CN101521962B - 单边带高频光毫米波产生及波长再利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种属于光纤无线通信(Radio-over-Fiber，缩写为ROF)系统技术领域中的采用一个带宽较窄的强度调制器和一个频率较低的射频信号生成高频单边带毫米波信号的方法。充分利用了双边带调制较高的可靠性和成本低特性和单边带调制信号能较好的抗光纤色散的性能。在中心站利用多倍双频技术产生高频的毫米波，降低了中心站对器件带宽的要求，使得中心站的配置很简单，易于实现，降低了中心站造价。在基站利用滤波器得到单边带信号，而得到的单边带信号带宽是传统单边带信号带宽的2倍。从而既避免了直接使用单边带调制时在中心载波处较高的直流分量，又减小了光纤色散对信号的影响。同时，本发明从下行链路中滤出ROF毫米波中心载波，用于上行链路波长再利用，简化了基站。

Description

单边带高频光毫米波产生及波长再利用系统

(一)技术领域

本发明属于光纤无线通信(Radio-over-Fiber，缩写为ROF)系统技术领域，此系统可以产生高频率、抗色散效应较强的单边带毫米波信号，并在基站进行波长重利用。

(二)背景技术

随着通信技术的发展，无线通信已由以语音为主的窄带业务向话音、视频、数据等多媒体宽带业务方向发展。此外，随着新无线用户的不断增加，现有的可利用无线频谱资源已接近极限。另一方面，大量的已铺设光纤光缆并未得到充分的利用，目前已使用的带宽不到光纤带宽的千分之一，这就造成了严重的带宽资源闲置。因此，如何充分利用这些廉价的闲置资源，解决无线通信的频带紧张问题，成为加快全球通信技术发展的关键问题。

为了解决这一问题，人们提出了宽带ROF技术。ROF技术通过光纤传输高频射频信号，特别是毫米波段信号，近几年来受到世界各国的高度重视。ROF系统具备大容量、低成本、低功耗、易于安装与维护等多种优势，可以满足未来移动通信的宽带业务要求。特别重要的是，ROF技术可以将无线接入的灵活性与光纤提供的大容量、低成本优势有机结合在一起，无疑将在未来宽带无线接入技术中扮演重要的角色。

典型的ROF系统包括中心站(Central Station，CS)，光纤网以及功能简单的基站(Base Station，BS)。在中心站主要进行多路交换，频率上变频(up-conversion)和执行频率管理。在下行链路，在中心站中基带信号由光毫米波承载并由光纤传输至基站，在基站进行简单的光电变换后，经过天线以无线的方式发送至移动终端。在上行链路，在基站中基带数据进行调制后加载到光载波上，经过光纤传送至中心站。基站在ROF通信系统中起到一个“承上启下”的作用，一方面把下路的信号经过处理发射给移动终端，一方面把移动终端的信号调制到光载波上传到中心站处理。由于射频波的自由空间衰减每个基站可以覆盖的区域比较小，因此基站需大量设置，人们对基站的关注点在于实现必要性能的同时，尽量简化基站的模块，降低其功耗和成本。因此，无源基站的设计就显得尤其重要。

构建简单的基站(BS)和高性价比光毫米波，是将ROF系统商业化的两个关键技术。如果下行链路的载波在上行链路能够得到再利用，这样在基站中就可以省去激光光源，节约成本。目前基于外部强度调制器的光毫米波产生方案具有较高的可靠性和成本低的特性，基于外部调制器的三种调制方案分别为：双边带调制(Doubleside-band，DSB)，单边带调制(Single side band，SSB)，及光载波抑制调制(Optical carrier suppression，OCS)。由于色散的影响，传输距离受限，而SSB优于DSB，因为它能更好的抵抗由光纤色散而造成的脉冲展宽；而如果采用OCS，在基站就不能进行中心载波的重用。但是，目前已提出的单边带调制，产生的信号在中心载波处的直流分量成分很大，单边带信号的接收机灵敏度比双边带信号低；而且单边带调制的信号带宽只有双边带和载波抑制调制信号带宽的一半。

为了解决上述问题，我们提出了一种新方案，仅使用一个带宽较窄的单臂外部调制器，产生双边带信号但只取用单边带，这样就既克服了光纤色散，在中心载波处也没有较大的直流分量。而且该系统能产生高频毫米波，使得提取的单边带信号带宽是传统单边带信号带宽的两倍，也解决了单边带信号带宽较窄的问题。同时，在基站还可以载波重利用。

