CN103414516A - 基于同/外差探测双向有线/无线混合光接入方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于同/外差探测双向有线/无线混合光接入方法与系统。在中心站，通过I/Q调制器将数字信号基带调制到光载波上，然后通过下行传输链路传送至混合ONU，在混合ONU利用一个可调谐激光器提供同差接收和外差接收的相干光本振，完成下行链路的有线/无线接收，并以该本振源作为上行有线/无线数据信号的光载波，分别用基带I/Q调制和单边带调制方式来承载有线接入和无线接入的上行信号，在中心站利用激光器作为本振源进行相干接收，完成有线/无线接入信号在中心站和混合ONU之间的全双工传输和基于同/外差探测的有线和无线接入信号的光电转换。本发明增加了混合ONU接入方式的灵活性选择，实现了高速率的数据传输和发收，且频谱利用率高。

Description

基于同/外差探测双向有线/无线混合光接入方法与系统

技术领域

本发明涉及光通信和毫米波通信领域，尤其涉及利用光纤传输携带高速率数据的有线/无线接入基带光信号，利用不同频率的光本振通过同/外差探测实现全双工的有线和毫米波无线可选择混合光接入。

背景技术

随着人类社会信息化的深入发展，人们对高速、高质量的语音、数据和图像等多重服务的需求越来越迫切，会议电视、视频点播和网络游戏等全新多媒体业务的出现，使得无线和有线接入网的通信容量需求迅猛增加，低速窄带通信愈来愈难满足这些新业务对数据速率和带宽的需求。而光纤通信的发展以其低损耗、大带宽、不受电磁干扰且易于维护等优势，成为长距离、高速率信号传输的优选方案。

光纤有线接入虽能提供巨大的带宽，但其灵活性严重受限；无线通信虽能实现灵活方便的窄带接入，但目前无线信道频谱资源非常有限且信号易受多种损伤等因素，无法满足未来无线通信业务的大容量和多样化需求。为了满足人们对通信业务持续增长的带宽需求和传输速率及接入灵活性的要求，无线通信和光纤通信技术表现出明显的优势补充特征。目前光纤射频传输（Radio overFiber，RoF）技术的引入，使二者表现出相互兼容性，这促使无线通信和光纤通信走向融合。融合了光纤的宽带传输优势和无线接入的灵活方便优势的宽带有线-无线混合接入光网络，不仅能够提供宽带光纤有线接入，还能够借助RoF技术为分布式天线系统长距离、低损耗地馈送宽带无线信号以实现宽带无线接入，这将是未来宽带接入的有效实现方案。基于RoF技术的宽带无线接入系统需要光纤传输光载毫米波信号，在基站采用外差探测拍频产生电毫米波信号，并通过天线发射出去实现无线接入，而光纤有线接入网同样需要光纤传输光载毫米波信号，在光网络单元采用同差探测将光信号转化为基带电信号，实现有线接入，这两种网络具有大致相同的中心站结构、光信号频谱结构及光纤传输链路，不同之处在于基站或光网络单元采用的分别是外差探测和同差探测。如果将光纤宽带有线接入和基于RoF的宽带光载射频信号分布网络结合起来，由同一个光网络承载，不仅能够实现有线-无线网络的融合、简化网络结构，而且能够根据用户需要提供有线和/或无线接入，满足用户的多样化需求。

目前已有不少基于PON/RoF的混合有线/无线接入的文献报道，但现有技术中PON/RoF的混合有线/无线接入方式至少还存在下述问题：只是把携带有线和无线数据信息的光信号的频谱简单地合并叠加，在基站，有线与无线接收信号相互独立，这样增加了频谱成分，受光纤色散等因素影响较大，从而降低了信号在光纤中的传输性能，缩小了传输距离，设备与频谱的利用率较低，且用户不能灵活地改变接收方式。目前实现数十Gb/s的高速率数据有线接入、60GHz甚至更高频率毫米波的无线接入，同时兼顾有线/无线接入方式的可选择性，进一步简化光谱结构，提高频谱利用效率，并实现全双工通信，成为目前亟待解决的关键问题。

