CN105915290B - 一种基于软滤波的超密集信道型光载无线接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于软滤波的超密集信道型光载无线接入方法，由密集复用型光信号模块产生携带高速数字信号的多个信道，以1~10GHz量级的信道间隔复用在一起，提供超密集型多个信道接入。通过调节光本振信号，利用高频平衡光探测模块以外差探测的方式，经过电放大及电滤波模块来灵活选择特定的信道。在上述信道选取的同时，也将信号上变频到射频工作频段，并通过天线发射。该发明只需调节光本振信号以外差探测的方式灵活选择特定信道，无需光域硬件滤波器，对硬件要求大为简化，并且射频工作频率可灵活设定。

Description

一种基于软滤波的超密集信道型光载无线接入方法

技术领域

本发明涉及微波光子学、ROF(Radio-over-Fiber)，密集波分复用(DWDM)技术，尤其是利用外差探测方式实现软滤波的超密集信道型光载无线接入技术。

背景技术

ROF技术具有低损耗、大带宽等优点。尤其是，它与超密集型波分复用融合具有大带宽、高速率、低成本、以及灵活接入方式等优点。对于超密集信道型光载无线接入技术，信道选择方式大多采用光滤波硬件或光域硬件滤波器(Hsu D Y,Lin J W,and Shaw S Y,“Wide-range tunable Fabry-Perot array filter for wavelength-divisionmultiplexing applications,”Applied Optics,vol.44,no.9,pp.1529-1532,2005；NiemiT,Uusimaa M,Tammela S and Heimala P,“Tunable silicon etalon for simultaneousspectral filtering and wavelength monitoring of a DWDM transmitter,”IEEEPhotonics Technology Letters,vol.13,no.1,pp.58-60,2001.)。但是为了满足更密集型多信道光载无线通信，对于光滤波器件的性能要求越来越高，如：超窄滤波带宽、平顶频谱响应、低插入损耗、高边模抑制比等。

此外，其它多信道型光载无线接入方式将滤波器与分布式放大器级联，实现信道选择(E.Hashimoto and Y.Katagiri,“10-GHz-spacing DWDM channel selector usingdisk filter cascade with distributed amplification,”Optical Communication,vol.4,pp.622-623,2001.)；或者利用光注入锁定来实现DWDM信道选择(N.Koda,S.Hohchido,K.Kashiwagi,Y.Tanaka and T.Kurokawa,“Channel selection by opticalinjection locking in frequency-comb based DWDM transmission,”17^th Opto-Electronics and Communications Conference,pp.831-832,2012.)

需要指出的是，上述信道选择方案主要依靠光滤波器硬件实现，但是超密集信道型光载无线接入技术则需要更低插入损耗、超窄滤波带宽、高边模抑制比以及具有更高精细度的可调谐光滤波器，技术难度很大。

发明内容

鉴于现有技术的以上不足，本发明旨在提供一种基于软滤波实现的超密集型光载无线接入方法，主要利用外差探测的方式，调节光本振信号来灵活地选择特定信道并实现上变频到射频工作频段的功能。本发明中还使用平衡探测代替常规探测，使得效率提高了6dB。

本发明的目的通过如下手段来实现：一种基于软滤波的超密集信道型光载无线接入方法，在主要由密集复用型光信号模块、可调谐光本振信号、高频平衡光探测模块、电放大及滤波模块组成的系统中，首先由密集复用型光信号模块产生以1～10GHz量级信道间隔的携带高速数字信号的多个信道，提供超密集型多个信道接入；然后调节光本振信号，以外差探测的方式，通过电放大及电滤波模块选择特定的信道。包含如下处理步骤：首先，由密集复型光信号模块提供超密集型多个信道接入，每个信道的中心频率可表示为f₁、f₂、f₃……f_N，其中N为信道数目；所述的超密集型复用信道结合频率为f_c的本振信号，经过外差探测的方式得到射频信号频率分别为：f_c-f₁、f_c-f₂、f_c-f₃……f_c-f_N；设定电滤波器的中心频率为射频工作频段，并调节f_c使得f_c-f_i等于电滤波器的中心频率，从而选取特定信道f_i，其中1≤i≤N；在上述信道选取的同时，也将信号上变频到射频工作频段；以此，在无光域硬件滤波器的系统中，根据所需射频工作频段预先设定电滤波器的中心频率及带宽，通过调节光本振信号灵活选择特定信道。

这样，由密集复用型光信号模块产生携带高速数字信号的多个信道，以非常小的信道间隔(如1～10GHz)复用在一起，提供超密集型多个信道接入；调节光本振信号，利用高频平衡探测模块，以外差探测的方式，经过电放大及滤波模块来灵活选择特定的信道，与传统的光域硬件滤波器不同，这里称之为软滤波；并同时实现上变频到射频工作频段的功能，然后通过天线发射。

