CN101982983A

CN101982983A - 采用半导体光放大器产生毫米波及其在光载微波通信系统中的应用方法与装置

Info

Publication number: CN101982983A
Application number: CN2010105097607A
Authority: CN
Inventors: 张崇富; 王乐阳; 罗洪彬; 邱昆
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2010-10-18
Filing date: 2010-10-18
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2030-10-18
Also published as: CN101982983B

Abstract

本发明公开了采用半导体光放大器(SOA)产生毫米波及其在光载微波系统中的应用方法与装置。在中心站采用调制器和射频源产生双边带调制，再通过滤波器滤出两个边带，边带1调制上数据和边带2一起耦合到光纤信道，传输到基站。在基站通过SOA产生四波混频获得四个波长，每个基站由波分复用器分解出两个频率，再通过光探测器产生拍频实现毫米波的产生，最后经过天线发射毫米波信号。每个基站通过天线接收数据再调制到不同频率的载波上，最后传输到中心站，由光/电转换后通过探测器接收数据信息。本发明为光载微波系统中毫米波产生与应用提供了一种有效的途径。

Description

采用半导体光放大器产生毫米波及其在光载微波通信系统中的应用方法与装置

技术领域

本发明属于光纤无线通信技术领域，特别涉及毫米波的产生及光载微波(ROF)的光纤无线接入技术。

背景技术

近年来，以互联网协议(IP)为基础的互联网业务，如远程教育、视频点播及高清晰电视等持续增长，不但对现有网络的带宽容量提出了越来越高的要求，而且也对现有网络组网灵活性提出了新的要求，尤其对宽带灵活的接入网技术提出更高的要求，因此光纤无线融合的宽带接入技术将是未来接入网的优选方案之一。光载微波(ROF，Radio over Fiber)系统是光纤无线融合的主要技术，其主要由中心站、光纤链路、基站和无线终端四个部分组成。在该系统中，用户终端可设置在家庭、小区、办公区和商场等。由于发射信号的载波频率为60GHz，大气衰减大，辐射范围只有数十米。因此设计光纤无线系统时，应该将核心部分转移到中心站，通过共享中心站来达到降低每个用户成本的目的。

在中心站(CS)与基站(BS)之间的光纤链路可以传输三种类型的信号，分别是光载基带信号，光载中频信号以及光载射频信号。其中由于基带信号需要在BS有60GHz毫米波信号源，不利于基站的简化和低成本。对于传输射频信号，优点在于将微波信号源放置在CS，在基站只需要进行光探测和放大，降低了基站的复杂度，但是由于直接传输射频信号，带宽大，色散强，不利于复用，另外中心站的微波源成本也很高。传输中频信号，在中心站对微波源的要求降低，成本减小，然后中频信号带宽小，通过进行副载波复用，可以增加系统容量，但在基站需要进行毫米波的产生处理，因此如何使得基站的毫米波产生达到简化，降低成本，是目前研究的热点之一。

毫米波是介于微波与光波之间的电磁波，相应的频段为30GHz～300GHz。毫米波的主要特点为波长短(频率高)，带宽宽，在空间中传播与大气环境关系密切，其优势在于有利于射频设备的微小型化和频谱资源十分丰富等。传播环境对毫米波的传播影响较大，目前毫米波的应用较多集中在60GHz波段上。自2000年8月起，59～66GHz的频段已开放给公共使用，如超高速WLAN、无线家庭网络、宽带移动接入系统、卫星广播节目的传输系统、CATV无线传输系统及交通工具间的通信系统等。

光纤具有高带宽，不受电磁干扰等优点。无线系统具有随时随地接入的优点，但是受目前低频载波低带宽低速率，易受干扰的弊病。在这样的背景下，光纤和无线的融合就成了研究的热点和趋势。为了提高带宽，则需要提高副载波频率-60GHz频段具有毫米波系统所共有的两个优点：一是频带宽，系统传送的信息速率可达到20～100Mbps量级，能建立3G移动通信系统、4G移动通信系统和802.11a WLAN容量大得多的通信系统，可以支持更多的业务；二是可以设计天线和设备更小更轻的系统，系统便于安装，便于车载，是移动多媒体网络的优选方案之一。将毫米波通信和光纤传输技术相融合形成的60GHz毫米波ROF传输系统，兼备了二者的优点-系统频带宽、天线设备尺寸小，频率重用率高和抗电磁干扰能力强。

