CN102970101B - 一种高谱效率的wdm-rof载波产生方法与传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高谱效率的WDM-ROF载波产生方法与传输系统，设光毫米波频率为F，在中心站产生一组频率间隔为F/N的连续光载波，N为拍频光个数；然后将其中信噪比质量最好的3N个光载波分离出来，中间的N个光载波作为WDM-ROF信道的公用拍频光，而两边的2N个光载波作为信号光；将信号光调制需要传输的基带信号；调制后的信号光与拍频光经过耦合，形成一个包含2N个信道的WDM-ROF传输信号，进入光纤链路发往基站。本发明，使得两个独立光毫米波信道的拍频光可以被共用，而且某个信道中拍频光和信号光之间的频谱可以被其他光毫米波信道所占用，从而大大提高WDM-ROF系统中心站的谱效率，可有效降低中心站的数量，降低系统成本。

Description

一种高谱效率的WDM-ROF载波产生方法与传输系统

技术领域

本发明涉及光纤通信系统领域，具体说是一种高谱效率的WDM-ROF载波产生方法与传输系统。

背景技术

随着多媒体技术的迅猛发展，人们对信息需求量在不断增加，目前的无线频谱资源已经无法满足人们的需求。为了解决这样的问题，无线通信正在向高频率的载波通信发展，利用毫米波载波进行通信能为系统提供更大的容量，有利于缓解现今频谱资源紧缺的现状。所以毫米波通信技术已经成为当今研究的热点，成为无线通信今后发展的大方向。

毫米波是指频率为30～300GHz的微波信号，毫米波最突出的优点是能提供270GHz频带宽，其百分之一的相对带宽就可提供数百兆乃至上千兆的可用带宽，为多种信息业务的发展提供了有利的条件，很好地解决了无线频谱资源受限的问题。但它有受大气影响严重的缺点，导致毫米波传输距离有限，不适合远距离传输。因此，光载无线通信（Radio-over-Fiber，简称ROF）技术应运而生，该技术是指在无线通信系统的中心站和基站之间通过光纤进行毫米波传输的技术，是毫米波技术与光纤传输技术的结合，它不仅利用了毫米波信号提供的较大带宽，同时也克服了毫米波信号随着频率增加在大气中传播衰减变大的缺点。

在ROF系统中，复杂的信号处理单元放在中心站（CS），在中心站产生光毫米波，并通过光纤链路发送到基站（BS）。ROF系统的基站只包含简单的光电处理单元完成光电转换，并通过天线发送出去，同时也将天线收到的上行无线信号发送至中心站进行信号处理。典型的ROF系统包括中心站（CS）、基站（BS）、用户端、连接中心站和基站的光链路以及基站和用户端之间的无线信道。光纤作为中心站与基站之间的传输链路，直接用光载波来传输信号。

近年，对ROF系统主要研究光毫米波的产生与传播、ROF系统在波分复用（WDM）中的应用。

目前已公布的WDM-ROF载波光信号的产生方案均采用信号光与拍频光一一对应组成独立光信道的方式，信道与信道之间没有频谱交叠。由于光毫米波信号单信道的频谱占用一般都达到几十甚至上百个G，因此这种传统的WDM-ROF方案谱效率较低。这就意味着，需要较多数量的中心站来维持数量庞大的基站。由于中心站需要执行复杂的数据处理和光毫米波信号产生的任务，所以中心站的成本远高于基站。因此有必要采取方法提高中心站发送光毫米波的谱效率，使得一个中心站可以维持更多数量的基站运转。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种高谱效率的WDM-ROF载波产生方法与传输系统，使得两个独立光毫米波信道的拍频光可以被共用，而且某个信道中拍频光和信号光之间的频谱可以被其他光毫米波信道所占用，从而大大提高WDM-ROF系统中心站的谱效率，可有效降低中心站的数量，降低系统成本。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种高谱效率的WDM-ROF载波产生方法，其特征在于，包括以下步骤：

设光毫米波频率为F，在中心站1，通过多载波光产生装置2产生一组频率间隔为F/N的连续光载波，N为需要产生的拍频光的个数，即N为≥1的整数；

然后利用光波长解复用装置3将其中信噪比质量最好的3N个光载波分离出来，中间的N个光载波作为WDM-ROF信道的公用拍频光，而两边的2N个光载波作为信号光；

将信号光作为信号光源分别进入信号光调制模块4，调制需要传输的基带信号；

调制后的信号光与未调制信号的拍频光经过光多路复用器7耦合，形成一个包含2N个信道的WDM-ROF传输信号，进入光纤链路8发往基站14。

在上述技术方案的基础上，在基站端，利用基站端滤波装置9将该基站所需要的拍频光和信号光滤出，形成最终包含一个信号光和一个拍频光的光毫米波ROF信号，该光毫米波ROF信号经过射频放大器11放大后送入光电二极管PD12进行拍频产生射频毫米波信号，射频毫米波信号通过无线射频天线13发射出去。

