CN102201871A - 光载无线收发装置及波分复用光载无线通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光载无线收发装置，包括光耦合器、光电探测器、第一微波放大器、第二微波放大器、反射型半导体光放大器、环形器、宽带天线。光载无线信号经光耦合器分为两路；一路经光电探测器转化为电信号后由第一微波放大器放大，再经环形器送到宽带天线发射，为用户提供下行无线服务；另一路由反射型半导体光放大器将下行信息擦除，然后反射至上行方向作为上行光载波；宽带天线收集的上行无线信号经环形器传输至第二微波放大器放大，并通过反射型半导体光放大器调制到上行光载波，实现上行服务。本发明还公开了一种波分复用光载无线通信系统。本发明具有对无线网络协议的透明性和兼容性，支持多种无线业务的接入和网络制式的平滑升级。
Description
技术领域
本发明涉及光载无线通信（Radio over Fiber，ROF）技术，尤其涉及一种基于反射式半导体光放大器的光载无线收发装置及波分复用光载无线通信系统。
背景技术
光载无线是一种利用光纤将射频信号从中心站拉远到接入点的新技术。该技术充分发挥了光纤技术和无线技术的优势，具有大带宽、低损耗、低成本、对协议透明和抗电磁干扰等众多优点，被认为是实现未来宽带泛在接入网络的有效解决方案。典型的光载无线系统由中心站、光纤链路和远端接入点三部分组成。其主要思想是将无线信号模拟调制到光载波上，通过光纤链路完成中心站和远端接入点的射频信号传输。在这种系统中，光纤仅起到传输的作用，交换、控制和信号的再生都集中在中心站，远端接入点仅实现光电转换，这样，可以把复杂昂贵的设备集中到中心站点，让多个远端接入点共享这些设备，减少远端接入点的功耗和成本。光载无线收发模块主要放置于接入点，实现光电/电光转换功能、射频功率放大功能以及无线信号收发功能，是光载无线系统不可或缺的关键组成部分，可以用于有线电视、移动通信基站、分布式天线系统、卫星通信、射电望远镜阵列、雷达和电子战系统等。
就目前的研究进展来看，主流的光载无线收发模块（包括具有单一接收或发射功能的宽带光载无线发射机或宽带光载无线接收机）都内置有激光器以及波长选择器件。由此类模块组成的光载无线系统，中心站下行无线信号的分发以及接入点上行信号的汇聚需要不同的激光波长作为载波。输入到该收发模块中的下行信号需要首先经过波长选择器件或者光环形器，以避免上下行信号相互串扰；然后将下行信号引入光电探测器转化为电信号，放大后由天线辐射到自由空间，为用户终端提供下行服务。同时，宽带天线收集用户终端的上行无线信号，放大后直接调制或外调制内置激光器；调制后的光信号经过光环形器或波长选择器件发送回中心站，提供上行服务。基于激光器的无线收发模块方案有着明显不足：激光器价格昂贵、对温度控制和波长控制电路的要求很高；每一个激光器有着特定的波长，使得该收发模块不适合大规模生产，对中心站处理设备也有较大挑战；上行下行需要不同的波长，频谱效率较低；此外，建设和运行维护的成本较高，需要多个模块备用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、易集成、对波长无选择性的光载无线收发装置，使基于该装置的光载无线通信系统具有广泛兼容性和易升级性，从而降低系统的整体成本并提高可靠性。
具体而言，本发明采用如下技术方案实现上述目的：
一种光载无线收发装置，该装置包括：
光耦合器，其具有第一至第三输入/输出端口，所述第一输入/输出端口用于与外部连接实现下行信号输入和上行信号输出；
光电探测器，其输入端与所述光耦合器的第二输入/输出端口连接；
第一微波放大器，其输入端口与所述光电探测器的输出端口连接；
反射型半导体光放大器，其具有光输入/输出端，以及电信号调制端，其中光输入/输出端与所述光耦合器的第三输入/输出端口连接；
第二微波放大器，其输出端口与所述反射式半导体光放大器的电信号调制端连接；
环形器，其具有至少三个沿微波传输方向顺序分布的端口：第一、第二、第三端口，其中第一、第三端口分别与第一微波放大器的输出端口及第二微波放大器的输入端口连接；
宽带天线，该宽带天线与所述环形器的第二端口连接。