发明内容

为解决上述高速率有线/无线混合接入的光信号传输与设备利用问题，本发明提供一种基于同/外差探测双向有线/无线混合光接入方法与系统。

本发明提供一种基于同/外差探测的双向有线/无线混合光接入方法，用于实现混合ONU的有线/无线选择性接入，在混合ONU中利用可调谐激光器提供同差接收和外差接收的相干光本振，产生下行链路的有线接入和无线接入信号，并利用该本振源作为上行有线/无线数据的光载波，承载上行的有线或无线信号，完成基于光纤传输的宽带信号在中心站和混合ONU之间的全双工传输和基于同/外差探测的有线和无线接入信号的光电转换，增加接入方式的灵活性，提高频谱利用率，其包括：在中心站的下行链路发射模块中，激光器输出的频率为f₀的光波通过一个I/Q光调制器实现矢量数据信号在光域的基带调制；承载下行矢量信号的光波经单模光纤传输至混合ONU后，首先由一个光带通滤波器滤除带外噪声；对无线接入，混合ONU中的可调谐激光器产生频率为f₁=f₀±f_D的光本振，与下行的光信号通过高速光电探测器进行外差拍频，产生频率为f_D=f₀-f₁的电毫米波信号，馈送至天线，并发射至用户端，实现下行链路无线接入；对有线接入，混合ONU中的可调谐激光器的输出频率与信号光频率相同，即f₁=f₀，与下行的光信号进行相干同差探测，产生基带的矢量信号实现下行的有线接入；同时，可调谐激光器输出的一部分光功率作为上行链路的光载波，承载上行有线接入的基带信号或无线接入的毫米波信号；在无线接入上行链路中，混合ONU中的无线接入上行链路发射模块将天线接收的频率为f_U的电毫米波信号，通过马赫-曾德调制器调制到频率为f₁的上行光载波上，由光带通滤波器将频率为f₂=f₁±f_U、承载上行数据信息的一个调制边带滤出，该过程同时实现了毫米波电信号在光域中转换为基带光信号，然后经上行光纤链路传输至中心站，中心站中的无线接入上行链路的接收模块，利用中心站激光器输出的频率为f₀的光波作为光本振，如果f₂和f₀频率相同，则进行光域的同差相干解调，得到上行链路的基带信号；如果f₂和f₀频率不同，由光电探测器进行外差拍频探测，产生频率为f₂-f₀的拍频电信号，然后电域相干解调得到无线上行基带信号，或在数字域进行频率下变换；在有线接入上行链路中，混合ONU中可调谐激光器输出光波的一部分光功率作为上行链路的光载波，通过I/Q调制器承载上行链路的基带信号，然后由上行光纤链路传输至中心站，中心站中的有线接入上行链路接收模块利用中心站的输出频率为f₀的光波做光本振对上行信号进行光域相干解调，得到有线上行基带信号；上述上行链路和下行链路能够实现信号的全双工传输，构成了全双工链路。

作为一种优选方法，在下行链路发射模块中：所采用双电极铌酸锂马赫-曾德调制器，其工作在线性区域，且响应频率和驱动电路频率较低；下行数据信息可以是二进制信号，也可以是频谱效率较高的M进制矢量调制信号；激光器输出的频率为f₀的光波通过一个I/Q光调制器实现数据信号在光域的基带调制，下行链路的光信号只包含一个频率成分的基带调制的光载波，频谱结构简单，受光纤色散影响小；并且在混合ONU中不管是同差探测的有线接入，还是外差探测的无线接入，中心站产生的下行链路数据信息采用相同的调制格式，无需因混合ONU的有线接入和无线接入而调整结构。

作为一种优选方法，在混合ONU中：首先利用光分叉器将波长可调的本地激光器产生的光波分成两路，一路预留为上行链路的光载波，另一路用作混合ONU中对下行光信号相干探测的本振光。对于无线接入，可调谐激光器产生频率为f₁=f₀±f_D的光本振，与下行的光信号通过高速光电探测器进行外差拍频，产生携带下行数据信息的、频率为f_D=f₀-f₁的电毫米波信号，馈送至天线，通过天线发射至无线接入用户端，在实际系统中还需要一定增益的毫米波放大器以增加电毫米波信号功率，在此可以根据具体的实际应用选择本振光的频率，得到所需频率的电毫米波f_D；对于有线接入，可调谐激光器的输出频率与信号光频率相同，即f₁=f₀，与下行光信号进行同差相干探测，通过由两输入口四输出口的90°光hybrid混合器和两对平衡光电探测器构成的相干光接收机，实现下行有线信号的同差相干解调，产生实现下行有线接入的基带信号。

作为一种优选方法，在无线接入上行链路中：在混合ONU中，由天线接收的频率为f_U的二进制或高阶调制上行电毫米波信号通过马赫-曾德调制器调制到由混合ONU中可调谐激光器输出的频率为f₁的预留上行光载波上，产生频率为f₂=f₁±f_U的光边带，利用光带通滤波器滤出一个承载上行数据信息的边带，在光域中实现毫米波电信号转换为基带光信号，并通过上行光纤链路传输至中心站；利用中心站中的激光器输出的频率为f₀的光波作为本振光对上行无线接入的基带光信号进行相干解调，如果f₂和f₀频率相同，则进行光域的同差相干解调，得到上行链路的基带信号；如果f₂和f₀频率不同，由低速光电探测器直接进行外差拍频探测，实现光电转换，产生频率为f₂-f₀的拍频电信号，然后电域相干解调得到上行基带信号，或通过在数字域进行频率下变频。