目前毫米波产生方法主要有采用光外差法、外部光学调制器法、双波长激光器法、采用高非线性色散位移光纤法和波分复用(WDM)法等，但这些方法存在一些不足，例如色散严重、成本较高、稳定性较差或信号光/泵浦光功率较大等。因此研究新的毫米波产生方法及其在ROF中的应用尤为重要。本发明试图提出新颖的毫米波的产生方法及其在ROF系统中的应用方法，采用半导体光放大器和WDM解复用器实现毫米波的产生方法具有创新性和创造性，在目前的技术方案中尚未见到相关的文献报道和专利申请。在文献[All-optical frequencydown-conversion based on cross-phase modulation in high nonlinearity dispersion-shifted fiber forWDM radio over fiber application，H.Yang，J.Sun，Q.Du，Optica Applicata，2009，39(1)：51-62]，作者提出了WDM光射频信号在高非线性色散位移光纤中实现交叉相位调制方法实现变频，但该系统结构复杂，成本较高。在采用SOA产生毫米波方法上，如2010年5月26日公开的，公布号为101713900A，名称为“一种采用SOA产生ROF系统毫米波的方法及装置”的中国发明专利公开说明书就公开了采用双光源实现的毫米波产生方法。尽管在该发明中，对采用SOA实现了ROF系统中的毫米波方法及装置，但成本较高，且频率使用率较低。

发明内容

针对上述ROF系统中毫米波产生的不足，本发明提出了一种采用半导体光放大器和WDM解复用器的毫米波产生方法及其在ROF系统中应用的方法和装置。本发明突破了现有毫米波产生方法的一些缺陷，提供了一种结构简单，成本较低，性能稳定，色散影响小和频率的利用率较高的ROF系统中毫米波产生及在ROF系统中应用的方法和装置。

为了方便描述本发明的内容，对一些专业术语进行描述：

ROF(Radio-over-Fiber)：光载微波

WDM(Wavelength division multiplexing)：波分复用

CS(Central station)：中心站

BS(Base station)：基站

EDFA(Erbium-doped optical fiber amplifier)：掺铒光纤放大器

SOA(Semiconductor optical amplifier)：半导体光放大器

MZM(Mach-Zehnder Modulator)：马赫-曾德调制器

FWM(Four-wave mixing)：四波混频

EA(Electronic amplifier)：电放大器

RF(Radio Frequency)：射频

PD(photo-detector)：光探测器

本发明详细技术方案：

为了实现上述目的，本发明提出的毫米波产生方法和装置，其特征一在于，包括激光器，马赫-曾德调制器(MZM)，滤波器，射频(RF)源，半导体光放大器(SOA)，掺铒光纤放大器(EDFA)，波分复用(WDM)解复用器，光电检测器，电放大器，循环器，光/电转换，接收机，传输光纤和发射/接收天线组成；其特征二在于，激光器发射光信号通过MZM调制器实现双边带调制，一个边带用于基站上行数据的载波，另一个边带用于下行数据的载波，因此色散对系统性能影响较小；其特征三在于，在基站两个频率的信号通过SOA产生明显的FWM效应；其特征四在于，FWM后的频率通过WDM解复用器分配给不同的BS，在BS处通过光电检测器产生毫米波；其特征五在于，在基站，采用RF源通过调制器调制来自中心站频率为f2的载波产生新的上行数据传输载波。

