CN104363051A - 一种光纤无线一体化系统 - Google Patents

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余建国
赵伦
陈雷
于臻
王鹏培
丁雅博
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汪钬柱
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Abstract

本发明提出一种光纤无线一体化系统。光基带信号生成模块，位于发射端中心站，将OFDM信号调制到第一本振光信号之上并执行偏振复用(PM)操作，以形成PM-OFDM的第一光基带信号；毫米波无线信号生成模块，对PM-OFDM的第一光基带信号和第二本振光信号执行外差拍频相干检测，以得到毫米波无线信号，并通过无线方式发送毫米波无线信号；电光转换模块，将接收到的毫米波无线信号调制到第三本振光信号之上，以形成PM-OFDM的第二光基带信号；光信号检测模块，对PM-OFDM的第二光基带信号和第四本振光信号进行零差相干检测，以获取OFDM信号。

Description

一种光纤无线一体化系统
技术领域
本发明实施方式属于光纤通信技术领域，特别是一种光纤无线一体化系统。
背景技术
光纤通信系统可以提供超大容量、超长距离、超高速率的数据传输。当遇到自然灾难(如地震、海啸)时，光纤的一部分会断掉。由于条件的限制，很难立即重新铺设光纤，因此如何提供应急服务是一个很重要的问题。为了实现高速光纤无线系统，无线链路需要支持几吉比特甚至几十吉比特的数据传输速率。幸运地，由于采用了很宽的带宽和很高的频率，毫米波频段无线投递可以支持几吉比特的数据传输速率。
一些光纤无线一体系统的方案已经被提出，并且通过采取相干检测和数学信号处理技术展现了良好的性能。然而，由于毫米波信号在接收机中是在电域完成解调的。一方面，在如此高的频率，RF传输距离受限，另一方面，由于电子瓶颈的存在，随着比特率和毫米波频率的提高，在电域检测这些调制的几十吉比特的信号变得更加复杂。光在光纤中传输时，会受到色散(CD)和偏振模色散(PMD)的影响，而且光纤无线一体化系统中，当信号经过MIMO无线链路时衰减很快，还会受到多径效应的影响，转换到光域后会导致CD和PMD更加严重。
发明内容
本发明实施方式提出一种光纤无线一体化系统，引入OFDM技术，实现一种基于PM-OFDM的光纤无线一体化的应急通信解决方案，对CD和PMD具有更强的抵抗能力。
一种光纤无线一体化系统，该系统包括：
光基带信号生成模块，位于发射端中心站，用于生成第一本振光信号，接收正交频分复用(OFDM)信号，将OFDM信号调制到第一本振光信号之上并执行偏振复用(PM)操作，以形成PM-OFDM的第一光基带信号，通过光纤将所述PM-OFDM的第一光基带信号发送到毫米波无线信号生成模块；
毫米波无线信号生成模块，位于发射端基站，用于生成第二本振光信号，并对所述PM-OFDM的第一光基带信号和所述第二本振光信号执行外差拍频相干检测，以得到毫米波无线信号，并通过无线方式发送所述毫米波无线信号；
电光转换模块，位于接收端基站，用于生成第三本振光信号，并将接收到的所述毫米波无线信号调制到第三本振光信号之上，以形成PM-OFDM的第二光基带信号，并通过光纤将所述PM-OFDM的第二光基带信号发送到光信号检测模块；
光信号检测模块，位于接收端中心站，用于生成第四本振光信号，对所述PM-OFDM的第二光基带信号和第四本振光信号进行零差相干检测，以获取所述OFDM信号。
优选地，光基带信号生成模块包括：
用于生成第一本振光信号的外腔激光器(ECL)；
I/Q调制器；
掺铒光纤放大器；
偏振复用器。
优选地，所述I/Q调制器由OFDM信号发射端产生的两路电信号驱动，而且所述I/Q调制器包括两个马赫增德尔调制器(MZM)和一个90度相移器。
优选地，所述偏振复用器包括光耦合器和光延迟线(DL)。
优选地，所述毫米波无线信号生成模块包括：
两个偏振分束器(PBS)；
两个光耦合器(OC)；
两个光电探测器(PD)；
