于光纤链路中的每一个光信道，光源产生两个波长的光，一个波长为载波，它不被调制，称为载波光；另一个波长为副载波，它会被调制，称为边带光。这两束光的偏振态平行，相差恒定。两束光之间的频率差等于拟产生毫米波信号的频率。两束光的光场分别可以描述为(光谱见图2(a))：

E_caTT＝E₁cos(2πf₀t)

其中E_caTT、E_sub分别表示载波光和边带光的光场，其强度分别为E₁和E₂。f₀是载波光的频率；f_RF是边带光和载波光之间的频率差，亦为目标微波信号的中心频率。它正负均可，在后面的计算中，除特殊说明外，都取负号，即载波光频率大于边带光的频率。t为时间。

为这两束光的相位差，由于它不影响对发明原理的说明，故在后面均略去。

上述光进入一个偏振态旋转模块，该模块的作用是使两束光的偏振态进行不同程度的旋转，最终达到偏振态正交的目的。输出光谱见图2(b)

将旋转后、偏振态正交的光信号输入调制模块，使边带光与调制器主轴方向平行，此时载波光与之垂直。调制模块可以是一个或多个级联的电光调制器，如电光相位调制器，电光强度调制器，以及他们的组合级联。

如果调制模块是一个电光相位调制器，可以实现毫米波信号的全光副载波相位调制。

调制器受中心频率为Ω的电压信号V(t)驱动，其电频谱见图2(c)。由于调制器仅对平行于主轴的光信号进行调制，因此载波光不被调制而直接通过，边带光被调制。记V_π为相位调制器的半波电压，定义边带光的相位变化φ(t)＝πV(t)/V_π，相位调制器的输出信号(光谱见图2(d))为：

E′_{caTT_PM}＝E′₁cos(2πf₀t)

E′_{sub_Pm}＝E′₂cos(2π(f₀-f_RF)t+φ(t))

调制器后放置一个起偏器，起偏器输出信号为：

E″_{caTT_PM}＝E″₁cos(2πf₀t)

E″_{sub_PM}＝E″₂cos(2π(f₀-f_RF)t+φ(t))

因此，已调信号E_PM可以写作上述两者的和，光谱见图2(e)如下：

E_PM＝E″₁cos(2πf₀t)+E″₂cos(2π(f₀-f_RF)t+φ(t))

上述光经过光纤传输后，照射在基站的光电探测器(PD)，得到其输出光电流在毫米波频段的一项，也就是可供天线发射的毫米波信号为：

i_pM＝2ηE″₁E″₂cos(2πf_RFt+φ(t))

其中η为PD输出光电流与起偏器输出光场强度、光纤链路之间的乘积因子，电频谱见图2(f)。

至此，就产生了载波频率为f_RF，调制信号为V(t)的相位调制信号。

如果调制模块是一个电光强度调制器，可以实现毫米波信号的全光副载波强度调制。

调制器受中心频率为Ω的电压信号V(t)驱动，其电频谱见图2(c)。由于调制器仅对平行于主轴的光信号进行调制，因此载波光不被调制而直接通过，边带光被调制。调制器的输出信号的强度变化为A(t)，它与驱动信号V(t)之间的关系，因强度调制器而异。输出信号(光谱见图2(g))为：

E′_{caTT_AM}＝E′₁cos(2πf₀t)

E′_{sub_AM}＝E′₂A(t)cos(2π(f₀-f_RF)t)

调制器后放置一个起偏器，起偏器输出信号为：

E″_{caTT_AM}＝E″₁cos(2πf₀t)

E″_{sub_AM}＝E″₂A(t)cos(2π(f₀-f_RF)t)

因此，已调信号E_AM可以写作上述两者的和，光谱见图2(h)如下：

E_AM＝E″₁cos(2πf₀t)+E″₂A(t)cos(2π(f₀-f_RF)t)

上述光经过光纤传输后，照射在基站的光电探测器(PD)，得到其输出光电流在毫米波频段的一项，也就是可供天线发射的毫米波信号为：

i_AM＝2ηE″₁E″₂A(t)cos(2πf_RFt)

其中η为PD输出光电流与起偏器输出光场强度、光纤链路之间的乘积因子，电频谱见图2(i)。

至此，就产生了载波频率为f_RF的强度调制信号。

如果调制模块由多个电光调制器组成，那么类似的理论计算可以得到相应的驱动信号与产生的毫米波信号之间的关系。

在本发明提出的方案中，在产生同样效果的毫米波副载波相调制时，对于微波源、电光调制器的带宽需求可以降至至少十分之一，满足信号带宽的一半即可，不需要经过毫米波混频器进行上变频；只在探测器与天线之间，需要一段毫米波传输线，同时避免使用高频宽带合路器、滤波器等电器件。因此，该方案使整个系统结构简单、性能可靠、成本低廉。

