CN101465695B - 基于双锯齿波扫频的光纤毫米波通信装置 - Google Patents

Abstract

基于双锯齿波扫频的光纤毫米波通信装置，涉及光纤通信领域，它的连接方式：激光器(1)输出接光分路器(2)输入，光分路器的两个输出接第一光频率调制器(31)和第二光频率调制器(32)输入，二进制比特序列生成器(4)输出端接逻辑非门(5)输入，逻辑非门输出接电分路器(6)输入，电分路器的两个输出分别接后峰锯齿波生成器(7)和前峰锯齿波生成器(8)比特输入，后峰锯齿波生成器和前峰锯齿波生成器的输出分别接第一光频率调制器和第二光频率调制器的电信号输入，第一频率调制器和第二频率调制器的输出分别接光合路器(9)的两个输入，光合路器的输出即接光电二极管(10)输入。经以上连接，实现二进制比特数据的毫米波通信。

Description

基于双锯齿波扫频的光纤毫米波通信装置

技术领域

本发明涉及光纤通信、毫米波光学生成技术领域，具体地讲是一种基于双锯齿波扫频的光纤毫米波通信装置。

背景技术

随着人们对信息的需求日益增长，目前的无线频谱资源已经无法满足人们的需求，无线通信正向更高频段的载波通信发展，而毫米波通信势必成为今后的发展方向之一。利用毫米波载波进行通信能为系统提供更大的容量，有利于缓解现今频谱资源紧缺的现状，但是随着信号频率的增大，大气和水雾对毫米波的衰减损耗很大，限制了基站的覆盖范围，密集的基站覆盖会带来基站数目的增多，更多的基站要求更多的设备与更高的成本。面对信息需求与建设成本的矛盾，光纤毫米波(ROF)技术应运而生。对于基于ROF技术的光纤毫米波系统的研究是研究的重点。目前已经提出的方法主要可以归纳成以下3类，分别是：(1)利用光学外差检波原理的光纤毫米波通信系统，优点是产生的毫米波频率可调性强，缺点是无法克服相位噪声导致毫米波线宽展宽；(2)基于谐波生成技术的光纤毫米波通信系统，优点是利用低频微波产生高频谐波，缺点是其他谐波分走了功率，且带来干扰；(3)利用外调制法的光纤毫米波系统，优点是利用外调制器产生毫米波谐波具有较强的可操作性，缺点是对外调制器的精度要求很高，成本相应提高，以上的各种系统各自有其特点和应用场合，但是都存在系统结构复杂，成本要求高昂的缺点。如何设计光纤毫米波通信系统既能有效传输毫米波信号，又具有系统结构简单，成本低廉的优势是光纤毫米波技术的重点。

发明内容

本发明是一种基于双锯齿波扫频的光纤毫米波通信装置，发明的初衷是利用现有的标准光通信器材，提供一种廉价实用方案，用来传输二进制比特序列，并将其上变频到毫米波波段，实现毫米波通信。其基本原理是首先二进制比特序列进行‘逻辑非’运算，然后驱动的前峰锯齿波和后峰锯齿波，分别对两路平行光进行扫频，当设置两路锯齿波有相反的幅度时，由光电二极管外差后，当原二进制调制比特值为0时，光场相消产生直流分量，当原二进制调制比特值为1时，光场相干叠加产生直流分量和高频毫米波频率分量，故由光电二极管输出的信号为含有调制数据的毫米波载波二进制振幅键控信号，而该调制数据可利用包络解调获得，整个过程无需强度调制器和微波信号源，而且装置仅仅由标准的光通信器材组成。

本发明的技术方案：

基于双锯齿波扫频的光纤毫米波通信装置，该装置包括：激光器、光分路器、第一光频率调制器、第二光频率调制器、二进制比特序列生成器、逻辑非门、电分路器、后峰锯齿波生成器、前峰锯齿波生成器、光合路器和光电二极管。具体连接方式为：

激光器输出端接光分路器的光输入端，光分路器的一个输出端接第一光频率调制器的光输入端，光分路器的另一个输出端接第二光频率调制器的光输入端；

二进制比特序列生成器输出端接逻辑非门输入端，逻辑非门输出端接电分路器输入端，电分路器的一个输出接后峰锯齿波生成器的二进制比特输入端，电分路器的另一个输出接前峰锯齿波生成器的二进制比特输入端；