用于生成第二本振光信号的外腔激光器；
两根发射天线。
优选地，所述电光转换模块包括：
两根接收天线；
用于生成第三本振光信号的外腔激光器；
光耦合器；
两个强度调制器；
可调谐光滤波器。
优选地，所述光信号检测模块包括：
用于生成第四本振光信号的外腔激光器；
偏振分集90度混合器；
四个平衡光电探测器；
低通滤波器；
数字存储示波器；
离线数字信号处理器。
由此可见，本发明将OFDM技术引入光纤无线一体化系统中，提出一种基于PM-OFDM的光纤无线一体化的应急通信解决方案。本发明可以显著降低色散和偏振模色散的影响，尤其适用于应急通信系统。
附图说明
图1为本发明光纤无线一体化系统的模块结构图；
图2为本发明光纤无线一体化系统的示范性结构图；
图3为OFDM发射端示意图；
图4为离线DSP处理的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
首先对本发明涉及的相关术语进行说明。
光载无线(RoF，Radio over Fiber)；
数字信号处理(DSP，Digital Signal Processing)；
射频(RF，Radio Frequency)；
偏振复用(PM，Polarization Multiplexing)；
正交幅度调制(QAM，Quadrature Amplitude Modulation)；
连续波(CW，Continuous Wave)；
外腔激光器(ECL，External Cavity Lasers)；
同相/正交(I/Q，In-phase/Quadrature)；
掺铒光纤放大器(EDFA，Erbium-Doped Fiber Amplifier)；
偏振分束器(PBS，Polarization Beam Splitter)；
偏振合束器(PBC，Polarization Beam Combiner)；
光耦合器(OC，Optical Coupler)；
强度调制器(IM，Intensity Modulator)；
光载波抑制(OCS，Optical Carrier Suppression)；
可调谐光滤波器(TOF，Tunable Optical Filter)；
放大自发辐射(ASE，Amplified Spontaneous Emission)；
本振(LO，Local Oscillator)；
光电探测器(PD，Photo detector)；
色散(CD，Chromatic Dispersion)；
偏振模色散(PMD，Polarization Mode Dispersion)；
多输入多输出(MIMO，Multiple Input Multiple Output)；
正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)；
快速傅里叶逆变换(IFFT，Inverse Fast Fourier Transform)；
循环前缀(CP，Cyclic Prefix)；
低通滤波器(LPF，Low Pass Filter)；
电放大器(EA，Electrical Amplifier)；
中心站(CO，Central Office)；
基站(BS，Base Station)；
连续波(CW，Continuous-Wavelength)；
马赫增德尔调制器(MZM，Mach–Zehnder interferometer)；
光衰减器(OA，Optical Attenuator)。
OFDM对CD和PMD具有更强的抵抗能力，并且可以实现很高的频谱效率，本发明将OFDM技术引入光纤无线一体化系统中，提出一种基于PM-OFDM的光纤无线一体化的应急通信解决方案。
图1为本发明光纤无线一体化系统的模块结构图。基于本发明，可以为光纤通信系统提供一种应急通信的解决方案，以应对实际中的突发问题。
如图1所示，该系统包括：
光基带信号生成模块，位于发射端中心站，用于生成第一本振光信号，接收正交频分复用(OFDM)信号，将OFDM信号调制到第一本振光信号之上并执行偏振复用(PM)操作，以形成PM-OFDM的第一光基带信号，通过光纤将所述PM-OFDM的第一光基带信号发送到毫米波无线信号生成模块；
