CN102006137B

CN102006137B - 多频率毫米波产生及在多基站光载微波通信系统中的应用方法与系统

Info

Publication number: CN102006137B
Application number: CN2010105097414A
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: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2030-10-18
Also published as: CN102006137A

Abstract

本发明公开了多频率毫米波的产生及在多基站光载微波系统中的应用方法与系统。在中心站采用调制器和射频源产生双边带调制，再与多个激光器发射不同频率的载波一个耦合到光纤信道传输到基站，在基站通过WDM分解出两个频率的载波，再通过半导体光放大器产生四波混频，最后由探测器产生拍频获得毫米波，再由天线发射。在上行链路上将天线接收数据调制到不同频率的载波上后传输到中心站，由中心站的接收机接收数据。本发明为多基站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

多频率毫米波产生及在多基站光载微波通信系统中的应用方法与系统

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，二是可以设计天线和设备更小更轻的系统。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、不支持多基站通信或信号光/泵浦光功率较大等。本发明试图提出新颖的毫米波产生方法及其在多基站ROF系统中的应用方法，基于多频率载波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及其在多基站ROF系统中应用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，尽管该发明采用SOA实现了ROF系统中的毫米波方法及装置，但不支持多基站通信，且频率使用率较低，基站可选择的毫米波灵活性较差。在文献[All-optical frequencydown-conversion for full-duplex WDM RoF systems utilizing an SOA-MZI，H.J.Song，M.Park，H.J.Kim，J.S.Lee，J.I.Song，2005International Topical Meeting on Microwave Photonics，Seoul，Korea，Oct.2005，pp.12-14]，作者提出了采用SOA-MZI产生毫米波的方法，并研究了基于WDM的ROF系统性能，但该系统没有实现多基站的ROF系统通信，且采用SOA-MZI导致成本较高。

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(SOA)和WDM解复用器的毫米波产生方法及其在多基站ROF系统中应用的方法与系统。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系统中应用的方法与系统。

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及其在多基站ROF系统中的应用方法，其特征一在于，毫米波产生装置包括激光器，马赫-曾德调制器(MZM)，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(PD)，电放大器(EA)，光/电转换(O/E)，接收机，传输光纤和发射/接收天线组成；其特征二在于，基于本发明的毫米波产生方法的多基站ROF系统包括多个激光器，马赫-曾德调制器(MZM)，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，循环器，光电检测器，电放大器，光/电转换，接收机，传输光纤和发射/接收天线组成；其特征三在于，基于本发明的毫米波产生方法的多基站ROF系统，一个激光器发射出频率为f₁的光信号和频率为f’的RF源通过MZM调制器实现双边带调制，产生两个频率为f₁₁，f₁₂的边带携有数据的信号上传到基站；其特征四在于，在基站两个频率的信号通过SOA产生明显的FWM效应；其特征五在于，FWM后的频率通过WDM解复用器分解出不同频率的载波，其中两个频率的载波通过PD差频传输毫米波信号，每个基站通过WDM解复用器分解出来自中心站的不同激光器的不同频率光源作为上行链路的载波。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。

在本发明的方案中，在ROF的CS由激光器a输出频率为f_a的光信号输入到MZM调制器，将数据调制到频率为f_a的载波上，再与激光器b输出频率为f_b的光信号一个耦合到光纤信道，传输到基站。在基站，携带了数据频率为f_a的载波与频率为f_b的载波输入到SOA，SOA产生明显的四波混频(FWM)获得频率为f_a，f_b，f_c和f_d的载波，然后通过WDM解复用器分解出三个不同频率f_a，f_b和f_d的载波，其中f_a和f_d通过PD产生拍频获得f_a-f_d＝f_e的毫米波，再由天线发射。针对上行链路，天线接收到数据后通过MZM调制器将数据调制到频率为f_b的载波上，再通过光纤信道传输到中心站，在中心站由光/电转换后通过探测器接收数据。基于SOA和WDM解复用器在多基站ROF系统中的应用方案，由一个中心站和多个基站组成，中心站由多个激光器产生不同频率的光源，其中一个通过MZM调制器将数据调制到载波上，耦合到一起传输到多个基站。在每个基站首先由WDM解复用器分解出不同两个频率的载波，再通过SOA产生明显的FWM获得新的频率载波。FWM后的载波再通过WDM解复用器分解出不同的三个频率载波，其中两个输入到PD产生拍频获得毫米波，拍频产生的毫米波经过EA放大后通过循环器由天线发射。在基站，下行链路上，天线接收到数据通过循环器由EA放大后，通过MZM调制将天线接收到的数据调制到载波，再通过光纤信道传输到中心站，在中心站由光/电转换后通过探测器接收数据。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。