在本发明的方案中，在ROF的CS由激光器发出频率为f的光输入到MZM调制器中，MZM调制器经频率为f’的RF源使之产生抑制载波双边带调制，两个边带的频率分别为f1 和f2，其中满足f2-f1＝2f’。把得到的边带信号分成两路，这两路信号再分别由滤波器1和滤波器2滤出两个边带f1和f2，其中一路频率为f1的边带由MZM调制器把数据信号调制到频率为f1的载波上，再与另一路边带信号f2耦合到一起，经过传输光纤和EDFA传输到BS。到达BS后，首先经过一个SOA产生FWM效应，获得两个新频率f3和f4载波，并且载波f3和f4都携带有数据信号，再由WDM解复用器分解出这几个频率，把其中两个频率信号耦合到一起产生拍频，拍频模式可以是f1-f3＝2f’，f4-f1＝4f’或f4-f3＝6f’。在本发明中，可以将不同拍频后获得的毫米波分配给不同的BS，然后通过电放大器放大后经过循环器传输到天线发射出毫米波信号。在不同的基站，针对上行链路，由WDM解复用器分解出频率为f2的载波，频率为f2的载波由调制器MZM通过RF源将天线接收到的数据信号调制到不同频率的载波上，再经过传输光纤和EDFA传输到CS，再经过光/电转换把接收到的光信号变为电信号，再由接收机接收到所传输的数据信号。

附图说明

图1ROF系统的中心站框图

图2ROF系统的基站结构图

图3基于SOA和WDM解复用器毫米波产生的ROF系统结构图

图4基于SOA和WDM毫米波产生的多基站ROF系统结构图

具体实施方式

下面结合具体实施方式，对本发明ROF系统的毫米波产生及其在ROF系统中应用的方法和装置作进一步详细的说明。

图1描述了ROF系统的中心站结构图，主要由激光器，两个MZM调制器，RF源和两个滤波器组成。本发明中ROF系统中心站的具体实施步骤：

第1步，激光器发射出频率为f的光信号，载波f光信号和RF源通过MZM调制器实现双边带调制，从而产生f1和f2两个边带的信号，其中f2-f1＝2f’。

第2步，通过调制器MZM调制后的信号分为两个分支，分别通过滤波器1和滤波器2 滤出载波f1和载波f2。

第3步，由滤波器1滤出的载波f1通过调制器MZM将数据调制到载波f1上，然后与载波f2一起耦合进入到光纤传输信道，由光纤传输信道传到ROF系统的基站。载波通过调制器MZM调制后载波f1携带了数据信息，载波f2没有通过调制器调制，则载波f2没有携带数据信息。

图2是ROF系统的基站结构图，主要由半导体光放大器(SOA)，波分复用(WDM)解复用器，光探测器(PD)，电放大器(EA)，MZM调制器，循环器和发射/接收天线组成。本发明中ROF系统中心站的具体实施步骤：

针对ROF系统的下行链路，ROF系统中信号从中心站到基站传输方向的链路称为下行链路。

第1步，来自ROF系统中心站的信号进入到SOA，由SOA产生明显的四波混频(FWM)效应，从而实现了由f1和f2组成的载波信号输入到SOA后，通过SOA的FWM产生了四个载波，分别是f1，f2，f3和f4，其中f1，f3和f4为携带了数据信号的载波，f2为没有携带数据信号的载波。

第2步，通过SOA的FWM产生的四个频率载波输入到WDM解复用器，分别分解出f1，f2和f4。

第3步，由WDM解复用器分解出的f1和f4进入到光探测器(PD)后，产生拍频f4-f1＝4f’，则获得了频率为4f’的毫米波信号。

第4步，获得的频率为4f’的毫米波信号通过电放大器(EA)放大后，进入到循环器再通过天线发射出毫米波信号。

针对ROF系统的上行链路，ROF系统中信号从基站到中心站传输方向的链路称为上行链路。

第5步，由天线接收到毫米波信号进入到循环器，通过EA放大后，输入到MZM调制器中。

第6步，在步骤2分解用出频率为f2的载波，该载波通过MZM调制器，将由天线接收到的数据信号调制到f2载波上，产生携带了数据信号的f2载波，最后输入到光纤信道，传输到ROF系统的中心站。

