CN102136877A - 高铁内基于60GHz毫米波的宽带接入系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高铁内60GHz毫米波的宽带接入系统和方法，该系统中控制车厢内的中心站装置中的下行发送模块通过多波长激光器产生N个独立光信号，并分别对其信息调制，再利用波分复用技术将其复用至同一条链路上，基站装置对接收到的N路光信号进行解复用；在各个客户车厢内的基站，下行接收模块将光信号转化为含有信息的毫米波射频信号，并通过基站发送至模拟客户端，实现下行链路的宽带接入；各个基站的上行发送模块将从模拟客户端得到的毫米波射频信号转化为已被信息调制的光信号，再将每个基站输出的光信号复用并传至中心站装置，中心站装置的上行接收模块将接收到的光信号进行解复用和解调，从而实现上行链路的宽带接入。

Description

高铁内基于60GHz毫米波的宽带接入系统和方法

技术领域

本发明涉及铁路通信技术，特别涉及光无线融合技术在高铁通信系统中的应用及对现有通信技术的改进。

背景技术

无线化和宽带化是当今通信行业乃至整个信息业的热点。无线通信使人们能够随时随地和任何人进行通信。而宽带通信可以将数据、Internet、语音、视频和多媒体应用传送到商业和用户，这两者的结合无疑是未来通信的发展方向。目前，第一代和第二代移动通信每秒可以传输的数据仅有几十到十万多比特，第三代移动通信每秒可以传输的数据也只到2兆比特，其远远未能达到宽带通信的要求。为了提高无线通信系统的容量并实现宽带通信，提高其工作频率是非常必要的。目前我国的大多数业务都集中在3GHz以下，现有的低频段频率资源几乎都被占用的，但对于30GHz以上的频率资源却较少利用，充分利用这些频谱资源，可以实现超带宽的无线接入。基于ROF技术的无线接入系统融合了光通信技术和无线接入技术，即具备光通信技术的高带宽和低损耗特点，还具有无线通信的接入灵活方便的等优点，其主要特点有：

1.损耗低，传输距离长

在ROF系统中利用光纤传输毫米波信号。目前商用的石英单模光纤(SMF)在1550nm和1310nm通信窗口的损耗分别为0.2dB/km和0.5dB/km；塑料光纤(Polymer Optical Fiber，POF)在500～1300nm频段的衰减大概在10～40dB/km之间，这些都远远低于同轴电缆的损耗。将射频信号调制在光波上，以光的方式在光纤中传播射频信号，光纤的低损耗使其传输距离成倍增加，而且所需要的注入功率也大大降低。

2.可用带宽大

光纤具有巨大的带宽资源，三个低损耗窗口：850nm、1310nm和1550nm(C波段：1530～1560nm)，总计可提供50THz的带宽资源，而目前广泛商用的系统仅仅利用了约为1.6THz的带宽。光纤的传输能力还可以进一步提高，如近几年相继开发出L波段(1570～1610nm)、S波段(1470～1520nm)窗口以及全波段的无水峰光纤，这些窗口的成功开发使从1280nm到1625nm的广阔光频范围内，都能实现光信号的低损耗传输。

3.安装简单，容易维护

由于毫米波系统需要更多的基站，如果基站与中心站距离较远，维护成本将是运营成本的主要部分。ROF技术使基站结构简单，而复杂昂贵的设备都集中在中心站。这种体系结构使基站功能和结构简化，体积小巧轻便，可以有效地降低系统的安装和维护成本。同时，较小的基站还可以降低对环境的影响和污染。

4.可实现多操作，多服务通信

ROF技术能够满足系统级操作的灵活性。依据微波产生技术，ROF分布系统能够实现信号格式的透明化，可以将低损耗单模光纤和射频载波调制技术结合起来的IM-DD链路设计成为一个透明的线性系统，这样的ROF系统可以用来支持分布多操作、多服务通信业务，进而降低系统的成本。

5.可实现资源的动态配置

由于交换机、调制器和其它微波功能器件都放在中心站，这就便于实现资源配置的动态化，如一个支持GSM系统业务的ROF分布系统能够将更多的资源和容量配置到某一个地点(如人口密度极大的高铁)。随着业务需求的增大，这些动态配置功能可以通过WDM技术进行系统扩容；另外中心站和远端基站的结构能够进一步简化其信号处理功能，如宏观复用传输、移动切换等功能。

6.抗电磁干扰性好，功耗低

光纤通信具有良好的抗电磁干扰能力，这一性能对微波通信尤其重要。ROF技术将微波信号加载在光波上并在光纤中传输，使其不受外界电磁场的干扰，同时也不会对外界产生电磁干扰；另外，光纤通信还具有良好的抗窃听能力，可以提供更安全的通信。

由于所有复杂的设备都放置在中心站，结构简单、器件少的基站消耗的电能会大大减小。最近还有人提出无源基站方案，即基站不需要电能供给仍然可以正常工作，这使基站可以安装在没有电力供应的地方，如铁路经过的沙漠，更好的解决由地理问题造成的通信故障。

铁路通信网是为旅客和铁路公务、应急抢险、行车维修等人员提供及时可靠的通信，以提高服务等级和运输效率。众所周知，目前商用移动通信系统都基于蜂窝结构，即每个蜂窝有一个基站，移动台通过其所在蜂窝的基站接入移动通信网络。从理论上讲，通过不断地将蜂窝进行细分，即缩小蜂窝的半径。可以无限制的增大系统的容量。然而蜂窝的数量的急剧增加和单个基站容量的上升势必导致整个移动通信网络基站成本的提高。由于频带资源有限，加之传统蜂窝系统采用频分复用技术，从而产生小区间干扰；此外，CDMA蜂窝系统由于地址码间互相关性不理想，具有自干扰性。当小区半径缩小时，干扰随之增强，严重制约了系统容量，同时基站密度也将急剧加大，系统的复杂度和成本呈指数级上升。以现在投入运营使用的3G移动通信系统为例，它仍然采用蜂窝结构，能达到2Mbps的数据传输速率和实现大系统容量和无缝覆盖。但铁路通信的密度大、用户数量多，对通信质量要求高，因此，传统的无线接入网很难以合理的比特成本同时满足铁路要求的高速/大容量与高覆盖率的要求。