附图说明

图1基于SOA和WDM解复用器的毫米波产生及ROF系统框图

图2基于多基站ROF系统的中心站框图

图3基于多基站ROF系统的基站框图

图4基于SOA和WDM解复用器的多频率毫米波产生及多基站ROF系统框图

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多基站ROF系统中应用的方法与系统作进一步详细的说明。

图1描述了基于SOA和WDM解复用器的毫米波产生及ROF系统框图，主要由两个激光器，两个MZM调制器，EDFA，传输光纤，SOA，WDM解复用器，探测器，发射/接收天线，光/电转换和接收机组成。本发明中ROF毫米波产生及其ROF系统具体实施步骤：在ROF的CS由激光器a输出频率为f_a的光信号输入到MZM调制器，将数据调制到频率为f_a的载波上，再与激光器b输出频率为f_b的光信号一个耦合到光纤信道，传输到基站。在基站，携带了数据频率为f_a的载波与频率为f_b的载波输入到SOA，SOA产生明显的四波混频(FWM)获得频率为f_a，f_b，f_c和f_d的载波，然后通过WDM解复用器分解出三个不同频率f_a，f_b和f_d的载波，其中f_a和f_d通过PD产生拍频获得f_a-f_d＝f_e的毫米波，再由天线发射。针对上行链路，天线接收到数据后通过MZM调制器将数据调制到频率为f_b的载波上，再通过光纤信道传输到中心站，在中心站由光/电转换后通过探测器接收数据。

图2是基于多基站ROF系统的中心站框图，在中心站的下行链路主要由多个发射不同频率的激光器，MZM调制器，RF源和耦合器。在中心站的上行链路主要由光/电转换和探测器组成。本发明中多基站ROF系统中心站的具体实施步骤：针对中心站的下行链路，激光器1放射出频率为f₁光源，调制器MZM通过频率为f’的RF源产生双边带调制，产生新频率f₁₁和f₁₂的载波，并将数据调制到频率为f₁，f₁₁和f₁₂的载波上，再与激光器2发射频率为f₂，激光器3发射频率为f₃和激光器4发射频率为f₄的载波一起耦合输入到光纤信道，传输到多个基站。针对中心站的上行链路，来自基站的信号首先通过中心站的光/电转换产生电信号，再通过接收机接收数据。

图3是基于多基站ROF系统的基站框图，主要由EDFA，WDM解复用器，SOA，PD，MZM调制器，EA，循环器，发射/接收天线组成。本发明中ROF基站的具体实施步骤：来自中心站的信号通过EDFA放大，再通过WDM解复用器分解出f₁₂和f₄两个频率的载波，一起输入到SOA，通过SOA的FWM产生频率为f’₄₁，f₁₂，f₄和f’₄₂的载波，再通过WDM解复用器分解出频率为f’₄₁，f₁₂和f₄的载波，其中频率为f’₄₁和f₁₂的载波通过PD产生拍频获得频率为f₁₂-f’₄₁的载波，再通过EA放大后进入到循环器，最后由天线发射。针对上行链路，天线接收到数据信息，通过EA放大后，再由调制器MZM将数据信息调制到频率为f₄的载波上，最后再通过光纤信道传输到中心站。

图4是基于SOA和WDM解复用器的多频率毫米波产生及多基站ROF系统框图，主要由中心站和多个基站组成，其特征一在于，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。其特征二在于，每个基站的上行链路采用了来自中心站的不同频率的载波，每个基站上行链路共享一个光纤信道，上行链路的数据传输采用WDM技术有利增加上行链路的传输容量。针对中心站的下行链路，激光器1放射出频率为f₁光源，调制器MZM通过频率为f’的RF源产生双边带调制，产生新频率f₁₁和f₁₂的载波，并将数据调制到频率为f₁，f₁₁和f₁₂的载波上，再与激光器2发射频率为f₂，激光器3发射频率为f₃和激光器4发射频率为f₄的载波一起耦合输入到光纤信道，传输到多个基站，在本发明中一个中心站与三个基站组成。在基站1，来自中心站的信号通过EDFA放大后，由WDM解复用器分解出频率为f₁₁和f₂的载波，再一起输入到SOA，由SOA产生FWM获得频率为f’₂₁，f₁₁，f₂和f’₂₂的载波，再由WDM解复用器分解出频率为f₁₁和f’₂₂的载波，再通过PD产生拍频获得频率为f’₂₂-f₁₁的毫米波，再通过EA放大经过循环器由天线发射。对于基站1的上行链路，天线接收到数据后通过循环器由EA放大，通过调制器MZM将天线接收到的数据调制到频率为f₂的载波上，再通过光纤信道传输到中心站。在基站2，来自中心站的信号通过EDFA放大后，由WDM解复用器分解出频率为f₁和f₃的载波，再一起输入到SOA，由SOA产生FWM获得频率为f’₃₁，f₁，f₃和f’₃₂的载波，再由WDM解复用器分解出频率为f’₃₁和f’₃₂的载波，再通过PD产生拍频获得频率为f’₃₂-f’₃₁的毫米波，再通过EA放大经过循环器由天线发射。对于基站2的上行链路，天线接收到数据后通过循环器由EA放大，通过调制器MZM将天线接收到的数据调制到频率为f₃的载波上，再通过光纤信道传输到中心站。在基站3，来自中心站的信号通过EDFA放大后，由WDM解复用器分解出频率为f₁₂和f₄的载波，再一起输入到SOA，由SOA产生FWM获得频率为f’₄₁，f₁₂，f₄和f’₄₂的载波，再由WDM解复用器分解出频率为f’₄₁和f₁₂的载波，再通过PD产生拍频获得频率为f₁₂-f’₄₁的毫米波，再通过EA放大经过循环器由天线发射。对于基站3的上行链路，天线接收到数据后通过循环器由EA放大，通过调制器MZM将天线接收到的数据调制到频率为f₄的载波上，再通过光纤信道传输到中心站。

