CN101742738A - 基于4倍频的基站无源全双工毫米波RoF链路实现方案 - Google Patents

基于4倍频的基站无源全双工毫米波RoF链路实现方案 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于4倍频基站无源全双工光毫米波RoF链路实现方案，主要用于Gb/s宽带毫米波通信系统中基站与中心站间无线信号的远距离传输。所述该方案如附图所示，频率为fD/4的本振驱动铌酸锂马赫-曾德调制器产生频率间隔为fD/2的光载波和两个二阶边带。利用FBG分离出一个边带，实现下行链路数据信号的单载波调制。经光纤传输到基站，由时延差等于1/fD的马赫-曾德干涉仪分离光载波和频率为fD的双频光毫米波信号。前者预留为上行链路光源；后者经光电转换产生频率为fD的毫米波信号，由天线发射给用户。上行链路毫米波信号经包络检波得到基带信号，并由低速光调制器加载到预留的光波上，经光纤传回中心站。该方案的许多优点使其具有很好的应用前景。

Description

基于4倍频的基站无源全双工毫米波RoF链路实现方案
技术领域
本发明涉及光通信和微波通信领域，特别涉及利用光通信技术远距离传输高频的微波(毫米波)信号的全双工链路通信实现。
背景技术
与有线通信相比，无线通信的灵活性和可移动性使其具有无与伦比的优势。近年来，随着无线通信业务的快速发展和广泛应用，无线接入所需的带宽迅速增加，低频的无线频谱资源越来越紧张，这驱使我们在开辟新的宽带无线业务时必须利用带宽资源丰富的高频波段。40-60GHz频段的毫米波能够提供数GHz的带宽资源，可以同时用于多个数据速率达Gbit/s的无线通信业务，在该频段发展未来的宽带无线通信具有很好的前景。但是，在电域中产生几十GHz的毫米波遇到了电子器件的速率瓶颈(40GHz)，使毫米波在电域中产生的设备成本居高不下；同时，该频段的毫米波在同轴电缆中传输时具有很大的损耗，其传输距离严重受限；另外，该频段的毫米波在大气中传输时也具有很大的衰减，蜂窝半径不到1km，小蜂窝系统有利的一方面是可以提高频谱资源的空间复用效率，不利的一方面是蜂窝基站密度变大，在相同的覆盖范围需要更多的基站，系统的成本急剧增加。
为了推动能够实现Gbit/s的毫米波通信系统走向实用化，必须降低系统的成本。基于光纤通信技术的RoF(Radio-over-Fiber)技术被许多研究者看好。该技术能够利用目前比较成熟的光通信技术产生光域的毫米波(称为光毫米波，optical millimeter-wave)信号，并利用光纤实现长距离的传输，在接收端将其转换成电域毫米波信号。该技术将毫米波信号的产生、信号处理及一些网络管理和控制等功能模块从远端天线基站集中到中心基站并实现资源共享，简化了天线基站的结构，同时降低了系统成本。如果将波分复用(WDM，Dense WavelengthDivision Multiplexing)技术应用到RoF接入网络中，可以进一步充分利用光纤巨大的带宽资源，实现大容量的无线信号远距离传输。
文献中报道的光毫米波信号产生方法有：双模激光器法、利用锁相技术的两个激光器系统、直接调制法、外调制法以及基于四波混频或受激布里渊散射等非线性效应的光学方法。光外调制技术产生光毫米波信号的方法被大家一致看好。该方法具有以下优点：(1)由于所涉及的光频成分来自同一个载波，其相关性好，产生的毫米波信号相位噪声很小；(2)光源的噪声对所产生的毫米波信号影响很小；(3)具有较高的转换效率。但是，基于线性的外调制方法产生光毫米信号的系统所需的外调制器和本振信号源的频率应不低于所产生的毫米波信号的频率，所需的光外调制器和本振信号的频率随所产生的毫米波信号的频率的增加而增加，并且高频的外调制器和本振信号源比较昂贵。非线性外调制技术能够降低这两方面的指标要求，文献中报道的光载波抑制(OCS，opticalcarrier suppression)调制技术可以将这两项指标减半，利用嵌条结构的调制器可以将这两项指标降低为原来的1/4，但是这种调制器结构复杂，且成本很高。
