CN102227100A

CN102227100A - 一种基于双调制器并联结构的rof系统

Info

Publication number: CN102227100A
Application number: CN2011101672337A
Authority: CN
Inventors: 高嵩; 裴丽; 宁提纲; 祁春慧; 赵瑞峰; 李卓轩; 刘超
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2011-06-21
Filing date: 2011-06-21
Publication date: 2011-10-26

Abstract

本发明公开一种基于双调制器并联结构的ROF系统，涉及微波光子和光纤通信等领域。为了克服目前ROF系统存在的下行高倍频毫米波生成与上行高频信号降频的技术难点，采用并联的第一、第二双极马赫-曾德尔调制器(30、31)结构产生多频率谐波分量。利用第一、第二光纤布拉格光栅(60、61)和第一、第二环形器(50、51)进行频率选择，采用第一至第五光电探测器(40、41、42、43、44)产生下行四倍频毫米波和上行信号降频的信号。正弦信号发生器(21)输出信号频率在1GHz～30GHz之间，可以产生4GHz～120GHz的毫米波信号，并提供上行信号降频所用的信号。采用第一、第二混频器(80、81)将上行高频信号与降频信号混频用以降低上行链路信号的频率。

Description

一种基于双调制器并联结构的ROF系统

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

ROF(Radio Over Fiber)是一种光纤通信与无线通信相结合的技术，其大容量、低成本、低功耗的特点使其成为超宽带无线接入最有前景的技术之一。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，Base Station)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、路由等复杂功能在中心站完成，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。

在ROF下行链路中，毫米波生成技术是关键的技术，目前主流的光生毫米波技术有：直接调制法、外部调制法、光外差方法等。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最成熟的方法。将外部调制法与光外差法结合起来，利用双极马赫-曾德尔调制器(De-MZM)对输入的激光信号进行调制，可以利用其产生的高次谐波进行外差产生高倍的毫米波信号。在目前的ROF系统中，往往只考虑下行链路的毫米波生成，忽略上行链路信号降频解调，不利于工程的实际应用。一种采用SOA产生ROF系统毫米波的方法及装置(专利号：200910004491)中利用了SOA的四波混频效应通过光外差法生成了ROF系统所需的下行毫米波信号，但是上行链路信号的降频解调并未实现。

为了工程的实际应用，考虑ROF系统的上行链路信号的降频解调是必不可少的。在ROF上行链路中，为了降低接收信号的频率，解调出基带信号，往往需要高频的本地振荡器来提供降频的频率信号，使用高频振荡器不仅会增加系统成本，而且会增加系统结构复杂性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服目前ROF系统存在的下行链路高倍频毫米波生成与上行链路进行高频信号降频的技术难点，提供一种基于双调制器并联结构的ROF系统。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案：

一种基于双调制器并联结构的ROF系统，该ROF系统包括：第一、第二激光器，3dB耦合器，正弦信号发生器，第一、第二双极马赫-曾德尔调制器，第一至第五光电探测器，掺饵光纤放大器，第一、第二光纤布拉格光栅，第一、第二环形器，第一、第二单模光纤，发射天线，接收天线，第一、第二混频器，光电强度调制器，解调器，第一、第二相移器，第一、第二低通滤波器。

上述各部分之间的连接：

第一激光器的输出端连接3dB耦合器的输入端，3dB耦合器的第一输出端连接第一双极马赫-曾德尔调制器的输入端，3dB耦合器的第二输出端连接第二双极马赫-曾德尔调制器的输入端。

正弦信号发生器的输出端分别连接第一双极马赫-曾德尔调制器的上臂和第一相移器的输入端；第一相移器的输出端连接第一双极马赫-曾德尔调制器的下臂；第一双极马赫-曾德尔调制器的输出端连接第一光电探测器的输入端；第一光电探测器的输出端分别连接第二双极马赫-曾德尔调制器的上臂和第二相移器的输入端；第二相移器的输出端连接第二双极马赫-曾德尔调制器的下臂。

第二双极马赫-曾德尔调制器的输出端连接掺饵光纤放大器的输入端，掺饵光纤放大器的输出端连接第一环形器的第一端口，第一环形器的第二端口连接第一光纤布拉格光栅的反射端，第一环形器的第三端口连接第二光电探测器的输入端；第二光电探测器的输出端连接第一混频器的第一输入端。