本发明的有益效果：

1、在ROF系统的中心站发射出多频率的载波，但只有一个频率的载波用于下行链路的数据传输，因此色散对该基于多基站的ROF系统下行链路性能影响较小，有利提高和稳定系统的性能；

2、本ROF系统中的每个基站采用了来自中心站不同频率的载波作为上行链路数据传输，因此有利提高ROF系统中从基站到中心站的数据传输容量；

3、基于多基站ROF系统中所需要的调制器少，中心站采用了MZM实现双边带调制产生多个频率的载波，多频率的载波传输到基站，通过SOA产生FWM获得了多个不同频率的载波，在每个基站通过PD拍频产生了不同的毫米波，因此提高了基站的毫米波使用的频带；

4、每个基站均不需要光源，有利于减低本ROF系统的成本；

5、本发明支持多基站同时工作，因此本发明的使用范围较广，尤其是适合于铁路交通和机场等多节点的环境。

Claims

1.一种在多基站光载微波ROF系统中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，该方法使用多个激光器，射频RF源，马赫-曾德调制器MZM，耦合器，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，不同基站上行链路数据调制到来自中心站不同频率载波，基站到中心站的数据传输采用WDM技术实现每个基站上行链路的独立；

其特征在于所述的方法包括以下过程：

在ROF的中心站CS由激光器a发出频率为f_a的光信号输入到MZM调制器中，MZM调制器将数据调制到频率为f_a的载波上，再与激光器b发射的光信号一起耦合到光纤信道传输到每个基站；在基站，来自中心站的信号首先通过SOA产生四波混频FWM获得新的频率载波，再通过WDM解复用器分解出f_a，f_b和f_d三个频率的载波，其中f_a和f_d两个频率的载波输入到探测器PD产生拍频获得毫米波信号，最后毫米波信号通过EA放大进入到循环器通过天线发射；在基站，当天线接收到数据，接收数据通过循环器再由EA放大，进入到MZM调制器，通过调制器将数据调制到频率为f_b的载波上，最后通过光纤信道传输到中心站，在中心站通过光/电转换后由探测器接收数据；

或者，在ROF的中心站CS由激光器1发出频率为f₁的光信号输入到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f₁₁和f₁₂，再与激光器2，激光器3和激光器4发射的光信号一起耦合到光纤信道传输到每个基站；在每个基站，来自中心站的信号首先通过WDM解复用器分解出两个频率的载波，再输入到SOA产生四波混频FWM获得新的频率载波，再通过WDM解复用器分解出三个频率的载波，其中两个频率的载波输入到探测器PD产生拍频获得毫米波信号，最后毫米波信号通过EA放大进入到循环器通过天线发射；在每个基站，当天线接收到数据，接收数据通过循环器再由EA放大，进入到MZM调制器，通过调制器将数据调制到来自中心站不同频率的载波上，最后通过光纤信道传输到中心站，在中心站通过光/电转换后由探测器接收数据。

2.根据权利要求1所述的一种在多基站光载微波ROF系统中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，其特征在于，在中心站的数据只调制到一个激光器发射的光载波上，其他激光器发射的光载波不通过MZM调制器产生调制，因此，色散对系统的性能影响较小。

3.根据权利要求1所述的一种在多基站光载微波ROF系统中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，其特征在于，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所述的一种在多基站光载微波ROF系统中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，其特征在于，在每个基站，不同频率的载波输入到SOA产生FWM后获得了更多不同频率的新载波，再通过WDM解复用器分解出不同频率载波分配给BS，再通过光电检测器拍频产生不同频率的毫米波，因此有利提高基站对毫米波频带的利用率。

5.根据权利要求1所述的一种在多基站光载微波ROF系统中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，其特征在于，针对不同基站的上行链路，其采用了WDM技术实现了将天线接收到数据调制到来自中心站的不同频率载波上，因此有利提高上行链路的传输容量；每个基站采用了不同频率的载波，有利于信道间的分离，保证了上行链路信号传输的独立性。

6.根据权利要求1所述的一种在多基站光载微波ROF系统中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，其特征在于，一个中心站支持多个基站，有利于减低系统成本，且应用范围广。