(三)发明内容

本发明针对上述情况，用一种新颖的ROF体系结构，通过调整外部调制器上的DC偏置，利用低频的射频信号和一个低带宽的调制器生成高频光毫米波信号，大大减小了射频信号源的频率以及光调制器的带宽。在基站，仅用光滤波器提取单边带信号，可以减小光纤色散影响；且同样可以提取出载波进行上行链路重利用。这样，不仅抵抗了光纤色散、抑制了中心载波处的直流分量，还提高了信号带宽，又能简化基站。从而使得系统结构简单，降低系统的造价。

为了达到上述目的，本发明所采用的具体方案如下：

在中心站，基带信号先与本地振荡混频，经放大后驱动单臂调制器，调制光载波，产生抑制了奇数边带的双边带信号，由于高阶边带能量很小，因此只考虑二阶边带和中心载波。经光纤传输到基站，信号分成两路：一路用光滤波器滤出中心载波和一个边带(即一个二阶边带)，进行光电检测后得到电的毫米波，经放大，可直接用天线发射；另一路同样可以通过光滤波器得到中心载波，用作上行链路的光源，进行载波重用。

所述的中心站，生成高频毫米波信号的方案，其特征在于包括以下过程：

使用连续波激光器产生光载波；

下行链路基带数据与本地振荡混频，放大后，驱动强度调制器；

光载波信号进入强度调制器产生抑制奇数边带的双边带(DSB)调制信号。

与已提出的一些双边带调制方案相比，我们用一个带宽较窄的单臂强度调制器，通过设置其直流偏置电压，用频率较低的本地射频信号，生成了抑制两个一阶边带的双边带信号，即生成信号的边带与中心载波间的带宽是2倍的本地振荡频率。这样用同样频率的本地振荡，生成的单边带信号带宽与传统的双边带信号带宽一样，降低对中心站器件以及本地振频的要求，简化了中心站，降低了成本，提高了系统的可行性。

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。

所述的基站包括：

光功率分支器，将传至基站的光信号平分为两路；两个光滤波器，用来滤出想要的光频率成分；掺铒光纤放大器(EDFA)，将光信号进行放大；一个光/电转换器，将光信号转换成电信号；一个电放大器，将转换后的电信号进行放大；天线，用来收、发无线信号；一个自混频器，将天线接收到的上行链路信号进行自混频，从而下变频；一个强度调制器，将下变频后的上行链路数据调制到光载波上。

本发明还提供了一种产生高频毫米波并进行载波重用的系统，所述的系统分中心站和基站两部分。

中心站生成高频毫米波的模块包括：

一个激光器，用于产生连续光；射频信号源，用于产生射频正弦波信号；混频器，用于将基带信号和射频信号混频，进行上变频；电放大器，将上变频后的电信号放大；强度调制器，用于将上变频的信号调制到光载波上。

中心站生成高频毫米波的模块器特征在于包括以下工作过程：

由激光器产生的单纵模光载波信号，进入调制器受到调制。基带信号与一个本地振荡信号混频，实现上变频。上变频后的电信号经电放大器放大后，输入到调制器中。通过适当选择强度调制器的DC偏置，可抑制已调信号中的奇边带，得到的已调信号一阶边带被抑制，两个二阶边带间的频率间隔为射频信号的四倍频，得到高频的毫米波信号，然后进入下行链路的光纤链路传输至基站。

基站模块包括：光功率分支器、两个光滤波器、掺铒光纤放大器、光/电转换器、电放大器、收发天线、强度调制器、自混频器。

本发明所述的结构简单的基站，其工作过程如下：

接收到的毫米波信号先由光功率分支器分成两路，一路信号经光滤波器1，得到中心载波和一个二阶边带，即相当于单边带信号，这样就减小了光纤色散的影响。滤出的单边带信号经掺铒光纤放大器放大后，送到光/电检测器中，光毫米波信号转变成电毫米波信号。将电信号经电放大器进一步放大后，由天线发射出去。另一路光信号，经光滤波器2，滤出中心载波，作为上行链路光载波输入到强度调制器中，进行重利用。从天线接收到的上行链路数据，先经过自混频器，进行下变频，然后输入强度调制器。在强度调制器中，将上行链路数据调制到滤出的光载波上，然后进入上行链路的光纤链路传输至中心站。

