CN102638310B - 一种光网络单元中无光源无射频源的ofdm-pon系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光网络单元中无光源无射频源的OFDM-PON系统，通过在光线路终端，即OLT端使用半导体光放大器(SOA)产生四波混频(FWM)效应来产生多个光载波，从而在光网络端通过拍频产生不同射频频率的纯射频源信号，以实现各个光网络端(ONU)无射频源；同时，结合集中光源技术、光滤波分离技术实现了各个光网络端(ONU)无光源，这样使得光网络端(ONU)彻底无源，即既无光源又无射频源，从而极大的降低了光网络端(ONU)的成本，进而降低了整个OFDM-PON系统的成本。此外，半导体光放大器(SOA)可以与调制器进行有效的集成，可以降低光线路终端(OLT)的复杂度和成本。
Description
技术领域
本发明属于光通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种光网络单元中无光源无射频源的OFDM-PON系统。
背景技术
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，即正交频分复用)的思想在20世纪的六七十年代就被学者提出来，其通过将高速串行比特流进行串并变换，转为若干并行的低速数据流，再映射到不同的正交子载波上传输，OFDM技术具有频谱利用率高等优势。
将OFDM技术应用到无源光网络(Passive Optical Network，简称PON)系统中，可以将OFDM信号在光纤系统中传输的高频率利用率、强抗色散性能等特点与PON系统的大容量、低成本特点相结合，因而OFDM-PON系统得到了国内外研究者的高度重视。
近年来，各大研究机构和各个高校的研究团队针对OFDM-PON系统最为显著的特征即低成本和高能效进行了大量的研究工作，提出了很多有效降低OFDM-PON系统成本、提高系统能效的方案。
在文献[C.Chow，C.Yeh，C.Wang，F.Shih，and S.Chi，“Signal remodulationof OFDM-QAM for long reach carrier distributed passive optical networks，”IEEEPhoton.Technol.Lett.，vol.21，no.11，pp.715-717，Jun.2009.]中，作者提出一个光网络单元(Optical Network Unit，简称ONU)端信号重新调制的思想来实现光网络单元光域无源的特点，从而减少了各个光网络单元关于激光器的成本，进而降低整个OFDM-PON系统的成本。但是对于OFDM-PON系统中的各个光网络单元来说，虽然通过上述方法能够减少关于激光器的成本，但是仍然需要一个价格不菲的射频源来完成下行射频OFDM信号的下变频以及上行基带OFDM信号的上变频过程，因而并没有彻底实现各个光网络单元的无源特性。
在2011年03月02日公布的、公布号为CN101982983A、名称为“采用半导体光放大器产生毫米波及其在光载微博通信系统中的应用方法与装置”的发明专利申请中，申请人提出一种利用半导体光放大器的四波混频效应产生毫米波信号的方法，同时产生的毫米波信号可以有几种不同的频率选择。该发明专利申请为光载无线系统提供了多频毫米波信号，不过并没有体现出其实现基站用户单元无源、降低基站用户单元成本的优势。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种光网络单元中无光源无射频源的OFDM-PON系统，以彻底地实现OFDM-PON系统中光网络单元的无源特性，从而进一步降低整个OFDM-PON系统的成本。
为实现上述发明目的，本发明光网络单元中无光源无射频源的OFDM-PON系统由光线路终端和多个光网络单元组成，其特征在于，
光线路终端包括：
一波长为λ1的激光器LD-1，用于产生波长为λ1的光载波；
一频率为fc的射频源，用于产生频率为fc射频信号；
一强度调制器IM-1，在频率为fc的射频信号驱动下对波长为λ1的光载波进行光学抑制载波(Optical Carrier Suppression，简称OCS)双边带调制，得到频率间隔为2fc的两个光载波；
一半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，简称SOA)，频率间隔为2fc的两个光载波进入半导体光放大器进行四波混频(Four Wave Mixing，简称FWM)处理，得到相邻频率间隔为2fc的四个光载波；
