CN101674136B - OFDM调制方式的光学倍频毫米波RoF信号生成系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种OFDM调制方式的光学倍频毫米波RoF信号生成系统及方法。本系统包括中心站和基站，中心站由激光器、双电极Mach-Zehnder光调制器、余弦微波信号源、π移相器、光强度调制器IM、OFDM信号源、偏压控制器和EDFA光纤放大器构成。基站由光探测器、前置低噪声放大器、带通滤波器、毫米波放大器和毫米波发射天线构成。本方法利用光学倍频法产生毫米波信号，不仅从光波产生毫米波，同时又把OFDM信号调制到毫米波上，在基站上产生调制在各次谐波上下边频上的OFDM信号。本发明的系统结构简单、性能稳定，易于实现。

Description

OFDM调制方式的光学倍频毫米波RoF信号生成系统及方法

技术领域

本发明涉及一种光纤通信的光信号生成系统及方法，特别是一种OFDM调制方式的光学倍频毫米波RoF信号生成系统及方法。

技术背景

第四代移动通信系统(4G或后3G)将是通信产业发展的一个里程碑，它不仅能够提供高质量、大带宽的服务质量，而且还能实现无处不在的实时多媒体业务服务。正交频分复用OFDM是一种多载波数字调制技术，OFDM技术以其抗干扰能力强、频谱利用率高、传输容量大等特点被公认为4G的核心技术。毫米波RoF作为无线信号在光纤媒介中的传输技术也被认为是4G网络的组网技术之一，因此，OFDM和RoF技术都是4G研究的热点。对于如何在单模光纤上上传输具有严格正交关系的OFDM信号，将OFDM技术和ROF技术相结合，还是近几年来随着4G通信技术的发展而形成的研究方向。现有的在毫米波RoF信号生成系统中采用OFDM调制方式的研究还比较少，利用光学倍频法产生毫米波信号也还是一个比较新的概念，所以需要发明一种OFDM调制方式的光学倍频毫米波RoF信号生成系统，它不仅从光波产生毫米波，同时又把OFDM信号调制到毫米波上。

发明内容

本发明的目的在于提供一种OFDM调制方式的光学倍频毫米波RoF信号生成系统及方法，它不仅在基站产生了中心站调制上去的扫描微波的各次谐波，需要的高次谐波可以作为纯净的毫米波本振信号对上行链路接收到的毫米波信号进行下变频，同时获得了调制在各次谐波上下边频上的OFDM信号。系统结构简单，性能稳定；方法易于实现，成本低廉，适用于实用产品的开发和应用推广。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种OFDM调制方式的光学倍频毫米波RoF信号生成系统，包括中心站、基站和下行链路光纤，中心站和基站通过下行链路光纤互连，其特征在于：

所述中心站的结构如下：一个激光器通过保偏尾纤与一个双电极Mach-Zehnder光调制器的输入端相连接，在双电极Mach-Zehnder光调制器的一条臂上的RF电极输入由余弦微波信号源输出的余弦微波信号，偏压电极加上适当电压；另一条臂上的RF电极输入由余弦微波信号源产生再经π移相器移相的负余弦微波信号，偏压电极接地。所述双电极Mach-Zehnder光调制器的输出端再通过保偏尾纤与一个光强度调制器IM的光输入端相连，OFDM信号源加到光强度调制器IM的RF电极，偏压控制器加到光强度调制器IM的偏压电极。所述光强度调制器IM的输出端与一个EDFA光纤放大器的输入端相连接，该EDFA光纤放大器的输出端通过下行链路光纤连接到所述基站的光探测器的光输入端。

所述基站的结构如下：光探测器的电输出端与一个前置低噪声放大器的输入端相连，所述前置低噪声放大器的输出端与一个带通滤波器的输入端相连，所述带通滤波器的输出端与一个毫米波功率放大器的输入端连接，所述毫米波功率放大器的输出端再与一个毫米波发射天线相连。