本发明用单臂的强度调制器和较低频的本振信号，生成了高频的毫米波信号，使得单边带信号带宽达到传统的双边带信号带宽，还避免了中心载波处直流分量较大的问题，同时在基站通过滤波器，取出单边带信号，减小了光纤色散的影响，还能利用中心载波进行波长重用。不仅简化了中心站，同样简化了基站配备，降低了整个系统的成本。

(四)附图说明

图1为本发明的下行链路中心站的示意图；

图2为本发明的下行链路基站示意图；

图3为本发明的上行链路示意图；

图4为本发明生成高频单边带光毫米波信号及波长再利用的系统示意图；

图5为本发明用户移动终端接收机示意图。

图中：

1-连续波光源

2-下行链路强度调制器

22-上行链路强度调制器

3-射频信号源

4-下行链路中心站混频器

44-上行链路基站自混频器

444-用户移动终端自混频器

5-数据基带信号

6-中心站电放大器

7-下行链路光纤

77-上行链路光纤

8-光功率分支器

9-光滤波器1

99-光滤波器2

10-掺铒光纤放大器

11-光/电转换器

12-基站收发天线

13-上行链路接收机

14-中心站

15-基站

16-用户终端收发天线

(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，高频毫米波产生模块14的各部件分别说明如下：

激光器1，用于产生指定波长的单纵模光信号，可以为DFB-LD；单臂光强度调制器2，用于产生抑制奇数边带的双边带调制信号，可以为铌酸锂(LiNbO₃)调制器。本实施例子调制器2的驱动信号是：下行链路基带数据5与频率为f的本地振荡信号3在混频器4处进行混频，实现上变频，然后再经电放大器6放大后，输入到调制器2，驱动调制器，产生抑制奇数边带的双边带信号。由于抑制了奇数边带，信号带宽也增倍了。产生的高频毫米波随后传输到光纤7中。

由图2所示，基站15的各部件说明如下：

从光纤7中传送过来的高频毫米波信号，先由光功率分支器8分成相同的两路，一路信号先经光滤波器9进行滤波，得到光载波和一个二阶边带，即相当于得到了一个单边带信号，这样就减小了光纤色散影响，能有效得增加传输距离。本实施例子采用了带宽为2f的带通滤波器，可滤波得到间隔为2f的中心载波和一个二阶边带，滤波后的单边带信号先由掺铒光纤放大器10进行放大，然后再由光/电转换器11，将光毫米波信号转变成电毫米波信号，电信号经电放大器66放大后，直接由天线12发送出去。而经光功率分支器8分离得到的另一路信号，则先由光滤波器99滤波，滤出中心载波，可用于上行链路载波重用。

由图3所示，上行链路各部件说明如下：

由光滤波器99提取出的中心载波，作为上行链路的光载波输入到上行链路强度调制器22中，而从基站天线12接收到用户终端传送过来的上行链路数据信息，先经自混频器44进行下变频，然后再送入强度调制器22，进行调制。调制后的信号传输到光纤77中，传至中心站，在中心站经上行链路接收机13对上行链路数据进行解调。

图4为本发明的系统结构图，由高频毫米波产生模块14产生的信号经光纤7传送到基站15，基站把信号分成两部分，再分别对信号进行滤波，一部分得到用于上行链路波长重利用，一部分滤得单边带信号，用于光电检测，得到电毫米波，由天线发射出去。而从天线接收到的上行链路数据，经下变频经强度调制器，调制到用于波长重用的光载波上，经光纤77传输到中心站14进行接收、检测。

图5为本发明的用户移动终端接收机示意图，移动用户通过其接收天线16接收由发送天线12发送的无线信号，并通过混频器444进行自混频后将无线数据信号进行解调。

本方法适合于频率为1～40GHZ以及其它频率的WDM光纤传输无线信号系统。

本发明中，利用了双边带调制原理较高的可靠性和低成本特性，同时又充分利用了单边带调制信号能较好的抗光纤色散的性能。采用多倍双频技术，仅用一个单臂的强度调制器，通过适当地选择调制器上的DC偏置，有效地抑制了已调信号中的奇边带，从而使得已调信号的一阶边带(即二阶边带)与中心载波间的间隔为射频信号2倍频，即得到的单边带信号带宽是传统单边带调制信号带宽的2倍，得到了高频毫米波信号。这样，不仅降低了中心站对器件带宽的要求，降低了中心站造价，使得中心站的配置简单，易于实现。得到的高频毫米波信号，充分了利用了已有的光纤带宽，还有效地减小了信号传输中的干扰，提高了系统的传输性能。本发明采用光滤波原理，在基站只提取单边带信号，从而减小了光纤色散对信号的影响；同时又能提取出中心载波用于上行链路波长再利用。这样，不仅提高了信号的传输性能，还简化了基站，进一步降低了系统的成本。

