CN102324979B - 一种光学四倍频毫米波光载无线通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学四倍频毫米波光载无线通信系统，包括中心站、基站和下行链路光纤，所述的中心站和基站通过下行链路光纤连接，所述中心站包括用光纤依次串接的激光器、双电极马赫-曾德尔光调制器和掺铒光纤放大器；所述双电极马赫-曾德尔光调制器用于产生含有余弦微波信号的四次谐波边频分量，并携带OFDM-16QAM数据信息；所述基站用于接收含有余弦微波信号的四次谐波边频分量和携带的OFDM-16QAM数据信息，通过对接收到的信号进行调节偏压、滤波和放大，得到可供天线发射的OFDM-16QAM调制的毫米波信号。本发明结构简单，易于实现，成本低廉。

Description

一种光学四倍频毫米波光载无线通信系统

技术领域

本发明涉及光载无线通信领域，特别是涉及一种基于OFDM-16QAM的光学四倍频毫米波光载无线通信系统。

背景技术

无线通信有限的频谱资源和有限的传输距离使它的发展受到很大的限制，如何有效利用光通信与无线通信的优势，实现光通信与无线通信的融合将成为未来通信的发展方向。无线通信在40GHz～60GHz附近高频段的频谱资源丰富，而且不需要频率使用授权，如果将其作为无线信号载波频率，足够实现超宽带的无线通信的业务需求，因此光载无线通信(简称“RoF”)技术应运而生。RoF系统中运用光纤作为基站(简称“BS”)与中心站(简称“CS”)之间的传输链路，直接利用光载波来传输射频信号。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，基站仅实现光电转换，这样，可以把复杂昂贵的设备集中到中心站点，让多个远端基站共享这些设备，减少基站的功耗和成本，实现大容量、低成本的射频信号的有线传输、超宽带的无线接入。

RoF是当今世界的研究热点之一。RoF是光纤射频通信或射频光纤链路的简称，它涉及了固定无线通信(无线接入网和无线局域网)和移动无线通信。在学术上RoF属于副载波复用光纤通信技术，是把携带信息的射频调制到光波上进行传输，因此是典型的射频与光波结合技术，它涉及用光波方法产生射频，用射频调制光波，通过光纤传输已调光波，把射频从光波上解调下来等一系列变换。

正交频分复用OFDM是一种多载波数字调制技术，OFDM技术以其抗干扰能力强、频谱利用率高、传输容量大等特点被公认为4G的核心技术。毫米波RoF作为无线信号在光纤媒介中的传输技术也被认为是4G网络的组网技术之一，因此，OFDM和RoF技术都是4G研究热点，现有的在毫米波RoF信号生成系统中采用OFDM调制方式研究还比较少，所以需要发明一种OFDM调制方式的光学倍频毫米波RoF信号生成系统，它不仅从光波产生毫米波，同时又把OFDM信号调制到毫米波上。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有毫米波生成技术系统复杂、成本高昂、基站与移动端都需要毫米波本振源，从而提供一种结构简单，易于实现，成本低廉基于OFDM-16QAM的光学四倍频毫米波光载无线通信系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种光学四倍频毫米波光载无线通信系统，包括中心站、基站和下行链路光纤，所述的中心站和基站通过下行链路光纤连接，所述中心站包括用光纤依次串接的激光器、双电极马赫-曾德尔光调制器和掺铒光纤放大器；所述双电极马赫-曾德尔光调制器用于产生含有余弦微波信号的四次谐波边频分量，并携带OFDM-16QAM数据信息；所述基站用于接收含有余弦微波信号的四次谐波边频分量和携带的OFDM-16QAM数据信息，通过对接收到的信号进行调节偏压、滤波和放大，得到可供天线发射的OFDM-16QAM调制的毫米波信号。