在全双工ROF链路的实现方面，文献中报导了许多基站包含光源的双工链路实现方案，其缺点是：基站中的光源使其成本居高不下，且对工作环境要求较高。目前已有基站无光源的全双工RoF链路实现方案的报导，但是下行链路毫米波信号的产生一般是基于线性调制的，所需的本振信号的频率较高。
本专利所发明的方法利用一个常规的铌酸锂马赫-曾德光调制器和频率为下行链路毫米波频率1/4的本振信号产生下行链路的光毫米波(并将下行链路的信号调制在其中一个光频成分上)和上行链路的光载波，同时将上行链路的光载波经过下行链路传输到基站。在基站，由马赫-曾德干涉仪将下行链路的光毫米波和上行链路的光载波分离。其中，光毫米波信号由探测器转换为电毫米波信号；上行链路的毫米波信号经包络检波得到基带信号，由一个低速光调制器调制到光波上并通过上行链路传回中心站。该方案利用低速器件实现了4倍频的光毫米波信号产生，同时实现了基站无源的全双工RoF链路，能够大大降低光毫米波信号产生设备的成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：利用常规的铌酸锂马赫-曾德调制器的非线性特性，产生下行链路4倍频光毫米波和上行链路光载波。光毫米波被下行链路信号单载波调制；上行链路的光源与下行链路光载波一起传输到基站，由马赫-曾德干涉仪分离。下行链路的光毫米波信号由光电探测器转换为电毫米波信号由天线发射给用户，同时基站天线接收到的上行链路毫米波信号由包络检波转化为基带信号，调制到预留的光波上并传回中心站。该发明降低了产生光毫米波信号所需外调制器的响应频率和射频本振信号频率，并将上行链路的光源从基站迁移到中心站，简化了基站的结构和功能，进而降低了RoF系统的成本。
本发明采用的基于4倍频的、基站无源全双工RoF链路实现方案为：
如图1所示，从激光器发出的波长为λc的光波注入到一个常规的推挽式铌酸锂马赫-曾德调制器(LN-MZM，LiNbO3Mach-Zehnder modulator)中，LN-MZM的直流偏置电压为0V，射频本振信号的频率为fD/4，输出的光波主要由光载波和两个二阶边带构成，三者之间的频率间隔为fD/2。其中两个二阶边带作为双频光毫米波，光载波预留作上行链路的光源。为了克服光纤色散的影响，利用一个中心波长等于其中一个边带波长的光纤Bragg光栅将双频光毫米波的其中一个光频成分分离，将下行链路的数据信号调制到该边带上，然后经光耦合器与另外两个光频成分合路，同时利用偏振控制器保证其偏振方向相同。下行链路的光毫米波信号与上行链路的光载波经光纤链路传输到基站。在基站，由一个两臂时延差τ＝1/fD的马赫-曾德干涉仪将光载波和频率为fD的光毫米波信号分离。光毫米波信号由高速光电探测器转化为电信号，由天线经无线信道传输的用户；光载波用于上行链路的光源。由于上行链路毫米波载波频率远大于所承载基带信号的频率，基站天线接收到的用户毫米波信号经包络检波转化为基带信号，并通过低速的光调制器加载在所预留的光波上，由上行光纤链路传回中心站。在中心站，由光电探测器转化为基带的电信号。
本发明的有益效果是：(1)由于采用了铌酸锂马赫-曾德调制器的非线性调制特性，使调制器的响应频率要求和本振信号的频率降低为原来的1/4。比如40GHz光毫米波RoF链路所需铌酸锂马赫-曾德调制器及其驱动电路的响应频率为10GHz、本振信号频率为10GHz的本振信号，本发明设备简单，具有很强的实际可操作性。(2)由于下行链路信号调制在双频光毫米波的一个频率成分上，信号在光纤中传输时光纤色散不会引起所探测到的射频光电流的幅度衰落和脉冲走离现象，大大延长了光毫米波信号的传输距离。(3)由于上行链路的光源由基站转移到了中心站，简化了基站结构和功能，降低了功耗，使基站成本大大降低。(4)上行链路光载波在下行链路光毫米波两个频率成分的中间，不需要额外的带宽资源。
附图说明
