CN101951295A - 一种基于相移法产生光载ssb调制的毫米波发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于相移法产生光载SSB调制的毫米波发生器，涉及微波光子和光纤通信等领域。该发生装置包括：激光器(10)，3dB耦合器，正弦波信号发生器(30)，光电强度调制器(40、41、42、43)，马赫-曾德尔干涉器(50、51)，相移器(60)，光纤布拉格光栅(70)，光电探测器(80)，发射天线(90)。为了解决普通单边带调制(SSB)会产生多于频率分量的问题，此发生器应用相移法分别产生上下边带信号，并且两者独立传输，在发射端进行耦合并利用光纤布拉格光栅(70)滤除载波，利用两个功率相等的边带差频产生毫米波，保证了频率纯度及稳定性。不使用滤波器也使得此发生器结构简单，更利于应用。

Description

一种基于相移法产生光载SSB调制的毫米波发生器

技术领域

本发明涉及光纤无线通信、微波光子技术和频率上转换技术，适用于光纤-无线通信系统技术、微波光子、光纤通信以及雷达等领域。

背景技术

移动通信在经过第一代模拟制式手机(1G)和第二代GSM、TDMA等数字手机(2G)的发展后，现在正向着宽带宽、高速接入的第三代移动通信技术(3G)或具有多媒体无线传输的第四代移动通信技术(4G)发展。然而，当前的无线通信系统中，微波以下的频段均被占用，为了提高通信容量，避免信道拥挤和相互干扰，就要求无线通信能突破低频波段，从微波波段向更高频率的毫米波段扩展。但是，毫米波的频率较高，比较容易受大气环境的影响，不能实现长距离的传输。基于光纤通信技术的低损耗、不受电磁干扰和海量传输的特点，利用光纤代替大气作为传输媒质来传输毫米波信号，将使目前的移动通信系统达到更高的传输容量，同时实现超长距离的传输。因此，将光纤通信技术融合到无线通信网中就构成了光纤毫米波系统，即ROF(Radio over Fiber)系统。

ROF系统其实就是利用光纤代替大气作为传输媒质来传输信号(如：基带、中频或射频信号)的一种光纤通信与无线通信相结合的传输系统。在ROF系统中，用光纤通信代替传统无线通信中从中心站(CS，Central Station)到基站(BS，BaseStation)的一段微波传输，中心站通过光纤与多个功能简单的基站相连。调制解调、编解码、路由等功能在中心站完成，基站的主要功能是实现光信号和微波信号的转换。在中心站，基带电信号经过电调制器调制到毫米波发生器产生的毫米波上，再送入光调制器，将该复合电信号调制到从毫米波发生器处得到的可再用光载波上，以适用于光纤信道传输。以上这些都在中心站完成。毫米波发生技术是ROF技术的关键技术，在目前已有的毫米波发生技术中，光外差法以其优异的性能成为被人们认为是最成熟的方法。

所谓光外差法就是在光纤中传输两个频率不同的光载波，在发射端由这两个光载波进行差频，产生毫米波。光外差法中最为简单的调制方式是利用外部调制器进行双边带(Double-sideband：DSB)调制，然后利用边带与载波进行差频产生毫米波，但是利用这种方法生成的毫米波会随传输距离而产生周期性的衰减。如果采用单边带(Single-sideband：SSB)调制会避免这种衰减的产生。但是单纯的使用SSB调制会产生一个边带和一个载波，在传输到发射端时只能由边带跟载波进行差频产生毫米波，由于载波跟边带的功率相差太大，会在产生目标频率的毫米波时产生其他不必要的频率分量，滤除这些不必要的频率分量对滤波器的性能要求很高吗，无疑增加了毫米波发生器的复杂性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服SSB调制技术存在的问题，提供一种基于相移法产生光载SSB调制的毫米波发生器。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案：

提供一种基于相移法产生光载SSB调制的毫米波发生器，该发生器包括激光器，3dB耦合器，正弦波信号发生器，光电强度调制器，马赫-曾德尔干涉器，相移器，光纤布拉格光栅(FBG)，光电探测器，发射天线组成。

构成该毫米波发生器的器件间的连接：

激光器的输出端连接第一3dB耦合器的第一端口，第一3dB耦合器的第二端连接第二3dB耦合器的第一端口，第一3dB耦合器的第三端口连接第三3dB耦合器的第一端口。

第二3dB耦合器的第二端口连接第一马赫曾德尔干涉仪的一端，第二3dB耦合器的第三端口连接第一光电调制器的光输入端。

第三3dB耦合器的第二端口连接第二马赫曾德尔干涉仪的一端，第三3dB耦合器的第三端口连接第二光电调制器的光输入端。

第一马赫曾德尔干涉仪的另一端连接第三光电调制器的光输入端；第二马赫曾德尔干涉仪的另一端连接第四光电调制器的光输入端。

正弦波信号发生器的输出分别连接第一光电调制器的电输入端、第二光电调制器的电输入端和相移器的输入端。

相移器的输出端分别连接第三光电调制器的电输入端和第四光电调制器的电输入端。

第一光电调制器的输出端连接第四3dB耦合器的第一端口，第三光电调制器的输出端连接第四3dB耦合器的第二端口；第二光电调制器的输出端连接第五3dB耦合器的第一端口，第四光电调制器的输出端连接第五3dB耦合器的第二端口。