所述基站包括光探测器、前置低噪声放大器、功分器、第一带通滤波器、第一毫米波放大器、毫米发射波天线、第二带通滤波器和第二毫米波放大器；所述的光探测器的光输入端通过下行链路光纤与所述掺铒光纤放大器相连，用于接收含有余弦微波信号的四次谐波边频分量和携带的OFDM-16QAM数据信息，所述光探测器的电输出端与所述的前置低噪声放大器的输入端相连；所述的前置低噪声放大器的输出端与所述的功分器的输入端相连；所述的功分器的第一输出端与第一带通滤波器的输入端相连，所述的第一带通滤波器与第一毫米波放大器的输入端相连，所述的第一毫米波放大器的输出端与所述的毫米发射波天线相连；所述的功分器的第二输出端与第二带通滤波器的输入端相连，所述的第二带通滤波器的输出端与所述的第二毫米波放大器的输入端相连；所述的第二毫米波放大器的输出信号作为用于为上行解调提供参考本振。

所述双电极马赫-曾德尔光调制器的一条臂上的RF电极与余弦信号源相连，另一条臂上的RF电极与OFDM-16QAM中频信号源相连，接有所述余弦信号源的臂上的偏压电极接地，接有所述OFDM-16QAM中频信号源的臂上的偏压电极接电压源。

所述用于串接激光器、双电极马赫-曾德尔光调制器和掺铒光纤放大器的光纤为保偏光纤。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明与以往的光学倍频法相比，省去了光强度调制器IM，核心部件只需要一个双电极马赫-曾德尔(简称“Mach-Zehnder”)光调制器，同时，传统的RoF系统中心站中需要使用光滤波器，该系统不使用任何光滤波器，简化了结构，降低了成本。利用Mach-Zehnder光调制器天生所具有的非线性来产生高次谐波，与以往OCS(光载波抑制法)使用一次边带产生毫米波相比，本方案利用高次边带，使得所需微波源的振荡频率更低，从而降低了系统的成本。本发明不但同时完成了下行已调信号和上行本振信号的生成，而且产生了多个扫描微波谐波通道，为系统的进一步扩容打下了基础。

附图说明

图1是本发明的系统框图；

图2是40GHz载波与37.5GHz OFDM-16QAM毫米波信号频谱图；

图3是37.5GHz OFDM-16QAM毫米波信号频谱图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的涉及一种基于OFDM-16QAM的光学四倍频毫米波光载无线通信系统，如图1所示，包括中心站1、基站2和下行链路光纤3，所述的中心站1和基站2通过下行链路光纤3连接。

所述中心站1包括用光纤依次串接的激光器11、双电极马赫-曾德尔光调制器12和掺铒光纤放大器16。双电极马赫-曾德尔光调制器12用于产生含有余弦微波信号的四次谐波边频分量，并携带OFDM-16QAM数据信息。其中，所述双电极马赫-曾德尔光调制器12的一条臂上的RF电极与余弦信号源13相连，另一条臂上的RF电极与OFDM-16QAM中频信号源14相连，接有所述余弦信号源13的臂上的偏压电极接地，接有所述OFDM-16QAM中频信号源14的臂上的偏压电极接电压源15。用于串联激光器11、双电极马赫-曾德尔光调制器12和掺铒光纤放大器16的光纤可以选用保偏光纤。

所述基站2用于接收含有余弦微波信号的四次谐波边频分量和携带的OFDM-16QAM数据信息，通过对接收到的信号进行调节偏压、滤波和放大，得到可供天线发射的OFDM-16QAM调制的毫米波信号。基站2包括光探测器21、前置低噪声放大器22、功分器23、第一带通滤波器24、第一毫米波放大器25、毫米发射波天线26、第二带通滤波器27和第二毫米波放大器28；所述的光探测器21的光输入端通过下行链路光纤3与所述掺铒光纤放大器16相连，用于接收含有余弦微波信号的四次谐波边频分量和携带的OFDM-16QAM数据信息，所述光探测器21的电输出端与所述的前置低噪声放大器22的输入端相连；所述的前置低噪声放大器22的输出端与所述的功分器23的输入端相连；所述的功分器23的第一输出端与第一带通滤波器24的输入端相连，所述的第一带通滤波器24与第一毫米波放大器25的输入端相连，所述的第一毫米波放大器25的输出端与所述的毫米发射波天线26相连；所述的功分器23的第二输出端与第二带通滤波器27的输入端相连，所述的第二带通滤波器27的输出端与所述的第二毫米波放大器28的输入端相连；所述的第二毫米波放大器28的输出信号作为用于为上行解调提供参考本振。