在未来的铁路乃至整个交通通信系统中，宽带移动通信尤为重要，基站的灵活性和覆盖性也起着重要作用。传统的基站结构复杂、体积大、设备多为有源器件，这就造成了系统的成本高且不易管理。从整个系统的可扩展性和透明传输性来说，现有的无线通信系统都面临一定的限制。

当通信系统的电磁波发射源与接收器发生相对运动的时候，会导致所接收到的传播频率发生改变。当运动速度达到一定阀值时，将会引起传输频率的明显改变，这称之为多普勒频移。CDMA采用相干解调，要求接收机本地解调载波与接收信号的载波同频同相，载波频率的抖动对接收机的解调性能将产生影响。当列车运行方向与电磁波传播方向一致时，多普勒频移最为明显，不同的运行速度，产生不同的频率偏差，随着火车的提速将会影响通信网络的正常运行，使移动台接收到的信号失真。

目前铁路通信采用的完全是无线通信方式，在带宽和容量上都有一定的限制，尤其是铁路通信密度大、覆盖地域广且高速运行存在多普勒效应影响，这就对通信技术有了更高的要求，我国目前的铁路通信技术还相对落后，只能满足基本的通信需求。但从更高的通信目标来说，比如为了实现列车的实时定位、追踪，让列车上和列车下的公务人员都能够随时随地获得整个路况信息，实现列车运行、调度等自动控制，能够为广大旅客提供除语音服务外，还能提供传真、数据、视频、移动通信及Internet等服务，还有向铁路沿线的居民提供电信业务，为了能够解决这些对日益增长的通信容量和移动性的潜在需求，同时降低接入网的成本，需要引进一种新的通信技术。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高铁内60GHz毫米波的宽带接入系统，该系统能够满足高铁内大容量通信的需求。

本发明的另一目的在于提供一种高铁内60GHz毫米波的宽带接入方法，该方法能够满足高铁内大容量通信的需求

为达上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种高铁内60GHz毫米波的宽带接入系统，该系统包括：控制车厢内的中心站装置、连接处的链路装置和客户车厢内的基站装置；

所述控制车厢内的中心站装置包括下行发送模块和上行接收模块；所述下行发送模块用于产生N路独立的且被信息调制的下行光信号，输出至所述链路装置；所述N路独立的光信号为中心波长不同且互不重叠的光信号；所述N路被信息调制的光信号由2N路的信号组合而成，其中N路被信息调制，另外N路为SSB调制产生的其他波长的光载波；所述下行光信号即由中心站传输至基站的光信号；所述上行接收模块用于接收来自链路装置的N路上行光信号，并对其进行解调；所述上行光信号即由基站传输至中心站的光信号；N为大于等于1的正整数。

所述连接处的链路装置利用WDM技术分别传输已被信息调制的N路下行光信号和N路上行光信号至对应的接收端。

所述客户车厢内的基站装置包括1个去复用器、1个复用器和N个客户车厢内的微型基站；所述去复用器利用WDM技术将接收到的下行的波分复用光信号分解，获得N路独立的光信号，输出至对应的基站；所述复用器将来自于各基站的N路独立光信号合为一路，以上行WDM信号的形式输出至链路装置；所述微型基站包括上行发送模块和下行接收模块；所述上行发送模块将来自于客户端的毫米波射频信号转化为上行光信号，输出至中心站；所述下行接收模块将来自于中心站的下行信号，并将其转化为毫米波射频信号，以电磁辐射的形式将信息传输至客户端，从而实现光无线技术的融合。

上述装置中，所述下行发送模块包括：

多波长光源，通过光纤与分波器相连，作为光链路传输的光源产生一系列不同波长的组合信号，输出至分波器；

分波器，将接收到的含有不同波长的信号进行分割，使其变为N路独立的光信号，输出至分支器；

下行信号驱动器，用于产生含有信息的高速数据流信号，输出含有信息的高速数据流信号至信号调制器；

分支器，将分波器输出的其中一路光信号按照一定的功率比例分为两路，分别至信号调制器和SSB调制器。

信号调制器，三个端口分别于分支器、合并器和下行信号驱动器相连，将下行信号驱动器输出的高速数据流信号调制于光信号上，由分支器输出的一路光信号进入信号调制器，而由下行信号驱动器提供的模拟电信号进入信号调制器的电信号控制端，通过调制器端电压的不断变化，实现模拟信号对光信号的调制，输出已调制的光信号至合并器；

SSB调制器，将光载波进行SSB的相位调制，从而产生频移的光载波；所述SSB调制为光射频信号调制的一种，可以产生频移单边带的信号，如光信号的频率为f₀，射频信号的频率为f_m，则产生的频移单边带信号为f₀+f_m或f₀-f_m；

合并器，将信号调制器和SSB调制器输出的两路光信号合为一路，输出至复用器；

复用器，将N路不同波长的且已被信息调制的光信号合为一路，输出至链路装置。

上述装置中，所述上行接收模块包括去复用器、N个光电检测器、N个低通滤波器和上行信号接收器；

所述去复用器利用WDM技术将接收到的上行的波分复用光信号分解，获得N路独立的光信号，输出至光电检测器；

所述上行光电检测器用于实现上行信号的光电转换，获得与光信号相关的模拟电信号；

所述低通滤波器用于滤除带外的高频信号和噪声，输出带内信号至上行信号接收器；

所述上行信号接收器，用于对获得的电信号进行解调和判决，从而得到与发送端相对应的信号序列。

上述装置中，所述链路装置包括：两路光纤；

光纤，一条的两端分别链至下行链路的复用器和去复用器，另一条分别与上行链路的复用器和去复用器相连，作为传递介质用于传输光链路上的光信号。

上述装置中，所述上行发送模块包括：

客户端，即使用宽带接入的装置，如多媒体高清电视，电脑，其与接收天线通过60GHz无线信号相连接。

接收天线，利用电磁感应技术，接收来自客户端的携带信息的60GHz射频信号，输出至60GHz射频解调器；

60GHz射频解调器，利用包络检波技术或匹配滤波技术从60GHz射频信号中解调出包含信息的基带信号，输出至上行低通滤波器；所述包络检波技术即根据基带信号对高频信号调制后形成的包络曲线，利用二极管、电容等元器件提取出其基带信号幅度的过程；所述匹配滤波技术为使得所选用的滤波器的输出信噪比最大，且传输特性为所传递信号频谱的复共轭的滤波形式；