总之，本发明的优点是能用较低的成本，生成高频单边带毫米波信号，并且能进行波长重利用，使得整个ROF系统结构简单。

Claims (2)

1.一种产生高频毫米波并进行载波重用的系统，所述系统包括中心站和基站：

中心站生成高频毫米波的模块包括：

一个激光器，用于产生连续光作为光载波；

射频信号源，用于产生射频正弦波信号；

混频器，用于将基带信号和射频信号源产生的信号进行混频，进行信号上变频；

电放大器，用于将混频器产生的上变频后的电信号放大；

强度调制器，用于将电放大器放大的电信号调制到激光器产生的光波上，通过适当选择强度调制器的DC偏置，抑制已调信号的奇数阶边带，生成高频毫米波信号，所述高频毫米波信号的两个二阶边带间频率间隔为射频信号的四倍频，得到的高频毫米波信号送入下行光纤链路并传输至基站；

忽略能量很小的偶数次高阶边带，基站接收包含中心载波和二阶边带的光毫米波信号，包括：

光功率分支器，用于将接收的光毫米波信号分成两路；

第一光滤波器，用于接收光功率分支器产生的第一路信号，滤除一个二阶边带，得到中心载波和另一个二阶边带，即相当于单边带信号，这样就减小了光纤色散的影响；

第二光滤波器，用于接收光功率分支器产生的第二路信号，滤出中心载波，作为上行链路光载波输入到强度调制器中，进行重利用；

掺铒光纤放大器，用于放大第一光滤波器产生的单边带信号；

光/电转换器，用于将经过掺铒光纤放大器产生的光毫米波信号转变成电毫米波信号；

电放大器，用于放大光/电转换器产生的电毫米波信号；

收发天线，用于将电放大器后的电毫米波信号经天线发射出去，并接收上行链路数据信号；

自混频器，用于将从天线接收到的上行链路数据下变频；

强度调制器，用于将上行链路数据调制到第二光滤波器滤出的光载波上，然后送入上行链路的光纤链路传输至中心站。

2.一种产生高频毫米波并进行载波重用的方法，该方法应用于包括中心站和基站的系统；

中心站生成高频毫米波的模块包括：激光器、射频信号源、混频器、电放大器和强度调制器，其中，

激光器产生连续光作为光载波；

射频信号源产生射频正弦波信号；

混频器将基带信号和射频信号源产生的信号进行混频，进行信号上变频；

电放大器将混频器产生的上变频后的电信号放大；

强度调制器将电放大器放大的电信号调制到激光器产生的光载波上，通过适当选择强度调制器的DC偏置，抑制已调信号的奇数阶边带，生成两个二阶边带间频率间隔为射频信号四倍频的高频毫米波信号，得到的高频毫米波信号进入下行光纤链路并传输至基站；

忽略能量很小的偶数次高阶边带，基站接收包含中心载波和二阶边带的光毫米波信号，包括光功率分支器、两个光滤波器、掺铒光纤放大器、光/电转换器、电放大器、收发天线、强度调制器、自混频器，其中，

光功率分支器将接收的光毫米波信号分成两路；

第一光滤波器接收光功率分支器产生的第一路信号，滤除一个二阶边带，得到中心载波和另一个二阶边带，即相当于单边带信号，这样就减小了光纤色散的影响；

第二光滤波器接收光功率分支器产生的第二路信号，滤出中心载波，作为上行链路光载波输入到强度调制器中，进行重利用；

掺铒光纤放大器，将第一光滤波器产生的单边带信号放大；

光/电转换器，将经过掺铒光纤放大器产生的光毫米波信号转变成电毫米波信号；

电放大器，将光/电转换器产生的电毫米波信号放大；

收发天线，将电放大器后的电毫米波信号经天线发射出去，并接收上行链路数据信号；

自混频器，将从天线接收到的上行链路数据下变频；

强度调制器，将上行链路数据调制到第二光滤波器滤出的光载波上，然后送入上行链路的光纤链路传输至中心站。

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