一个光环形器、一个窄带光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，简称FBG)反射型滤波器、一强度调制器IM-2以及一个合束器C1，间隔为2fc的四个光载波经过光环形器输入到窄带光纤布拉格光栅反射型滤波器中；窄带光纤布拉格光栅反射型滤波器将间隔为2fc的四个光载波中的一个反射回光环形器，然后经光环形器输入到强度调制器IM-2进行强度调制，将各个光网络单元(OpticalNetwork Unit，简称ONU)单元所需要的由OFDM发射机产生的基带OFDM信号调制到被反射回来的光载波上，得到光载OFDM信号；间隔为2fc的四个光载波中的另外三个光载波直接通过窄带光纤布拉格光栅反射型滤波器后与得到的光载OFDM信号在合束器C1中合为一束光信号，并输出；
一个波长为λ2的激光器LD-2和一合束器C2，激光器LD-2产生的波长为λ2光载波直接与合束器C1输出的光信号通过合束器C2合到一起，从而产生整个OFDM-PON系统的下行传输光信号，并通过光纤传输一定距离后，被一个分束器S1分为若干束，每一束分别进入一个光网络单元；
光网络单元包括：
一个光滤波器(Optical Filter，简称OF)，将光网络单元接收到的下行传输光信号分为三个部分：频率间隔为2fc两个光载波、频率间隔为2fc的光载波和光载OFDM信号、波长为λ2的光载波；
光电探测器PD-1，频率间隔为2fc的光载波和光载OFDM信号进入光电探测器PD-1进行拍频，得到频率为2fc的下行射频OFDM信号；
光电探测器PD-2，频率间隔为2fc两个光载波光电探测器PD-2进行拍频，得到频率为2fc纯射频源信号；
一OFDM接收机，2fc的下行射频OFDM信号送入OFDM接收机中，借助产生的2fc纯射频源信号进行下变频处理、模/数转换以及OFDM解调，得到下行数据；
一OFDM发射机，上行数据送入OFDM发射机中进行OFDM调制、数/模转换、并借助产生的2fc纯射频源信号进行上变频处理，得到频率为2fc的上行射频OFDM信号；
强度调制器IM-3，波长为λ2的光载波输入到强度调制器IM-3中，用2fc的上行射频OFDM信号进行强度调制，得到波长为λ2的上行光载波；
各个光网络单元的上行光载波汇合到一起后构成上行信号，并经过光纤传输到达光线路终端进行相干接收；
光线路终端还包括：
分束器S2以及光电探测器PD-3、PD-4，将上行信号分为两束，分别与激光器LD-2分出的波长为λ2的光载波以及该波长为λ2的光载波经过相位跳转90度后的光载波进行混合，得到两路混合信号；两路混合信号分别进入光电探测器PD-3和PD-4进行拍频，拍频得到的两路信号再分别作为光线路终端上行OFDM接收机的I和Q路信号，在频率为fc射频信号经过二倍频后的信号的帮助下进行下变频处理，最后进行OFDM解调得到上行数据。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明光网络单元中无光源无射频源的OFDM-PON系统，通过在光线路终端，即OLT端使用半导体光放大器(SOA)产生四波混频(FWM)效应来产生多个光载波，从而在光网络端通过拍频产生不同射频频率的纯射频源信号，以实现各个光网络端(ONU)无射频源；同时，结合集中光源技术、光滤波分离技术实现了各个光网络端(ONU)无光源，这样使得光网络端(ONU)彻底无源，即既无光源又无射频源，从而极大的降低了光网络端(ONU)的成本，进而降低了整个OFDM-PON系统的成本。此外，半导体光放大器(SOA)可以与调制器进行有效的集成，可以降低光线路终端(OLT)的复杂度和成本。
附图说明
图1是本发明光网络单元中无光源无射频源的OFDM-PON系统一种具体实施方式原理图；
图2是图1所示的(a)～(d)光载波或光信号频谱图；
图3基带OFDM调制解调原理框图；
图4是光网络单元产生的2fc纯射频源信号的波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明光网络单元中无光源无射频源的OFDM-PON系统一种具体实施方式原理图；
如图1所示，为了彻底的实现OFDM-PON系统中光网络单元(ONU)的无源特性，从而进一步降低整个OFDM-PON系统的成本，本发明提出了一种基于半导体光放大器SOA的四波混频FWM效应实现OFDM-PON系统以实现光网络单元既无光源又无射频源。
为了方便描述本发明的内容，先对本发明内容中出现的相关专业术语进行说明：
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)：正交频分复用；
PON(Passive Optical Network)：无源光网络；
OLT(Optical Line Terminal)：光线路终端；
ONU(Optical Network Unit)：光网络单元；
SOA(Semiconductor Optical Amplifier)：半导体光放大器；
FWM(Four Wave Mixing)：四波混频；
IM(Intensity Modulator)：强度调制器；
LD(Laser Diode)：激光器；
FBG(Fiber Bragg Grating)：光纤布拉格光栅；