实际执行过程为：密集复用型光信号模块产生携带高速数字信号的多个信道，每个信道的中心频率可表示为：f₁、f₂、f₃……f_N，其中N为信道数目。Δf＝|f₁-f₂|＝|f₂-f₃|＝…＝|f_N-1-f_N|，其Δf是信道间隔，超密集型信道间隔需要满足：1GHz≤Δf≤10GHz。设可调谐光本振信号的中心频率为：f_c，经过高频平衡光探测模块后得到的信号分别是：f_c-f₁、f_c-f₂、f_c-f₃……f_c-f_N。之后通过电放大及滤波模块，选择特定信道f_c-f_i，其中1≤i≤N。选择过程就是设定电滤波器的中心频率在工作频段内，调节光本振信号使得f_c-f_i等于电滤波器的中心频率，这样就可以滤出第i个信道并且将信号上变频到所需的射频工作频段(微波或毫米波)。

下面以任意一个信道为例来说明平衡探测的原理：

任意一个信道的信号光(S)和本振光(L)经过光纤输入到3dB耦合器；耦合器两个端口的输出光分别为X₁和X₂，分别表示为：

式中：P_s、ω_s和P_LO、ω_LO分别为信号光和本振光的功率和角频率。

两个输出光(X₁和X₂)同时输入到平衡探测器中，经过两个光电探测器上生成的光电流分别为：

i₁(t)＝R|X₁|²+n₁(t) (5)

i₂(t)＝R|X₂|²+n₂(t) (6)

式中，n₁和n₂为散粒噪声电流，可以近似为零均值高斯过程。其功率谱密度分别为：S_n1(ω)＝qR|X₁|²和S_n2(ω)＝qR|X₂|²，q表示电荷。R表示光电二极管的响应率。在平衡探测结构下，(5)和(6)式中的两个光电流相减，最终平衡探测的响应电流信号为：

式中：n(t)＝n₁(t)-n₂(t)为噪声电流,可以近似为零均值高斯白噪声，其功率谱密度为S_n(ω)＝qR(|X₁|²+|X₂|²)。

公式(7)中的ω_s和ω_LO，分别对应密集复用型光信号模块产生的信号光f_i和可调谐光本振信号f_c。经过平衡探测后得到拍频信号为f_c-f_i。当电滤波器的中心频率设定为f_c-f_i时，f_i就被选取；同时，其它的拍频信号f_c-f₁、f_c-f₂、f_c-f₃……f_c-f_N没有落在电滤波器带宽内，从而被滤波了。若要选取其他信道(比如f_i+1)，只需调节f_c至f_c+Δf，使得f_c+Δf-f_i+1等于电滤波器的中心频率。

在常规相干探测条件(单个光探测器)下，得到的响应电流为：

式中n′(t)为散粒噪声电流，可近似为零均值高斯过程，其功率谱密度为：比较公式(7)和(8)可以看出，相比常规相干探测系统，平衡探测系统可以使得到的差频信号的幅度加倍，因而相比常规探测其效率提高了6dB，同时消除部分或全部直流信号，降低其对信号的干扰。

采用本发明方法，利用了光子学技术的优势，具有如下优点：无需复杂的高性能硬件光滤波器，就能灵活选择特定信道并实现上变频功能。这种基于软滤波的超密集信道型光载无线接入方法，只需设定电滤波器中心频率，调节光本振信号以外差探测方式选择特定信道，同时可灵活上变频到工作频段。这种方法有效衔接了宽带光纤接入网(如光无源网络)和高速无线接入，为5G及下一代无线通信和接入提供高效解决途径。

附图说明

图1为本发明方法的系统框图。

图2为密集复用型光信号模块产生多信道接入示意图。

图3为软滤波与信道选择示意图。

图4为平衡探测示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施作进一步的描述。

如图1所示，本发明由密集复用型光信号模块10，可调谐光本振信号20，高频平衡光探测模块30，放大及滤波模块40，天线50构成。

从密集复用型光信号模块10(中心频率为f₁、f₂、f₃……f_N的多个信道接入)出发，其输出的多个信号光与可调谐光本振信号20一起进入高频平衡探测模块30实现外差探测得到差频信号(f_c-f₁、f_c-f₂、f_c-f₃……f_c-f_N)；然后经过电放大及滤波模块40选出特定信道f_c-f_i，其中1≤i≤N；同时实现上变频后经天线50发射。