上行低通滤波器，用于滤除射频解调器输出的基带信号的带外的高频信号和噪声，输出带内信号至上行时分复用处理器；

上行时分复用处理器，利用时分复用技术将同一基站覆盖范围的同时通信的用户的上行信号进行时间分配，以保证在宏观上实现多服务的同时控制和处理，输出信号至直接调制器；所述时分复用技术即将信道按时间分成若干片段轮换地给多个信号使用，每一时间片由复用的一个信号单独占用，在规定的时间内，多个信号都可按要求传输到达，从而实现了一条物理信道上传输多个数字信号的技术；

调制器，通过调制技术将时分复用器输出的电信号调制在相应的光载波上，实现电/光的转换，输出光信号至所述基站装置的复用器；所述调制器与权利要求2中所述信号调制相同。

上述装置中，所述下行接收模块包括分波器、光带通滤波器、光电检测器、下行低通滤波器、下行时分复用处理器和发送天线；

所述分波器用于分离携带信息的光信号和SSB调制的频移单边带信号，将携带信息的光信号输入至光带通滤波器，SSB调制的频移单边带信号输出至所述上行发送模块；

所述光带通滤波器用于滤出对应信道通带外的信号和噪声，以避免信道之间的相互干扰和噪声对信号的影响过大，并输出信号至下行光电检测器；

所述下行光电检测器用于实现下行信号的光电转换，获得与光信号相关的模拟电信号，输出电信号至下行低通滤波器；

所述下行低通滤波器用于滤除带外的高频信号和噪声，输出带内信号至下行时分复用器；所述带内信号仍为模拟电信号；

所述下行时分复用器利用时分复用技术将同一基站覆盖范围的同时通信的用户的下行信号进行时间分配，以保证在宏观上实现多服务的同时控制和处理，输出信号至60GHz射频调制器；

所述60GHz射频调制器将获得的基带的模拟电信号调制在射频通带内，并输出含有信息的射频信号至发送天线；

所述发送天线利用电磁辐射的形式将射频信号传递至所述客户端。

一种基于60GHz毫米波的宽带接入方法，该方法包括：

A、在下行发送端，利用去复用技术将多波长光束分割为N路独立的下行光信号，并对每路光信号进行信息调制，获得N路被信息调制的光信号，再利用波分复用技术将N路调制信号复用至同一条链路上，传至下行接收端，在下行接收端，利用去复用技术将复用光信号分解为N路独立的光信号，并将其转化为60GHz毫米波射频信号，以电磁辐射的形式将信息传输至客户端，实现下行链路的光无线技术的融合；所述下行发送端位于所述系统中控制车厢的中心站装置；所述N路独立的光信号为中心波长不同且互不重叠的光信号；所述N路被信息调制的光信号由2N路信号组合而成，其中N路被信息调制，另外N路为SSB调制产生的其他波长的光载波；所述下行光信号即由中心站传输至基站的光信号；所述下行接收端位于所述系统中客户车厢内的基站装置；N为大于等于1的正整数。

B、在上行发送端，将客户端输出的毫米波射频信号转化为N路独立的上行光信号，并利用波分复用技术将N路上行光信号复用至同一条链路上，传至上行接收端，在上行接收端，利用去复用技术将复用光信号分解为N路独立的光信号，并对每路信号进行解调，获得基带信号，从而实现上行链路的光无线技术的融合；所述上行发送端位于所述系统中客户车厢的基站装置；所述上行接收端位于所述系统中控制车厢内的中心站装置；N为大于等于1的正整数。

上述方法中，步骤A所述在下行发送端，利用去复用技术将多波长光束分割为N路独立的下行光信号，并对每路光信号进行信息调制，获得N路被信息调制的光信号包括：

A1、多波长光源输出含有N个中心波长的一路光信号；

A3、将含有N个中心波长的一路光信号进行分割，使其分为N路独立的光信号；

A2、将每路光信号按1∶1的功率比例分成两支光信号，对其中一支光信号进行信息调制，对另一支光信号进行SSB调制，再合为一路，从而获得N路被信息调制的光信号；所述SSB调制为光射频信号调制的一种，可以产生频移单边带的信号，如光信号的频率为f₀，射频信号的频率为f_m，则产生的频移单边带信号为f₀+f_m或f₀-f_m。

上述方法中，步骤A所述利用去复用技术将复用光信号分解为N路独立的光信号，并将其转化为60GHz毫米波射频信号包括：

A4、在所述下行接收端，利用去复用技术将获得的服用光信号分解为N路独立的光信号；所述下行接收端位于客户车厢

A5、将获得每路光信号进行带通滤波，以避免信道之间的相互干扰和噪声对信号的影响过大，获得较为纯净的光信号；

A6、将每路获得的纯净的光信号进行光电检测，获得与光信号相关的模拟电信号，并对其进行电域的低通滤波，滤除带外的高频信号和噪声；

A7、将由A6获得的电信号进行实时的短暂存储，并把预定的每比特传输时间分为L+2个时隙，其中的L个时隙用于传输信号，另外两个时隙用于传输信令和同步信息，在每个时隙内输出对应的数字电信号；这里L为大于等于1的整数，表示在同一客户车厢内正在使用此服务的客户数；

