CN101459917B - 一种双工毫米波光纤无线电系统及其调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双工毫米波光纤无线电系统及调制方法，该系统只在中心站设置一个激光器，中心站的相位调制单元使用下行基带信号上变频后的第一毫米波电信号，以相位调制方式调制原始光信号得到第一光信号，并将其发送到基站；基站中的强度调制单元接收无线终端发送的第二毫米波电信号及中心站发送的第一光信号，使用第二毫米波电信号以强度调制方式调制第一光信号，调制后得到第二光信号并将其发送到中心站，这样实现了基站天线收发的都是经过上变频调制后的毫米波信号。本发明降低了毫米波光纤无线电系统的成本，让双工毫米波光纤无线电系统的工作方式更符合实际。
Description
技术领域
本发明涉及光通讯技术领域，特别涉及双工毫米波光纤无线电系统及其调制方法。
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扩展的需求日益迫切。毫米波信号是指波长为毫米量级(1mm-10mm)的微波信号。目前，电子器件的电子瓶颈使其远远不能满足未来需求的增长，而毫米波光纤无线电技术正是利用光纤技术的宽带低损特性，为综合传送各种无线业务信息提供了必要的巨大带宽和传输质量，能有效解决了宽带无线通信网络发展所面临的难点问题。高频无线宽带信号的毫米波光纤无线电系统具有体积小、重量轻、成本低、损耗小、抗电磁干扰、宽带、低色散以及高容量等优点，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，实现了真正意义的“任何人、任何时间、于任何地点、以任何形式的通信”需求。
目前，在现有的双工毫米波光纤无线电系统中，如图1所示，该系统包括中心站、基站和无线终端(未示出)，中心站包括：激光器、马赫曾德尔调制器MZM(Mach-Zehnder Modulator)、光电探测器PD(photodetection)和混频器，基站同样也包括：激光器、MZM、延时器、光电探测器和混频器。基站和中心站通过单模光纤SMF(Single-mode Fiber)连接，基站与无线终端进行无线通信。整个系统中激光器用来产生调制所用的原始光信号，即将激光器产生的光作 为光载波使用。在中心站向基站发送下行基带信号1时，传输过程为：在中心站，下行基带信号1在MZM中以抑制光载波(OCS，OpticalCarrier Suppresion)的方式直接调制原始光信号，通过抑制光载波的方式上变频得到毫米波信号，被毫米波调制的光信号通过单模光纤SMF传输到基站并被分成两束，对其中的一路经延时器做1比特的延时，延时后两路信号合成并被PD探测到，PD将探测到的合成后的毫米波光信号转换成毫米波电信号，把这个毫米波电信号发送到移动终端，然后在移动终端将毫米电波信号和未经调制的原始毫米波电信号混频，然后通过低通滤波器，就得到了下行基带信号1。
基于上述系统，在基站向中心站发送上行基带信号2时，传输过程为：无线终端产生的上行的基带信号2和毫米波完全没有关系，在基站，上行的基带信号2直接由MZM调制到激光器所产生的光上，然后光通过单模光纤SMF传输到中心站，中心站直接用PD探测进行光电转换得到基带信号。
实际情况是，基站只能接收到毫米波信号，收不到基带信号。所以没有办法在基站直接用上行的基带信号2调制光，而传统的方案在基站正是用上行的基带信号2调制光，所以这不符合毫米波光纤无线电系统工作的实际情况。且这种系统及方法在中心站和基站各用一个激光器，价格昂贵。
发明内容
本发明的目的是提供一种双工毫米波光纤无线电系统及其调制方法，简化双工毫米波光纤无线电系统的结构，降低毫米波光纤无线电系统的成本，有效地降低色散所致衰减效应，提高毫米波光纤无线电系统对光纤色散的容忍能力，解调灵活方便(特别是对于波分复用系统)，让双工毫米波光纤无线电系统更好地运用到现已广泛采用的波分复用技术中。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种双工毫米波光纤无线电系统，该系统包括中心站、基站和无线终端，该系统中，
中心站包括相位调制单元和解调单元，其中：