第一光纤布拉格光栅的透射端连接第一单模光纤的一端，第一单模光纤的另一端连接第二环形器的第一端口，第二环形器的第二端口连接第二光纤布拉格光栅的反射端，第二环形器的第三端口连接第三光电探测器的输入端；第三光电探测器的输出端连接第二混频器的第一输入端。

第二光纤布拉格光栅的透射端连接第四光电探测器的输入端，第四光电探测器的输出端连接发射天线，接收天线连接第二混频器的第二输入端；第二混频器的输出端连接第一低通滤波器的输入端，第一低通滤波器的输出端连接光电强度调制器的电输入端；第二激光器的输出端连接光电强度调制器的光输入端；光电强度调制器的输出端连接第二单模光纤的一端，第二单模光纤的另一端连接第五光电探测器的输入端；第五光电探测器的输出端连接第一混频器的第二输入端；第一混频器的输出端连接解调器的输入端，解调器的输出端连接第二低通滤波器的输入端。

所述的正弦波信号发生器输出信号的频率为1GHz～30GHz，第二光电探测器输出频率为4GHz～120GHz的毫米波信号。

所述的第一光纤布拉格光栅的中心波长为第一激光器的输出波长，3dB带宽为正弦信号发生器输出信号频率f_RF的两倍，反射率为50％。

所述的第二光纤布拉格光栅的中心波长为第一激光器的输出波长，3dB带宽为正弦信号发生器输出信号频率f_RF的两倍，反射率为100％。

本发明和已有技术相比所具有的有益效果具体如下：

本发明使用并联的双级马赫-曾德尔调制器结构进行调制，可以生成下行四倍频毫米波信号。利用光纤布拉格光栅进行频率选择，使得下行产生的多余信号全部用于上行链路降频使用，避免了频率的浪费。由于光纤布拉格光栅是直接在光纤上制作形成的器件，避免了额外的插入损耗。更重要的是本结构将下行毫米波信号生成与上行毫米波信号降频结合在一起，将生成下行毫米波过程中产生的多余频率分量与所需频率分量通过光纤布拉格光栅分离，既提高了频率的利用率，又没有增加额外的器件。这使得本结构具有成本低，结构简单，易于工程应用的特点。

附图说明

图为一种基于双调制器并联结构的ROF系统。

在图中：第一激光器10、第二激光器11、3dB耦合器20、正弦信号发生器21、掺饵光纤放大器22、发射天线23、光电强度调制器24、解调器25、第一相移器26、第二相移器27、接收天线28、第一双极马赫-曾德尔调制器30、第二双极马赫-曾德尔调制器31、第一光电探测器40、第二光电探测器41、第三光电探测器42、第四光电探测器43、第五光电探测器44、第一环形器50、第二环形器51、第一光纤布拉格光栅60、第二光纤布拉格光栅61、第一单模光纤70、第二单模光纤71、第一混频器80、第二混频器81、第一低通滤波器90、第二低通滤波器91。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

一种基于双调制器并联结构的ROF系统，如图所示，该ROF系统包括：第一、第二激光器10、11，3dB耦合器20，正弦信号发生器21，第一、第二双极马赫-曾德尔调制器30、31，第一至第五光电探测器40、41、42、43、44，掺饵光纤放大器22，第一、第二光纤布拉格光栅60、61，第一、第二环形器50、51，第一、第二单模光纤70、71，发射天线23，接收天线28，第一、第二混频器80、81，光电强度调制器24，解调器25，第一、第二相移器26、27，第一、第二低通滤波器90、91。

上述各部分之间的连接与工作原理为：

第一激光器10的输出端连接3dB耦合器20的输入端，3dB耦合器20的第一输出端连接第一双极马赫-曾德尔调制器30的输入端，3dB耦合器20的第二输出端连接第二双极马赫-曾德尔调制器31的输入端。经过3dB耦合器20，激光器10的输出分成功率相等的两束光，分别作为第一双极马赫-曾德尔调制器30和第二输出端连接第二双极马赫-曾德尔调制器31的光载波信号。