作为一种优选方法，在有线接入上行链路中：混合ONU中的可调谐激光器输出的频率f₁=f₀，二进制或M进制的矢量调制的上行基带数据信号通过I/Q调制器调制到该上行光载波上，经上行光纤链路传输至中心站；中心站的上行有线接入信号接收模块利用中心站激光器输出的频率为f₀的光本振在光域对上行光信号进行相干解调得到上行基带数据信号。

作为一种优选方法，在全双工链路的混合ONU可以采用三种形式之一：（1）只包含有线接入下行链路接收模块和有线接入上行链路发射模块，实现有线接入；（2）只包含无线接入下行链路接收模块和无线接入上行链路发射模块，实现无线接入；（3）同时包含有线接入下行链路接收模块、有线接入上行链路发射模块、无线接入下行链路接收模块和无线接入上行链路发射模块，以及实现有线无线接入倒换的下行链路、上行链路的控制模块，实现有线和无线可选择接入；为了简化混合ONU结构、降低成本，在考虑有线和无线选择接入信号性能的基础上，有线和无线接入端的元器件实现充分的共享。

作为一种优选方法，在全双工链路的中心站中：能够同时实现携带下行链路基带数据信息的光信号产生，上行链路光载毫米波信号的接收与相干解调和上行基带信号的相干光接收，为上行的有线和无线基带信号的相干解调或光域频率下转换提供光本振信号；考虑到光纤链路的损耗，中心站能够通过光放大器对下行链路信号光功率进行功率放大，使混合ONU接收到的光信号具有足够的光功率；中心站能够通过光放大器放大上行光信号到适当功率，以补偿其在上行光纤链路中的传输损耗。

作为一种优选方法，在全双工链路的光纤传输链路：上行链路和下行链路的信号均由常规单模光纤传输，可以采用两种实现方式：（1）有两根独立的常规单模光纤构成，上、下行信号分别在上、下行链路光纤中传输；（2）有一根单模光纤构成，上、下行信号在同一根光纤中传输，在中心站，通过光环型器将下行链路光信号耦合进传输光纤，同时上行链路光信号分离出来；在混合ONU，通过光环型器将下行链路光信号分离出来，同时将上行链路光信号耦合进传输光纤。

本发明提供一种基于同/外差探测的双向有线/无线混合光接入系统，包括：

有线/无线混合光接入系统由中心站、多个混合ONU和中心站与混合ONU间的光纤传输链路构成，其中中心站包括下行链路发射模块、无线/有线上行链路接收模块，混合ONU包括下行链路无线/有线接入模块和无线/有线上行链路发射模块，中心站与混合ONU间的传输链路包括上行光纤链路和下行光纤链路：

下行链路发射模块：产生携带有线/无线接入数据信号的光信号，提供上行信号相干解调的光本振，主要器件包括激光器、分叉器、I/Q调制器，其中I/Q调制器中包括两个铌酸锂马赫-曾德调制器、光相移器和光耦合器、偏振控制器；激光器产生中心频率为f₀的连续激光，分叉器将激光器发出的光波分成两路，其中一路入射至I/Q调制器，实现数据信号在光域的基带调制，另一路预留为上行链路信号相干解调的光本振；

下行链路无线接入模块：将下行链路携带数据信息的基带调制的光信号转换为电毫米波信号，并提供上行链路的光载波，主要器件包括可调谐激光器、光带通滤波器、偏振控制器、光电转换器和发射天线；可调谐激光器作为下行链路外差探测的本振源，并作为上行链路的光载波；高速的光电转换器完成光毫米波到电毫米波的转换；天线实现电毫米波信号发射至无线用户接收端；

下行链路有线接入模块：将下行链路携带数据信息的基带调制的光信号转换为基带电信号，并提供上行链路的光载波，主要器件包括可调谐激光器、光相移器、偏振控制器、光带通滤波器和相干光接收机；可调谐激光器作为下行链路同差探测的本振源，并作为上行链路的光载波；光相移器和偏振控制器分别用于匹配接收到的下行链路光信号与光本振之间的相位和偏振态；相干光接收机由两输入口四输出口的90°光hybrid和两对平衡光电探测器构成，实现下行数据的同差相干解调；

无线接入上行链路发射模块：将上行的电毫米波信号加载到光载波上，主要器件包括接收天线、铌酸锂马赫-曾德调制器和光带通滤波器；接收天线实现接收由用户发射的携带上行数据信息的电毫米波信号；铌酸锂马赫-曾德调制器实现上行电毫米波信号调制到混合ONU预留的上行光载波上；光带通滤波器将携带无线上行信息的一个调制边带滤出作为混合ONU的输出光信号；