相位调制单元，使用下行基带信号上变频后的第一毫米波电信号，以相位调制方式调制原始光信号得到第一光信号，并将其发送到基站；
解调单元，接收基站发送的第二光信号并将其光电转换为第二毫米波电信号，将第二毫米波电信号解调并下变频得到上行基带信号；
基站包括信号转换单元和强度调制单元，其中：
信号转换单元，接收中心站发送的第一光信号，将其延时后与未延时的第一光信号合成为合成光信号，将合成光信号光电转换为合成毫米波电信号并将其发送到无线终端；
强度调制单元，接收无线终端发送的第二毫米波电信号及中心站发送的第一光信号，使用所述第二毫米波电信号以强度调制方式调制所述第一光信号，调制后得到第二光信号并其发送到中心站；
无线终端包括接收单元和发送单元，其中：
接收单元，接收基站发送的合成毫米波电信号对其解调并下变频，得到下行基带信号；
发送单元，用于将上行基带信号上变频后的第二毫米波电信号发送到基站。
优选地，所述相位调制单元包括：
毫米波信号发生器，用于产生原始毫米波电信号；
激光器，用于产生原始光信号；
上变频器，用于使用下行基带信号调制所述原始毫米波电信号实现上变频，上变频后得到第一毫米波电信号；
相位调制器，用于使用所述第一毫米波电信号以相位调制方式调制所述原始光信号得到第一光信号，并将其发送到基站。
优选地，所述上变频器为BPSK调制器，使用下行基带信号以BPSK调制方式调制所述原始毫米波电信号实现上变频。
优选地，发送单元以BPSK调制方式将上行基带信号上变频得到 第二毫米波电信号。
优选地，所述信号转换单元包括：
接收器，用于接收中心站发送的第一光信号并将其分成两路；
延时器，用于对其中一路第一光信号进行延时；
光电探测器，用于接收合成光信号，将其光电转换为合成毫米波电信号后发送到无线终端。
优选地，解调单元包括：
光电探测器，用于接收基站发送的第二光信号，并将其光电转换为第二毫米波电信号；
信号放大器，将所述第二毫米波电信号进行信号放大；
混频器，将毫米波信号发生器产生的原始毫米波电信号与放大后的第二毫米波电信号进行混频解调得到解调信号；
低通滤波器，将解调信号进行低通滤波实现下变频，得到上行基带信号。
优选地，接收单元包括：
信号放大器，接收基站发送的合成毫米波电信号并进行放大；
混频器，将毫米波信号发生器产生的原始毫米波电信号与放大后的合成毫米波电信号进行混频解调得到解调信号；
低通滤波器，将解调信号进行低通滤波实现下变频得到下行基带信号。
本发明还提供了一种上述双工毫米波光纤无线电系统的调制方法，该方法中，在中心站向无线终端发送下行基带信号时，包括步骤：
中心站使用下行基带信号上变频后的第一毫米波电信号，以相位调制方式调制原始光信号得到第一光信号，并将其发送到基站；
基站接收中心站发送的第一光信号，将其延时后与未延时的第一光信号合成为合成光信号，将合成光信号光电转换为合成毫米波电信号，并将其发送到无线终端；
无线终端接收基站发送的合成毫米波电信号，并对其解调及下变频得到下行基带信号；
在无线终端向中心站发送上行基带信号时，包括步骤：
无线终端将上行基带信号上变频后的第二毫米波电信号发送到基站；
基站接收无线终端发送的第二毫米波电信号，及中心站在传输下行基带信号步骤发送的第一光信号，使用第二毫米波电信号以强度调制方式调制第一光信号，调制后得到第二光信号并其发送到中心站；
中心站接收基站发送的第二光信号并将其光电转换为第二毫米波电信号，将第二毫米波电信号解调并下变频得到上行基带信号。
优选地，中心站使用下行基带信号以BPSK调制方式调制毫米波发生器产生的原始毫米波电信号，实现下行基带信号上变频，无线终端以BPSK调制方式将上行基带信号上变频得到第二毫米波电信号。
优选地，中心站对第二毫米波电信号解调及下变频包括步骤：
将第二毫米波电信号进行信号放大；
将毫米波信号发生器产生的原始毫米波电信号与放大后的第二毫米波电信号进行混频解调，得到解调信号；
将解调信号进行低通滤波实现下变频，得到上行基带信号；
无线终端解调并下变频包括步骤：
接收基站发送的合成毫米波电信号并对其进行信号放大；
将毫米波信号发生器产生的原始毫米波电信号与放大后的合成毫米波电信号进行混频解调，得到解调信号；
将解调信号进行低通滤波实现下变频得到下行基带信号。