毫米波无线信号生成模块，位于发射端基站，用于生成第二本振光信号，并对所述PM-OFDM的第一光基带信号和所述第二本振光信号执行外差拍频相干检测，以得到毫米波无线信号，并通过无线方式发送所述毫米波无线信号；
电光转换模块，位于接收端基站，用于生成第三本振光信号，并将接收到的所述毫米波无线信号调制到第三本振光信号之上，以形成PM-OFDM的第二光基带信号，并通过光纤将所述PM-OFDM的第二光基带信号发送到光信号检测模块；
光信号检测模块，位于接收端中心站，用于生成第四本振光信号，对所述PM-OFDM的第二光基带信号和第四本振光信号进行零差相干检测，以获取所述OFDM信号。
具体地，光基带信号生成模块可以包括：用于生成第一本振光信号的外腔激光器(ECL)；I/Q调制器；掺铒光纤放大器；偏振复用器。其中，I/Q调制器由OFDM信号发射端产生的两路电信号驱动，而且I/Q调制器包括两个马赫增德尔调制器(MZM)和一个90度相移器。具体地，偏振复用器可以包括光耦合器和光延迟线(DL)。
在一个实施方式中，毫米波无线信号生成模块包括：两个偏振分束器(PBS)；两个光耦合器(OC)；两个光电探测器(PD)；用于生成第二本振光信号的外腔激光器；两根发射天线。
在一个实施方式中，电光转换模块包括：两根接收天线；用于生成第三本振光信号的外腔激光器；光耦合器；两个强度调制器；可调谐光滤波器。
在一个实施方式中，光信号检测模块包括：用于生成第四本振光信号的外腔激光器；偏振分集90度混合器；四个平衡光电探测器；低通滤波器；数字存储示波器；离线数字信号处理器。
图2为本发明光纤无线一体化系统的示范性结构图。
如图2所示：
在发射端中心站：ECL1发出的波长为λ1的连续波光信号首先被I/Q调制器调制。I/Q调制器由OFDM发射端产生的两路电信号驱动，其中图3为OFDM发射端示意图。如图3所示，首先，二进制数据经过QAM调制(4-QAM、16-QAM等)，插入导频用于接收端信道估计，然后执行IFFT操作，将信号从频域变换到时域。为了消除CD以及PMD造成的符号间干扰，还需要加入CP，然后将信号分成两路(一路是信号的实部，一路是信号的虚部)，每路经过数模转换(D/A)后变为模拟信号，并各自通过低通滤波器(LPF)滤除高频成分，即得到OFDM发射端的两路输出电信号。
I/Q调制器由两个MZM和一个90°相移器组成。每个MZM均工作在push-pull模式，并且偏振在null点，即对输入信号实现强度调制；90°相移器是为了使两路光信号具有90°的相位差。经过I/Q调制器所产生的OFDM光信号依次经过EDFA和偏振复用器，偏振复用器包含：一个用于将信号分成两路的光耦合器(OC)，一个提供若干个符号延迟的光延迟线(DL)；由于DL可能会导致光功率损失，可以使用一个光衰减器(OA,Optical Attenuator)平衡两路信号的功率；偏振复用器还包含一个偏振合束器(Polarization Beam Combiner，PBC)将两路信号合到一起，而且将产生的PM-OFDM光信号注入到单模光纤(SMF)，并发送到发射端基站。
在发射端基站：
ECL2被用作LO，发出的光信号波长为λ2，ECL1和ECL2的频差fRF＝c|1/λ1-1/λ2|为40GHz(或50GHz等)。在对接收到的光信号和ECL2发出的光信号进行外差拍频相干检测前，先用两个PBS和两个OC进行偏振分集处理，之后再用两个PD将两路光OFDM信号转换为两路电OFDM信号，并对每一路电OFDM信号进行放大，然后通过两根天线将两路电OFDM信号投递到2×2MIMO无线链路。
在接收端基站：
两根接收天线接收无线发送来的电OFDM信号，而且电OFDM信号分别被电放大器放大，然后分别驱动一个强度调制器(IM)，ECL3发出的波长为λ3的连续波光信号被保偏光耦合器(OC)分为两路，分别输入到两个IM，通过设置强度调制器的参数实现光载波抑制调制(OCS)，从而产生OCS调制的PM-OFDM信号。然后，可以用可调谐光滤波器(TOF)抑制两个边带中的一个边带以及ASE噪声。最后，将产生的PM-OFDM光信号投入单模光纤传输到接收端中心站。