A8、将A7获得电信号调制在60GHz毫米波上，获得60GHz射频毫米波信号。

上述方法中，步骤B所述在上行发送端，将客户端输出的60GHz毫米波射频信号转化为N路独立的上行光信号，并利用波分复用技术将N路上行光信号复用至同一条链路上包括：

B1、在所述上行发送端，接收天线利用电磁感应技术，接收来自客户端的携带信息的60GHz射频信号，并利用包络检波技术或匹配滤波技术从60GHz射频信号中解调出包含信息的基带信号；所述包络检波技术即根据基带信号对高频信号调制后形成的包络曲线，利用二极管、电容等元器件提取出其基带信号幅度的过程；所述匹配滤波技术为使得所选用的滤波器的输出信噪比最大，且传输特性为所传递信号频谱的复共轭的滤波形式；

B2、将获得的基带信号进行带通滤波，滤除60GHz射频解调器输出的基带信号的带外的高频信号和噪声，获得较为纯净的基带信号；

B3、将由B2获得的电信号进行实时的短暂存储，并把预定的每比特传输时间分为L+2个时隙，其中的L个时隙用于传输信号，另外两个时隙用于传输信令和同步信息，在每个时隙内输出对应的电信号，即比特率变为原来的L+2倍；这里L为大于等于1的整数，表示在同一客户车厢内正在使用此服务的客户数

B4、将由B3电信号通过调制技术调制在相应的光载波上，实现电/光的转换；所述相应的光载波由对应客户车厢内所述下行接收模块的可调谐滤波器提供的。

B5、利用波分复用技术把来自于N个所述基站的上行光信号复用至同一条链路上。

由上述的技术方案可知，本发明提供了一种高铁内基于60GHz毫米波的宽带接入系统和方法，该系统中采用了ROF的光无线融合技术的接入网络，相对于传统的高铁内通信的系统网络，其充分利用了光纤通信大容量、低损耗的优点以及60GHz毫米波无线通信频谱利用率高和灵活接入的优势，极大的提高了高铁内通信的传输速率；且采用厢内基站通信的方式，将大量的技术设备放在中心站，极大地降低了多普勒频移直接对用户通信造成的干扰，在一定程度上获得了宽带接入的实现。

附图说明

图1为本发明高铁内基于60GHz毫米波的宽带接入系统结构示意图。

图2为本发明高铁内基于60GHz毫米波的宽带接入方法的流程图。

图3为接收到的第i路的上行信号的眼图。

图4为接收到的第i路的下行信号的眼图。

具体实施方式

为了本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参考附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明提供了一种高铁内60GHz毫米波的宽带接入系统和方法，该系统中控制车厢内的中心站装置包含的下行发送模块通过多波长激光器产生N个独立光信号，并分别对其进行信息调制，再利用波分复用技术将N路光信号复用至同一条链路上，基站装置对接收到的N路光信号进行解复用，并输出至各个客户车厢内的基站，在基站，下行接收模块将光信号转化为含有信息的毫米波射频信号，并通过基站发送至模拟客户端，实现下行链路的光无线技术的融合；各个基站的上行发送模块将从模拟客户端得到的毫米波射频信号转化为已被信息调制的光信号，再将每个基站输出的光信号复用并传至中心站装置，中心站装置的上行接收模块将接收到的光信号进行解复用和解调，从而实现上行链路的光无线技术的融合。

图1为本发明中高铁内60GHz毫米波的宽带接入系统结构示意图，现结合图1，对本发明中高铁内60GHz毫米波的宽带接入系统结构进行说明，具体如下：

本发明中高铁内60GHz毫米波的宽带接入系统包括：中心站装置10、链路装置11和信号处理装置12。其中，中心站装置10包括一个下行发送模块(图1中未示出)和上行接收模块(图1中未表示出)；基站装置包括N个微型基站，每个微型基站包括下行接收模块(图1中未表示出)和上行发送模块(图1中未表示出)。

中心站装置10，位于控制车厢内，其下行发送模块用于产生N路独立的且被信息调制的下行光信号，输出至所述链路装置11。中心站装置10中的上行接收模块获得来自于链路装置11输出的N路上行光信号，并对其进行解复用和解调。

N路独立的光信号为中心波长不同且互不重叠的光信号；N路被信息调制的光信号由2N路偏振正交的信号组合而成，其中N路被信息调制，另外N路为对应光信号的偏振复用；下行光信号即由中心站传输至基站的光信号；上行光信号即由基站传输至中心站的光信号；N为大于等于1的正整数；本发明所提供的系统中N值为16。

链路装置11利用WDM技术分别传输已被信息调制的N路下行光信号和N路上行光信号至对应的接收端。

基站装置12中，位于客户车厢内(图1仅画出第i个)，其去复用器利用WDM技术将接收到的下行的波分复用光信号分解，获得N路独立的光信号，输出至对应的基站，基站中的下行接收模块将来自于中心站的下行信号，并将其转化为毫米波射频信号，以电磁辐射的形式将信息传输至客户端；基站中的上行发送模块将来自于模拟客户端的毫米波射频信号转化为上行光信号，输出至复用器，复用器将来自于各基站的N路独立光信号合为一路，以上行WDM信号的形式输出至链路装置11。

其中，下行发送模块包括多波长激光器1000、去复用器1001、下行信号驱动器1002、马泽调制器1003、射频源1004、分波器1005、磷酸铝调制器1006、合并器1007、复用器1008。

多波长激光器1000，通过光纤与光梳妆滤波器相连，作为光链路传输的光源产生一系列不同波长的组合信号，输出至光梳妆滤波器；本发明的系统选用的多波长激光器产生的多波长数为16。