图3是基于SOA和WDM解复用器毫米波产生的ROF系统结构图，主要由ROF的中心站和基站组成。在中心站由激光器发出频率为f的光信号输入到调制器MZM中，调制器MZM经频率为f’的RF源使之产生抑制载波双边带调制，两个边带的频率分别为f1和f2，其中f2-f1＝2f’。把产生的边带信号分成两路，这两路再分别由滤波器1和滤波器2滤出f1和f2两个边带，其中一路频率为f1的边带再由调制器MZM把数据信号调制到频率为f1的载波上，再与另一路f2边带信号耦合到一起，经过光纤信道传输到基站，光纤信道主要包括传输光纤和掺铒光纤放大器(EDFA)。载波f1和f2到达ROF的基站后，通过SOA发生FWM产生两个新频率f3和f4。通过SOA后的载波f1，f2，f3和f4通过WDM解复用器分别分解用出f1，f2和f4，其中f1和f4通过PD产生拍频为f4-f1＝4f’的毫米波信号。毫米波信号通过EA放大，经过循环器进入到天线发射出信号。在基站当天线接收到信号时，经过循环器再通过EA放大输入到MZM调制器，将接收到的数据调制到载波f2上，携带了数据信号的载波f2通过传输光纤和EDFA传输到ROF的中心站，在中心站由光/电转换后输入到接收机，完成信号的接收。

图4是基于SOA和WDM解复用器毫米波产生的多基站ROF系统结构图，主要由中心站和多个基站组成，其特征在于，该系统是由一个中心站发出信号传输到多个基站实现毫米波的产生与ROF的信号传输。在图4中，针对ROF的下行链路，在ROF的CS由激光器发出频率为f的光输入到MZM调制器，MZM调制器经频率为f’的RF源使之产生抑制载波双边带调制，两个边带的频率分别为f1和f2，其中满足f2-f1＝2f’。把得到的边带信号分成两路，这两路再分别由滤波器1和滤波器2滤出两个边带f1和f2，其中一路频率为f1的边带再由MZM调制器把数据信号调制到频率为f1的载波上，再与另一路边带信号f2耦合到一起，经过传输光纤和EDFA传输到BS。到达BS后，首先经过一个SOA产生FWM效应，获得两个新频率f3和f4的载波，并且载波f3和f4都携带有数据信号，再由WDM解复用器分解出每个频率，把其中两个频率信号耦合到一起产生拍频，拍频模式分别为f4-f1＝4f’，f4-f3＝6f’或f1-f3＝2f’。每种拍频模式可以分配给不同的基站，如拍频模式f4-f1＝4f’，f4-f3＝6f’和f1-f3＝2f’分别分配给BS1，BS2和BS3。在BS1，由WDM解复用器分解出f1，f2和f4；在BS2，由WDM解复用器分解出f2，f3和f4；在BS3，由WDM解复用器分解出f1，f2和f3。在每个基站，通过PD拍频后产生的毫米波信号通过电放大器经过循环器传输到天线发射出毫米波信号。针对上行链路，由每个BS中的WDM解复用器分解出频率为f2的载波。在BS1，由天线接收到的数据信号经过循环器通过EA放大后，通过调制器MZM将数据信号调制到载波f2上，再由传输光纤和EDFA传输到CS，经过光电转换把接收到的光信号变为电信号，再由接收机接收到所传输的数据信号。在BS2，由天线接收到的数据信号经过循环器通过EA放大后，频率为f2的载波由调制器MZM通过频率为f1’的RF源将天线接收到的数据信号调制到频率为f2’的载波上，再经过传输光纤和EDFA传输到CS，再经过光/电转换把接收到的光信号变为电信号，再由接收机接收到所传输的数据信号。在BS3，由天线接收到的数据信号经过循环器通过EA放大后，频率为f2的载波由调制器MZM通过频率为f1”的RF源将天线接收到的数据信号调制到频率为f2”的载波上，再经过传输光纤和EDFA传输到CS，再经过光/电转换把接收到的光信号变为电信号，再由接收机接收到所传输的数据信号。

