CN105357159A - 一种九倍频qpsk光载毫米波信号的产生方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种九倍频QPSK光载毫米波信号的产生方法和系统。利用射频QPSK信号相位的周期性，激光器光波经过射频QPSK信号为驱动的光相位调制后，产生多个边带，其中+5阶边带携带正确完整的相位信息，-4阶边带完全不携带相位信息；在调制系数为5.975时，+5阶和-4阶边带的幅度较大且相等；将相位调制器的输出光波经波长选择开关，滤出+5阶和-4阶边带，输出九倍频的QPSK光载毫米波信号；经过光电探测器外差拍频产生频率为射频本振九倍的QPSK毫米波电信号。

Description

一种九倍频QPSK光载毫米波信号的产生方法和系统

技术领域

本发明涉及光通信和毫米波通信领域，尤其涉及光载射频(RoF)系统中心站的光载毫米波产生技术，提供一种产生稳定性高、倍频效率高、成本低的光载毫米波信号产生方法和系统。

背景技术

光载射频(RadiooverFiber，RoF)技术是一种利用光通信技术传输微波、毫米波信号的技术。在中心站微波、毫米波信号等射频信号模拟调制在光波上，经过低损耗光纤链路后，在接收端基站用光电转换得到可以直接发射的微波或毫米波信号。该技术有效利用了光纤链路低损耗、高带宽，以及抗电磁干扰等特性，具有大宽带、低成本、低功耗和易安装等优点，应用前景广阔，是目前国际研究热点之一。如何产生能够克服光纤色散效应的影响，高质量、高频率的光载毫米波信号是RoF系统的关键技术。

目前，文献报道了多种毫米波产生方案，可以分为以下类型：直接强度调制法、光外差法、频率上转换的技术、基于非线性效应四波混频效应法以及受激布里渊散射法等产生毫米波、外调制法。直接强度调制法将低频信号驱动直接调制半导体激光器或发光二极管产生光载射频信号，该方法简单、经济、容易实现，但只适用于低频系统。光外差法传输两个频率差等于所需毫米波频率的窄线宽光波，其中一个边带携带需要传输信息的基带信号，在基站通过光电探测器外差拍频产生毫米波信号，在传输光纤中两个光波光谱窄，色散效应的影响较小，但是需要两个高性能的激光源以克服相位噪声的影响。低频微波传输和在基站实现频率上变换是在光纤中传输频率较低的副载波，然后在基站实现频率上变换获得高频的毫米波信号，这大大增加了基站成本。利用非线性效应产生毫米波具有阈值低，增益带宽窄等优点，但需要多个光源，且在多光源工作条件下对光源波长稳定性要求高。外调制法通过外调制器产生边带，在接收端由边带拍频产生的毫米波信号的频率稳定度高，具有系统结构简单、操作稳定且频率可调谐的优点。在调制器的线性调制范围内，射频信号通过电光调制可以把承载的基带信号的幅度和相位信息转移到一阶边带上，但是无法同时实现高阶的载波倍频。根据已有利用外调制非线性调制特性产生不同倍频阶数高频光载信号的报道，包括二倍频、四倍频、六倍频、八倍频、十二倍频等，使用的调制器有光强度调制器和相位调制器等。对多电平的幅度调制信号来说，调制器的非线性会造成信号幅度的非线性畸变；对多电平的相位调制信号来说，由于相位的周期性，高阶边带的相位信息会消失。通常使用一个光调制器进行倍频，另一个光调制器进行信号调制，系统比较复杂，且载波的相干性显著降低。最近有利用单个光调制器将承载数据的射频信号调制光波上并实现倍频的报道，但是需要在电域对射频信号的幅度或相位进行预编码或预畸变处理，使得光载毫米波信号产生相对复杂。

光纤色散是影响毫米波光纤无线系统传输性能的一个重要因素。研究表明，当毫米波光谱包括超过两个波长成分或更多时，光纤的色散引起拍频产生的毫米波信号功率随着传输距离呈幅度衰落；当光载射频信号被调制光载毫米波超过一个波长成分时，由光纤色散引起射频信号的脉冲宽度随传输距离的增加而减小，信号码形的失真甚至是严重畸变，波形失真还会引起码间干扰，限制了光载毫米波信号的传输距离；而只有包含两个波长成分且其中只有一个波长成分携带数据信号的光载毫米波信号能够有效抑制光纤引起的上述影响。