后峰锯齿波生成器的输出接第一光频率调制器的电信号输入端；

前峰锯齿波生成器的输出接第二光频率调制器的电信号输入端；

第一光频率调制器的输出接光合路器的一个输入端，第二光频率调制器的输出接光合路器的另一个输入端；

光合路器的输出端接光电二极管的光输入端。

设置后峰锯齿波生成器生成的后峰锯齿波幅度A₁和前峰锯齿波生成器生成的前锋锯齿波幅度A₂满足A₁＝-A₂。

设置第一光频率的调制频偏Δf₁和第二光频率调制器的调制频偏Δf₂满足Δf₁＝Δf₂＝Δf。

基于双锯齿波扫频的光纤毫米波通信装置，二进制比特序列生成器生成一系列二进制比特序列，比特率Br，范围200Mbps～5Gbps，当二进制比特值为0时，由第一光频率调制器输出的光场与由第二光频率调制器输出的光场相抵消产生直流分量，当二进制比特值为1时，由第一光频率调制器输出的光场与由第二光频率调制器输出的光场相干叠加产生直流分量和高频毫米波频率分量，毫米波频率f_mm＝Δf₁＝Δf₂，范围为30GHz～300GHz，由光电二极管输出的信号为含有二进制比特数据的毫米波载波二进制振幅键控信号，然后通过相干解调得到以非归零码表示的二进制比特序列。

基于双锯齿波扫频的光纤毫米波通信装置的工作原理：

1)根据具体连接方式，由二进制比特序列生成器生成一系列二进制比特序列，经逻辑非门后驱动后峰锯齿波生成器和前峰锯齿波生成器。在一个比特周期T内，其中T＝1/Br，Br为二进制比特序列的比特率，二进制比特值为B(t)，取值为0或者1，设置第一光频率调制器和第二光频率调制器具有相同的调制频偏Δf，后峰锯齿波生成器和前峰锯齿波生成器生成的后峰锯齿波和生成的前锋锯齿波具有相反的幅度A₁＝-A₂＝1a.u.，则由第一光频率调制器输出光场E₁(t)和第二光频率调制器输出光场E₂(t)，数学表达式为：

当nT≤t≤(n+1)T，二进制比特值B(t)＝0，其中n＝0，1，2，3…时

$\left\{\begin{array}{c}{E}_1\left(t\right)=E_m\left(t\right)\×\exp [j\·2\mathrm{\π}{\∫}_{\mathrm{nT}}^t\mathrm{\Δf}\·(\frac{1}{T}(\mathrm{\τ}-\mathrm{nT})-\frac{1}{2})\mathrm{d\τ}]\\ =E_{\mathrm{in}}\left(t\right)\×\exp [j\·2\mathrm{\π}\·\mathrm{\Δf}\·(\frac{1}{2T}{t}^2-\frac{2n+1}{2}t-\frac{n^{2}T-\mathrm{nT}}{2})]\\ E_2\left(t\right)=E_{\mathrm{in}}\left(t\right)\×\exp [j\·2\mathrm{\π}{\∫}_{\mathrm{nT}}^t\mathrm{\Δf}\·(-1+\frac{1}{T}(\mathrm{\τ}-\mathrm{nT})+\frac{1}{2})\mathrm{d\τ}]\\ =E_{\mathrm{in}}\left(t\right)\×\exp [j\·2\mathrm{\π}\·\mathrm{\Δf}\·(\frac{1}{2T}{t}^2-\frac{2n+1}{2}t-\frac{n^{2}T-\mathrm{nT}}{2})]\end{array}\right.$

当mT≤t≤(m+1)T，二进制比特值B(t)＝1，其中m＝0，1，2，3…时

$\left\{\begin{array}{c}{E}_1\left(t\right)=E_{\mathrm{in}}\left(t\right)\×\exp [j\·2\mathrm{\π}{\∫}_{\mathrm{mT}}^t\mathrm{\Δf}\·(0-\frac{1}{2})\mathrm{d\τ}]\\ =E_{\mathrm{in}}\left(t\right)\×\exp (j\·\mathrm{\π}\·\mathrm{\Δf}\·\mathrm{mT}-j\·\mathrm{\π}\·\mathrm{\Δf}\·t)\\ E_2\left(t\right)=E_{\mathrm{in}}\left(t\right)\×\exp [j\·2\mathrm{\π}{\∫}_{\mathrm{mT}}^t\mathrm{\Δf}\·(0+\frac{1}{2})\mathrm{d\τ}]\\ =E_{\mathrm{in}}\left(t\right)\×\exp (-j\·\mathrm{\π}\·\mathrm{\Δf}\·\mathrm{mT}+j\·\mathrm{\π}\·\mathrm{\Δf}\·t)\end{array}\right.$