C(Combiner)：合束器；
S(Splitter)：分束器；
PD(Photo Diode)：光电探测器；
OF(Optical Filter)：光滤波器；
QAM(Quadrature Amplitude Modulation)：正交振幅调制；
FFT(Fast Fourier Transform)：快速傅里叶变换；
IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)：快速傅里叶反变换；
CP(Cyclic Prefix)：循环前缀；
OCS(Optical Carrier Suppression)：光学抑制载波；
如图1所示，在光线路终端(OLT)，波长为λ1的激光器LD-1产生强度调制器IM-1的光载波，在频率为fc的射频源驱动下进行抑制载波双边带(OCS)调制，得到频率间隔为2fc的两个光载波。调制后的信号进入半导体光放大器SOA进行四波混频(Four Wave Mixing，简称FWM)处理，得到相邻频率间隔为2fc的四个光载波。
利用一个光环形器L1和一个窄带FBG反射型滤波器，间隔为2fc的四个光载波经过光环形器L1输入到窄带光纤布拉格光栅反射型滤波器中；窄带光纤布拉格光栅反射型滤波器将间隔为2fc的四个光载波中的一个反射回光环形器L1，将各个光网络单元所需要的由OFDM发射机产生的基带OFDM信号调制到被反射过来的光载频上，得到光载OFDM信号，随后又将光载OFDM信号与直接通过FBG的另外三个光载频通过合束器C1合为一束。最后，另一个波长为λ2的激光器LD-2直接与上述信号通过合束器C2合到一起，从而产生整个系统的下行传输光信号。
下行传输光信号经过光环形器L2输入到光纤中，通过光纤传输一定距离后，下行传输光信号被一个分束器S1分为若干束，每一束分别进入一个光网络单元，即ONU。
在光网络单元中，一个光滤波器OF将光网络单元通过光环行器L2接收到的下行传输光信号分为三个部分，：频率间隔为2fc两个光载波、频率间隔为2fc的光载波和光载OFDM信号、波长为λ2的光载波。
在本发明中，两个纯光载波的频率间隔为2fc，另一个纯光载波和一个光载OFDM信号的频率间隔也为2fc。在具体实施过程中，部分光网络单元(ONU)也可以选择两个纯光载波的频率间隔为fc，另一个纯光载波和一个光载OFDM信号的频率间隔也为fc。这样，在多个光网络单元(ONU)同时工作的OFDM-PON系统，能够有效减弱来个不同光网络单元(ONU)的上行信号之间的干扰，从而较好的提高OFDM-PON系统的传输性能。
频率间隔为2fc的光载波和光载OFDM信号进入光电探测器PD-1进行拍频，得到频率为2fc的下行射频OFDM信号；频率间隔为2fc两个光载波光电探测器PD-2进行拍频，得到频率为2fc纯射频源信号；波长为λ2的光载波则直接作为上行信号的光载波。
频率为2fc的下行射频OFDM信号进入OFDM接收机后，分为I和Q两路，在模拟的IQ混合器中，借助产生的频率为2fc纯射频源信号进行下变频处理，从而得到模拟基带OFDM信号；再通过模/数转换将模拟基带OFDM信号转换为数字基带OFDM信号，最后进行OFDM解调从而的得到下行数据。上行数据送入OFDM发射机中进行OFDM调制、数/模转换、并借助产生的2fc纯射频源信号进行上变频处理，得到频率为2fc的上行射频OFDM信号；再通过强度调制器IM-3将频率为2fc的上行射频OFDM信调制到波长为λ2的上行光载波上，该调制过程也是OCS调制。上行光载波经过光环形器L2输入到光纤，各个光网络单元的上行光载波通过分束器S1(由于光载波的方向相反，实际上为合束器)汇合到一起后构成上行信号，并经过光纤传输到达光线路终端进行相干接收。
光线路终端中，上行信号由光环形器L2送入分束器S2，被分束器S2分为两束，分别与激光器LD-2通过分束器S3分出的光信号以及该光信号相位跳转90度后的光信号混合，两路混合信号分别进入光电探测器PD-3和PD-4进行拍频，拍频得到的信号再分别作为上行OFDM接收机的I和Q路信号，在频率为fc的射频信号经过二倍频后的信号的帮助下进行下变频处理，最后进行OFDM解调得到上行数据。
图2是图1所示的(a)～(d)光载波或光信号频谱图；
在本发明光网络单元中无光源无射频源的OFDM-PON系统中，下行信号的产生是基于SOA的FWM效应的。首先，波长为λ1的光载波先通过一个强度调制器进行抑制载波双边带(OCS)调制，得到如图1(a)所示的频谱图，两个边带之间的频率间隔为2fc。然后将得到的OCS信号作为SOA的输入信号，通过控制SOA的注入电流来产生FWM效应，从而得到如图1(b)所示的FWM后的频谱图，一共有四个不同的光载频，相邻两个光载波的频率间隔为2fc。利用一个窄带FBG反射型滤波器和一个光环形器将其中一个光载波反射后，在本实施例中，反射的是最右边的光载频，在该光载频调制上基带OFDM信号，然后再将调上信号后的光载频与另外三个直接通过FBG而没有调制信号的光载频合到一起，最后再与另外一个波长为λ2的光载波合为一束，就得到了本发明OFDM-PON系统中传输的下行信号。