根据上述光载无线收发装置，可得一种波分复用光载无线通信系统，包括中心站、多个接入点，以及分别连接中心站和各接入点的光链路，其特征在于，每个接入点包含一个如权利要求1所述光载无线收发装置，该光载无线收发装置的光耦合器的第一输入/输出端口与相应的光链路连接；所述中心站采用波长作为不同接入点的标签，将信号分发到不同接入点。
相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明中，上下行信号共享光载波，载波波长仅取决于输入端的光波长，无需为上下行信号分别准备特定波长的光源及备份光源，使得该装置具有很好的通用性，可以大批量生产；
2、本发明的无线信号收发功能由宽带天线完成，光电/电光转换功能分别由光电探测器和反射型半导体光放大器，功率放大功能由微波放大器完成，整个收发过程对信号的调制格式、编码方式乃至无线网络协议没有具体要求，这使得该光载无线收发装置具有对无线网络协议的透明性和兼容性，支持多种无线业务的接入和网络制式的平滑升级。
3、基于本发明的光载无线通信系统，接入点设备没有波长选择性，使得中心站可以自由灵活地对波长资源进行动态调配；同时接入点设备具有对无线网络协议的透明性，使得系统升级只需在中心站进行，减少升级的难度和成本。
附图说明
图1为本发明的光载无线收发装置的结构示意图；
图2为反射型半导体光放大器的结构示意图；
图3为反射型半导体光放大器信号擦除的原理示意图；
图4为本发明的光载无线通信系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
图1为本发明提供的光载无线收发装置的结构示意图，包括一个光耦合器100，一个光电探测器200，一个反射型半导体光放大器300，两个微波放大器400、500，一个环形器600和一个宽带天线700。光耦合器100具有I、A、B三个输入/输出端口，其中I端口用于与外部连接实现下行信号输入和上行信号输出，A端口与光电探测器200的输入端连接，B端口与反射型半导体光放大器300的光输入/输出端连接；光电探测器200的输出端与微波放大器400的输入端连接；反射型半导体光放大器300的电信号调制端与微波放大器500的输出端连接。本具体实施方式中，环形器600为具有沿微波传输方向顺序分布的C、D、E端口的三端环形器，其中C端口和E端口分别与微波放大器400的输出端口及微波放大器500的输入端口连接，D端口与宽带天线700连接。本发明也可采用其它类型的环形器，例如具有三个或更多端口的微带式、波导式、带状线或同轴式环形器等。
反射型半导体光放大器具备信号擦除、反射、放大和再调制功能，有着无色透明的特点（Lee W., MY Park, et al, “Bidirectional WDM-PON based on gain-saturated reflective semiconductor optical amplifiers,” IEEE Photonics Technology Letters, vol. 17, no. 1, pp. 2460 – 2462, 2005）。目前反射型半导体光放大器已应用于波分复用无源光网络（WDM-PON）中，是透明光网络单元的关键器件。反射型半导体光放大器的结构如图2所示，相比于两端都镀增透膜的传统半导体光放大器，它的一个端面上镀上了高反射膜，这样只有一个光输入/输出端口和一个电信号调制端口。在电信号调制端输入的电流驱动下，反射型半导体光放大器有源层价带的电子会激发到导带，当外界输入光通过放大器时，有源层导带的电子受激跃迁到价带，辐射出与外界输入光同频率、同相位、同偏振的光子，从而对输入光进行放大。如果同时快速改变调制电流，输出的光功率就会随控制信号变化，因此，反射型半导体光放大器在对信号起放大作用的同时，还能实现调制的功能。利用反射型半导体光放大器的增益饱和效应，可以实现下行信号的擦除，其原理如图3所示。当反射型半导体光放大器的输入功率较大时，输出功率便不再随输入功率变化，达到饱和，此时，信号中的强弱变化被消除，输出信号中不再包含信息。