在上述技术方案的基础上，所述多载波光产生装置2基于光源频移方法产生多个频率间隔相同光源，或基于级联调制器的方法产生多个频率间隔相同光源，或基于非线性光纤光学效应的方法产生多个频率间隔相同光源，或由完全独立但波长间隔相同的独立光源产生多个频率间隔相同光源。

在上述技术方案的基础上，所述光源频移方法的具体步骤为：将初始光源经相位调制器或强度调制器后，通过一定功率的射频信号驱动，实现光源频率的搬移。

在上述技术方案的基础上，所述级联调制器的方法的具体步骤为：将初始光源送入相位调制器与强度调制器级联装置，通过调整强度调制器的直流偏置电压以及两个调制器的射频驱动信号的幅度和相位差，调整多载波光的数量与光谱平整度。

在上述技术方案的基础上，所述非线性光纤光学效应的方法的具体步骤为：将单光源送入非线性系数很高的介质中，通过非线性效应产生多载波光。

在上述技术方案的基础上，所述光波长解复用装置3是阵列波导光栅AWG、波长选择开关WSS、带通光滤波器中的任意之一。

在上述技术方案的基础上，所述基站端滤波装置9包括一光波长解复用装置3，光波长解复用装置3是阵列波导光栅AWG、波长选择开关WSS、带通光滤波器中的任意之一。

一种高谱效率的WDM-ROF载波传输系统，包括中心站1和若干基站14，其特征在于：中心站1经过由标准单模光纤构成的光纤链路8连接到基站端滤波装置9的输入端，基站端滤波装置9的各输出端分别一对一的与一个基站14连接，基站14根据其配置的无线射频天线13的参数产生相应的毫米波，每个信道的毫米波频率为30G～300G毫米波频带中的任意一个，

所述中心站1包括：

多载波光产生装置2，产生一组频率间隔为F/N的连续光载波，F为光毫米波频率，N为需要产生的拍频光的个数，N为≥1的整数；

光波长解复用装置3，从多载波光产生装置2产生的连续光载波中，将信噪比质量最好的3N个光载波分离出来，其中N个作为拍频光，2N个作为信号光；

信号光调制模块4，接收信号光并调制需要传输的基带信号；

光多路复用器7，同时接收调制后的信号光与未调制信号的拍频光，并将其组成一组WDM-ROF光信号；

所述基站14包括：

带通滤波器10，用于将光波长解复用装置3发送来的光载毫米波信号中所有带外噪声滤除，

射频放大器11，用于放大滤除了带外噪声的光载毫米波信号，

光电二极管PD12，对放大后的光载毫米波信号进行拍频，进而上变频产生射频毫米波电信号，

射频毫米波电信号通过无线射频天线13发送出去。

在上述技术方案的基础上，基站端滤波装置9包括：

光波长解复用装置3，其光波长栅格与连续光载波的频率间隔一致，

光波长解复用装置3将2N个信号光和N个拍频光一一分离出来，再将N个拍频光分别一对一的用1：2光分束器15分为功率相等的两束，

八束拍频光分别一对一的与一束信号光同时送入2:1光耦合器16耦合在一起，形成最终的光载毫米波信号。

本发明所述的高谱效率的WDM-ROF载波产生方法与传输系统，使得两个独立光毫米波信道的拍频光可以被共用，而且某个信道中拍频光和信号光之间的频谱可以被其他光毫米波信道所占用，从而大大提高WDM-ROF系统中心站的谱效率，可有效降低中心站的数量，降低系统成本。

附图说明

本发明有如下附图：

图1为本发明高谱效率的WDM-ROF载波传输系统实例示意图；

图2为图1中中心站的结构原理图；

图3为图1中基站的结构原理图；

图4为图1中基站端滤波装置的结构示意图；

图5为图1中多载波光产生装置产生的多载波光谱图；

图6为中心站至基站下行链路中的光谱示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明所述的高谱效率的WDM-ROF载波产生方法，包括以下步骤：