利用本发明提供的双工毫米波光纤无线电系统及调制方法，具有 以下有益效果：简化双工毫米波光纤无线电系统的结构，节省了系统的成本；有效地降低了色散所致衰减效应，提高了毫米波光纤无线电系统对光纤色散的容忍能力，并能让毫米波光纤无线电系统更好地运用到现已广泛采用的波分复用技术中。
附图说明
图1为现有技术中双工毫米波光纤无线电系统框图；
图2为本发明双工毫米波光纤无线电系统框图；
图3为本发明双工毫米波光纤无线电系统在中心站向无线终端发送下行基带信号时的调制方法流程图；
图4为本发明双工毫米波光纤无线电系统在无线终端向中心站发送上行基带信号时的调制方法流程图；
图5为本发明实施例中在中心站第一光信号被第一毫米波电信号相位调制后的光谱图；
图6为本发明实施例中在基站第二光信号被第二毫米波电信号强度调制后的光谱图；
图7为本发明实施例中在无线终端解调出的下行基带信号数据的眼图；
图8为本发明实施例中在中心站所解调出的上行基带信号数据的眼图；
图9为本发明实施例中上下行基带信号数据的误码率曲线图。
具体实施方式
本发明提出的双工毫米波光纤无线电系统及其调制方法，结合附图和实施例说明如下。
本发明所提出的双工毫米波光纤无线电系统在基站是用毫米波电信号调制光，这是符合实际情况的，系统只在中心站设置激光器，又进一步降低了系统的成本。现有的双工毫米波光纤无线电系统的调制方法要么是单纯的光强度调制，要么是单纯的相位调制，没有混合 采用的。本发明的创新点之一是将两种调制方式在双工毫米波光纤无线电系统中结合在一起使用，另一创新点在于实现了基站天线收发的都是经过上变频调制后的毫米波信号。
实施例
如图2所示，本发明提出的双工毫米波光纤无线电系统包括中心站、基站和无线终端，中心站与基站之间通过单模光纤SMF实现信号传输，基站与无线终端通过无线信道进行通信(图中虚箭头表示无线信道)。
与现有技术不同的是，本发明中，中心站包括相位调制单元和解调单元，相位调制单元使用下行基带信号1上变频后的第一毫米波电信号，以相位调制方式调制原始光信号得到第一光信号，并将其发送到基站；解调单元接收基站发送的第二光信号并将其光电转换为第二毫米波电信号，将第二毫米波电信号解调并下变频得到上行基带信号。本实施例中相位调制单元具体包括：毫米波信号发生器(图中未示出)、激光器、上变频器、相位调制器PM(phase modulator)，其中：毫米波信号发生器，用于产生原始毫米波电信号；激光器，用于产生原始光信号；上变频器，用于使用下行基带信号调制原始毫米波电信号实现上变频，上变频后得到第一毫米波电信号；相位调制器，用于使用第一毫米波电信号以相位调制方式调制原始光信号得到第一光信号，并将其发送到基站。本实施例中解调单元具体包括：光电探测器、信号放大器、混频器和低通滤波器，其中：光电探测器，用于接收基站送的第二光信号，并将其光电转换为第二毫米波电信号；信号放大器，用于将第二毫米波电信号进行信号放大；混频器，将毫米波信号发生器产生的原始毫米波电信号与放大后的第二毫米波电信号进行混频解调得到解调信号；低通滤波器，将解调信号进行低通滤波实现下变频得到上行基带信号。
本发明中，基站包括信号转换单元和强度调制器，其中：信号转 换单元，用于接收中心站发送的第一光信号，将其延时任意t0后与未延时的第一光信号合成为合成光信号，将合成光信号光电转换为合成毫米波电信号并将其发送到无线终端；强度调制器AM(AmplitudeModulator)，接收无线终端发送的第二毫米波电信号及中心站发送的第一光信号，使用第二毫米波电信号以强度调制方式调制第一光信号，调制后得到第二光信号并其发送到中心站。本实施例中信号转换单元具体包括：接收器(图中未示出)，用于接收中心站发送的第一光信号并将其分成两路；延时器，用于对其中一路第一光信号进行延时；光电探测器，用于接收合成后的合成光信号，将其光电转换为合成毫米波电信号后发送到无线终端。
本发明中，无线终端包括接收单元和发送单元，接收单元接收基站发送的合成毫米波电信号对其解调并下变频，得到下行基带信号；发送单元将上行基带信号上变频后的第二毫米波电信号发送到基站。本实施例中发送单元包括上变频器和毫米波信号发生器，毫米波信号发生器用于产生原始毫米波电信号，上变频器使用下行基带信号2调制原始毫米波电信号实现上变频。接收单元具体包括：信号放大器，接收基站发送的合成毫米波电信号并进行放大；混频器，将毫米波信号发生器产生的原始毫米波电信号与放大后的合成毫米波电信号进行混频解调得到解调信号；低通滤波器，将解调信号进行低通滤波实现下变频得到下行基带信号。