光载无线下行信号输入到该装置后，被光耦合器100通过A端口和B端口分为两路。A路信号进入光电探测器200转变成电信号，传送至第一微波放大器400进行放大，然后从环形器600的C端口输入并从D端口输出，最后通过宽带天线700辐射至自由空间，从而实现了下行信号的光电转换、功率放大和信号发射功能，提供中心站到用户终端的下行服务；B路信号进入反射型半导体光放大器300。在反射型半导体光放大器300中，B路信号所含的信息被有效擦除；用户终端发出的无线信号由宽带天线700收集，从环形器600的D端口输入并从E端口输出，进入第二微波放大器500，放大后的信号进入反射型半导体光放大器300的电信号调制端，对信息擦除后的光信号（即光载波）进行再调制，完成电光转换功能；被调制的光波被反射型半导体光放大器300反射回中心站，实现上行服务。
由于本发明装置的上下行信号共享光载波，载波波长仅取决于输入端的光波长，无需为上下行信号分别准备特定波长的光源及备份光源，使得该装置具有对光波长的透明性；同时本发明的无线信号收发功能由宽带天线完成，光电/电光转换功能分别由光电探测器和反射型半导体光放大器，功率放大功能由微波放大器完成，整个收发过程对信号的调制格式、编码方式乃至无线网络协议没有具体要求，使得该装置具有对无线网络协议的透明性和兼容性，支持多种无线业务的接入和网络制式的平滑升级。
基于本发明的光载无线收发装置，可组建波分复用光载无线通信系统，其结构如图4所示。该系统包括中心站，N个接入点（N为自然数），分别连接中心站和各接入点的光链路。中心站一方面通过适配接口与主干网或城域网连接，一方面向多个接入点提供多业务服务。为了区分每个接入点的信息，中心站采用波长作为标签，将不同波长的光信号通过光链路传输到各接入点，每个接入点包含一个本发明提供的光载无线收发装置，服务一个用户小区。该收发装置完成下行信号的光电转换、功率放大和信号发射功能，最终为用户提供多业务服务。同时，由用户终端发出的上行信号被该收发装置接收、放大和电光转换后送回中心站处理。当前，反射型半导体光放大器可以支持频率大于2.5 GHz的再调制，而光电探测器、微波放大器、环形器和宽带天线的工作频段可以覆盖0.5-2.5 GHz，因而本装置可以用于WiFi、3G、WiMax、LTE、GSM等无线通信系统以及Zigbee、RFID、WSN等无线感知系统。
以上所述的具体实施例，对于本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明。应当理解的是，以上所述仅为本发明方案的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在不脱离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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种光载无线收发装置，其特征在于，包括：
光耦合器，其具有第一至第三输入/输出端口，所述第一输入/输出端口用于与外部连接实现下行信号输入和上行信号输出；
光电探测器，其输入端与所述光耦合器的第二输入/输出端口连接；
第一微波放大器，其输入端口与所述光电探测器的输出端口连接；
反射型半导体光放大器，其具有光输入/输出端，以及电信号调制端，其中光输入/输出端与所述光耦合器的第三输入/输出端口连接；
第二微波放大器，其输出端口与所述反射式半导体光放大器的电信号调制端连接；
环形器，其具有至少三个沿微波传输方向顺序分布的端口：第一、第二、第三端口，其中第一、第三端口分别与第一微波放大器的输出端口及第二微波放大器的输入端口连接；
宽带天线，该宽带天线与所述环形器的第二端口连接。
2.如权利要求1所述光载无线收发装置，其特征在于，所述环形器为三端环形器。
3.一种波分复用光载无线通信系统，包括中心站、多个接入点，以及分别连接中心站和各接入点的光链路，其特征在于，每个接入点包含一个如权利要求1所述光载无线收发装置，该光载无线收发装置的光耦合器的第一输入/输出端口与相应的光链路连接；所述中心站采用波长作为不同接入点的标签，将信号分发到不同接入点。
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