去复用器1001，将接收到的含有不同波长的信号进行分割，使其变为16路独立的光信号，使每路信号输出至对应的分波器1005(图中仅画出i路的，此路中心波长为1552nm)。解复用器可采用现有的波导阵列光栅(AWG)，现简单对去复用器1001对含有16个中心波长的一路光信号分割获得N路独立的光信号进行说明：解复用器1001可采用1*16的波导阵列光栅(AWG)，其中，输入端为1个，输出端为16个；AWG包括输入波导、两个平面耦合波导、阵列波导和输出波导；当含有16个中心波长的一路光信号进入输入波导时，该路光信号经输入波导进入第一个平面耦合波导，该路光信号中的16个中心波长不同的光信号在第一个平面耦合波导中发生衍射而耦合进阵列波导；由于阵列波导是由很多长度依次递增的波导路径构成，衍射后的光信号经阵列波导中的不同波导路径后发生相位延迟，阵列波导输出的光信号在第二平面耦合波导中相干叠加产生不同中心波长的16路独立的光信号

下行信号驱动器1002，用于产生含有信息的高速数据流信号，输出含有信息的高速数据流信号至强度调制器。每个高速数据流信号都为2.5Gbit/s的基带信号。信号驱动器2003的具体结构属于现有技术的内容，在此不再赘述。

马泽调制器1003，用于实现信号的强度调制，其一端与分波器1005相连，另一端链至合并器1007，将下行信号驱动器1002输出的高速数据流信号调制于1552nm光信号上，由分波器1005输出的一路光信号进入马泽调制器1003，而由下行信号驱动器提供的模拟电信号进入马泽调制器1003的电信号控制端，通过调制器端电压的不断变化，实现模拟信号对光信号的调制，输出已调制的光信号至合并器1007；图1中仅画出了第i路的马泽调制器。

射频源1004，与磷酸铝调制器1006相连，作为磷酸铝调制器1006的电信号输入端的信号源。本发明所提供的系统中，射频源1004输出的射频信号的频率为20GHz。

分波器1005，一端链至去复用器，另两端分别与磷酸铝调制器和马泽调制器相连。

磷酸铝调制器1006，一端与分波器1005相连，另一端链至合并器1007，将分支器输出的另一路光信号进行相位调制。这里简单介绍磷酸铝调制器1006的调制原理：其调制公式为

$E\left(t\right)=\frac{\mathrm{\α}}{2}\exp \left(j{\mathrm{\ω}}_{c}t\right)[\mathrm{expj}\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}(V_{\mathrm{DC}1}+V_1\cos {\mathrm{\ω}}_{m}t)+\mathrm{expj}\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}(V_{\mathrm{DC}2}+V_2\cos ({\mathrm{\ω}}_{m}t+\mathrm{\θ}))]$

其中，α为调制器的幅度衰减，ω_c为输入光信号的频率，V₁、V₂分别为上、下臂的射频电压幅度，V_π为半波电压，θ为加在调制器上、下臂间的射频信号的相位差。在本发明的系统中选用的是V_DC＝V_DC2-V_DC1，V₂＝V₁，θ＝90°，即光信号的SSB调制。输入信号光功率为193.4THz，产生另一路光载波的射频193.46THz。

合并器1007，将马泽调制器和磷酸铝调制器输出的两路光信号合为一路，输出至复用器；

复用器1008，将16路不同波长的且已被信息调制光信号合为一路，输出至链路装置，复用器和去复用器可采用现有的波导阵列光栅，其结构为现有技术内容，在此不再赘述。

上行接收模块包括去复用器1010、光电检测器PD1011、高斯低通滤波器1012和眼图仪1013

去复用器1010利用WDM技术将接收到的上行的波分复用光信号分解，获得16路独立的光信号，输出至对应的光电检测器(图1中仅画出第i路的)，其结构已在上面进行阐述，在此不再赘述。

上行光电检测器PD1011(图1中仅画出第i路的)用于实现上行信号的光电转换，获得与光信号相关的模拟电信号。上行光电检测器PD的结构及实现原理为现有技术内容，在此不再赘述。

高斯低通滤波器1012(图1中仅画出第i路的)用于滤除带外的高频信号和噪声，输出带内信号至上行信号接收器；

眼图仪1013(图1中仅画出第i路的)，对接收到的上行信号与发送的信号进行比较，显示对应的眼图。其中，第i路的眼图为图3

链路装置路装置包括：两路光纤，铺设在控制车厢与客户车厢的连接处。一条111的两端分别链至下行链路的复用器和去复用器，作为下行信号的传递介质，另一条112分别于上行链路的复用器和去复用器相连，作为上行信号的传递介质。本发明的系统中采用的光纤为普通标准单模光纤，长度为1km。

上行发送模块包括信号成形器1210、60GHz调制芯片1211、高斯信道模块1212、60GHz解调芯片1213、贝塞尔低通滤波器1214、马泽调制器1215。

信号成形器1210，作为信号源，输出电信号至60GHz调制芯片1211，本发明的系统中上行信号的速率为2Gbit/s。

60GHz调制芯片1211，对接收到的基带信号进行射频调制，输出调制信号至高斯信道模块1212，本发明的系统中所采用的60GHz调制芯片为。

高斯信道模块1212，此模块用于模拟60GHz的毫米波信号在无线信道中传输模型，主要考虑的为时间选择性衰落、频域选择性衰落。

60GHz解调芯片1213，对接收到的射频信号进行解调，输出基带信号至贝塞尔低通滤波器1214，本发明的系统中所采用的60GHz调制芯片为。

贝塞尔低通滤波器1214，用于滤除60GHz解调芯片1213输出的基带信号的带外的高频信号和噪声，输出带内信号至马泽调制器1215；

马泽调制器1215，作为上行信号的外调制器，将贝塞尔低通滤波器1214输出的电信号调制由可调谐滤波器1220输出的信号上，并输出调制信号至链路装置11。

下行接收模块包括包括可调谐带通滤波器1220、光高斯带通滤波器1221、光电检测器PD1222、贝塞尔低通滤波器1223、60GHz调制芯片1224、高斯信道模型1225、60GHz解调芯片1226、高斯低通滤波器1227和眼图仪1228。