在具体实施时，中心站的上变频器和无线终端的上变频器均可采用BPSK(Binary Phase Shift Keying)调制器，在中心站，BPSK调制器使用下行基带信号以BPSK调制方式调制原始毫米波电信号实现上变频，得到第一毫米波电信号；在无线终端，BPSK调制器使用上行基带信号以BPSK调制方式调制原始毫米波电信号实现上变频，得到第二毫米波电信号。
本发明不仅限于BPSK调制器，其它的调制方式也可以在本方案 里很好的运行。
如图3所示，本实施例中使用上述双工毫米波光纤无线电系统的调制方法，中心站向无线终端发送下行基带信号时，包括步骤：
s101，利用BPSK调制器使用下行基带信号以BPSK调制方式对毫米波发生器产生的原始毫米波电信号进行调制，实现下行基带信号的上变频，调制后得到第一毫米波电信号；
s102，利用相位调制器PM使用第一毫米波电信号以相位调制方式调制原始光信号得到第一光信号；
本发明在中心站使用相位调制方式，这样第一光信号保持了恒包络的特性，光信号的恒包络特性是指光信号的包络是恒定的。光信号的恒包络特性的好处是可以继续被微波信号做强度调制，可以正确的调制和解调。
s103，中心站将第一光信号通过单模光纤SMF发送到基站；
s104，基站接收到第一光信号后分成两路，一路进行延时相干，另一路作为基站向中心站发送上行信号时调制所用光载波的备用光信号，作延时相干的那路第一光信号具体为分两路，一路经延时器延时后与未延时的第一光信号合成为合成光信号；
s105，基站的光电探测器将合成光信号光电转换为合成毫米波电信号并将其发送到无线终端；
s106，无线终端接收基站发送的合成毫米波电信号并利用AMP对其信号放大；
s107，无线终端的混频器将毫米波信号发生器产生的原始毫米波电信号与放大后的合成毫米波电信号进行混频解调得到解调信号；
s108，无线终端利用低通滤波器将解调信号进行低通滤波实现下变频得到下行基带信号。
如图4所示，无线终端向中心站发送上行基带信号时，包括步骤
s201，无线终端的BPSK调制器使用上行基带信号以BPSK调制 方式对毫米波发生器产生的原始毫米波电信号进行调制，实现上行基带信号的上变频，调制后得到第二毫米波电信号；
s202，无线终端将调制后的第二毫米波电信号通过无线信号发送到基站；
s203，基站接收无线终端发送的第二毫米波电信号，由于基站将中心站传输下行基带信号步骤发送的第一光信号作为备用光信号，所以该步骤中使用第二毫米波电信号以强度调制方式调制备用的第一光信号，调制后得到第二光信号并其发送到中心站；
s204，中心站接收到第二光信号；
s205，中心站的光电探测器将第二光信号光电转换为第二毫米波电信号；
s206，中心站利用AMP将第二毫米波电信号进行信号放大；
s207，中心站的混频器将毫米波信号发生器产生的原始毫米波电信号与放大后的第二毫米波电信号进行混频解调得到解调信号；
s208，中心站利用低通滤波器将解调信号进行低通滤波实现下变频得到上行基带信号。
调制过程中，因为强度和相位是一个正弦信号的两个维度，所以这时基站发送到中心站的第二光信号的幅度能够并且只能够体现全部上行信号数据。这样既降低了双工毫米波光纤无线电系统的成本，同时把在基站接收到的已调毫米波信号传输到了中心站，符合毫米波光纤无线电系统的实际工作情况。
本实施例中，具体实现的实验装置参数如下：激光器使用可调谐激光器，可调谐激光器工作在1551.6nm处，发射功率6dBm，使用信号源产生1.25GHz的周期为211-1的伪随机序列信号作为上行和下行基带信号；毫米波信号发生器产生的原始毫米波电信号的频率为10GHz，功率10dBm；放大器使用掺铒光纤放大器EDFA，EDFA工作电流36mA；光强度调制器偏置电压3.6V，调制深度10％；电放大 器中心频率10GHz，带宽6GHz，工作电压8V。图5为被第一毫米波电信号相位调制后的光谱图，图6为被第二毫米波电信号强度调制后的光谱图，可以看到信号已经被调制到光载波上。图7是解调出的下行基带信号数据的眼图，图8是解调出的上行基带信号数据的眼图，可以看到眼图质量非常的好，说明预期的混合调制方法是可行的，性能是非常好的。图9是上下行基带信号数据的误码率曲线，可以看到上下行误码率曲线都近似为直线，都没有出现误码平台，可以说本方案的性能是非常好的。