附图说明

图1毫米波信号的全光副载波调制基本示意图

图2毫米波信号的全光副载波调制的频谱演变。(a)双波长光源输出光谱；(b)偏振态旋转模块输出光谱；(c)调制信号电频谱；(d)相位调制器输出光谱；(e)采用相位调制器时起偏器输出光谱；(f)探测所得相位调制毫米波信号电频谱。(g)强度调制器输出光谱；(h)采用强度调制器时起偏器输出光谱；(i)探测所得强度调制毫米波信号电频谱。

图3多路毫米波副载波全光调制

图4正弦波调制的毫米波相位调制信号电频谱

图5产生的2.5Gbps、DPSK信号的眼图及误码率曲线

具体实施方式

使用如图3的系统，利用上面提到的方法同时对多路毫米波信号进行调制。其中副载波调制模块包含偏振态旋转模块、调制模块、起偏器三部分。

方案中，对每一个光信道，光源产生两束光，一个波长为载波，它不被调制，称为载波光；另一个波长为副载波，它会被调制，称为边带光；这两束光的偏振态平行，相差恒定，两个光之间的频差等于拟产生的毫米波信号的频率。

满足方案中要求的光源有多种实施方式，可利用光滤波器，从超连续谱光源或脉冲光源等的输出光中滤除两个波长分量；也可利用注入锁定的方式，使两个DFB激光器产生满足方案要求的两个波长的光；还可以抑制载波的方式调制到直流光上，获得频率间隔为两倍调制信号的两个波长的光。

双波长光源的两束光——载波光和边带光，其偏振态平行、相差恒定。它们通过偏振态旋转模块，其偏振态由平行变成正交，然后输入调制模块中的调制器。其中，边带光的偏振方向与调制器主轴方向平行，此时载波光与之垂直。由于调制器固有的特性，只有偏振方向平行于其主轴方向的边带光被调制，而载波光不被调制。上述信号经过光纤传输后，由光电探测器探测，即得到毫米波频段的调制信号。

偏振态旋转模块的一种可行实现方法为：按一定的入射偏振态通过一个具有差分群延时(DGD)的器件(如保偏光纤、双折射晶体等)。那么在该器件输出端，两束光的偏振态发生改变。如果入射光的偏振态与该器件的主轴有45度夹角，并且该器件的延时量τ满足下列表达式：

$\mathrm{\τ}=\frac{n}{2f_{\mathrm{RF}}},(n=\mathrm{1,3,5},...)$

那么在输出端，频率间隔为f_RF的载波光和边带光的偏振态满足正交。

此外，可以利用光学滤波器将这两个波长的光分开，分别调整其偏振态，再用耦合器合成。若偏振态调整的结果使得耦合器输出的这两个波长的光的偏振态正交，那么，也实现了偏振态旋转模块的功能。

依据调制模块中调制器的配置，可以实现毫米波副载波相位调制、强度调制以及相位、强度联合调制信号。若用数字信号驱动各调制器，还可以产生各种多进制幅度键控调制、多进制相移键控，以及幅度与相位相结合的多进制调制，如2ASK、BPSK、DPSK、QPSK、16QAM等。

调制模块的输出光进入起偏器。改变起偏器主轴的方向，可以改变载波光和边带光之间的功率比，从而影响光电探测器的输出光电流。一般来说，为了在光电探测器上获得幅度最大的输出光电流，起偏器的主轴方向位于载波光和边带光方向的中心，即与调制器的主轴夹角45度。

以调制模块由一个电光相位调制器构成为例，待调信号V(t)若为按正弦规律变化的信号，那么可以得到相位按正弦规律变化的毫米波相位调制信号，图4为该系统产生的调制信号为1GHz正弦波、载波为40GHz的相位调制信号的电频谱。

若V(t)是幅度为调制器半波电压V_π，按照0-1数字序列a(t)变化的2ASK信号，那么可以得到毫米波段的BPSK信号；若a(t)已经进行了差分编码，则可得DPSK信号。图5是该系统产生的载波为20GHz、码率为2.5Gbps的DPSK信号的眼图和误码率曲线。所加数字序列为2⁷-1的伪随机序列；测试眼图为光纤传输25千米后，探测所得结果；误码率曲线包括背靠背测试的误码率曲线和光纤传输25千米后的误码率曲线。

在本发明提出的方案中，在产生同样效果的毫米波副载波调制时，对于微波源、电光调制器的带宽需求可以降至十分之一，满足信号带宽的一半即可，不需要经过毫米波混频器进行上变频；只在探测器与天线之间，需要一段毫米波传输线，同时避免使用高频宽带合路器、滤波器等电器件。因此，该方案使整个系统结构简单、性能可靠、成本低廉。