无线接入上行链路接收模块：接收上行的无线接入光信号并转换为电信号，主要器件包括光耦合器和光电探测器或相干光接收机；如果携带上行无线数据信息的光载波f₂与中心站预留的本振光f₀的频率不同时，在中心站，光耦合器把接收到的携带上行数据信息的光信号与预留用作解调的本振光f₀进行耦合；低速光电探测器将耦合的光信号进行外差拍频探测转换为电信号，产生频率为f₂-f₀的拍频电信号；如果f₂和f₀频率相同时，则直接用相干光接收机对上行光信号进行同差相干解调；

有线接入上行链路发射模块：将上行的有线接入信号加载到光载波上，主要器件为铌酸锂马赫-曾德调制器；铌酸锂马赫-曾德调制器实现有线上行数据信号对上行载波的基带调制，并作为混合ONU的输出光信号；

有线接入上行链路接收模块：接收上行的有线接入光信号并转换为电信号，主要由相干光接收机构成，包括90°光hybird，两对平衡光探测器、光相移器和偏振控制器等；频率为f₀的本振光由下行链路发射模块预留，携带有线上行数据的光信号通过预留的光本振和相干光接收机实现相干解调；

中心站与混合ONU间的传输链路：实现上下行光信号的有效光传输，主要包括常规单模光纤和实现光信号放大和损耗补偿的掺铒光纤放大器。

采用本发明提供的技术方案后，由于下行光信号的数据信息采用矢量调制格式（如QAM）直接基带调制到光载波上，调制方法简单，且光信号只包含一个频率成分，频谱结构简单，受光纤色散影响小；而且在混合ONU中不管是同差探测的有线接入，还是外差探测的无线接入，中心站产生的下行链路光信号采用相同的调制方法，无需因混合ONU的有线接入和无线接入而调整结构，从而降低了中心站的复杂度，充分利用了设备；采用QAM调制格式提高了频谱利用率；由于光信号可以转换为有线或无线电信号，增加了用户接入方式的灵活性；由于上行链路光载波可以直接由混合ONU的可调谐激光器提供，降低了功耗、节省了成本；同时，由于中心站预留了光载波作为上行信号相干光解调本振，简化了中心站结构；且在该发明中，混合ONU中用的是一个可调谐激光器，我们可以根据所需的射频信号，适当的调整该激光器的发射频率，实现射频电信号的调节。

附图说明

图1所示为本发明所公布的基于同/外差探测的双向有线/无线混合接入光网络的链路原理图。

图2为本发明中中心站激光器输出的频率为f₀=193.1THz的携带下行数据信息的光载波，图1中位置（i）测得。

图3为本发明中40Gbit/s，16-QAM（10Gbaud）下行数据信息基带调制于193.1THz光载波后的光谱，图1中（ii）位置测得。

图4为本发明中下行链路无线接入的60GHz光载毫米波光电转换为电毫米波的频谱图，图1中（iii）位置测得。

图5为本发明中下行链路无线接入电毫米波信号在不经无线传输情况下相干解调得到的16-QAM下行信号的星座图和I、Q支路眼图（背靠背情况，即光纤长度为0km），图1中（iv）位置测得。

图6为本发明中下行链路无线接入电毫米波信号在不经无线传输情况下相干解调得到的16-QAM下行信号星座图和I、Q支路眼图（光纤长度为30km），图1中（iv）位置测得。

图7为本发明中下行链路有线接入同差探测相干解调得到的16-QAM下行信号星座图和I、Q支路眼图（背靠背情况，即光纤长度为0km），图1中（v）位置测得。

图8为本发明中下行链路有线接入同差探测相干解调得到的16-QAM下行信号星座图和I、Q支路眼图（光纤长度为30km），图1中（v）位置测得。

图9为本发明中频率为193.04THz的无线接入上行载波经40Gbit/s，16QAM的60GHz上行电毫米波信号单边带调制后的光谱图，图1中（vi）位置测得。

图10为本发明中无线接入上行链路在不经无线传输情况下传输至中心站后相干解调得到的16-QAM上行信号的星座图和I、Q支路眼图（背靠背情况，即光纤长度为0km），图1中（vii）位置测得。