以下说明本发明的OFDM调制方式的光学倍频毫米波生成方法的原理：

如附图1所示，在中心站(1)中，激光器(1-1)通过保偏尾纤与一个双电极Mach-Zehnder光调制器(1-2)的输入端相连，双电极Mach-Zehnder光调制器(1-2)的输出端再通过保偏尾纤与一个光强度调制器IM(1-6)的光输入端相连，这样可以克服光偏振方向变化对调制器的影响。在双电极Mach-Zehnder调制器(1-2)的一条臂上的RF电极加上由余弦微波信号源(1-3)输出的余弦微波信号，在另一条臂上的RF电极加上由余弦微波信号源(1-3)产生并经π移相器(1-4)移相的负余弦微波信号，控制余弦微波信号源(1-3)的输出幅度以获得最佳的调相指数，这样对光波进行大指数调相之后，在基站(2)的光探测器(2-1)的电输出端就含有两同频反相微波的高次谐波。在双电极Mach-Zehnder光调制器(1-2)加余弦微波信号的那条臂上的偏压电极加上适当电压(1-5)，并可微调，在双电极Mach-Zehnder光调制器(1-2)加负余弦微波信号的那条臂上的偏压电极接地，这是为了补偿支路时延差异所引起的初始电场相位差。OFDM信号源(1-7)加到光强度调制器IM(1-6)的RF电极，偏压控制器(1-8)加到光强度调制器IM(1-6)的偏压电极，来补偿外界环境造成的光强度调制器IM(1-6)线性工作点的变化。光强度调制器IM(1-6)的输出端与一个EDFA光纤放大器(1-9)的输入端相连接。

谐波产生过程的数学模型如下：

假设双电极Mach-Zehnder光调制器两臂时延差τ＝0，两5GHz信号相位差π，ω_c、ω_s分别为光载波和5GHz微波信号的角频率。则双电极Mach-Zehnder光调制器输出光波电场为：

E₁(t)＝E_cexp[jω_ct+jβcosω_st+jφ十jΦ_PN(t)]

     +E_cexp[jω_ct+jβcos(ω_st+π)+jΦ_PN(t)]

其中，E_c为光波电场振幅，ω_c为光波中心角频率，β为调相指数，β＝πV_M/V_π，V_M是微波信号振幅，V_π为调相器半波电压，ω_s是微波信号角频率，φ为偏压电极上产生的附加相位，Φ_PN(t)是激光器的随机相位噪声。再经过光强度调制器IM调制，此时光波电场为

$E_2\left(t\right)=\sqrt{1+\mathrm{km}\left(t\right)}{E}_c\left\{\exp \right[j{\mathrm{\ω}}_{c}t+\mathrm{j\β}\cos {\mathrm{\ω}}_{s}t+\mathrm{j\φ}+j{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{PN}}\left(t\right)]$

$+\exp [j{\mathrm{\ω}}_{c}t-\mathrm{j\β}\cos {\mathrm{\ω}}_{s}t+j{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{PN}}\left(t\right)]\}$

式中，k为调制指数，m(t)为调制信号，可以是数字基带信号，也可以是已被基带信息调制的微波信号，以实现副载波复用，这里则是我们需要的OFDM信号。

强度调制后，经EDFA放大用光纤传输至基站，在基站光探测器PD产生光电流为

$i_d\left(t\right)=\frac{1}{2}{\mathrm{RE}}_2\left(t\right)E_2^{*}\left(t\right)=[1+\mathrm{km}\left(t\right)]{\mathrm{RE}}_c^2[1+\cos (2\mathrm{\β}\cos {\mathrm{\ω}}_{s}t+\mathrm{\φ})]$

$=[1+\mathrm{km}\left(t\right)]{\mathrm{RE}}_c^2[1+\cos \left(2\mathrm{\β}\cos {\mathrm{\ω}}_{s}t\right)\cos \mathrm{\φ}-\sin \left(2\mathrm{\β}\cos {\mathrm{\ω}}_{s}t\right)\sin \mathrm{\φ})]$