可调谐带通滤波器1220(图1中仅画出第i路的)，可选择不同的波长范围以及对应的带宽，从而实现对多波长信号的分离。可调谐带通滤波器的结构和技术为现有技术内容，在此就不再赘述。本发明所提供的系统中分离出的信号为193.1THz和193.14THz(位于第i个轿厢的基站内)，前者携带下行信息，输出至光高斯带通滤波器1221，后者作为上行信号的光载波，输出至外调制器1215。

光高斯带通滤波器1221用于滤出下行对应信道通带外的信号和噪声，以避免信道之间的相互干扰和噪声对信号的影响过大，并输出信号至光电检测器PD1222；光电检测器PD1222将获得的光信号进行光电转换，输出携带信息的电信号。贝塞尔低通滤波器1223用于滤出光电检测器PD1222所产生的带外噪声和倍频信号，将基带信号输入至60GHz调制芯片1224，对基带信号进行射频调制，输出调制信号至高斯信道模块1225，以模拟60GHz毫米波信号的无线传输模型，并利用60GHz解调芯片1226对其进行下变频后，通过高斯低通滤波器1227，再利用眼图仪1228观测下行信号变化程度，图4为所述第i路的下行信号的眼图。对于上述器件，在图1中仅画出了第i路的。

图2为本发明基于60GHz毫米波的宽带接入方法的流程图，现结合图2，对本发明基于60GHz毫米波的宽带接入方法进行说明，具体如下：

步骤201：在下行发送端，利用去复用技术将多波长光束分割为N路独立的下行光信号，并对每路光信号进行信息调制，获得N路被信息调制的光信号，再利用波分复用技术将N路调制信号复用至同一条链路上，传至下行接收端，在下行接收端，利用去复用技术将复用光信号分解为N路独立的光信号，并将其转化为60GHz毫米波射频信号，以电磁辐射的形式将信息传输至客户端，实现下行链路的光无线技术的融合。

其中，下行发送端位于控制车厢的中心站装置；N路独立的光信号为中心波长不同且互不重叠的光信号；N路被信息调制的光信号由2N路信号组合而成，其中N路被信息调制，另外N路为SSB调制产生的其他波长的光载波；下行光信号即由中心站传输至基站的光信号；下行接收端位于所述系统中客户车厢内的基站装置；N为大于等于1的正整数。

在该步骤中，在下行发送端，利用去复用技术将多波长光束分割为N路独立的下行光信号，并对每路光信号进行信息调制，获得N路被信息调制的光信号包括：

步骤2011：多波长光源输出含有N个中心波长的一路光信号。

步骤2012：利用去复用技术将获得的含有N个中心波长的一路光信号进行分割获得N路独立的下行光信号。

步骤2013：将每路光信号按1∶1的功率比例分成两支光信号，对其中一支光信号进行信息调制，对另一支光信号进行SSB调制，再合为一路，从而获得N路被信息调制的光信号；所述SSB调制为光射频信号调制的一种，可以产生频移单边带的信号，如光信号的频率为f₀，射频信号的频率为f_m，则产生的频移单边带信号为f₀+f_m或f₀-f_m。

在步骤201中，利用去复用技术将复用光信号分解为N路独立的光信号，并将其转化为60GHz毫米波射频信号包括：

步骤2014在所述下行接收端，利用去复用技术将获得的服用光信号分解为N路独立的光信号；其中下行接收端位于客户车厢。

步骤2015：将获得每路光信号进行带通滤波，以避免信道之间的相互干扰和噪声对信号的影响过大，获得较为纯净的光信号。

步骤2016：将每路获得的纯净的光信号进行光电检测，获得与光信号相关的模拟电信号，并对其进行电域的低通滤波，滤除带外的高频信号和噪声。

步骤2017：将由2016获得的电信号进行实时的短暂存储，并把预定的每比特传输时间分为L+2个时隙，其中的L个时隙用于传输信号，另外两个时隙用于传输信令和同步信息，在每个时隙内输出对应的数字电信号；这里L为大于等于1的整数，表示在同一客户车厢内正在使用此服务的客户数。

步骤2018：将2017获得电信号调制在60GHz毫米波上，获得60GHz射频毫米波信号。

步骤202：在上行发送端，将客户端输出的毫米波射频信号转化为N路独立的上行光信号，并利用波分复用技术将N路上行光信号复用至同一条链路上，传至上行接收端，在上行接收端，利用去复用技术将复用光信号分解为N路独立的光信号，并对每路信号进行解调，获得基带信号，从而实现上行链路的光无线技术的融合。

其中，上行发送端位于所述系统中客户车厢的基站装置；上行接收端位于所述系统中控制车厢内的中心站装置；N为大于等于1的正整数。

在该步骤中：在上行发送端，将客户端输出的60GHz毫米波射频信号转化为N路独立的上行光信号，并利用波分复用技术将N路上行光信号复用至同一条链路上包括：

2021、在所述上行发送端，接收天线利用电磁感应技术，接收来自客户端的携带信息的射频信号，并利用包络检波技术或匹配滤波技术从射频信号中解调出包含信息的基带信号；所述包络检波技术即根据基带信号对高频信号调制后形成的包络曲线，利用二极管、电容等元器件提取出其基带信号幅度的过程。其中，匹配滤波技术为使得所选用的滤波器的输出信噪比最大，且传输特性为所传递信号频谱的复共轭的滤波形式。

2022、将获得的基带信号进行带通滤波，滤除60GHz射频解调器输出的基带信号的带外的高频信号和噪声，获得较为纯净的基带信号。

2023、将由2022获得的电信号进行实时的短暂存储，并把预定的每比特传输时间分为L+2个时隙，其中的L个时隙用于传输信号，另外两个时隙用于传输信令和同步信息，在每个时隙内输出对应的电信号，即比特率变为原来的L+2倍；这里L为大于等于1的整数，表示在同一客户车厢内正在使用此服务的客户数。