图11为本发明中无线接入上行链路在不经无线传输情况下传输至中心站后相干解调得到的上行信号星座图和I、Q支路眼图（光纤长度为30km），图1中（vii）位置测得。

图12为本发明中有线接入上行载波被40Gbit/s，16QAM上行信息基带调制后的光谱图，图1中（viii）位置测得。

图13为本发明中有线接入上行链路传输至中心站后相干解调得到的上行信号星座图和I、Q支路眼图（背靠背情况，即光纤长度为0km），图1中（ix）位置测得。

图14为本发明中有线接入上行链路传输至中心站后相干解调得到的上行信号星座图和I、Q支路眼图（光纤长度为30km），图1中（ix）位置测得。

具体实施方式

本发明提供一种全双工接入方法，用于实现基于同/外差探测的混合ONU的有线/无线选择性接入，完成有线/无线接入光信号在中心站和混合ONU之间的传输，增加混合ONU接入方式的灵活性，实现高速率数据的传输和接收，提高频谱利用率，为实现上述效果，需要采用下述步骤：

首先，在下行链路发射模块中：如图1所示，在中心站，采用角频率为ω₀=2πf₀的窄线宽激光器输出光波注入到双电极铌酸锂马赫-增德调制器（LiNbO₃Mach-Zehnder modulator，LN-MZM）中，这里以激光频率f₀=193.1THz（1552.5nm），线宽为100kHz为例，其光谱如图2所示。对强度调制信号，简单的光强度调制器即可实现，对相位调制或正交幅度调制等矢量信号需要同时实现相位和幅度调制的矢量调制器实现，如I/Q调制器，根据LN-MZM的线性调制特性及QAM调制原理，下行数据信号通过光调制器加载到光载波上，本发明中将二进制NRZ的40Gbit/s的数据信号通过16-QAM的星座图映射和脉冲成型后形成10Gbaud的矢量信号作为下行数据，基带调制后加载于光载波上，产生如图3所示的携带下行基带数据信号的光波。携带下行数据信号的有线/无线接入光信号经掺铒光纤放大器放大到适当的功率后注入到下行光纤传输链路。同时中心站将频率为193.1THz的光波部分功率预留为上行链路信号相干解调的光本振。

其次，在下行传输链路中，下行链路由常规的单模光纤构成，能够将基带光信号传输至混合ONU，光纤色度色散的影响也非常小，光纤非线性较小，可以不予考虑。

下行链路混合ONU模块中：根据用户接入方式的不同，混合ONU可以采用有线或无线接入方式接收并对下行链路光信号进行光电转换。对无线接入方式，光信号经过光耦合器与混合ONU中可调谐激光器提供的频率为f₁的本振光耦合，若可调谐激光器输出频率为f₁=193.04THz的本振光，经过光电探测器的外差拍频，光电转换为60GHz电毫米波信号，频谱如图4所示，馈送至天线，通过天线将携带下行数据信号的电毫米波信号无线发射至用户端。为了检验光载毫米波信号的性能，本发明采用60GHz的本振信号对其进行电域的相干解调，在背靠背（0km）和经过30km光纤传输后，解调获得的基带信号的星座图和I、Q支路眼图分别如图5、图6所示；对有线接入方式，下行链路光信号与混合ONU中可调谐激光器提供的频率为f₁的本振光经过由90°光hybrid和两对平衡光探测器组成的相干光接收机在光域相干解调得下行基带数据信号，这时可调谐激光器输出频率为f₁=193.1THz的本振光，在这里需要注意的是由可调谐激光器发出的光波在注入相干光接收机之前，要先通过一个相移器匹配本振光与下行链路光信号之间的相位。其中解调得到的背靠背情况（0km）和经过30km光纤传输后的星座图和I、Q支路眼图分别如图7、图8所示；同时本地可调谐激光器输出的一部分光功率作为上行链路的光载波，承载有线接入的基带信号或无线接入的毫米波信号。

无线接入上行链路：承载上行链路数据信号频率为f_U的电毫米波信号由混合ONU天线接收，通过响应频率不小于f_U的马赫-曾德调制器或电吸收调制器调制到预留的上行光载波f₁=193.04THz上，产生频率为f₁+f_U的上边带B1，通过光带通滤波器将携带上行链路基带信号的边带B1滤出，经上行光纤传输链路传输至中心站，该过程同时实现了毫米波电信号到基带光信号的转换。中心站预留的频率为f₀的光波作为解调上行链路光信号的本振光，如果f₁+f_U和f₀频率相同，即f₁+f_U=f₀，中心站将频率为f₁+f_U上行链路光信号B1与频率为f₀的光本振耦合，由90°光hybrid和两对平衡光探测器组成的相干接收模块对上行链路信号进行光域相干解调；如果f₁+f_U和f₀频率不同，即f₁+f_U≠f₀，由低速光电探测器将光信号转换为频率为│f₁+f_U-f₀│的中频电信号，然后在电域将上行链路信号转换为基带信号。本发明以40Gbit/s，16QAM的频率为60GHz的上行电毫米波信号为例，经马赫-曾德调制器单边带调制到上行光载波上，携带上行链路数据信号的中心频率为f₁+f_U=193.1THz的边带B1如图9所示，被滤出并传输至中心站，中心站将其与频率为193.1THz的预留本振光f₀注入相干光接收机中，进行同差相干接收，得到上行链路基带信号，实现上行链路信号在光域的相干解调。无线接入上行链路信号在背靠背情况（0km）和经过30km光纤传输后相干解调得到的信号星座图和I、Q支路眼图分别如图10、图11所示。