如图2所示，密集复用型光信号模块10产生携带高速数字信号的多个信道，每个信道的中心频率可表示为：f₁、f₂、f₃……f_N，其中N为信道数目。Δf＝|f₁-f₂|＝|f₂-f₃|＝…＝|f_N-1-f_N|，其Δf是信道间隔，超密集型信道间隔需要满足：1GHz≤Δf≤10GHz。设可调谐光本振信号20的中心频率为：f_c，经过高频平衡光探测模块30后得到的信号分别是：f_c-f₁、f_c-f₂、f_c-f₃……f_c-f_N。之后通过电放大及滤波模块40，选择特定信道f_c-f_i，其中1≤i≤N，如图3所示。信道选择过程就是设定电滤波器的中心频率在工作频段内，调节光本振信号使得f_c-f_i等于电滤波器的中心频率，这样就可以滤出第i个信道并且将信号上变频到射频工作频段。

下面以任意一个信道为例来说明平衡探测的原理：

如图4所示，任意一个信道的信号光(S)和本振光(L)经过光纤输入到3dB耦合器；耦合器两端口的输出光分别为X₁和X₂，分别表示为：

式中：P_s、ω_s和P_LO、ω_LO分别为信号光和本振光的功率和角频率。

两个输出光(X₁和X₂)输入到平衡探测器中，分别经过两个光电探测器上的光电流分别为：

i₁(t)＝R|X₁|²＋n₁(t) (5)

i₂(t)＝R|X₂|²＋n₂(t) (6)

式中，n₁和n₂为散粒噪声电流，可以近似为零均值高斯过程，其功率谱密度分别为：S_n1(ω)＝qR|X₁|²和S_n2(ω)＝qR|X₂|²，q表示电荷。R表示光电二极管的响应率。在平衡探测结构下，(5)和(6)式中的两个光生电流相减，最终平衡探测器的响应电流信号为：

式中：n(t)＝n₁(t)-n₂(t)为噪声电流，可以近似为零均值高斯白噪声，其功率谱密度为S_n(ω)＝qR(|X₁|²＋|X₂|²)。

公式(7)中的ω_s和ω_LO，分别对应密集复用型光信号模块产生的信号光f_i和可调谐光本振信号f_c，经过平衡探测后得到拍频信号为f_c-f_i。当电滤波器的中心频率设定为f_c-f_i时，f_i就被选取；同时，其它的拍频信号f_c-f₁、f_c-f₂、f_c-f₃……f_c-f_N没有落在电滤波器带宽内，从而被滤除了。若要选取其它信道(比如f_i+1)，只需调节f_c至f_c+Δf，使得f_c+Δf-f_i+1等于电滤波器的中心频率。

常规相干探测条件下(单个光电探测器)，响应电流为：

式中n′(t)为散粒噪声电流，可近似为零均值高斯过程，其功率谱密度为：比较公式(7)和(8)可以看出，相比常规相干探测系统，平衡探测系统可以使得到的差频信号加倍，相比常规探测效率提高了6dB，同时消除部分或全部直流信号，降低其对信号的干扰。

综合以上陈述，本发明具有如下特征。1).无需复杂的高性能光滤波器硬件，通过调节光本振信号，以外差探测的方式就能灵活的选择特定信道。2).通过设定电滤波器的中心频率，就可以实现基于软滤波选择信道的同时实现上变频，且工作频率可灵活设定。3).采用高频平衡探测来代替常规探测，提高软滤波和上变频的能量效率。

以上所陈述的仅仅是本发明的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明方法实质的前提下，在实际实施中可以做出若干更改和润色也应包含在本发明的保护范围以内。

Claims (2)

1.一种基于软滤波的超密集信道型光载无线接入方法，在由密集复用型光信号模块、可调谐光本振信号、高频平衡光探测模块、电放大及滤波模块组成的系统中,首先由密集复用型光信号模块产生以1～10GHz量级信道间隔的携带高速数字信号的多个信道，提供超密集型多个信道接入；然后调节光本振信号，以外差探测的方式，通过电放大及电滤波模块选择特定的信道，同时实现上变频功能，将信号上变频到射频工作频段；包含如下处理步骤：

首先由密集复用型光信号模块提供超密集型多个信道接入，每个信道的中心频率可表示为f₁、f₂、f₃……f_N，其中N为信道数目；超密集型复用信道结合频率为f_c的本振信号，经过高频平衡光探测模块得到射频信号频率分别为：f_c-f₁、f_c-f₂、f_c-f₃……f_c-f_N，所述高频平衡光探测模块采用外差探测的方式；设定电放大及滤波模块中的电滤波器的中心频率为射频工作频段，并调节f_c使得f_c-f_i等于电滤波器的中心频率，从而选取特定信道f_i，其中1≤i≤N；在上述信道选取的同时，也将信号上变频到射频工作频段；以此，在无光域硬件滤波器的系统中，根据所需射频工作频段预先设定电滤波器的中心频率及带宽，通过调节光本振信号灵活选择特定信道。

2.根据权利要求1所述的基于软滤波的超密集信道型光载无线接入方法，其特征在于所述射频工作频段可为:2.4GHz、5.8GHz、60GHz、71-76GHz、81-86GHz。