发明内容

为了克服上述光载毫米波系统中光纤色散对毫米信号质量的影响，降低产生光载毫米波信号模块的复杂度，产生高质量、高倍频，传输性能好的光载毫米波信号，本专利提出了一种九倍频QPSK光载毫米波信号的产生方法和系统。

本发明提出了一种九倍频QPSK光载毫米波信号的产生方法。由激光器发出频率为f_o的光波注入到一个光相位调制器PM，在射频频率为f_RF的QPSK信号驱动下，产生频率为f_o+nf_RF的多个边带光信号，其中4n阶边带完全不携带相位信息，而(4n+1)阶边带携带正确完整的相位信息，这里n为整数；将相位调制器PM的输出经波长选择开关WSS滤出+5阶和-4阶边带作为最终传输的光载毫米波信号；经过光纤传输的QPSK信号调制光载毫米波，由光电探测器PD进行光电转换，生成QPSK信号调制的电毫米波，其频率为射频驱动信号频率f_RF的九倍、且承载的QPSK信号保持完好。该方法基于光外调制技术实现，所产生的光载毫米波信号稳定性高；该方法利用了QPSK信号相位信息的周期性，同时实现倍频和调制QPSK信号，降低了系统的复杂度；经过波长选择开关WSS，最终传输的QPSK毫米波信号包含两个波长且只有一个波长承载数据信号，这克服了光纤色散对毫米波信号的影响。

作为一种优选方法，对于射频QPSK信号，其幅度保持恒定，只有四种相位取值的基带信号构成，θ＝θ₀+(2k+1)π/4,k＝1,2,3,4,其中θ₀为QPSK信号的初始相位，是常数；ω_m是射频驱动信号频率f_RF的角频率；射频QPSK信号由基带QPSK信号调制射频本振产生，可表示为

$\begin{array}{c}V\left(t\right)=V_0\underset{n=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\cos \[{\mathrm{\ω}}_{m}t+{\mathrm{\θ}}_{n}g\left(t-nT\right)\]\\ =V_0\cos \[{\mathrm{\ω}}_{m}t+\mathrm{\θ}\left(t\right)\]\end{array}---\left(1\right)$

作为一种优选方法，光相位调制器PM在频率为f_RF的射频QPSK信号驱动下对频率为f_o的激光器发出的光波进行相位调制，输出的光波可以表示为

其中V_π和m＝πV_RF/V_π分别是光相位调制器PM的半波电压和调制系数。经过光相位调制器PM调制，产生光波包含多个边带光信号。基于第一类Bessel函数对公式(2)进行展开得

$\begin{array}{c}E\left(t\right)=E_0{e}^{{\mathrm{j\ω}}_{o}t}{e}^{jm\cos \[{\mathrm{\ω}}_{m}t+\mathrm{\θ}\left(t\right)\]}\\ =E_0\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{J}_n\left(m\right)e^{j\[\left({\mathrm{\ω}}_o+{\mathrm{n\ω}}_m\right)+t+n\mathrm{\θ}\left(t\right)\]}\end{array}---\left(3\right)$