本发明的有益效果

1、在ROF系统的中心站只需要1个光源，在ROF的基站不需要光源，降低了ROF系统的成本；

2、本发明中所需要的器件较少，在中心站采用了MZM实现双边带调制，一个用于下行数据的调制载波，另一个边带用于基站的上行数据传输的调制载波，系统通过滤波器滤波和WDM解复用器分离出不同频率的载波，致使系统结构简单和性能稳定；

3、在每个基站上提取出两个不同的频率载波，通过PD产生拍频，使之每个基站都有不同的频率的载波，因此通过SOA四波混频后的频率利用率较高；

4、每个基站均采用了来自中心站频率为f2的载波，且通过RF源调制MZM调制器产生不同频率的载波，其用于不同基站上行数据传输的载波，实现了每个基站上行数据传输载波的独立性。

Claims

1.一种基于半导体光放大器(SOA)和波分复用(WDM)解复用器产生毫米波的方法及在光载微波(ROF)系统中的应用方法，其特征在于该方法主要包括激光器，马赫-曾德调制器(MZM)，滤波器，SOA，WDM解复用器，光探测器(PD)，掺铒光纤放大器(EDFA)，电放大器(EA)，循环器，发射/接收天线，光/电转换和接收机。该ROF系统包括一个中心站和多个基站。

其特征在于所述的方法与装置包括以下过程：在ROF的中心站(CS)由激光器发出频率为f的光输入到MZM调制器中，MZM调制器经频率为f’的射频(RF)源使之产生抑制载波双边带调制，两个边带的频率分别为f1和f2，其中满足f2-f1＝2f’。再把得到的边带信号分成两路，这两路分别由滤波器1和滤波器2滤出这两个边带f1和f2，其中一路频率为f1的边带再由MZM调制器把基带信号调制到频率为f1的载波上，再与另一路边带信号f2耦合到一起，经过传输光纤和EDFA传输到基站(BS)。到达BS后，首先经过一个SOA产生四波混频(FWM)效应，获得两个新频率f3和f4载波，并且载波f3和f4都携带有数据信号，再由WDM解复用器分解出这几个频率，把其中两个频率信号耦合到一起产生拍频，拍频模式可以是f1-f3＝2f’，f4-f1＝4f’或f4-f3＝6f’，将不同拍频后获得的毫米波分配给不同的BS，然后通过电放大器放大后经过循环器传输到天线发射出毫米波信号。在不同的基站，针对上行链路，由WDM解复用器分解出频率为f2的载波，频率为f2的载波由调制器MZM通过RF源将天线接收到的数据信号调制到不同频率的载波上，再经过传输光纤和EDFA传输到CS，再经过光/电转换把接收到的光信号变为电信号，再由接收机接收到所传输的数据信号。

2.根据权利要求1所述的基于SOA和WDM解复用器产生毫米波的方法及ROF系统中的应用方法，其特征一在于，激光器发射光信号通过MZM调制器实现双边带调制，一个边带用于载波，另一个边带用于数据调制。

3.根据权利要求1所述的基于SOA和WDM解复用器产生毫米波的方法及ROF系统中的应用方法，其特征二在于，两个频率的信号通过SOA产生明显的FWM效应，获得新的频率载波。

4.根据权利要求1所述的基于SOA和WDM解复用器产生毫米波的方法及ROF系统中的应用方法，其特征三在于，FWM后的频率通过WDM解复用器分配给不同的BS，在BS处通过光电检测器拍频产生毫米波。

5.根据权利要求1所述的基于SOA和WDM解复用器产生毫米波的方法及ROF系统中的应用方法，其特征四在于，针对不同基站的上行链路，其采用了频率为f2的载波通过不同的RF源调制MZM调制器产生不同频率的载波，再将天线接收到的数据信号调制到该载波上，最后再传输到中心站。其中频率为f2的载波由WDM解复用器分解出。

6.根据权利要求1所述的基于SOA和WDM解复用器产生毫米波的方法及ROF系统中的应用方法，其特征五在于，一个中心站支持多个基站，在中心站只需要一个激光器光源，系统成本较低。