正弦信号发生器21的输出端分别连接第一双极马赫-曾德尔调制器30的上臂和第一相移器26的输入端。第一相移器26的输出端连接第一双极马赫-曾德尔调制器30的下臂。

调节第一双极马赫-曾德尔调制器30上、下臂的偏置电压分别为零和其半波电压的一半。并且调节第一相移器26，使其实现π相位相移。第一双极马赫-曾德尔调制器30在这样的条件下可以实现双边带调制，其表达式为：

E₁＝A[J₀(mπ)exp[j2πf_ot]-J₁(mπ)exp[j2π(f₀-f_RF)t]-J₁(mπ)exp[j2π(f₀+f_RF)t]] (1)

其中J_n为n阶贝塞尔函数；A为第一激光器10输出信号的强度；f_o与f_RF分别为第一激光器10和正弦信号发生器21输出信号的频率；m为第一双极马赫-曾德尔调制器30的调制深度。

第一双极马赫-曾德尔调制器30的输出端连接第一光电探测器40的输入端；第一光电探测器40的输出端分别连接第二双极马赫-曾德尔调制器31的上臂和第二相移器27的输入端；第二相移器27的输出端连接第二双极马赫-曾德尔调制器31的下臂。

调节第二双极马赫-曾德尔调制器31上、下臂的偏置电压分别为零和其半波电压。并且调节第二相移器27，使其实现π相位相移。这样第二双极马赫-曾德尔调制器31可以实现光载波抑制调制，其表达式为：

E_{2} = - jA J_{1} (απ) \{\begin{matrix} \exp [j 2 π (f_{o} - 2 f_{RF}) t] \\ + \exp [j 2 π (f_{o} + 2 f_{RF}) t] \end{matrix}\} - {jAJ}_{1} (βπ) \{\begin{matrix} \exp [j 2 π (f_{o} - f_{RF}) t] \\ + \exp [j 2 π (f_{o} + f_{RF}) t] \end{matrix}\} - - - (2)

其中α，β分别为不同调制信号下第二双极马赫-曾德尔调制器31的调制深度。

第二双极马赫-曾德尔调制器31的输出端连接掺饵光纤放大器22的输入端，掺饵光纤放大器22的输出端连接第一环形器50的第一端口，第一环形器50的第二端口连接第一光纤布拉格光栅60的反射端，第一环形器50的第三端口连接第二光电探测器41的输入端；第二光电探测器41的输出端连接第一混频器80的第一输入端。

第一光纤布拉格光栅60的透射端连接第一单模光纤70的一端，第一单模光纤70的另一端连接第二环形器51的第一端口，第二环形器51的第二端口连接第二光纤布拉格光栅61的反射端，第二环形器51的第三端口连接第三光电探测器42的输入端；第三光电探测器42的输出端连接第二混频器81的第一输入端。

第二光纤布拉格光栅61的透射端连接第四光电探测器43的输入端，第四光电探测器43的输出端连接发射天线23，接收天线28连接第二混频器81的第二输入端；第二混频器81的输出端连接第一低通滤波器90的输入端，第一低通滤波器90的输出端连接光电强度调制器24的电输入端；第二激光器11的输出端连接光电强度调制器24的光输入端；光电强度调制器24的输出端连接第二单模光纤71的一端，第二单模光纤71的另一端连接第五光电探测器44的输入端；第五光电探测器44的输出端连接第一混频器80的第二输入端；第一混频器80的输出端连接解调器25的输入端，解调器25的输出端连接第二低通滤波器91的输入端。

制作第一光纤布拉格光栅60的中心波长为第一激光器10的输出波长，3dB带宽为正弦信号发生器21输出信号频率f_RF的两倍，反射率为50％。

制作第二光纤布拉格光栅61的中心波长为第一激光器10的输出波长，3dB带宽为正弦信号发生器21输出信号频率f_RF的两倍，反射率为100％。

上行链路信号与第三光电探测器42的输出混频并且经过第一低通滤波器90进行滤波后输入到光电强度调制器24的电输入端作为调制信号。第二激光器11的输出经光电强度调制器24调制后输入第二单模光纤71。传输后输入到第五光电探测器44进行光电转换。第五光电探测器44的输出与第二光电探测器41的输出混频后输入解调器25，经解调器25解调、第二低通滤波器91滤波后得到上行基带信号。

正弦波信号发生器21输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21的输出频率得到频率为4GHz～120GHz的毫米波信号。