这里R是由波阻抗、光探测器响应度、光纤损耗、光纤折射率、光纤有效截面积决定的比例系数。将上式作贝塞尔函数展开得到

$i_d\left(t\right)={{\mathrm{RE}}_c}^2[1+\mathrm{km}\left(t\right)]\{1+\cos \mathrm{\φ}[J_0\left(2\mathrm{\β}\right)+2\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^n{J}_{2n}\left(2\mathrm{\β}\right)\cos \left(2n{\mathrm{\ω}}_{s}t\right)]$

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

可见光电流里激光器相位噪声已被抵消，由于双电极Mach-Zehnder光调制器两臂时延差已忽略，所以偏压电极接地使sinφ＝0，则光电流里只包含微波信号f_s的偶次谐波，没有奇次谐波。用带通滤波器取出2n次谐波项F_2n如下：

F_2n＝2RE_c ²[1+km(t)](-1)ⁿJ_2n(2β)cos(2nω_st)

所得到的毫米波已经被信号m(t)调制，根据贝塞尔函数设置调相指数β使2n次谐波幅度最大并在接收放大器后连接特定中心频率的窄带带通滤波器，即可获得最大的所需频率的谐波输出。例如要获得40GHz的毫米波，当f_s＝5GHz时，则选n＝4，β＝4.8，J_2n(9.6)＝0.3244(最大值)。

OFDM信号数学模型如下，可以用复数形式表示为：

$S_{\mathrm{OFDM}}\left(t\right)=\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}[d_{I_m}\left(t\right)\cos \left({\mathrm{\ω}}_{m}t\right)+d_{Q_m}\left(t\right)\sin \left({\mathrm{\ω}}_{m}t\right)]$

式中ω_m＝ω₀+mΔω为第m个子载波角频率，

和

为第m个子载波上的同相和正交分量信号。他们在一个符号期间Ts上为常数，则有

从光电流中提取出的毫米波信号(第n次谐波)可简化为以下形式：

F_n＝A[1+km(t)]cos(nω_st)

其中A是相应的第n次谐波幅度，k是调制指数，m(t)是调制信号，ω_s是扫频角频率。这里 $m\left(t\right)=S_{\mathrm{OFDM}}\left(t\right)=\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{d}_m\exp \left[j{\mathrm{\ω}}_{m}t\right],$ 代入上式得到：

$F_n=A\{1+k\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}[d_{I_m}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{m}t\right)+d_{Q_m}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{m}t\right)\left]\right\}\cos n{\mathrm{\ω}}_{s}t$

$=A\{\cos n{\mathrm{\ω}}_{s}t+\frac{1}{2}k\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\{d_{I_m}[\cos (n{\mathrm{\ω}}_s+{\mathrm{\ω}}_m)t+\cos (n{\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_m)t]$

$+d_{Q_m}[\sin (n{\mathrm{\ω}}_s+{\mathrm{\ω}}_m)t-\sin (n{\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_m)t]\}$

$=A\cos n{\mathrm{\ω}}_{s}t+\frac{1}{2}\mathrm{Ak}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}[d_{I_m}\cos (n{\mathrm{\ω}}_s+{\mathrm{\ω}}_m)t+d_{Q_m}\sin (n{\mathrm{\ω}}_s+{\mathrm{\ω}}_m)t]$

$+\frac{1}{2}\mathrm{Ak}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}[d_{I_m}\cos (n{\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_m)t-d_{Q_m}\sin (n{\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_m)t]$

$=A\cos n{\mathrm{\ω}}_{s}t+\frac{1}{2}\mathrm{Ak}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}[d_{I_m}\cos (n{\mathrm{\ω}}_s+{\mathrm{\ω}}_0+\mathrm{m\Δ\ω})t+d_{Q_m}\sin (n{\mathrm{\ω}}_s+{\mathrm{\ω}}_0+\mathrm{m\Δ\ω})t]$