有线接入上行链路：混合ONU中有线接入上行链路的基带信号可以由强度调制或矢量调制方式加载到所预留的上行光载波f₁上，经上行光纤链路传输至中心站，用中心站预留的光波f₀作为本振光，通过由90°光hybrid和两对平衡光探测器组成的相干接收模块对其进行相干光接收，实现上行信号的光电转换和相干解调。本发明中以40Gbit/s，16QAM上行数据信号基带调制到频率为193.1THz的上行光载波上，调制后的光信号光谱如图12所示，经上行光纤链路传输至中心站，中心站频率为193.1THz的本振光对其进行同差相干解调得到上行数据信号。有线接入上行链路信号在背靠背情况（0km）和经过30km光纤传输后相干解调得到的信号星座图和I、Q支路眼图分别如图13、图14所示。

本发明采用的基于同/外差探测双向有线/无线混合光接入方法与系统具有以下有益效果：

（1）下行链路发射模块不用区分混合ONU是有线接入还是无线接入方式，在中心站可以采用相同的正交幅度调制格式对光载波进行基带调制，提高了频谱利用率，降低了中心站的复杂度，简化了频谱结构和下行链路的实现方案；

（2）上下行链路传输的均为基带光信号，在光纤传输时色散不会引起所探测到的射频光电流的幅度衰落和脉冲走离现象，能够有效地降低光纤色散的影响，延长了光载毫米波信号的传输距离；

（3）混合ONU根据用户的不同需求提供实现有线接入同差探测和无线接入外差探测所需的光本振，能够实现基于同差相干解调的高速有线接入或基于外差探测的高频光载毫米波的无线接入，增加了接入方式的灵活性；

（4）混合ONU还可以通过调节可调谐激光器的输出频率，得到不同频率的高频毫米波信号，上行链路光载波由混合ONU的可调谐激光器提供。

综上所述，本发明利用铌酸锂马赫-曾德调制器在中心站产生QAM调制格式的基带调制的光载毫米波信号，降低了调制器的响应频率要求；增加了频谱利用率，简化了频谱结构，降低了中心站的复杂度，实现了高速率的数据传输和接收；混合ONU中根据不同需求采用不同的探测方法，实现有线/无线选择性接入方式，增加了混合ONU的灵活性；中心站预留光本振作为上行链路的解调本振光，简化了中心站的复杂度，增加了全双工链路的可实现性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于同/外差探测双向有线/无线混合光接入方法，用于实现混合ONU的有线/无线选择性接入，在混合ONU中利用可调谐激光器提供同差接收和外差接收的相干光本振，产生下行链路的有线接入和无线接入信号，并利用该本振源作为上行有线/无线数据的光载波，承载上行的有线或无线信号，完成基于光纤传输的宽带信号在中心站和混合ONU之间的全双工传输和基于同/外差探测的有线和无线接入信号的光电转换，增加接入方式的灵活性，提高频谱利用率，其特征在于，其包括下述步骤： 

在中心站的下行链路发射模块中，激光器输出的频率为f₀的光波通过一个I/Q光调制器实现矢量数据信号在光域的基带调制； 

承载下行矢量信号的光波经单模光纤传输至混合ONU后，首先由一个光带通滤波器滤除带外噪声； 

对无线接入，混合ONU中的可调谐激光器产生频率为f₁=f₀±f_D的光本振，与下行的光信号通过高速光电探测器进行外差拍频，产生频率为f_D=f₀-f₁的电毫米波信号，馈送至天线，并发射至用户端，实现下行链路无线接入；对有线接入，混合ONU中的可调谐激光器的输出频率与信号光频率相同，即f₁=f₀，与下行的光信号进行相干同差探测，产生基带的矢量信号实现下行的有线接入；同时，可调谐激光器输出的一部分光功率作为上行链路的光载波，承载上行有线接入的基带信号或无线接入的毫米波信号； 

在无线接入上行链路中，混合ONU中的无线接入上行链路发射模块将天线接收的频率为f_U的电毫米波信号，通过马赫-曾德调制器调制到频率为f₁的上行光载波上，由光带通滤波器将频率为f₂=f₁±f_U、承载上行数据信息的一个调制边带滤出，该过程同时实现了毫米波电信号在光域中转换为基带光信号，然后经上行光纤链路传输至中心站，中心站中的无线接入上行链路的接收模块，利用 中心站激光器输出的频率为f₀的光波作为光本振，如果f₂和f₀频率相同，则进行光域的同差相干解调，得到上行链路的基带信号；如果f₂和f₀频率不同，由光电探测器进行外差拍频探测，产生频率为f₂-f₀的拍频电信号，然后电域相干解调得到无线上行基带信号，或在数字域进行频率下变换； 