2024、将由2023电信号通过调制技术调制在相应的光载波上，实现电/光的转换；所述相应的光载波由对应客户车厢内所述下行接收模块的可调谐滤波器提供的。

2025、利用波分复用技术把来自于N个所述基站的上行光信号复用至同一条链路上。

本发明的上述实例中，采取了基于毫米波光无线融合技术的接入网络，相对于传统的高铁内通信的系统网络，其充分利用了光纤通信大容量、低损耗的优点以及60GHz毫米波无线通信频谱利用率高和灵活接入的优势，极大的提高了高铁内通信的传输速率；且采用厢内基站通信的方式，将大量的技术设备放在中心站，极大地降低了多普勒频移直接对用户通信造成的干扰，在一定程度上获得了高铁内宽带接入的实现。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种高铁内60GHz毫米波的宽带接入系统，其特征在于，该系统包括：控制车厢内的中心站装置、连接处的链路装置和客户车厢内的基站装置；

所述控制车厢内的中心站装置包括下行发送模块和上行接收模块；所述下行发送模块用于产生N路独立的且被信息调制的下行光信号，输出至所述链路装置；所述N路独立的光信号为中心波长不同且互不重叠的光信号；所述N路被信息调制的光信号由2N路的信号组合而成，其中N路被信息调制，另外N路为SSB调制产生的其他波长的光载波；所述下行光信号即由中心站传输至基站的光信号；所述上行接收模块用于接收来自链路装置的N路上行光信号，并对其进行解调；所述上行光信号即由基站传输至中心站的光信号；N为大于等于1的正整数；

所述连接处的链路装置利用WDM技术分别传输已被信息调制的N路下行光信号和N路上行光信号至对应的接收端。

所述客户车厢内的基站装置包括1个去复用器、1个复用器和N个客户车厢内的微型基站；所述去复用器利用WDM技术将接收到的下行的波分复用光信号分解，获得N路独立的光信号，输出至对应的基站；所述复用器将来自于各基站的N路独立光信号合为一路，以上行WDM信号的形式输出至链路装置；所述微型基站包括上行发送模块和下行接收模块；所述上行发送模块将来自于客户端的毫米波射频信号转化为上行光信号，输出至中心站；所述下行接收模块将来自于中心站的下行信号，并将其转化为毫米波射频信号，以电磁辐射的形式将信息传输至客户端，从而实现光无线技术的融合；

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述下行发送模块包括：

多波长光源，通过光纤与分波器相连，作为光链路传输的光源产生一系列不 同波长的组合信号，输出至分波器；

分波器，将接收到的含有不同波长的信号进行分割，使其变为N路独立的光信号，输出至分支器；

下行信号驱动器，用于产生含有信息的高速数据流信号，输出含有信息的高速数据流信号至信号调制器；

分支器，将分波器输出的其中一路光信号按照一定的功率比例分为两路，分别至信号调制器和SSB调制器。

信号调制器，三个端口分别于分支器、合并器和下行信号驱动器相连，将下行信号驱动器输出的高速数据流信号调制于光信号上，由分支器输出的一路光信号进入信号调制器，而由下行信号驱动器提供的模拟电信号进入信号调制器的电信号控制端，通过调制器端电压的不断变化，实现模拟信号对光信号的调制，输出已调制的光信号至合并器；

SSB调制器，将光载波进行SSB的相位调制，从而产生频移的光载波；所述SSB调制为光射频信号调制的一种，可以产生频移单边带的信号，如光信号的频率为f₀，射频信号的频率为f_m，则产生的频移单边带信号为f₀+f_m或f₀-f_m；

合并器，将信号调制器和SSB调制器输出的两路光信号合为一路，输出至复用器；

复用器，将N路不同波长的且已被信息调制的光信号合为一路，输出至链路装置。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述上行接收模块包括去复用器、N个光电检测器、N个低通滤波器和上行信号接收器；

所述去复用器利用WDM技术将接收到的上行的波分复用光信号分解，获得N 路独立的光信号，输出至光电检测器；

所述上行光电检测器用于实现上行信号的光电转换，获得与光信号相关的模拟电信号；

所述低通滤波器用于滤除带外的高频信号和噪声，输出带内信号至上行信号接收器；

所述上行信号接收器，用于对获得的电信号进行解调和判决，从而得到与发送端相对应的信号序列。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述链路装置包括：两路光纤；

光纤，一条的两端分别链至下行链路的复用器和去复用器，另一条分别于上行链路的复用器和去复用器相连，作为传递介质用于传输光链路上的光信号。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述上行发送模块包括：

客户端，即使用宽带接入的装置，如多媒体高清电视，电脑，其与接收天线通过60GHz无线信号相连接。

接收天线，利用电磁感应技术，接收来自客户端的携带信息的60GHz射频信号，输出至60GHz射频解调器；

60GHz射频解调器，利用包络检波技术或匹配滤波技术从60GHz射频信号中解调出包含信息的基带信号，输出至上行低通滤波器；所述包络检波技术即根据基带信号对高频信号调制后形成的包络曲线，利用二极管、电容等元器件提取出其基带信号幅度的过程；所述匹配滤波技术为使得所选用的滤波器的输出信噪比最大，且传输特性为所传递信号频谱的复共轭的滤波形式；

上行低通滤波器，用于滤除射频解调器输出的基带信号的带外的高频信号和 噪声，输出带内信号至上行时分复用处理器；

上行时分复用处理器，利用时分复用技术将同一基站覆盖范围的同时通信的用户的上行信号进行时间分配，以保证在宏观上实现多服务的同时控制和处理，输出信号至调制器；所述时分复用技术即将信道按时间分成若干片段轮换地给多个信号使用，每一时间片由复用的一个信号单独占用，在规定的时间内，多个信号都可按要求传输到达，从而实现了一条物理信道上传输多个数字信号的技术；

调制器，通过调制技术将时分复用器输出的电信号调制在相应的光载波上，实现电/光的转换，输出光信号至所述基站装置的复用器；所述调制器与权利要求2中所述信号调制相同；

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述下行接收模块包括分波器、光带通滤波器、光电检测器、下行低通滤波器、下行时分复用处理器、发送天线和客户端；