设光毫米波频率为F，在中心站1，通过多载波光产生装置2产生一组频率间隔为F/N的连续光载波，N为需要产生的拍频光的个数，即N为≥1的整数；以图6为例，N=4；

然后利用光波长解复用装置3将其中信噪比质量最好的3N个光载波分离出来，中间的N个光载波作为WDM-ROF信道的公用拍频光，而两边的2N个光载波作为信号光；

将信号光作为信号光源分别进入信号光调制模块4，调制需要传输的基带信号；

调制后的信号光与未调制信号的拍频光经过光多路复用器7耦合，形成一个包含2N个信道的WDM-ROF传输信号，进入光纤链路8发往基站14；

所述2N个信道中，每两个信道共用一个拍频光，且某个信道中拍频光与信号光之间的频谱也被其他信道所利用。

如图6所示，是一个8信道60GHz频率的WDM-ROF传输光谱图。图6中中间4个独立光谱为拍频光，从左至右编号依次为1至4号。左右各4个独立光谱为调制了信息的信号光，从左至右依次编号为User1至User8，1号拍频光与信号光User1和User5频谱间隔均为60GHz，在基站端1号拍频光与信号光User1或1号拍频光与信号光User5都可以通过PD（PhotoDiode，光电二极管）拍频出60GHz的毫米波信号，因此1号拍频光被信号光User1和User5共用，组成两个60GHz的ROF信道，其他的信道依次类推。从图6中可以看到，每一个WDM-ROF信道中拍频光与信号光之间的频谱空间，都被其他信道的信号光或者拍频光占据。例如1号拍频光与信号光User1组成的ROF信道中，1号拍频光和信号光User1之间存在信号光User2-4；而1号拍频光与信号光User5之间存在拍频光2-4号。

在上述技术方案的基础上，在基站端，利用基站端滤波装置9将该基站所需要的N个拍频光和2N个信号光滤出，形成2N个最终仅包含一个信号光和一个拍频光的光毫米波ROF信号，2N个光毫米波ROF信号一对一的送入2N个基站，该各光毫米波ROF信号依次经过基站内的射频放大器11放大后送入光电二极管PD12进行拍频产生射频毫米波信号，射频毫米波信号通过无线射频天线13发射出去。

在上述技术方案的基础上，所述多载波光产生装置2基于光源频移方法产生多个频率间隔相同光源，或基于级联调制器的方法产生多个频率间隔相同光源，或基于非线性光纤光学效应的方法产生多个频率间隔相同光源，或由完全独立但波长间隔相同的独立光源产生多个频率间隔相同光源。

在上述技术方案的基础上，所述光源频移方法的具体步骤为：将初始光源经相位调制器或强度调制器后，通过一定功率的射频信号驱动，实现光源频率的搬移。

在上述技术方案的基础上，所述级联调制器的方法的具体步骤为：将初始光源送入相位调制器与强度调制器级联装置，通过调整强度调制器的直流偏置电压以及两个调制器的射频驱动信号的幅度和相位差，调整多载波光的数量与光谱平整度。

在上述技术方案的基础上，所述非线性光纤光学效应的方法的具体步骤为：将单光源送入非线性系数很高的介质中，通过非线性效应产生多载波光。

在上述技术方案的基础上，所述光波长解复用装置3（中心站内的）是阵列波导光栅（AWG）、波长选择开关（WSS）、带通光滤波器中的任意之一。

在上述技术方案的基础上，所述基站端滤波装置9包括一光波长解复用装置3，光波长解复用装置3是阵列波导光栅（AWG）、波长选择开关（WSS）、带通光滤波器中的任意之一。

本发明所述方法的有益效果在于：

将ROF与WDM相结合，同时利用ROF传输中拍频光可同时被与其频差相等的两个信号光共用的原理，只要在进入某基站的PD（光电二极管）拍频之前将该基站不需要的那个信号光去除，同时滤除其余所有不需要的频谱，就可以实现在PD上产生毫米波射频信号。该方法节省了一半的拍频光数量，且拍频光与信号光之间的光谱区域可以被其他信道的信号光和拍频光所占用，因此大大提升了单纤上WDM-ROF传输的谱效率，这也就意味着单纤上可容纳的WDM-ROF信道的数量大大增加。由于在WDM-ROF系统中一条下行链路（单纤）往往就对应一个中心站，假设某区域内的基站数量应为100个，而传统WDM-ROF传输方式单纤上仅能容纳10个信道，则需要10个远端中心站对其进行支持；若单纤的信道容量提升5倍，则只需两个远端中心站支持。因此，该方案可有效降低WDM-ROF系统中中心站的数量，降低系统成本。