在有线接入上行链路中，混合ONU中可调谐激光器输出光波的一部分光功率作为上行链路的光载波，通过I/Q调制器承载上行链路的基带信号，然后由上行光纤链路传输至中心站，中心站中的有线接入上行链路接收模块利用中心站的输出频率为f₀的光波做光本振对上行链路信号进行光域相干解调，得到有线上行基带信号； 

上述上行链路和下行链路能够实现信号的全双工传输，构成了全双工链路。 

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述下行链路发射模块： 

所采用双电极铌酸锂马赫-曾德调制器，其工作在线性区域，且响应频率和驱动电路频率较低；下行数据信息可以是二进制信号，也可以是频谱效率较高的M进制矢量调制信号；激光器输出的频率为f₀的光波通过一个I/Q光调制器实现数据信号在光域的基带调制，下行链路的光信号只包含一个频率成分的基带调制的光载波，频谱结构简单，受光纤色散影响小；并且在混合ONU中不管是同差探测的有线接入，还是外差探测的无线接入，中心站产生的下行链路数据信息采用相同的调制格式，无需因混合ONU的有线接入和无线接入而调整结构。 

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合ONU： 

首先利用光分叉器将波长可调的本地激光器产生的光波分成两路，一路预留为上行链路的光载波，另一路用作混合ONU中对下行光信号相干探测的本振光。对于无线接入，可调谐激光器产生频率为f₁=f₀±f_D的光本振，与下行的光信 号通过高速光电探测器进行外差拍频，产生携带下行数据信息的、频率为f_D=f₀-f₁的电毫米波信号，馈送至天线，通过天线发射至无线接入用户端，在实际系统中还需要一定增益的毫米波放大器以增加电毫米波信号功率，在此可以根据具体的实际应用选择本振光的频率，得到所需频率的电毫米波f_D；对于有线接入，可调谐激光器的输出频率与信号光频率相同，即f₁=f₀，与下行光信号进行同差相干探测，通过由两输入口四输出口的90°光hybrid混合器和两对平衡光电探测器构成的相干光接收机，实现下行有线信号的同差相干解调，产生实现下行有线接入的基带信号。 

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无线接入上行链路： 

在混合ONU中，由天线接收的频率为f_U的二进制或高阶调制上行电毫米波信号通过马赫-曾德调制器调制到由混合ONU中可调谐激光器输出的频率为f₁的预留上行光载波上，产生频率为f₂=f₁±f_U的光边带，利用光带通滤波器滤出一个承载上行数据信息的边带，在光域中实现毫米波电信号转换为基带光信号，并通过上行光纤链路传输至中心站；利用中心站中的激光器输出的频率为f₀的光波作为本振光对上行无线接入的基带光信号进行相干解调，如果f₂和f₀频率相同，则进行光域的同差相干解调，得到上行链路的基带信号；如果f₂和f₀频率不同，由低速光电探测器直接进行外差拍频探测，实现光电转换，产生频率为f₂-f₀的拍频电信号，然后电域相干解调得到上行基带信号，或通过在数字域进行频率下变频。 

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有线接入上行链路： 

混合ONU中的可调谐激光器输出的频率f₁=f₀，二进制或M进制的矢量调制的上行基带数据信号通过I/Q调制器调制到该上行光载波上，经上行光纤链路传输至中心站；中心站的上行有线接入信号接收模块利用中心站激光器输出的 频率为f₀的光本振在光域对上行光信号进行相干解调得到上行基带数据信号。 

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述全双工链路的混合ONU可 

以采用三种形式之一： 

（1）只包含有线接入的下行链路接收模块和有线接入的上行链路发射模块，实现有线接入； 

（2）只包含无线接入的下行链路接收模块和无线接入的上行链路发射模块，实现无线接入； 

（3）同时包含有线接入的下行链路接收模块、有线接入的上行链路发射模块、无线接入的下行链路接收模块和无线接入的上行链路发射模块，以及实现有线无线接入倒换的下行链路、上行链路的控制模块，实现有线和无线可选择接入；为了简化混合ONU结构、降低成本，在考虑有线和无线接入信号性能的基础上，有线和无线接入端的元器件实现充分的共享。 