其中，J_n(x)代表n阶第一类Bessel函数。输出光波包含光载波和多个边带，它们的边带幅度由光电场幅度E₀、射频信号幅度V₀和边带阶数n决定，不随QPSK信号改变，而相位nθ(t)由射频信号相位θ(t)和边带阶数n决定；由于QPSK信号的相位具有周期性，第4n阶边带的相位4nθ＝4nθ₀+n(2k+1)π＝4nθ₀+π为恒定值，QPSK信号完全消失，而第4n+1阶边带的相位(4n+1)θ＝(4n+1)θ₀+(4n+1)(2k+1)π/4＝(4n+1)θ₀+n(2k+1)π+(2k+1)π/4＝(4n+1)θ₀+nπ+(2k+1)π/4，携带完整正确的QPSK信号相位信息；而其它的边带，如(4n+2)、(4n+3)阶数边带，携带不完整的QPSK信号相位信息。由此可见，+5阶边带的相位为5θ₀+π+(2k+1)π/4，携带完整正确的QPSK信号相位信息；而-4阶边带的相位为恒定值-4θ₀+π，QPSK信号完全消失。根据第一类Bessel函数性质，当光相位调制器PM的调制系数m＝5.975时，+5阶和-4阶边带幅度相等，而其它阶数的边带幅度较小；此时，+5阶和-4阶边带外差拍频输出的射频信号最大，提高了所产生毫米波信号质量和光电探测转换效率。

作为一种优选方法，波长选择开关WSS用于滤出+5阶和-4阶边带、而抑制其它边带。其中波长选择开关WSS的两个通带位于光相位调制器PM所产生的+5阶和-4阶边带的中心频率f_o+5f_RF和f_o-4f_RF处，通带的3dB带宽大于QPSK信号的带宽以减小滤波过程对信号的损伤、且小于射频信号频率f_RF以避免相邻边带干扰。最终得到只有+5阶和-4阶边带的毫米波包含两个波长且只有一个波长承载数据信号，可以克服光纤色散对毫米波信号质量的影响。

满足上述条件时，生成的最终传输的QPSK光载毫米波信号的表达式为

$\begin{array}{c}{E}_{9{\mathrm{\ω}}_m}\left(t\right)=E_0\left\{J_{-4}\left(m\right)e^{j\[\left({\mathrm{\ω}}_o-4{\mathrm{\ω}}_m\right)t+4\mathrm{\θ}\left(t\right)\]}+J_5\left(m\right)e^{j\[\left({\mathrm{\ω}}_o+5{\mathrm{\ω}}_m\right)t+5\mathrm{\θ}\left(t\right)\]}\right\}\\ =E_0\left\{J_4\left(m\right)e^{j\[\left({\mathrm{\ω}}_o-4{\mathrm{\ω}}_m\right)t+\mathrm{\π}\]}+J_5\left(m\right)e^{j\[\left({\mathrm{\ω}}_o-5{\mathrm{\ω}}_m\right)t+\mathrm{\θ}\left(t\right)+\mathrm{\π}\]}\right\}\\ =E_0{J}_4\left(m\right)\left\{e^{j\[\left({\mathrm{\ω}}_o-4{\mathrm{\ω}}_m\right)t+\mathrm{\π}\]}+e^{j\[\left({\mathrm{\ω}}_o-5{\mathrm{\ω}}_m\right)t+\mathrm{\θ}\left(t\right)+\mathrm{\π}\]}\right\}\end{array}---\left(4\right)$

所产生的QPSK光载毫米波信号由光电探测器PD探测，产生QPSK毫米波电信号，其光电流表达式为

$\begin{array}{c}I\left(t\right)=\mathrm{\μ}{\left|E_{9{\mathrm{\ω}}_m}\left(t\right)\right|}^2\\ =2{\mathrm{\μA}}^2{E}_0^2\left\{1+\cos \[9{\mathrm{\ω}}_{m}t+\mathrm{\θ}\left(t\right)\]\right\}\end{array}---\left(5\right)$

由上述方案产生的QPSK光毫米波信号光电转换产生的光载毫米波信号频率为发射端射频驱动信号频率f_RF的九倍，承载的QPSK信号相位信息没有损失。

本发明提供一种九倍频QPSK信号光载毫米波的产生系统。

系统包括：一个连续激光源、一个光相位调制器PM、一个射频源RF、一个QPSK调制器、一个波长选择开关WSS、一个单模光纤传输链路和一个光电探测器PD。连续激光源：产生所需要的频率为f_o的连续光波；射频源LORF：其频率为f_RF的射频驱动，用于承载QPSK信号；QPSK调制器：用于将基带的QPSK信号调制到频率为f_RF射频本振信号上，产生射频QPSK信号；光相位调制器PM：在频率为f_RF的QPSK射频信号驱动下，为输入到光相位调制器PM的连续激光波提供相位调制；波长选择开关WSS：滤除光相位调制器PM输出的不需要边带，保留+5阶和-4阶边带；单模光纤传输链路:用于系统中光载毫米波信号的传输，由单模光纤构成；光电探测器PD：用于实现光载毫米波中频率间隔为9f_RF的两个光边带的拍频，得到频率为9f_RF的QPSK毫米波电信号。