针对上述方法，如图1、2、3所示，本发明还给出了利用上述方法的高谱效率的WDM-ROF载波传输系统，包括：中心站1和若干基站14，

中心站1经过由标准单模光纤构成的光纤链路8连接到基站端滤波装置9的输入端，基站端滤波装置9的各输出端分别一对一的与一个基站14连接，基站14根据其配置的无线射频天线13（毫米波天线）的参数产生相应的毫米波，每个信道的毫米波频率为30G～300G毫米波频带中的任意一个，

如图2所示，所述中心站1包括：

多载波光产生装置2，产生一组频率间隔为F/N的连续光载波，F为光毫米波频率，N为需要产生的拍频光的个数，N为≥1的整数；例如：当规定WDM-ROF中每个信道的毫米波频率为60Ghz，N为4时，则多载波光产生装置2用来产生多个频率间隔为15Ghz的连续光载波（多载波光）；本发明给出一个多载波光产生装置2的实施例，是由15G射频信号源驱动的一个光相位调制器构成的，将激光光源输入光相位调制器，光相位调制器由15Ghz射频信号源驱动，产生如图5所示的多载波光；

光波长解复用装置3，从多载波光产生装置2产生的连续光载波中，将信噪比质量最好的3N个光载波分离出来，其中N个作为拍频光，2N个作为信号光；例如：N为4时，将12个质量最好的多载波光源分离出来，其中最中间的4个光载波作为拍频光，而两边的8个多载波光源（左右各4个）作为承载基带信号的光源；

信号光调制模块4，接收信号光并调制需要传输的基带信号；例如：将8个光源送入信号光调制模块4，信号光调制模块4由传输信号产生器5和光强度调制器6组成，信号光调制模块4将需要传输的基带信号调制在8个信号光源上；

光多路复用器7，同时接收调制后的信号光与未调制信号的拍频光，并将其组成一组WDM-ROF光信号；如图6所示，中间4个独立光谱为拍频光，从左至右编号依次为1至4号，左右各4个独立光谱为调制了信息的信号光，从左至右依次编号为User1至User8，1号拍频光与信号光User1和User5频谱间隔均为60GHz，因此1号拍频光被信号光User1和User5共用，组成两个60GHz的ROF信道，其他的信道依次类推，因此图6中所示的WDM-ROF信号光谱共有8个独立的60GHzROF信道，其中4个拍频光分别被两个信道共用。

由于本传输系统中，相邻的ROF信道之间相互重叠，并且每个拍频光都被两个信道共用，因此基站端滤波装置必须做相应的改进以满足系统需要。在上述技术方案的基础上，如图4所示，基站端滤波装置9包括：

光波长解复用装置3，其光波长栅格与连续光载波的频率间隔一致，例如：与前述实例中连续光载波的频率间隔15Ghz一致，

光波长解复用装置3将2N个信号光和N个拍频光一一分离出来，再将N个拍频光分别一对一的用1：2光分束器15分为功率相等的两束，

八束拍频光分别一对一的与一束信号光同时送入2:1光耦合器16耦合在一起，形成最终的光载毫米波信号。

在上述技术方案的基础上，如图3所示，所述基站14包括：

带通滤波器10，用于将从基站端滤波装置9中的光波长解复用装置3发送来的光载毫米波信号中所有带外噪声滤除，

射频放大器11，用于放大滤除了带外噪声的光载毫米波信号，

光电二极管PD12，对放大后的光载毫米波信号进行拍频，进而上变频产生射频毫米波电信号，

射频毫米波电信号通过无线射频天线13发送出去。

本发明中的毫米波频率并不一定是实例中所示的60Ghz，WDM-ROF信道数量也不一定就是8个。我们可根据实际的信道毫米波频段需求，以及一个中心站需要支持的基站数量，灵活的选取系统内各个元器件的参数。例如，系统要求毫米波频率为120Ghz，且一个中心站需支持12个基站，则光多载波的间隔应选取为20Ghz，系统中的所有元器件参数做相应调整即可。

本方案中的多载波光源产生装置可以是由单光源通过各种技术手段产生的，也可以是由独立的波长间隔相等的多光源组成的。如果系统采用单光源产生多载波光的方法，则可借鉴CO-OFDM中常用的多信号光产生装置，用单光源一次产生多个信号光和拍频光，且驱动多载波光产生装置的射频信号频率可以大大低于ROF毫米波的射频频率，可降低ROF产生装置的成本和复杂度。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种高谱效率的WDM-ROF载波产生方法，其特征在于，包括以下步骤：