$+\frac{1}{2}\mathrm{Ak}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}[d_{I_m}\cos (n{\mathrm{\ω}}_s-({\mathrm{\ω}}_0+\mathrm{m\Δ\ω}))t-d_{Q_m}\sin (n{\mathrm{\ω}}_s-({\mathrm{\ω}}_0+\mathrm{m\Δ\ω}))t]$

这样除了得到纯净的毫米波载波，还会得到与其相差OFDM频率间隔的AM调制的毫米波信号。可以取其中一个边带信号作为毫米波信号从天线发射出去，而纯净的毫米波载波可以作为毫米波本振对上行链路接收到的毫米波信号进行下变频。这就是OFDM调制方式的光学倍频毫米波RoF信号生成系统及方法的基本设想和原理。

本发明与现有技术相比较，具有以下突出特点和显著优点：

(1)采用了OFDM调制方式，用一个802.11g无线AP就可以产生OFDM信号，使RoF光纤链路、毫米波空间链路与802.11g无线局域网形成自然的级联，实用性强。

(2)不但同时完成了下行已调信号和上行本振信号的生成，而且产生了多个扫描微波的谐波通道，为系统的进一步扩容打下了基础。

(3)激光器的相位噪声在双电极光调制器中抵消，使生成的毫米波频谱纯净。

(4)本发明结构简单、成本低廉，能在毫米波RoF信号生成系统中实现实用化的OFDM调制。

附图说明

图1：本发明的OFDM调制方式的光学倍频毫米波RoF信号生成系统结构框图。

图2：OFDM调制的毫米波信号频谱图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施范例结合附图说明如下：

参见图1，本OFDM调制方式的光学倍频毫米波RoF信号生成系统包括中心站1、基站2和下行链路光纤3，中心站1和基站2通过下行链路光纤3连接，其特征在于：所述的中心站1的结构：激光器1-1通过保偏尾纤与一个双电极Mach-Zehnder光调制器1-2的输入端相连，在双电极Mach-Zehnder调制器1-2的一条臂上的RF电极加上由余弦微波信号源1-3输出的余弦微波信号，在另一条臂上的RF电极加上由余弦微波信号源1-3产生并经π移相器1-4移相的负余弦微波信号，在双电极Mach-Zehnder光调制器1-2加余弦微波信号的那条臂上的偏压电极加上适当的电压1-5，在双电极Mach-Zehnder光调制器1-2加负余弦微波信号的那条臂上的偏压电极接地。双电极Mach-Zehnder光调制器1-2的输出端再通过保偏尾纤与一个光强度调制器IM1-6的光输入端相连，OFDM信号源1-7加到光强度调制器IM1-6的RF电极，偏压控制器1-8加到光强度调制器IM1-6的偏压电极。光强度调制器IM1-6的输出端与一个EDFA光纤放大器1-9的输入端相连接；所述的基站2的结构：所述光探测器2-1的电输出端与一个前置低噪声放大器2-2的输入端相连，所述前置低噪声放大器2-2的输出端与一个带通滤波器2-3的输入端相连，所述带通滤波器2-3的输出端与一个毫米波功率放大器2-4的输入端连接，所述毫米波功率放大器2-4的输出端与一个毫米波发射天线2-5相连。

本OFDM调制方式的光学倍频毫米波的生成方法是采用图1所示构造的毫米波RoF信号生成系统进行操作，在中心站1，激光器1-1输出的激光通过保偏尾纤连接到一个双电极Mach-Zehnder光调制器1-2；同样，双电极Mach-Zehnder光调制器1-2再通过保偏尾纤连接到一个光强度调制器IM1-6，这样可以克服光偏振方向变化对调制器的影响，在双电极Mach-Zehnder光调制器1-2的一个偏压电极加恰当的直流偏压，并可微调；在光强度调制器IM1-6的偏压电极上连接偏压控制器1-8使OFDM信号一直工作在光强度调制器IM1-6的线性工作区；控制余弦微波信号源1-3的输出幅度以获得最佳调相指数；这样对光波进行大指数调相之后，在基站2的光探测器2-1的电输出中就含有两同频反相微波的高次谐波的边频分量，并携带着基带数据信息；通过有效的滤波和放大，就获得可供天线发射的OFDM调制的毫米波信号。