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述全双工链路的中心站： 

能够同时实现携带下行链路基带数据信息的光信号产生，上行链路光载毫米波信号的接收与相干解调和上行基带信号的相干光接收，为上行的有线和无线基带信号的相干解调或光域频率下转换提供光本振信号；考虑到光纤链路的损耗，中心站能够通过光放大器对下行链路信号光功率进行功率放大，使混合ONU接收到的光信号具有足够的光功率；中心站能够通过光放大器放大上行光信号到适当功率，以补偿其在上行光纤链路中的传输损耗。 

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述全双工链路的光纤传输链路： 

上行链路和下行链路的信号均由常规的单模光纤传输，可以采用两种实现方式： 

（1）有两根独立的常规单模光纤构成，上行、下行信号分别在上行、下行 链路光纤中传输； 

（2）有一根单模光纤构成，上、下行信号在同一根光纤中传输，在中心站，通过光环型器将下行链路光信号耦合进传输光纤，同时上行链路光信号分离出来；在混合ONU，通过光环型器将下行链路光信号分离出来，同时将上行链路光信号耦合进传输光纤。 

9.一种基于同/外差探测的双向有线/无线混合光接入系统，其特征在于，其包括： 

有线/无线混合光接入系统由中心站、多个混合ONU和中心站与混合ONU间的光纤传输链路构成，其中中心站包括下行链路发射模块、无线/有线上行链路接收模块，混合ONU包括下行链路无线/有线接入模块和无线/有线上行链路发射模块，中心站与混合ONU间的传输链路包括上行光纤链路和下行光纤链路： 

下行链路发射模块：产生携带有线/无线接入数据信号的光信号，提供上行信号相干解调的光本振，主要器件包括激光器、分叉器、I/Q调制器，其中I/Q调制器中包括两个铌酸锂马赫-曾德调制器、光相移器和光耦合器、偏振控制器；激光器产生中心频率为f₀的连续激光，分叉器将激光器输出的光波分成两路，其中一路入射至I/Q调制器，实现数据信号在光域的基带调制，另一路预留为上行链路信号相干解调的光本振； 

下行链路无线接入模块：将下行链路携带数据信息的基带调制的光信号转换为电毫米波信号，并提供上行链路的光载波，主要器件包括可调谐激光器、光带通滤波器、偏振控制器、光电转换器和发射天线；可调谐激光器作为下行链路外差探测的本振源，并提供上行链路的光载波；高速的光电转换器完成光毫米波到电毫米波的转换；天线实现电毫米波信号发射至无线用户接收端； 

下行链路有线接入模块：将下行链路携带数据信息的基带调制的光信号转换为基带电信号，并提供上行链路的光载波，主要器件包括可调谐激光器、光 相移器、偏振控制器、光带通滤波器和相干光接收机；可调谐激光器作为下行链路同差探测的本振源，并提供上行链路的光载波；光相移器和偏振控制器分别用于匹配接收到的下行链路光信号与光本振之间的相位和偏振态；相干光接收机由两输入口四输出口的90°光hybrid和两对平衡光电探测器构成，实现下行数据的同差相干解调； 

无线接入上行链路发射模块：将上行的电毫米波信号加载到光载波上，主要器件包括接收天线、铌酸锂马赫-曾德调制器和光带通滤波器；接收天线实现接收由用户发射的携带上行数据信息的电毫米波信号；铌酸锂马赫-曾德调制器实现上行电毫米波信号调制到混合ONU预留的上行光载波上；光带通滤波器将携带无线上行信息的一个调制边带滤出作为混合ONU的输出光信号； 

无线接入上行链路接收模块：接收上行的无线接入光信号并转换为电信号，主要器件包括光耦合器和光电探测器或相干光接收机；如果携带上行无线数据信息的光载波f₂与中心站预留的本振光f₀的频率不同时，在中心站，光耦合器把接收到的携带上行数据信息的光信号与预留用作解调的本振光f₀进行耦合；低速光电探测器将耦合的光信号进行外差拍频探测转换为电信号，产生频率为f₂-f₀的拍频电信号；如果f₂和f₀频率相同时，则直接用相干光接收机对上行光信号进行同差相干解调； 

有线接入上行链路发射模块：将上行的有线接入信号加载到光载波上，主要器件为铌酸锂马赫-曾德调制器；铌酸锂马赫-曾德调制器实现有线上行数据信号对上行载波的基带调制，并作为混合ONU的输出光信号； 

有线接入上行链路接收模块：接收上行的有线接入光信号并转换为电信号，主要由相干光接收机构成，包括90°光hybird，两对平衡光探测器、光相移器和偏振控制器等；频率为f₀的本振光由下行链路发射模块预留，携带有线上行数 据的光信号通过预留的光本振和相干光接收机实现相干解调； 

中心站与混合ONU间的传输链路：实现上下行光信号的有效光传输，主要包括常规单模光纤和实现光信号放大和损耗补偿的掺铒光纤放大器。 

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