其中E_in(t)＝E_c×exp[j·2π·f_c·t+Φ(t)]为输入光电场，E_c为光电场幅度，f_c为光中心频率，Φ(t)为相位噪声。

2)当两路光经由光电二极管相干外差，输出光电流表达式为：

$i\left(t\right)\∝(1/2)E\left(t\right)E{\left(t\right)}^{*}$

$=\frac{{\left|E_1\left(t\right)\right|}^2}{2}+\frac{{\left|E_2\left(t\right)\right|}^2}{2}+\frac{E_1\left(t\right)\×E_2{\left(t\right)}^{*}+E_1{\left(t\right)}^{*}\×E_2\left(t\right)}{2}$

$=\left\{\begin{array}{cc}2{\left|E_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|}^2,& \mathrm{nT}\&le;t<(n+1)T\\ {\left|E_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|}^2+{\left|E_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|}^2\cos (j\&CenterDot;2\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;f}\&CenterDot;t-j\&CenterDot;2\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;f}\&CenterDot;\mathrm{mT}),& \mathrm{mT}\&le;t<(m+1)T\end{array}\right.$

调整系统参数使Δf·T为整数，上式可化为：

$i\left(t\right)\&Proportional;\left\{\begin{array}{cc}2{\left|E_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|}^2,& \mathrm{nT}\&le;t<(n+1)T\\ {\left|E_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|}^2+{\left|E_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|}^2\cos (j\&CenterDot;2\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;f}\&CenterDot;t),& \mathrm{mT}\&le;t<(m+1)T\end{array}\right.$

由以上推导，当二进制比特值为0时，由第一光频率调制器输出的光场与由第二光频率调制器输出的光场相抵消产生直流分量，当二进制比特值为1时，由第一光频率调制器输出的光场与由第二光频率调制器输出的光场相干叠加产生直流分量和高频毫米波频率分量，毫米波频率等于光频率调制器的调制频偏Δf。由光电二极管输出的信号为含有调制数据的毫米波载波二进制振幅键控信号，而该调制数据可利用包络解调获得，对于生成的毫米波频率可以通过调整光频率调制器的调制频偏Δf实现。

本发明的有益效果具体如下：

本发明不涉及复杂且昂贵的设备，仅仅采用标准的光通信器材，充分利用后峰锯齿波和前锋锯齿波波形上互补的特性，将二进制比特数据进行传输，接收端生成含有调制数据的毫米波载波二进制振幅键控信号，解调后进而实现二进制数据的再生，调整频率调制器的调制频偏能够改变生成毫米波频率，本发明最大的优点在于无需强度调制器和微波信号源，从而有助于简化系统结构，降低成本。