具体实例如下：

系统参数取为：激光器工作在1550nm波长，谱宽为10MHz，功率为120mW。基带数据速率为100Mbit/s，扫描微波信号频率为6GHz，取其第10次谐波，故毫米波带通滤波器的中心频率为57.6GHz，带宽为200MHz。取双电极Mach-Zehnder光调制器的半波电压为V_π＝3V，扫描微波振幅为V＝5.5V，由此算得调相指数为β＝πV/V_π＝5.76，可使第10次谐波最大。OFDM信号频率为2.4GHz，光强度调制器IM的半波电压为V_π＝5V，OFDM信号Vpp_max＝400mV，直流偏置为2.5V，得调幅指数为α＝πV/V_π＝0.13，软件仿真结果参见图2。

Claims (2)

1.一种采用OFDM调制方式的光学倍频毫米波RoF信号生成系统，系统包括中心站(1)、基站(2)和下行链路光纤(3)，中心站(1)和基站(2)通过下行链路光纤(3)连接，其特征在于：所述的中心站(1)的结构：一个激光器(1-1)通过保偏尾纤与一个双电极Mach-Zehnder光调制器(1-2)的输入端相连，在所述双电极Mach-Zehnder调制器(1-2)的一条臂上的RF电极加上由一个余弦微波信号源(1-3)输出的余弦微波信号，在另一条臂上的RF电极加上由所述余弦微波信号源(1-3)产生并经一个π移相器(1-4)移相的负余弦微波信号，在所述双电极Mach-Zehnder光调制器(1-2)加余弦微波信号的那条臂上的偏压电极加上有效的电压(1-5)，在所述双电极Mach-Zehnder光调制器(1-2)加负余弦微波信号的那条臂上的偏压电极接地；所述双电极Mach-Zehnder光调制器(1-2)的输出端再通过保偏尾纤与一个光强度调制器IM(1-6)的光输入端相连，一个OFDM信号源(1-7)加到所述光强度调制器IM(1-6)的RF电极，一个偏压控制器(1-8)加到所述光强度调制器IM(1-6)的偏压电极；所述光强度调制器IM(1-6)的输出端与一个EDFA光纤放大器(1-9)的输入端相连接，所述EDFA光纤放大器(1-9)的输出端连接到所述基站(2)的一个光探测器(2-1)；所述的基站(2)的结构：所述光探测器(2-1)的电输出端与一个前置低噪声放大器(2-2)的输入端相连，所述前置低噪声放大器(2-2)的输出端与一个带通滤波器(2-3)的输入端相连，所述带通滤波器(2-3)的输出端与一个毫米波功率放大器(2-4)的输入端连接，所述毫米波功率放大器(2-4)的输出端与一个毫米波发射天线(2-5)相连。

2.一种OFDM调制方式的光学倍频毫米波生成方法，采用权利要求1中的OFDM调制的光学倍频毫米波RoF信号生成系统进行操作，其特征在于：在中心站(1)，激光器(1-1)输出的激光通过保偏尾纤连接到一个双电极Mach-Zehnder光调制器(1-2)；同样，双电极Mach-Zehnder光调制器(1-2)再通过保偏尾纤连接到一个光强度调制器IM(1-6)，这样可以克服光偏振方向变化对调制器的影响，在双电极Mach-Zehnder光调制器(1-2)的一个偏压电极加恰当的直流偏压，并可微调；在光强度调制器IM(1-6)的偏压电极上连接偏压控制器(1-8)使OFDM信号一直工作在光强度调制器IM(1-6)的线性工作区；控制余弦微波信号源(1-3)的输出幅度以获得最佳调相指数；这样对光波进行大指数调相之后，在基站(2)的光探测器(2-1)的电输出中就含有两同频反相微波的高次谐波的边频分量，并携带着基带数据信息；通过有效的滤波和放大，就获得可供天线发射的OFDM调制的毫米波信号。

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