以下对本发明的原理作进一步的阐述。

如图1所示，在中心站1，激光器11发出的单频激光通过保偏尾纤与一个双电极Mach-Zehnder光调制器12的输入端相连，双电极Mach-Zehnder调制器12的一条臂上的RF电极加上由一个余弦微波信号源13输出的余弦微波信号，在另一条臂上的RF电极加上由一个OFDM-16QAM信号源14输出的中频OFDM-16QAM信号，将双电极Mach-Zehnder光调制器12加余弦微波信号的那条臂上的偏压电极接地，在双电极Mach-Zehnder光调制器12加基带信号的那条臂上的偏压电极加上直流偏压15。

假设双电极Mach-Zehnder光调制器两臂时延差τ＝0，此时其输出光波电场表达式为：

E₁＝E_cexp[jw_ct+jβcos(w_st)]+E_cexp[jw_ct+jm(t)+jφ]

其中，E_c为光波电场振幅；w_c为光波的中心角频率；w_s为微波信号角频率；β为调相指数，β＝πV_M/V_π，V_M是微波信号振幅，V_π为调相器半波电压，φ为偏压电极上产生的附加相位，φ＝πV_dc/V_π；m(t)为调制信号，S_OFDM(t)为中频OFDM-16QAM信号。

将双电极Mach-Zehnder光调制器12输出的光信号经掺铒光纤放大器16放大后，由下行链路光纤3传输到基站2，光探测器21检测光强度，形成光电流i_d(t)，表达式如下：

$i_d\left(t\right)=\frac{1}{2}{\mathrm{RE}}_1\left(t\right)E_1\left(t\right)*$

$=\frac{1}{2}{\mathrm{RE}}_c^2\left\{\exp \right[j{w}_{c}t+\mathrm{j\β}\cos \left(w_{s}t\right)]+\exp [j{w}_{c}t+\mathrm{jm}\left(t\right)+\mathrm{j\φ}\left]\right\}$

$\×\left\{\exp \right[-j{w}_{c}t-\mathrm{j\β}\cos \left(w_{s}t\right)]+\exp [-j{w}_{c}t-\mathrm{jm}\left(t\right)-\mathrm{j\φ}\left]\right\}$

$={\mathrm{RE}}_c^2\{1+\cos \left(\mathrm{\β}\cos w_{s}t\right)[\cos m\left(t\right)\cos \mathrm{\φ}-\sin m\left(t\right)\sin \mathrm{\φ}]$

$+\sin \left(\mathrm{\β}\cos w_{s}t\right)[\sin m\left(t\right)\cos \mathrm{\φ}+\cos m\left(t\right)\sin \mathrm{\φ}]\}$

这里的R是比例系数。

可以通过调整m(t)，使得m(t)＜＜1

则sinm(t)≈m(t)，cosm(t)≈1

带入化简：

i_d(t)＝RE_c{1+cos(βcosw_st)cosφ-m(t)cos(βcosw_st)sinφ

+m(t)sin(βcosw_st)cosφ+sin(βcosw_st)sinφ}

将上式作贝塞尔函数展开可以发现，输出光电流信号由一系列微波信号的谐波分量组成，这些分量的角频率间隔为w_s，包含有奇次谐波和偶次谐波：

偶次谐波分量：

${\mathrm{RE}}_c^2\{2\cos \mathrm{\φ}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^n{J}_{2n}\left(\mathrm{\β}\right)\cos \left(2n{w}_{s}t\right)-2m\left(t\right)\sin \mathrm{\φ}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^n{J}_{2n}\left(\mathrm{\β}\right)\cos \left(2n{w}_{s}t\right)\}$