图1为本发明所公布的基于4倍频的光毫米波全双工基站无源RoF链路的原理图。其中铌酸锂马赫-曾德调制器(MZM)用于产生频率间隔为2倍于本振频率的三个纵模；光纤光栅滤波器(FBG)和光耦合器用于将其中一个边带分离，下行链路的数据信号由一个低速调制器(MOD)调制到分离的边带上；偏振控制器(PC)用于调节三个光频成分的偏振方向使之相同；光耦合器(OC)将两束光进行合路；下行链路(downlink)由标准单模光纤构成，将上行链路的光载波和下行链路光毫米波信号传送到基站。基站中的马赫-曾德干涉仪(MZI)将预留给上行链路的光载波和包含两个频率成分的下行链路光毫米波信号分离。高速的光电探测器(PD)将光毫米波信号转换成电毫米波信号，经射频放大(EA)后由天线发给用户；用户端将天线接收的毫米波信号相干解调为基带信号。上行链路的毫米波信号经无线传输后再由混频器和低通滤波器进行包络检波，将得到的基带信号由一个低速调制器(MOD)调制到所预留的光波上，并由标准单模光纤构成的上行链路(uplink)传回中心站。中心站的接收器为一个低速的光电探测器(PD)。
图2为本发明中铌酸锂马赫-曾德调制器在10GHz的本振信号调制下的输出光谱图，图1中(i)位置测得。
图3为本发明中将位于193.12THz(1552.36nm)处的边带分离并将5Gbit/s的下行链路数据调制到该载波上，合路之后光谱图，图1中(ii)位置测得。
图4为本发明中经过MZI分离之后，携带有5Gbit/s数据信号的40GHz光毫米波信号的光谱(背靠背情况)，图1中(iii)位置测得。
图5为本发明中经过MZI分离，得到的预留给上行链路的光载波光谱(背靠背情况)，图1中(iv)位置测得。
图6为本发明中下行链路光毫米波信号经过光电转换后的频谱和射频眼图(背靠背情况，即光纤长度为0)，图1中(v)位置测得。
图7为本发明中下行链路电毫米波信号在不经过无线传输情况下(有电缆直接将两天线相连)相干解调得到的基带信号眼图(背靠背情况，即光纤长度为0)，图1中(vi)位置测得。
图8为本发明中下行链路光毫米波信号经过光电转换后的射频光电流的眼图(下行链路长度为40km)，图1中(v)位置测得。
图9为本发明中下行链路电毫米波信号在不经过无线传输情况下(有电缆直接将两天线相连)相干解调得到的基带信号眼图(下行链路长度为40km)，图1中(vi)位置测得。
图10为本发明中所预留的光载波被上行链路基带信号调制后的光谱和眼图(背靠背情况，即上先行链路光纤长度均为0)，图1中(vii)位置。
图11为本发明中5Gbit/s的上行链路基带信号经过上行链路传输后的眼图(上先行链路光纤长度均为40km)，图1中(vii)位置。
具体实施方法
激光器工作波长为λ，本发明以1552.5nm(193.1THz)为例，下行链路毫米波信率fD，本发明以40GHz为例，铌酸锂马赫-曾德调制器的相应频率为10GHz，直流偏置电压均为0，射频本振的峰-峰电压为8V，产生的光谱如图2所示。经中心波长为1552.12nm、带宽为30GHz的FBG将第2边带分离，速率为5Gbit/s的二进制NRZ基带信号通过响应速率为5GHz的强度调制器加载到该边带上，经过偏振控制器调节偏振方向使之偏振平行后由光耦合器合路，光谱仪测得的光谱如图3所示。在基站，利用两臂时延差为25ps的MZI将光毫米波信号和光载波分离，从MZI两个端口输出的光毫米波信号和光载波光谱如图4所示。在没有经过光纤传输之前，一个响应频率为50GHz的光电探测器将40GHz的光毫米波信号转换成电信号，其射频频谱和眼图如图6所示。由图6的射频频谱可以看到：光电流主要由基带信号和40GHz的毫米波信号构成，后者是我们所需要的。为了验证光毫米波信号的性能，用一个40GHz的本振信号对40GHz的光电流信号进行相干解调，解调获得的基带信号眼图如图7所示。
所产生的光毫米波信号注入到标准的单模光纤，经过40km的传输并经掺铒光纤放大器(EDFA)放大到10dBm之后，其射频信号的眼图和由40GHz的光电流相干解调得到的5Gbit/s基带信号眼图如图8、图9所示。由眼图可以看到，虽然光纤色散对信号质量有一定的劣化，但是经过40km的光纤传输，眼图的开阔度仍然能够保障信号的正确检测。
在上行链路，预留的光载波(1552.5nm)被速率为5Gbit/s的上行链路基带信号(二进制NRZ)强度调制，在背靠背情况下的光谱和眼图如图10所示。5Gbit/s的上行链路基带信号经过40km的上行链路传输到中心站后的眼图如图11所示。由该眼图可以看到，眼图的开阔度仍然能够保障信号的正确检测。