设光毫米波频率为F，在中心站(1)，通过多载波光产生装置(2)产生一组频率间隔为F/N的连续光载波，N为需要产生的拍频光的个数，即N为≥1的整数；

然后利用光波长解复用装置(3)将其中信噪比质量最好的3N个光载波分离出来，中间的N个光载波作为WDM-ROF信道的公用拍频光，而两边的2N个光载波作为信号光；

将信号光作为信号光源分别进入信号光调制模块(4)，调制需要传输的基带信号；

调制后的信号光与未调制信号的拍频光经过光多路复用器(7)耦合，形成一个包含2N个信道的WDM-ROF传输信号，进入光纤链路(8)发往基站(14)；

在基站端，利用基站端滤波装置(9)将该基站所需要的拍频光和信号光滤出，形成最终包含一个信号光和一个拍频光的光毫米波ROF信号，该光毫米波ROF信号经过射频放大器(11)放大后送入光电二极管PD(12)进行拍频产生射频毫米波信号，射频毫米波信号通过无线射频天线(13)发射出去。

2.如权利要求1所述的高谱效率的WDM-ROF载波产生方法，其特征在于：所述多载波光产生装置(2)基于光源频移方法产生多个频率间隔相同光源，或基于级联调制器的方法产生多个频率间隔相同光源，或基于非线性光纤光学效应的方法产生多个频率间隔相同光源，或由完全独立但波长间隔相同的独立光源产生多个频率间隔相同光源。

3.如权利要求2所述的高谱效率的WDM-ROF载波产生方法，其特征在于：所述光源频移方法的具体步骤为：将初始光源经相位调制器或强度调制器后，通过一定功率的射频信号驱动，实现光源频率的搬移。

4.如权利要求2所述的高谱效率的WDM-ROF载波产生方法，其特征在于：所述级联调制器的方法的具体步骤为：将初始光源送入相位调制器与强度调制器级联装置，通过调整强度调制器的直流偏置电压以及两个调制器的射频驱动信号的幅度和相位差，调整多载波光的数量与光谱平整度。

5.如权利要求2所述的高谱效率的WDM-ROF载波产生方法，其特征在于：所述非线性光纤光学效应的方法的具体步骤为：将单光源送入非线性系数很高的介质中，通过非线性效应产生多载波光。

6.如权利要求1所述的高谱效率的WDM-ROF载波产生方法，其特征在于：所述光波长解复用装置(3)是阵列波导光栅AWG、波长选择开关WSS、带通光滤波器中的任意之一。

7.如权利要求1所述的高谱效率的WDM-ROF载波产生方法，其特征在于：所述基站端滤波装置(9)包括一光波长解复用装置(3)，光波长解复用装置(3)是阵列波导光栅AWG、波长选择开关WSS、带通光滤波器中的任意之一。

8.一种利用权利要求1所述方法的高谱效率的WDM-ROF载波传输系统，包括中心站(1)和若干基站(14)，其特征在于：中心站(1)经过由标准单模光纤构成的光纤链路(8)连接到基站端滤波装置(9)的输入端，基站端滤波装置(9)的各输出端分别一对一的与一个基站(14)连接，基站(14)根据其配置的无线射频天线(13)的参数产生相应的毫米波，每个信道的毫米波频率为30GHz～300GHz毫米波频带中的任意一个，

所述中心站(1)包括：

多载波光产生装置(2)，产生一组频率间隔为F/N的连续光载波，F为光毫米波频率，N为需要产生的拍频光的个数，N为≥1的整数；

光波长解复用装置(3)，从多载波光产生装置(2)产生的连续光载波中，将信噪比质量最好的3N个光载波分离出来，其中N个作为拍频光，2N个作为信号光；

信号光调制模块(4)，接收信号光并调制需要传输的基带信号；

光多路复用器(7)，同时接收调制后的信号光与未调制信号的拍频光，并将其组成一组WDM-ROF光信号；

所述基站(14)包括：

带通滤波器(10)，用于将光波长解复用装置(3)发送来的光载毫米波信号中所有带外噪声滤除，

射频放大器(11)，用于放大滤除了带外噪声的光载毫米波信号，

光电二极管PD(12)，对放大后的光载毫米波信号进行拍频，进而上变频产生射频毫米波电信号，

射频毫米波电信号通过无线射频天线(13)发送出去。

9.如权利要求8所述的高谱效率的WDM-ROF载波传输系统，其特征在于，基站端滤波装置(9)包括：

光波长解复用装置(3)，其光波长栅格与连续光载波的频率间隔一致，

光波长解复用装置(3)将2N个信号光和N个拍频光一一分离出来，再将N个拍频光分别一对一的用1：2光分束器(15)分为功率相等的两束，

八束拍频光分别一对一的与一束信号光同时送入2:1光耦合器(16)耦合在一起，形成最终的光载毫米波信号。