奇次谐波分量：

${\mathrm{RE}}_c^2\left\{2m\left(t\right)\cos \mathrm{\φ}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^{n-1}{J}_{2n-1}\left(\mathrm{\β}\right)\cos \right[(2n-1)w_{s}t]-2\sin \mathrm{\φ}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^{n-1}{J}_{2n-1}\left(\mathrm{\β}\right)\cos [(2n-1)w_{s}t\left]\right\}$

只要取出适当的高次谐波分量，就可以得到需要的毫米波，比如当余弦微波信号源13输出频率f_s＝10GHz，要产生40GHz的毫米波，用带通滤波器27取出微波的4次谐波，再根据第一类贝塞尔函数适当调节调相指数β，可使第4次谐波即40GHz毫米波幅度最大。

由于 $m\left(t\right)=\mathrm{\π}\frac{S_{\mathrm{OFDM}}\left(t\right)}{V_{\mathrm{\π}}},$ 而 $S_{\mathrm{OFDM}}\left(t\right)=\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}[d_{\mathrm{Im}}\cos \left(w_{m}t\right)+d_{\mathrm{Qm}}\sin \left(w_{m}t\right)],$ w_m为第m个子载波角频率，d_Im和d_Qm为第m个子载波上的同相和正交分量信号。若我们以40GHz为载波，可得到载波cos(2nw_st)及与其角频率相差w_m的已调信号，具体过程如下为：

$F\left(t\right)=2{\mathrm{RE}}_c^2\cos \mathrm{\φ}{(-1)}^n{J}_{2n}\left(\mathrm{\β}\right)\cos \left(2n{w}_{s}t\right)$

$-\frac{2\mathrm{\π}}{V_M}{\mathrm{RE}}_c^2\sin \mathrm{\φ}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^n{J}_{2n}\left(\mathrm{\β}\right)\cos \left(2n{w}_{s}t\right)[d_{\mathrm{Im}}\cos w_{m}t+d_{\mathrm{Qm}}\sin w_{m}t]$

$=2{\mathrm{RE}}_c^2\cos \mathrm{\φ}{(-1)}^n{J}_{2n}\left(\mathrm{\β}\right)\cos \left(2n{w}_{s}t\right)$

$-\frac{\mathrm{\π}}{V_M}{\mathrm{RE}}_c^2\sin \mathrm{\φ}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^n{J}_{2n}\left(\mathrm{\β}\right)\left\{d_{\mathrm{Im}}\right[\cos (2n{w}_s+w_m)t+\cos (2n{w}_s-w_m)t]$

$+d_{\mathrm{Qm}}[\sin (2n{w}_s+w_m)t-\sin (2n{w}_s-w_m)t]$

通过带通滤波器24滤出载波cos(2nw_st)，可以将cos(2nw_st)作为毫米波参考本振，用于接收端的解调；和滤出下变频cos[(2nw_s-w_m)t]-sin[(2nw_s-w_m)t]作为携带中频OFDM-16QAM数据信息的毫米波信号，经过放大器25后用毫米波天线26发射出去。而另一路则通过另一个带通滤波器27滤出40GHz载波信号经毫米波放大器28放大后，作为毫米波参考本振，用于上行接收的解调。

下面以应用于37.5GHz RoF系统的下行传输进一步说明本发明。

在中心站的发送端，用作光源的激光器工作在1550nm波长，线宽1MHz，功率15.5dBm，经过保偏尾纤与一个双电极Mach-Zehnder光调制器的输入端相连。余弦微波信号源产生频率为f_s＝10GHz的余弦波，幅度V_M为7.8V，OFDM-16QAM信号源产生基带速率为28Mbps的数据信息，将它们加到双电极Mach-Zehnder光调制器的两个射频输入端口。双电极Mach-Zehnder光调制器的调相半波电压V_π为4.6V，产生的调相指数为β＝πV_M/V_π＝5.3(此时J₄(β)值为最大)，这时双电极Mach-Zehnder光调制器输出光波为：