综上，本发明由于利用常规的铌酸锂马赫-曾德调制器在中心站同时产生4倍频的下行链路光毫米波信号和上行链路光载波，同时实现了信号的单载波调制以降低光纤链路色散的影响，该方案不仅降低了光毫米波产生设备中光调制器和射频本振的频率要求，并且产生的光毫米波信号具有良好的长距离(～40km)传输性能，同时将基站中上行链路的光源迁移到中心站，使基站结构大大简化，并且没有额外增加下行链路带宽。该发明简单易行、所需元器件频率要求较低，使得Gbit/s的宽带毫米波全双工RoF链路的实现难度和成本大大降低。
总之，以上所述实施方案仅为本发明的一个实施例，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换，毫米波的频率范围也不限于上例的40GHz，这些等同变形和替换以及频率范围的调整也应视为为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种光无线接入网络中基站和中心站之间全双工RoF链路的实现方案，用于降低高频的射频(毫米波)信号的产生和传输实现难度，降低网络的实现成本，其特征包括：
下行链路发射端：在适当的支流偏置下，频率为fD/4的本振信号经铌酸锂马赫-增德调制器调制1.55μm波段的窄线宽激光产生包含三个主要频率成分(光载波和两个二阶边带)的光波，通过光纤光栅滤波器将其中一个二阶边带分离并将数据信号调制在其上，然后通过光耦合器与另外两个光频成分合路，同时通过偏振控制器使它们偏振方向相同。所产生的包含三个光频成分的下行链路光信号中两个二阶边带(其中一个边带承载有下行的数据信号)作为下行链路的光毫米波信号，而光载波预留为上行链路的光源，通过掺铒光纤放大器(EDFA)放大光功率。
下行传输链路：经过EDFA放大的光毫米波信号，经过标准单模光纤构建的接入网络传输到远端的基站。
下行链路接收端：由两臂间时延差等于1/fD的马赫-曾德干涉仪将光载波和两个二阶边带分离。其中，频率间隔为fD的两个二阶边带作为下行链路的光毫米波信号经光电转换后得到携带下行链路数据的、频率为fD的毫米波信号，由天线发射到终端用户；而光载波作为上行链路的光源。
上行链路：天线接收到的频率为fU的毫米波信号经包络检波得到上行链路的基带信号，由低速的光调制器调制到预留给上行链路的光波上，由标准单模光纤链路传回中心站，在中心站，有低速的光电探测器将光信号转化为电信号。
2.根据权利要求1所述设备，所述下行链路发射端，其特征在于：
所用光调制器为常规的双电极铌酸锂马赫-增德调制器，响应频率和驱动电路频率不低于下行链路毫米波频率的1/4，偏置于最大传输点；射频本振频率为下行链路毫米波频率的1/4。光边带分离所用光纤布拉格光栅的中心波长等于其中一个二阶边带的波长。数据信号的调制为强度调制或相位调制。调制后的二阶边带和另外两个光频成分的合路需要进行偏振调节，保证二者偏振方向相同。
3.根据权利要求1所述下行链路接收端，其特征在于：
利用马赫-增德干涉仪将下行链路光毫米波和上行链路光载波分离，所用马赫-曾德干涉仪的两臂时延差等于下行链路光毫米波频率的倒数(1/fD)，且保证其中一个端口的输出是预留给上行链路的光载波，另一个端口的输出是由两个二阶边带构成的、频率为fD的下行链路光毫米波信号。光毫米波信号经高速光电转换后得到频率为fD的电毫米波信号，经射频放大后由天线发射到终端用户；而光载波作为上行链路的光源。
高速的光电探测器，用于光毫米波信号转换成射频电信号；
射频放大器，用于提高电毫米波信号的功率；
天线：毫米波信号发射和接收。
4.根据权利要求1所述，其特征在于，所述上行链路发射端，包括：
上行链路频率为fU的毫米波强度调制信号经包络滤波产生基带信号，由光调制器将该基带信号加载到所预留的上行链路光载波上，该光调制器响应速率不低于数据速率。
5.根据权利要求1所述，其特征在于，所述光毫米波信号传输线路，包括：
掺铒光纤放大器，用于提高光毫米波信号的发射功率；
单模色散光纤，用于构建中心基站和远端天线基站之间的光纤传输网络，为信号长距离传输提供路径，这里简化为一条链路。
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