第四3dB耦合器的第三端口连接第六3dB耦合器的第一端口，第五3dB耦合器的第三端口连接第六3dB耦合器的第二端口。

第六3dB耦合器的第三端口连接光纤布拉格光栅的一端，光纤布拉格光栅的另一端连接光电探测器的输入端，光电探测器的输出端连接发射天线。

本发明和已有技术相比所具有的有益效果具体如下：

本发明使用普通的光电调制器和马赫曾德尔干涉仪实现相移法产生光域SSB调制。与单纯的使用SSB调制利用载波跟边带进行差频产生毫米波相比较，本发明分别产生SSB上边带和下边带，然后分别传输至发射端进行耦合，在经过光纤布拉格光栅滤除掉载波后，只剩两个边带进行差频产生毫米波，这样就避免由于差频的两束光波的功率相差太大产生多余的频率分量，保证了频率的纯度及稳定性。而且避免了滤波器的使用，简化了毫米波发生器的结构。

附图说明

图为一种基于相移法产生光载SSB调制的毫米波发生器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

一种基于相移法产生光载SSB调制的毫米波发生器，如图，构成该毫米波发生器的器件间的连接：

激光器10的输出端连接第一3dB耦合器的第一端口211，第一3dB耦合器的第二端212连接第二3dB耦合器的第一端口221，第一3dB耦合器的第三端口213连接第三3dB耦合器的第一端口231；

第二3dB耦合器的第二端口222连接第一马赫曾德尔干涉仪50的一端，第二3dB耦合器的第三端口223连接第一光电调制器40的光输入端；

第三3dB耦合器的第二端口232连接第二马赫曾德尔干涉仪51的一端，第三3dB耦合器的第三端口233连接第二光电调制器41的光输入端；

第一马赫曾德尔干涉仪50的另一端连接第三光电调制器42的光输入端；第二马赫曾德尔干涉仪51的另一端连接第四光电调制器43的光输入端；

正弦波信号发生器30的输出分别连接第一光电调制器40的电输入端、第二光电调制器41的电输入端和相移器60的输入端；

相移器60的输出端分别连接第三光电调制器42的电输入端和第四光电调制器43的电输入端；

第一光电调制器40的输出端连接第四3dB耦合器的第一端口241，第三光电调制器42的输出端连接第四3dB耦合器的第二端口242；第二光电调制器41的输出端连接第五3dB耦合器的第一端口251，第四光电调制器43的输出端连接第五3dB耦合器的第二端口252；

第四3dB耦合器的第三端口243连接第六3dB耦合器的第一端口261，第五3dB耦合器的第三端口253连接第六3dB耦合器的第二端口262；

第六3dB耦合器的第三端口263连接光纤布拉格光栅70的一端，光纤布拉格光栅70的另一端连接光电探测器80的输入端，光电探测器80的输出端连接发射天线90。

激光器10发射出的光输入第一3dB耦合器的第一端口211，分成功率相等两束光，分别由第一3dB耦合器的第二端口212和第一3dB耦合器的第三端口213输出。

由第一3dB耦合器的第二端口212输出的光输入到第二3dB耦合器的第一端口221也分成功率相等两束光。其中一束由第二3dB耦合器的第二端口222输出后经过第一马赫曾德尔干涉仪50进行相位改变后，输入到第三光电调制器42的光输入端；另外一束由第二3dB耦合器的第三端口223输出后被正弦波信号发生器30的输出调制。

由第一3dB耦合器的第三端口213输出的光输入到第三3dB耦合器的第一端口231同样分成功率相等两束光。其中一束由第三3dB耦合器第二端口232输出后经过第二马赫曾德尔干涉仪51进行相位改变后，输入到第四光电调制器43的光输入端；另外一束由第三3dB耦合器的第三端口233输出后被正弦波信号发生器30的输出调制。

调节第一马赫曾德尔干涉仪50的偏置电压为其半波电压的一半，使得输入的光相位改变90度。经过第三3dB耦合器22之后的两束光，一束用来被正弦波信号发生器30通过第二光电调制器41进行调制，另外一束经过第二马赫曾德尔干涉仪51进行相位改变后，输入到第四光电调制器43的光输入端。调节第二马赫曾德尔干涉仪51的偏置电压为其半波电压的二分之三，使得输入的光相位改变负90度。

调节相移器60，使得正弦波信号发生器30的输出信号进行负90度的相移，分别输入到第三光电调制器42和第四光电调制器43的电输入端，用来调制经过相位改变后的光。第一光电调制器40的输出与第三光电调制器42的输出分别连接第四3dB耦合器的第一端口241和第四3dB耦合器的第二端口242，产生光载上边带调制信号。第二光电调制器41的输出与第四光电调制器43的输出分别连接第五3dB耦合器的第一端口251和第五3dB耦合器的第二端口252，产生光载下边带调制信号。其中上边带调制信号输入到第六3dB耦合器的第一端口261，下边带调制信号输入到第六3dB耦合器的第二端口262。耦合后经过过光纤布拉格光栅70滤除掉载波后，剩余的上下边带在光电探测器80上差频产生毫米波信号，通过发射天线90发射。