与其他光载毫米波倍频的方法和系统相比，本发明提供的倍频产生方法和系统的优点在于：所用的调制器为光相位调制器PM，不需要控制其直流偏置，所以不会因为偏置电压漂移而影响系统稳定性，产生的九倍频光载毫米波信号稳定性高；在产生QPSK光载毫米波的电光调制过程中不仅实现了九倍频，而且无需对射频驱动信号相位预编码，简化了光载毫米波信号产生模块结构，降低了光电器件的带宽要求；通过调节射频驱动信号的幅度使光相位调制器PM的调制系数为5.975，进而使光载毫米波信号的光电转换效率最大。所设计的系统具有结构简单，成本低，得到的毫米波稳定性高，频谱纯度高。同时该系统通过改变波长选择开关WSS的通带可以获得其他倍频系数的毫米波信号，例如五倍频的毫米波信号；通过调节射频驱动信号频率和波长选择开关WSS通带中心频率和带宽可以对所产生的毫米波信号频率连续调节，因此该系统具有灵活性。

附图说明

图1所示为系统链路图及九倍频光载毫米波信号产生原理图

图2经过滤波得到的九倍频毫米波光谱图

图3背靠背传输时经过光电探测得到的光电流射频频谱图

图4背靠背传输时经过光电探测得到的I支路眼图

图5背靠背传输时经过光电探测得到的Q支路眼图

图6背靠背传输时经过光电探测得到的星座点

图7经40km光纤传输后光电探测得到的I支路眼图

图8经40km光纤传输后光电探测得到的Q支路眼图

图9经40km光纤传输后光电探测得到星座图

具体实施方式

本发明提供一种九倍频QPSK光载毫米波信号的产生方法和系统。系统链路和产生原理，如图1所示，具体实施需采用以下步骤：

首先，速率为5Gb/s的伪随机序列经过QPSK映射得到的基带信号，与射频频率f_RF＝10GHz的射频本地振荡器调制得到射频QPSK信号。频率为f_o＝193.1THz、线宽为10MHz的连续激光器发出的光波注入由射频QPSK信号驱动的光相位调制器PM，其中相位调制器PM的半波电压为4V，射频QPSK信号幅度为7.6V，以确保调制指数m为5.975。此时得到的光波有多个边带，且+5阶和-4阶边带的幅度最大且相等，而其他边带幅度较小。如图1所示，为了系统更加灵活，具体实施中用波长选择开光进行滤波。调制后的光波经过两个通带中心频率分别为f_o+5f_RF＝193.15THz，f_o-4f_RF＝193.06THz，频率间隔为90GHz，带宽为10GHz的波长选择开关WSS，滤出+5阶和-4阶边带，最后得到两个光频频率间隔为90GHz的QPSK光载毫米波信号，生成光谱如图2所示。其中中心频率为f_o+5f_RF＝193.15THz的边带承载QPSK信号、带宽明显展宽，而中心频率为f_o-4f_RF＝193.06THz的边带没有承载信号、带宽较窄。为了使输入光纤功率为6dB，波长选择开关WSS的输出经过掺铒光纤放大器放大，最后注入到40km的标准单模光纤传输。经过PD探测后，两个边带拍频产生九倍频QPSK毫米波电信号。由于射频本振f_RF为10GHz，所以产生90GHz的QPSK毫米波电信号，所生成的电毫米波的频谱如图3所示。背靠背传输时的I支路、Q支路眼图和星座点如图4、图5和图6所示。经过40km传输的I支路、Q支路眼图和星座点如图7、图8和图9所示。由此可以见，经过40km传输后的承载的QPSK信号保持良好性能。