所述分波器用于分离携带信息的光信号和SSB调制的频移单边带信号，将携带信息的光信号输入至光带通滤波器，SSB调制的频移单边带信号输出至所述上行发送模块；

所述光带通滤波器用于滤出对应信道通带外的信号和噪声，以避免信道之间的相互干扰和噪声对信号的影响过大，并输出信号至下行光电检测器；

所述下行光电检测器用于实现下行信号的光电转换，获得与光信号相关的模拟电信号，输出电信号至下行低通滤波器；

所述下行低通滤波器用于滤除带外的高频信号和噪声，输出带内信号至下行时分复用器；所述带内信号仍为模拟电信号； 

所述下行时分复用器利用时分复用技术将同一基站覆盖范围的同时通信的用户的下行信号进行时间分配，以保证在宏观上实现多服务的同时控制和处理，输出信号至60GHz射频调制器；

所述60GHz射频调制器将获得的基带模拟电信号调制在射频通带内，并输出含有信息的射频信号至发送天线；

所述发送天线利用电磁辐射的形式将射频信号传递至所述客户端；

7.一种基于60GHz毫米波的宽带接入方法，其特征在于，该方法包括：

A、在下行发送端，利用去复用技术将多波长光束分割为N路独立的下行光信号，并对每路光信号进行信息调制，获得N路被信息调制的光信号，再利用波分复用技术将N路调制信号复用至同一条链路上，传至下行接收端，在下行接收端，利用去复用技术将复用光信号分解为N路独立的光信号，并将其转化为60GHz毫米波射频信号，以电磁辐射的形式将信息传输至客户端，实现下行链路的光无线技术的融合；所述下行发送端位于所述系统中控制车厢的中心站装置；所述N路独立的光信号为中心波长不同且互不重叠的光信号；所述N路被信息调制的光信号由2N路信号组合而成，其中N路被信息调制，另外N路为SSB调制产生的其他波长的光载波；所述下行光信号即由中心站传输至基站的光信号；所述下行接收端位于所述系统中客户车厢内的基站装置；N为大于等于1的正整数；

B、在上行发送端，将客户端输出的毫米波射频信号转化为N路独立的上行光信号，并利用波分复用技术将N路上行光信号复用至同一条链路上，传至上行接收端，在上行接收端，利用去复用技术将复用光信号分解为N路独立的光信号，并对每路信号进行解调，获得基带信号，从而实现上行链路的光无线技术的融合；所述上行发送端位于所述系统中客户车厢的基站装置；所述上行接 收端位于所述系统中控制车厢内的中心站装置；N为大于等于1的正整数。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤A所述在下行发送端，利用去复用技术将多波长光束分割为N路独立的下行光信号，并对每路光信号进行信息调制，获得N路被信息调制的光信号包括：

A1、多波长光源输出含有N个中心波长的一路光信号；

A3、将含有N个中心波长的一路光信号进行分割，使其分为N路独立的光信号；

A2、将每路光信号按1∶1的功率比例分成两支光信号，对其中一支光信号进行信息调制，对另一支光信号进行SSB调制，再合为一路，从而获得N路被信息调制的光信号；所述SSB调制为光射频信号调制的一种，可以产生频移单边带的信号，如光信号的频率为f₀，射频信号的频率为f_m，则产生的频移单边带信号为f₀+f_m或f₀-f_m；

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤A所述利用去复用技术将复用光信号分解为N路独立的光信号，并将其转化为60GHz毫米波射频信号包括：

A4、在所述下行接收端，利用去复用技术将获得的服用光信号分解为N路独立的光信号；所述下行接收端位于客户车厢；

A5、将获得每路光信号进行带通滤波，以避免信道之间的相互干扰和噪声对信号的影响过大，获得较为纯净的光信号；

A6、将每路获得的纯净的光信号进行光电检测，获得与光信号相关的模拟电信号，并对其进行电域的低通滤波，滤除带外的高频信号和噪声；

A7、将由A6获得的电信号进行实时的短暂存储，并把预定的每比特传输时 间分为L+2个时隙，其中的L个时隙用于传输信号，另外两个时隙用于传输信令和同步信息，在每个时隙内输出对应的数字电信号；这里L为大于等于1的整数，表示在同一客户车厢内正在使用此服务的客户数；

A8、将A7获得电信号调制在60GHz毫米波上，获得60GHz射频毫米波信号。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤B所述在上行发送端，将客户端输出的60GHz毫米波射频信号转化为N路独立的上行光信号，并利用波分复用技术将N路上行光信号复用至同一条链路上包括：

B1、在所述上行发送端，接收天线利用电磁感应技术，接收来自客户端的携带信息的60GHz射频信号，并利用包络检波技术或匹配滤波技术从60GHz射频信号中解调出包含信息的基带信号；所述包络检波技术即根据基带信号对高频信号调制后形成的包络曲线，利用二极管、电容等元器件提取出其基带信号幅度的过程；所述匹配滤波技术为使得所选用的滤波器的输出信噪比最大，且传输特性为所传递信号频谱的复共轭的滤波形式；

B2、将获得的基带信号进行带通滤波，滤除60GHz射频解调器输出的基带信号的带外的高频信号和噪声，获得较为纯净的基带信号；

B3、将由B2获得的电信号进行实时的短暂存储，并把预定的每比特传输时间分为L+2个时隙，其中的L个时隙用于传输信号，另外两个时隙用于传输信令和同步信息，在每个时隙内输出对应的电信号，即比特率变为原来的L+2倍；这里L为大于等于1的整数，表示在同一客户车厢内正在使用此服务的客户数

B4、将由B3电信号通过调制技术调制在相应的光载波上，实现电/光的转换；所述相应的光载波由对应客户车厢内所述下行接收模块的可调谐滤波器提供的。 

B5、利用波分复用技术把来自于N个所述基站的上行光信号复用至同一条链路上 。

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