正弦波信号发生器30发出信号的频率决定了产生的毫米波信号频率，可以通过调节正弦波信号发生器30的输出频率得到频率为1GHz～60GHz的毫米波信号。

如：当正弦波信号发生器30发出信号的频率为0.5GHz的时候，经过差频产生的毫米波信号频率为1GHz。

如：当正弦波信号发生器30发出信号的频率为15GHz的时候，经过差频产生的毫米波信号频率为30GHz。

如：当正弦波信号发生器30发出信号的频率为30GHz的时候，经过差频产生的毫米波信号频率为60GHz。

一种基于相移法产生光载SSB调制的毫米波发生器的工作原理如下：

根据相移法的生成SSB信号通式：

$s_{\mathrm{SSB}}\left(t\right)=f\left(t\right)\cos {\mathrm{\ω}}_{0}t\±\hat{f}\left(t\right)\sin {\mathrm{\ω}}_{0}t---\left(1\right)$

其中ω₀为载波频率，f(t)为调制信号，

为调制信号的希尔伯特变换。而正弦信号的希尔伯特变换为负余弦信号，所以利用简单的相移器就可以实现正弦信号的希尔伯特变换。

(1)式中的+表示产生的为下边带信号，-号表示为产生的为上边带信号。

激光器10发射出的光为光载波，为普通的余弦信号。经过第一马赫曾德尔干涉仪50和第二马赫曾德尔干涉仪51不同的相移，分别转换为正弦信号和负正弦信号。根据(1)式，图示的一种基于相移法产生光载SSB调制的毫米波发生器中，经过第四3dB耦合器的第三端口243和第五3dB耦合器的第三端口253输出的单边带信号分别为上边带调制信号与下边带调制信号。上边带调制信号与下边带调制信号分别传输至发射端，避免了双边带调制信号的周期衰减。在发射端上边带调制信号输入到第六3dB耦合器的第一端口261，下边带调制信号输入到第六3dB耦合器的第二端口262。经过耦合后，通过光纤布拉格光栅70滤除掉载波，只由两个边带信号差频产生毫米波信号，避免了无用频率的产生，最后通过发射天线90发射。

本发明所使用的器件均为市售器件。

Claims (3)

1.一种基于相移法产生光载SSB调制的毫米波发生器，该毫米波发生器包括：激光器、耦合器、光电调制器、光电调制器、光纤布拉格光栅、光电探测器；其特征在于：

激光器(10)的输出端连接第一3dB耦合器的第一端口(211)，第一3dB耦合器的第二端(212)连接第二3dB耦合器的第一端口(221)，第一3dB耦合器的第三端口(213)连接第三3dB耦合器的第一端口(231)；

第二3dB耦合器的第二端口(222)连接第一马赫曾德尔干涉仪(50)的一端，第二3dB耦合器的第三端口(223)连接第一光电调制器(40)的光输入端；

第三3dB耦合器的第二端口(232)连接第二马赫曾德尔干涉仪(51)的一端，第三3dB耦合器的第三端口(233)连接第二光电调制器(41)的光输入端；

第一马赫曾德尔干涉仪(50)的另一端连接第三光电调制器(42)的光输入端；第二马赫曾德尔干涉仪(51)的另一端连接第四光电调制器(43)的光输入端；

正弦波信号发生器(30)的输出分别连接第一光电调制器(40)的电输入端、第二光电调制器(41)的电输入端和相移器(60)的输入端；

相移器(60)的输出端分别连接第三光电调制器(42)的电输入端和第四光电调制器(43)的电输入端；

第一光电调制器(40)的输出端连接第四3dB耦合器的第一端口(241)，第三光电调制器(42)的输出端连接第四3dB耦合器的第二端口(242)；第二光电调制器(41)的输出端连接第五3dB耦合器的第一端口(251)，第四光电调制器(43)的输出端连接第五3dB耦合器的第二端口(252)；

第四3dB耦合器的第三端口(243)连接第六3dB耦合器的第一端口(261)，第五3dB耦合器的第三端口(253)连接第六3dB耦合器的第二端口(262)；

第六3dB耦合器的第三端口(263)连接光纤布拉格光栅(70)的一端，光纤布拉格光栅(70)的另一端连接光电探测器(80)的输入端，光电探测器(80)的输出端连接发射天线(90)。

2.根据权利要求1所述的一种基于相移法产生光载SSB调制的毫米波发生器，其特征在于，所使用光纤布拉格光栅(70)的中心波长等于激光器发射的光波的波长，即光载波的波长。

3.根据权利要求1所述的一种基于相移法产生光载SSB调制的毫米波发生器，其特征在于，调节正弦波信号发生器(30)的输出频率，该毫米波发生器产生的频率为1GHz～60GHz。

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