图3基带OFDM调制解调原理框图；
基带OFDM调制解调原理如图3所示。基带OFDM信号调制过程包括串并转换、QAM调制、IFFT、加循环前缀CP和串并转换。首先，输入的串行比特流由串并转换变为若干路并行的比特流，分别对应若干个相互正交的子载波，每路比特信号分别以QAM的格式被调制到一个对应的子载波上，对各路调制后的子载波信号进行IFFT处理并添加CP，最后由串并转换将并行信号转为串行信号，即实现基带OFDM调制，得到基带OFDM信号。基带OFDM信号解调过程包括串并转换、去CP、FFT、均衡、QAM解调和串并转换。首先，串行的两路I和Q信号由串并转换转为并行信号，去掉CP之后进行FFT处理，再进行均衡，然后做QAM解调，最后由串并转换得到最终的输出数据。
图4是光网络单元产生的2fc纯射频源信号的波形图。
图4是光网络单元通过两个纯光载波拍频后产生的2fc，即10GHz射频信号的波形图。虽然该波形相对射频源直接输出的10GHz信号波形有一定程度的恶化，但是利用该信号仍然可以有效的进行OFDN-PON系统的上下变频处理。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (1)
1.一种光网络单元中无光源无射频源的OFDM-PON系统，由光线路终端和多个光网络单元组成，其特征在于，
光线路终端包括：
一波长为λ1的激光器LD-1，用于产生波长为λ1的光载波；
一频率为fc的射频源，用于产生频率为fc的射频信号；
一强度调制器IM-1，在频率为fc的射频信号驱动下对波长为λ1的光载波进行光学抑制载波双边带调制，得到频率间隔为2fc的两个光载波；
一半导体光放大器，频率间隔为2fc的两个光载波进入半导体光放大器进行四波混频处理，得到相邻频率间隔为2fc的四个光载波；
一个光环形器、一个窄带光纤布拉格光栅反射型滤波器、一强度调制器IM-2以及一个合束器C1，频率间隔为2fc的四个光载波经过光环形器输入到窄带光纤布拉格光栅反射型滤波器中；窄带光纤布拉格光栅反射型滤波器将频率间隔为2fc的四个光载波中的一个反射回光环形器，然后经光环形器输入到强度调制器IM-2进行强度调制，将各个光网络单元所需要的由OFDM发射机产生的基带OFDM信号调制到被反射回来的光载波上，得到光载OFDM信号；频率间隔为2fc的四个光载波中的另外三个光载波直接通过窄带光纤布拉格光栅反射型滤波器后与得到的光载OFDM信号在合束器C1中合为一束光信号，并输出；
一个波长为λ2的激光器LD-2和一合束器C2，激光器LD-2产生的波长为λ2的光载波直接与合束器C1输出的光信号通过合束器C2合到一起，从而光线路终端产生整个OFDM-PON系统的下行传输光信号；
所述的OFDM-PON系统还包括光纤和分束器S1，光线路终端产生的下行传输光信号通过光纤传输一定距离后，被分束器S1分为若干束，每一束分别进入一个光网络单元；
光网络单元包括：
一个光滤波器，将光网络单元接收到的下行传输光信号分为三个部分：频率间隔为2fc的两个光载波、频率间隔为2fc的光载波和光载OFDM信号、波长为λ2的光载波；
光电探测器PD-1，频率间隔为2fc的光载波和光载OFDM信号进入光电探测器PD-1进行拍频，得到频率为2fc的下行射频OFDM信号；
光电探测器PD-2，频率间隔为2fc的两个光载波进入光电探测器PD-2进行拍频，得到频率为2fc纯射频源信号；
一OFDM接收机，频率为2fc的下行射频OFDM信号送入OFDM接收机中，借助产生的频率为2fc的纯射频源信号进行下变频处理、模/数转换以及OFDM解调，得到下行数据；
一OFDM发射机，上行数据送入OFDM发射机中进行OFDM调制、数/模转换、并借助产生的频率为2fc的纯射频源信号进行上变频处理，得到频率为2fc的上行射频OFDM信号；
强度调制器IM-3，波长为λ2的光载波输入到强度调制器IM-3中，用频率为2fc的上行射频OFDM信号进行强度调制，得到波长为λ2的光网络单元的上行光载波；
各个光网络单元的上行光载波汇合到一起后构成上行信号，并经过光纤传输到达光线路终端进行相干接收；
光线路终端还包括：
分束器S2以及光电探测器PD-3、PD-4；分束器S2将上行信号分为两束，分别与激光器LD-2分出的波长为λ2的光载波以及该波长为λ2的光载波经过相位跳转90度后的光载波进行混合，得到两路混合信号；两路混合信号分别进入光电探测器PD-3和PD-4进行拍频，拍频得到的两路信号再分别作为光线路终端上行OFDM接收机的I和Q路信号，在频率为fc的射频信号经过二倍频后的信号的帮助下进行下变频处理，最后进行OFDM解调得到上行数据。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140611 Termination date: 20170322 |