附图说明

图1基于双锯齿波扫频的光纤毫米波通信装置。

图2后峰锯齿波生成器生成的后峰锯齿波波形。

图3前峰锯齿波生成器生成的前峰锯齿波波形。

图4调节Br＝200Mbps和Δf＝30GHz时，由非归零码表示的二进制比特序列。

图5调节Br＝200Mbps和Δf＝30GHz时，光电二极管输出毫米波信号频谱。

图6调节Br＝200Mbps和Δf＝30GHz时，光电二极管输出的含有二进制比特数据的毫米波载波二进制振幅键控信号波形。

图7调节Br＝200Mbps和Δf＝30GHz时，相干解调得到的由非归零码表示的二进制比特序列。

图8调节Br＝3Gbps和Δf＝170GHz时，由非归零码表示的二进制比特序列。

图9调节Br＝3Gbps和Δf＝170GHz时，光电二极管输出毫米波信号频谱。

图10调节Br＝3Gbps和Δf＝170GHz时，光电二极管输出的含有二进制比特数据的毫米波载波二进制振幅键控信号波形。

图11调节Br＝3Gbps和Δf＝170GHz时，相干解调得到的由非归零码表示的二进制比特序列。

图12调节Br＝5Gbps和Δf＝300GHz时，由非归零码表示的二进制比特序列。

图13调节Br＝5Gbps和Δf＝300GHz时，光电二极管输出毫米波信号频谱。

图14调节Br＝5Gbps和Δf＝300GHz时，光电二极管输出的含有二进制比特数据的毫米波载波二进制振幅键控信号波形。

图15调节Br＝5Gbps和Δf＝300GHz时，相干解调得到的由非归零码表示的二进制比特序列。

图16调节Br＝700Mbps和Δf＝60GHz时，由非归零码表示的二进制比特序列。

图17调节Br＝700Mbps和Δf＝60GHz时，光电二极管输出毫米波信号频谱。

图18调节Br＝700Mbps和Δf＝60GHz时，光电二极管输出的含有二进制比特数据的毫米波载波二进制振幅键控信号波形。

图19调节Br＝700Mbps和Δf＝60GHz时，相干解调得到的由非归零码表示的二进制比特序列。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

基于双锯齿波扫频的光纤毫米波通信装置，如图1，其特征在于：该装置包括：激光器1、光分路器2、第一光频率调制器31、第二光频率调制器32、二进制比特序列生成器4、逻辑非门5、电分路器6、后峰锯齿波生成器7、前峰锯齿波生成器8、光合路器9和光电二极管10。具体连接方式为：

激光器1输出端接光分路器2的光输入端，光分路器2的一个输出端接第一光频率调制器31的光输入端，光分路器2的另一个输出端接第二光频率调制器32的光输入端；

二进制比特序列生成器4输出端接逻辑非门5输入端，逻辑非门5输出端接电分路器6输入端，电分路器6的一个输出接后峰锯齿波生成器7的二进制比特输入端，电分路器6的另一个输出接前峰锯齿波生成器8的二进制比特输入端；

后峰锯齿波生成器7的输出接第一光频率调制器31的电信号输入端；前峰锯齿波生成器8的输出接第二光频率调制器32的电信号输入端；

第一光频率调制器31的输出接光合路器9的一个输入端，第二光频率调制器32的输出接光合路器9的另一个输入端；

光合路器9的输出端接光电二极管10的光输入端。

设置后峰锯齿波生成器7生成的后峰锯齿波幅度A₁和前峰锯齿波生成器8生成的前锋锯齿波幅度A₂满足A₁＝-A₂，当有二进制比特序列驱动时，后峰锯齿波生成器7生成的后峰锯齿波如图2所示，前锋锯齿波生成器8生成的前锋锯齿波如图3所示；

设置第一光频率31的调制频偏Δf₁和第二光频率调制器32的调制频偏Δf₂满足Δf₁＝Δf₂；

基于双锯齿波扫频产生光毫米波装置的调节方法：

一、二进制比特序列生成器4生成一系列二进制比特序列，比特率Br＝200Mbps，如图4所示为用非归零码表示的二进制比特序列图，当二进制比特值为0时，由第一光频率调制器31输出的光场与由第二光频率调制器32输出的光场相抵消产生直流分量，当二进制比特值为1时，由第一光频率调制器31输出的光场与由第二光频率调制器32输出的光场相干叠加产生直流分量和高频毫米波频率分量，当设置第一光频率调制器31和第二光频率调制器32的调制频偏Δf＝30GHz时，毫米波频率f_mm＝30GHz，频谱如图5所示，由光电二极管10输出的信号为含有二进制比特数据的毫米波载波二进制振幅键控信号，如图6所示，然后通过相干解调可以得到以非归零码表示的二进制比特序列，如图7所示，从而实现了二进制比特序列的再生，完成通信过程。

二、二进制比特序列生成器4生成一系列二进制比特序列，比特率Br＝3Gbps，如图8所示为用非归零码表示的二进制比特序列图，当二进制比特值为0时，由第一光频率调制器31输出的光场与由第二光频率调制器32输出的光场相抵消产生直流分量，当二进制比特值为1时，由第一光频率调制器31输出的光场与由第二光频率调制器32输出的光场相干叠加产生直流分量和高频毫米波频率分量，当设置第一光频率调制器31和第二光频率调制器32的调制频偏Δf＝170GHz时，毫米波频率f_mm＝170GHz，频谱如图9所示，由光电二极管10输出的信号为含有二进制比特数据的毫米波载波二进制振幅键控信号，如图10所示，然后通过相干解调可以得到以非归零码表示的二进制比特序列，如图11所示，从而实现了二进制比特序列的再生，完成通信过程。