在接收端中心站：
接收端中心站具有和接收到的PM-OFDM光信号相同频率的ECL4，以用作LO，偏振分集90度混合器用于对该LO和接收到的PM-OFDM光信号进行偏振和相位分集相干检测，然后用四个平衡PD进行零差相干检测，再分别通过低通滤波器滤除高频成分，并通过数字存储示波器进行模数转换以及数据存储，再通过离线DSP对存储的信号进行处理。
具体地，离线DSP处理的示意图如图4所示：输入的四路实值信号分别为Ix,Qx,Iy,Qy，先将它们组成两路复值OFDM信号Ix+jQx,Iy+jQy，对每一路OFDM信号去除循环前缀，并进行FFT操作，然后从中提取导频信息，完成信道估计和信道均衡，实现对色散和偏振模色散的补偿，最后计算误码率。
总之，在本发明中，在发射端中心站，OFDM发射机产生电OFDM信号，并对波长为λ1的光信号进行调制，经过光纤传输到发射端基站，然后在发射端基站与波长为λ2的光信号进行外差拍频，产生频率为fRF＝c|1/λ1-1/λ2|的电毫米波信号，并被投递到MIMO无线链路。在接收端基站，接收到的两路电信号分别通过一个强度调制器对波长为λ3的光信号进行光载波抑制调制，得到PM-OFDM信号，然后用可调谐光滤波器滤除两个边带中的一个边带以及ASE噪声，经过光纤传输到接收端中心站，与该光信号具有相同波长的光信号进行偏振分集接收和零差拍频，然后通过低通滤波器滤除高频成分，并通过数字存储示波器进行模数转换以及数据存储，再通过离线DSP对存储的信号进行处理，从而恢复出发送的二进制数据信号。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光纤无线一体化系统，其特征在于，该系统包括：
光基带信号生成模块，位于发射端中心站，用于生成第一本振光信号，接收正交频分复用(OFDM)信号，将OFDM信号调制到第一本振光信号之上并执行偏振复用(PM)操作，以形成PM-OFDM的第一光基带信号，通过光纤将所述PM-OFDM的第一光基带信号发送到毫米波无线信号生成模块；
毫米波无线信号生成模块，位于发射端基站，用于生成第二本振光信号，并对所述PM-OFDM的第一光基带信号和所述第二本振光信号执行外差拍频相干检测，以得到毫米波无线信号，并通过无线方式发送所述毫米波无线信号；
电光转换模块，位于接收端基站，用于生成第三本振光信号，并将接收到的所述毫米波无线信号调制到第三本振光信号之上，以形成PM-OFDM的第二光基带信号，并通过光纤将所述PM-OFDM的第二光基带信号发送到光信号检测模块；
光信号检测模块，位于接收端中心站，用于生成第四本振光信号，对所述PM-OFDM的第二光基带信号和第四本振光信号进行零差相干检测，以获取所述OFDM信号。
2.根据权利要求1所述的光纤无线一体化系统，其特征在于，光基带信号生成模块包括：
用于生成第一本振光信号的外腔激光器(ECL)；
I/Q调制器；
掺铒光纤放大器；
偏振复用器。
3.根据权利要求2所述的光纤无线一体化系统，其特征在于，所述I/Q调制器由OFDM信号发射端产生的两路电信号驱动，而且所述I/Q调制器包括两个马赫增德尔调制器(MZM)和一个90度相移器。
4.根据权利要求2所述的光纤无线一体化系统，其特征在于，所述偏振复用器包括光耦合器和光延迟线(DL)。
5.根据权利要求2所述的光纤无线一体化系统，其特征在于，所述毫米波无线信号生成模块包括：
两个偏振分束器(PBS)；
两个光耦合器(OC)；
两个光电探测器(PD)；
用于生成第二本振光信号的外腔激光器；
两根发射天线。
6.根据权利要求2所述的光纤无线一体化系统，其特征在于，所述电光转换模块包括：
两根接收天线；
用于生成第三本振光信号的外腔激光器；
光耦合器；
两个强度调制器；
可调谐光滤波器。
7.根据权利要求1所述的光纤无线一体化系统，其特征在于，所述光信号检测模块包括：
用于生成第四本振光信号的外腔激光器；
偏振分集90度混合器；
四个平衡光电探测器；
低通滤波器；
数字存储示波器；
离线数字信号处理器。
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