Claims (2)

1.一种光纤无线电下行链路中的全光副载波调制装置，包括中心站和基站，其特征在于：

在光纤无线电接入系统下行链路的中心站部分，依次包括光源、偏振态旋转模块、调制模块、起偏器；

中心站和基站经过光纤连接，基站包括顺序连接的光电探测器、放大器、滤波器、天线；

对每个光信道，光源产生两束光：一个波长为载波，它不被调制，称为载波光；另一个波长为副载波，它会被调制，称为边带光；这两束光的偏振态平行，相差恒定；

载波光以及边带光进入偏振态旋转模块，使两束光的偏振态进行不同程度的旋转，达到偏振态正交的目的；

将旋转后的光信号输入调制模块，使边带光与调制模块中调制器的主轴方向平行，此时载波光与调制器的主轴方向垂直；

调制模块包括至少一个电光调制器，电光调制器是电光相位调制器、电光强度调制器中的一种；

调制器后放置一个起偏器；若只有一个调制器，则此调制器后放置一个起偏器；若有多个调制器，则在光信号经过的最后一个调制器后，放置一个起偏器；

起偏后的光经过光纤传输后，照射在基站的光电探测器，得到其输出光电流的交流项，也就是可供天线发射的毫米波信号。

2.应用权利要求1所述的调制装置的调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

在光纤无线电接入系统下行链路的中心站部分，光源采用双波长相干光源，两个光之间的频差等于拟产生的毫米波信号的频率；双波长光源的一个波长为载波，它不被调制，称为载波光；另一个波长为副载波，它会被调制，称为边带光；这两束光的偏振态平行，相差恒定；两束光的光场分别描述为：

E_caTT＝E₁cos(2πf₀t)

其中E_catTT、E_sub分别表示载波光和边带光的光场，其强度分别为E₁和E₂；f₀是载波光的频率；f_RF是边带光和载波光之间的频率差，亦为目标微波信号的中心频率；t为时间； 

为这两束光的相位差；

载波光以及边带光进入一个偏振态旋转模块，该模块使两束光的偏振态进行不同程度的旋转，达到偏振态正交的目的；

当调制模块是一个电光相位调制器时：

将旋转后的光信号输入电光相位调制器，使边带光与调制器主轴方向平行，此时载波光与之垂直；调制器受中心频率为Ω的电压信号V(t)驱动；载波光不被调制而直接通过，边带光被调制；记V_π为相位调制器的半波电压，定义φ(t)＝πV(t)/V_π，调制器的输出信号为：

E′_caTT＝E′₁cos(2πf₀t)

E′_sub＝E′₂cos(2π(f₀-f_RF)t+φ(t))

相位调制器后放置一个起偏器，其主轴与调制器的主轴呈45°夹角；起偏器输出信号为：

E″_caTT＝E″₁cos(2πf₀t)

E″_sub＝E″₂cos(2π(f₀-f_RF)t+φ(t))

已调信号E_mod写作上述两者的和：

E_mod＝E″₁cOs(2πf₀t)+E₂″cOs(2π(f₀-f_RF)t+φ(t))

起偏后的光经过光纤传输后，照射在基站的光电探测器，得到其输出光电流在毫米波频段的一项，也就是可供天线发射的毫米波信号为：

i_PD＝2ηE″₁E″₂cos(2πf_RFt+φ(t))

其中η为PD输出光电流与起偏器输出光场强度、光纤链路之间的乘积因子，产生了载波频率为f_RF，调制信号为φ(t)的相位调制信号；

当调制模块是一个电光强度调制器： 

调制器受中心频率为Ω的电压信号V(t)驱动，载波光不被调制而直接通过，边带光被调制；

调制器的输出信号的强度变化为A(t)，输出信号为：

E′_{caTT_AM}＝E′₁cos(2πf₀t)

E′_{sub_AM}＝E′₂A(t)cos(2π(f₀-f_RF)t)

调制器后放置一个起偏器，起偏器输出信号为：

E″_{caTT_AM}＝E″₁cos(2πf₀t)

E″_{sub_AM}＝E″₂A(t)cos(2π(f₀-f_RF)t)

已调信号E_AM写作上述两者的和：

E_AM＝E″₁cos(2πf₀t)+E″₂A(t)cos(2π(f₀-f_RF)t)

起偏后的光经过光纤传输后，照射在基站的光电探测器，得到其输出光电流在毫米波频段的一项，也就是可供天线发射的毫米波信号为：

i_AM＝2ηE″₁E″₂A(t)cos(2πf_RFt)

其中η为PD输出光电流与起偏器输出光场强度、光纤链路之间的乘积因子，产生了载波频率为f_RF的强度调制信号。 

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