三、二进制比特序列生成器4生成一系列二进制比特序列，比特率Br＝5Gbps，如图12所示为用非归零码表示的二进制比特序列图，当二进制比特值为0时，由第一光频率调制器31输出的光场与由第二光频率调制器32输出的光场相抵消产生直流分量，当二进制比特值为1时，由第一光频率调制器31输出的光场与由第二光频率调制器32输出的光场相干叠加产生直流分量和高频毫米波频率分量，当设置第一光频率调制器31和第二光频率调制器32的调制频偏Δf＝300GHz时，毫米波频率f_mm＝300GHz，频谱如图13所示，由光电二极管10输出的信号为含有二进制比特数据的毫米波载波二进制振幅键控信号，如图14所示，然后通过相干解调可以得到以非归零码表示的二进制比特序列，如图15所示，从而实现了二进制比特序列的再生，完成通信过程。

四、二进制比特序列生成器4生成一系列二进制比特序列，比特率Br＝700Mbps，如图16所示为用非归零码表示的二进制比特序列图，当二进制比特值为0时，由第一光频率调制器31输出的光场与由第二光频率调制器32输出的光场相抵消产生直流分量，当二进制比特值为1时，由第一光频率调制器31输出的光场与由第二光频率调制器32输出的光场相干叠加产生直流分量和高频毫米波频率分量，当设置第一光频率调制器31和第二光频率调制器32的调制频偏Δf＝60GHz时，毫米波频率f_mm＝60GHz，频谱如图17所示，由光电二极管10输出的信号为含有二进制比特数据的毫米波载波二进制振幅键控信号，如图18所示，然后通过相干解调可以得到以非归零码表示的二进制比特序列，如图19所示，从而实现了二进制比特序列的再生，完成通信过程。

Claims (1)

1.基于双锯齿波扫频的光纤毫米波通信装置，其特征在于：该装置包括：激光器(1)、光分路器(2)、第一光频率调制器(31)、第二光频率调制器(32)、二进制比特序列生成器(4)、逻辑非门(5)、电分路器(6)、后峰锯齿波生成器(7)、前峰锯齿波生成器(8)、光合路器(9)和光电二极管(10)；具体连接方式为：

激光器(1)输出端接光分路器(2)的光输入端，光分路器(2)的一个输出端接第一光频率调制器(31)的光输入端，光分路器(2)的另一个输出端接第二光频率调制器(32)的光输入端；

二进制比特序列生成器(4)输出端接逻辑非门(5)输入端，逻辑非门(5)输出端接电分路器(6)输入端，电分路器(6)的一个输出接后峰锯齿波生成器(7)的二进制比特输入端，电分路器(6)的另一个输出接前峰锯齿波生成器(8)的二进制比特输入端；

后峰锯齿波生成器(7)的输出接第一光频率调制器(31)的电信号输入端；

前峰锯齿波生成器(8)的输出接第二光频率调制器(32)的电信号输入端；

第一光频率调制器(31)的输出接光合路器(9)的一个输入端，第二光频率调制器(32)的输出接光合路器(9)的另一个输入端；

光合路器(9)的输出端接光电二极管(10)的光输入端；

设置后峰锯齿波生成器(7)生成的后峰锯齿波幅度A₁和前峰锯齿波生成器(8)生成的前锋锯齿波幅度A₂满足A₁＝-A₂；

设置第一光频率调制器(31)的调制频偏Δf₁和第二光频率调制器(32)的调制频偏Δf₂满足Δf₁＝Δf₂；

二进制比特序列生成器(4)生成一系列二进制比特序列，比特率Br，范围200Mbps～5Gbps，当二进制比特值为0时，由第一光频率调制器(31)输出的光场与由第二光频率调制器(32)输出的光场相抵消产生直流分量，当二进制比特值为1时，由第一光频率调制器(31)输出的光场与由第二光频率调制器(32)输出的光场相干叠加产生直流分量和高频毫米波频率分量，毫米波频率f_mm＝Δf₁＝Δf₂，范围为30GHz～300GHz，由光电二极管(10)输出的信号为含有二进制比特数据的毫米波载波二进制振幅键控信号，然后在接收端通过相干解调得到以非归零码表示的二进制比特序列。

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