本方案在基站节省了激光器，有效降低了双工毫米波光纤无线电系统的成本，同时成功把基站接收到的上行毫米波信号传送到的中心站，符合双工毫米波光纤无线电系统的实际工作情况，信号的传输质量非常高，本方案符合实用化的性能要求。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (7)
1.一种双工毫米波光纤无线电系统，该系统包括中心站、基站和无线终端，其中，中心站包括解调单元，所述解调单元接收基站发送的第二光信号并将其光电转换为第二毫米波电信号，将第二毫米波电信号解调并下变频得到上行基带信号；所述基站包括强度调制单元，所述强度调制单元接收无线终端发送的第二毫米波电信号及中心站发送的第一光信号，使用所述第二毫米波电信号以强度调制方式调制所述第一光信号，调制后得到第二光信号并将所述第二光信号发送到中心站；无线终端包括接收单元和发送单元，所述接收单元接收基站发送的合成毫米波电信号对其解调并下变频，得到下行基带信号；所述发送单元用于将上行基带信号上变频后的第二毫米波电信号发送到基站，其特征在于，
中心站包括相位调制单元，所述相位调制单元使用下行基带信号上变频后的第一毫米波电信号，以相位调制方式调制原始光信号得到第一光信号，并将其发送到基站；
基站包括信号转换单元，所述信号转换单元接收中心站发送的第一光信号，将其延时后与未延时的第一光信号合成为合成光信号，将合成光信号光电转换为合成毫米波电信号并将其发送到无线终端。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述相位调制单元包括：
毫米波信号发生器，用于产生原始毫米波电信号；
激光器，用于产生原始光信号；
上变频器，用于使用下行基带信号调制所述原始毫米波电信号实现上变频，上变频后得到第一毫米波电信号；
相位调制器，用于使用所述第一毫米波电信号以相位调制方式调制所述原始光信号得到第一光信号，并将其发送到基站。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述上变频器为 BPSK调制器，使用下行基带信号以BPSK调制方式调制所述原始毫米波电信号实现上变频。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，发送单元以BPSK调制方式将上行基带信号上变频得到第二毫米波电信号。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号转换单元包括：
接收器，用于接收中心站发送的第一光信号并将其分成两路；
延时器，用于对其中一路第一光信号进行延时；
光电探测器，用于接收合成光信号，将其光电转换为合成毫米波电信号后发送到无线终端。
6.一种权利要求1所述系统的调制方法，其特征在于，该方法中，在中心站向无线终端发送下行基带信号时，包括步骤：
中心站使用下行基带信号上变频后的第一毫米波电信号，以相位调制方式调制原始光信号得到第一光信号，并将其发送到基站；
基站接收中心站发送的第一光信号，将其延时后与未延时的第一光信号合成为合成光信号，将合成光信号光电转换为合成毫米波电信号，并将其发送到无线终端；
无线终端接收基站发送的合成毫米波电信号，并对其解调及下变频得到下行基带信号；
在无线终端向中心站发送上行基带信号时，包括步骤：
无线终端将上行基带信号上变频后的第二毫米波电信号发送到基站；
基站接收无线终端发送的第二毫米波电信号，及中心站在传输下行基带信号步骤发送的第一光信号，使用第二毫米波电信号以强度调制方式调制第一光信号，调制后得到第二光信号并将其发送到中心站；
中心站接收基站发送的第二光信号并将其光电转换为第二毫米波电信号，将第二毫米波电信号解调并下变频得到上行基带信号。
7.根据权利要求6所述的调制方法，其特征在于，中心站使用下行基带信号以BPSK调制方式调制毫米波发生器产生的原始毫米波电信号，实现下行基带信号上变频，无线终端以BPSK调制方式将上行基带信号上变频得到第二毫米波电信号。
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