如：当正弦波信号发生器21输出信号的频率为1GHz的时候，产生的毫米波信号频率为4GHz。

如：当正弦波信号发生器21输出信号的频率为15GHz的时候，产生的毫米波信号频率为60GHz。

如：当正弦波信号发生器21输出信号的频率为30GHz的时候，产生的毫米波信号频率为120GHz。

上述器件均为市售器件。

Claims

1.一种基于双调制器并联结构的ROF系统，其特征在于：

该ROF系统包括第一、第二激光器(10、11)，3dB耦合器(20)，正弦信号发生器(21)，第一、第二双极马赫-曾德尔调制器(30、31)，第一至第五光电探测器(40、41、42、43、44)，掺饵光纤放大器(22)，第一、第二光纤布拉格光栅(60、61)，第一、第二环形器(50、51)，第一、第二单模光纤(70、71)，发射天线(23)，接收天线(28)，第一、第二混频器(80、81)，光电强度调制器(24)，解调器(25)，第一、第二相移器(26、27)，第一、第二低通滤波器(90、91)；所述各部分的连接为：

第一激光器(10)的输出端连接3dB耦合器(20)的输入端，3dB耦合器(20)的第一输出端连接第一双极马赫-曾德尔调制器(30)的输入端，3dB耦合器(20)的第二输出端连接第二双极马赫-曾德尔调制器(31)的输入端；

正弦信号发生器(21)的输出端分别连接第一双极马赫-曾德尔调制器(30)的上臂和第一相移器(26)的输入端；第一相移器(26)的输出端连接第一双极马赫-曾德尔调制器(30)的下臂；第一双极马赫-曾德尔调制器(30)的输出端连接第一光电探测器(40)的输入端；第一光电探测器(40)的输出端分别连接第二双极马赫-曾德尔调制器(31)的上臂和第二相移器(27)的输入端；第二相移器(27)的输出端连接第二双极马赫-曾德尔调制器(31)的下臂；

第二双极马赫-曾德尔调制器(31)的输出端连接掺饵光纤放大器(22)的输入端，掺饵光纤放大器(22)的输出端连接第一环形器(50)的第一端口，第一环形器(50)的第二端口连接第一光纤布拉格光栅(60)的反射端，第一环形器(50)的第三端口连接第二光电探测器(41)的输入端；第二光电探测器(41)的输出端连接第一混频器(80)的第一输入端；

第一光纤布拉格光栅(60)的透射端连接第一单模光纤(70)的一端，第一单模光纤(70)的另一端连接第二环形器(51)的第一端口，第二环形器(51)的第二端口连接第二光纤布拉格光栅(61)的反射端，第二环形器(51)的第三端口连接第三光电探测器(42)的输入端；第三光电探测器(42)的输出端连接第二混频器(81)的第一输入端；

第二光纤布拉格光栅(61)的透射端连接第四光电探测器(43)的输入端，第四光电探测器(43)的输出端连接发射天线(23)，接收天线(28)连接第二混频器(81)的第二输入端；第二混频器(81)的输出端连接第一低通滤波器(90)的输入端，第一低通滤波器(90)的输出端连接光电强度调制器(24)的电输入端；第二激光器(11)的输出端连接光电强度调制器(24)的光输入端；光电强度调制器(24)的输出端连接第二单模光纤(71)的一端，第二单模光纤(71)的另一端连接第五光电探测器(44)的输入端；第五光电探测器(44)的输出端连接第一混频器(80)的第二输入端；第一混频器(80)的输出端连接解调器(25)的输入端，解调器(25)的输出端连接第二低通滤波器(91)的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种基于双调制器并联结构的ROF系统，其特征在于：

所述的正弦波信号发生器(21)输出信号的频率为1GHz～30GHz，第二光电探测器(41)输出频率为4GHz～120GHz的毫米波信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于双调制器并联结构的ROF系统，其特征在于：

所述的第一光纤布拉格光栅(60)的中心波长为第一激光器(10)的输出波长，3dB带宽为正弦信号发生器(21)输出信号频率f_RF的两倍，反射率为50％。

4.根据权利要求1所述的一种基于双调制器并联结构的ROF系统，其特征在于：

所述的第二光纤布拉格光栅(61)的中心波长为第一激光器(10)的输出波长，3dB带宽为正弦信号发生器(21)输出信号频率f_RF的两倍，反射率为100％。