E₁＝E_cexp[jw_ct+jβcos(w_st)]+E_cexp[jw_ct+jm(t)+jφ]

经过光纤放大器、光纤3传送到基站2，光探测器得到光电流为：

i_d(t)＝RE_c{1+cos(βcosw_st)cosφ-m(t)cos(βcosw_st)cosφ

+m(t)sin(βcosw_st)cosφ+sin(βcosw_st)sinφ}

通过带通滤波器后，将滤出第4次谐波即载波cos(2π×40×10⁹t)及与其角频率相差w_i＝2π×2.5×10⁹Hz已调信号，w_i是m个子载波的中心频率。

具体信号如下：

$F\left(t\right)=2{\mathrm{RE}}_c^2\cos \mathrm{\φ}{(-1)}^n{J}_4\left(5.3\right)\cos (2\mathrm{\π}\×40\×{10}^{9}t)$

$-{\mathrm{RE}}_c^2\frac{3.14}{7.8}\sin \mathrm{\φ}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^n{J}_4\left(5.3\right)\{d_{\mathrm{Im}}\cos (2\mathrm{\π}\×37.5\×{10}^{9}t)-d_{\mathrm{Qm}}\sin (2\mathrm{\π}\×37.5\×{10}^{9}t)\}$

其中J₄(5.3)＝0.3996。上述信号经过放大器后用毫米波天线发射出去。而另一路则通过另一个带通滤波器滤出40GHz载波信号放大后，作为毫米波参考本振，用于上行接收的解调，实验结果参见图2与图3。

Claims (1)

1.一种光学四倍频毫米波光载无线通信系统，包括中心站(1)、基站(2)和下行链路光纤(3)，所述的中心站(1)和基站(2)通过下行链路光纤(3)连接，其特征在于，所述中心站(1)包括用光纤依次串接的激光器(11)、双电极马赫-曾德尔光调制器(12)和掺铒光纤放大器(16)；所述双电极马赫-曾德尔光调制器(12)根据自身所具有的非线性用于产生含有余弦微波信号的四次谐波边频分量，并携带OFDM-16QAM数据信息；所述基站(2)用于接收含有余弦微波信号的四次谐波边频分量和携带的OFDM-16QAM数据信息，通过对接收到的信号进行调节偏压、滤波和放大，取出四次谐波分量，得到可供天线发射的OFDM-16QAM调制的毫米波信号；所述双电极马赫-曾德尔光调制器(12)的一条臂上的RF电极与余弦信号源(13)相连，另一条臂上的RF电极与OFDM-16QAM中频信号源(14)相连，接有所述余弦信号源的臂上的偏压电极接地，接有所述OFDM-16QAM中频信号源的臂上的偏压电极接电压源(15)；所述用于串接激光器(11)、双电极马赫-曾德尔光调制器(12)和掺铒光纤放大器(16)的光纤为保偏光纤；所述基站(2)包括光探测器(21)、前置低噪声放大器(22)、功分器(23)、第一带通滤波器(24)、第一毫米波放大器(25)、毫米发射波天线(26)、第二带通滤波器(27)和第二毫米波放大器(28)；所述的光探测器(21)的光输入端通过下行链路光纤(3)与所述掺铒光纤放大器(16)相连，用于接收含有余弦微波信号的四次谐波边频分量和携带的OFDM-16QAM数据信息，所述光探测器(21)的电输出端与所述的前置低噪声放大器(22)的输入端相连；所述的前置低噪声放大器(22)的输出端与所述的功分器(23)的输入端相连；所述的功分器(23)的第一输出端与第一带通滤波器(24)的输入端相连，所述的第一带通滤波器(24)与第一毫米波放大器(25)的输入端相连，所述的第一毫米波放大器(25)的输出端与所述的毫米发射波天线(26)相连；所述的功分器(23)的第二输出端与第二带通滤波器(27)的输入端相连，所述的第二带通滤波器(27)的输出端与所述的第二毫米波放大器(28)的输入端相连；所述的第二毫米波放大器(28)的输出信号作为用于为上行解调提供参考本振。