综上所述，本专利提出了基于光相位调制器PM和波长选择开关WSS产生90GHzQPSK信号光载毫米波的系统。所设计的系统具有结构简单，成本低，得到的毫米波稳定性高，频谱纯度，传输性能好。

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 (5)

1.一种九倍频QPSK光载毫米波信号的产生方法，其特征包括：

由激光器发出的频率为f_o光波注入到一个光相位调制器PM，在射频频率为f_RF的QPSK信号驱动下，产生频率为f_o+nf_RF的多个边带光信号，其中4n阶边带完全不携带相位信息，而(4n+1)阶边带携带正确完整的相位信息，这里n为整数；将光相位调制器PM的输出经波长选择开关WSS，滤出+5阶和-4阶边带作为最终传输的光载毫米波信号；经过光纤传输的QPSK信号调制光载毫米波，由光电探测器PD进行光电转换，生成QPSK信号调制的电毫米波，其频率为射频驱动信号频率f_RF的九倍、且承载的QPSK信号保持完好。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述的射频QPSK信号：

由于频率为f_RF的射频QPSK信号幅度保持恒定，只有四种相位取值θ＝θ₀+(2k+1)π/4,k＝1,2,3,4，这里θ₀为常数，是QPSK信号的初始相位；射频QPSK信号经过光相位调制器PM调制激光器发出的光波，产生的光波边带幅度由光电场幅度、射频信号的幅度和边带阶数决定，不随射频QPSK信号改变，相位由射频QPSK信号相位和边带阶数决定；利用QPSK信号的相位周期性特点，+5阶边带的相位为5θ＝5θ₀+5π(2k+1)/4＝5θ₀+π+(2k+1)π/4，携带完整正确的QPSK信号相位信息；-4阶边带的相位为恒定值-4θ＝-4θ₀+(2k+1)π＝-4θ₀+π，QPSK信号完全消失；因此由射频QPSK信号相位调制产生的+5阶和-4阶边带作为最终传输的光载毫米波信号，能够在光电转换的倍频过程中实现QPSK信号的完整保真转递。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述光相位调制器PM：

光相位调制器PM在频率为f_RF的射频QPSK信号的驱动下对输入的光波进行相位调制，产生多个边带；调节相位调制器PM的调制系数m＝5.975，使+5阶和-4阶边带幅度相等，而其它阶数的边带幅度较小；此时，+5阶和-4阶边带外差拍频输出的射频信号最大。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述的波长选择开关WSS：

波长选择开关WSS用于滤出+5阶和-4阶边带、而抑制其它边带，其中两个通带位于光调制器所产生的+5阶和-4阶边带的中心频率f_o+5f_RF和f_o-4f_RF处，通带的带宽大于QPSK信号的带宽以减小滤波过程对信号的损伤、且小于射频信号频率f_RF以避免相邻边带干扰。

5.一种九倍频QPSK光载毫米波信号的产生系统，其特征在于：

所述系统包括：一个连续激光器、一个光相位调制器PM、一个射频源RF、一个QPSK信号调制器、一个波长选择开关WSS、一个单模光纤传输链路和一个光电探测器PD。

所述连续激光器：产生所需要的频率为f_o的连续光波；

所述射频源RF：用于产生射频本振信号，频率为f_RF，用于承载QPSK信号；

所述QPSK调制器：用于将基带的QPSK信号调制到频率为f_RF射频本振信号上，产生射频QPSK信号；

所述光相位调制器PM：在频率为f_RF的QPSK射频信号驱动下，对输入的连续激光进行相位调制以产生包含+5阶和-4阶边带的多个光边带；

所述波长选择开关WSS：滤除光相位调制器PM输出的不需要边带，输出+5阶和-4阶边带，生成频率间隔为9f_RF的QPSK光载毫米波信号；

所述单模光纤传输链路：用于系统中QPSK光载毫米波信号的传输，由单模光纤构成；

所述系统中的光电探测器PD：用于QPSK光载毫米波信号的光电转换，QPSK光载毫米波信号中频率间隔为9f_RF的两个光边带在PD外差拍频转化为频率为9f_RF的毫米波电信号。