CN107070835A - 一种相位自锁定自相干探测的双向光子射频ofdm系统及其信号处理实现方法 - Google Patents
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Abstract
一种相位自锁定自相干探测的双向光子射频OFDM系统及其信号处理实现方法，包括：CW激光器、第一及第二光学相位调制器、本地振荡器、射频相移器、光学合路器、多波长筛选滤波器、双向EDFA、第一及第二布拉格光纤光栅、第一至第四调制器、RF‑OFDM下行发射机、RF‑OFDM上行发射机、第一及第二光学相移器、第一波分复用器、第二波分复用器、单模光纤、下行90°光学混频器、下行分集光电检测器、下行高速数字信号处理模块、上行90°光学混频器、上行分集光电检测器、上行高速数字信号处理模块。本申请中的系统以及信号处理实现方法，使得光子射频融合传输系统、超高速无线局域网、新型相邻基站之间高速光子射频互联互通进行高效的高速信号调制、解调。
Description
〖技术领域〗
本发明涉及信息与通信技术领域，特别涉及一种相位自锁定自相干探测的双向光子射频OFDM系统及其信号处理实现方法。
〖背景技术〗
随着信息通信技术(ICT)的高速发展，超大宽带光通信与高速移动接入越来越收到专业人士的重视，光纤技术与移动技术的融合是未来通信的发展方向，超高速光纤通信与移动通信的深度融合是未来信息通信发展的必有之路。为此，光子射频融合传输技术中的高速信号调制解调问题越来越引起科研人员的重视。
〖发明内容〗
本发明旨在提供一种相位自锁定自相干探测的双向光子射频OFDM系统及其信号处理实现方法，使得光子射频融合传输系统、超高速无线局域网、新型相邻基站之间高速光子射频互联互通进行高效的高速信号调制、解调，具体技术方案如下：
一种相位自锁定自相干探测的双向光子射频OFDM系统，包括：CW激光器、第一光学相位调制器(OPM-1)、第二光学相位调制器(OPM-2)、本地振荡器、射频相移器、光学合路器、多波长筛选滤波器、双向EDFA、第一布拉格光纤光栅(FBG-1)、第二布拉格光纤光栅(FBG-2)、第一调制器(MZM-1)、第二调制器(MZM-2)、第三调制器(MZM-3)、第四调制器(MZM-4)、RF-OFDM下行发射机、 RF-OFDM上行发射机、第一光学相移器、第二光学相移器、第一波分复用器 (WDM-1)、第二波分复用器(WDM-2)、单模光纤(SSMF)、下行90°光学混频器、下行分集光电检测器、下行高速数字信号处理模块、上行90°光学混频器、上行分集光电检测器、上行高速数字信号处理模块；其特征在于：
CW激光器分别与第一光学相位调制器(OPM-1)、第二光学相位调制器 (OPM-2)及上行90°光学混频器连接；第一光学相位调制器(OPM-1)分别与光学合路器、本地振荡器连接；本地振荡器与射频相移器连接；第二光学相位调制器(OPM-2)分别与射频相移器、光学合路器连接；光学合路器与多波长筛选滤波器连接；上行90°光学混频器与上行分集光电检测器连接；上行分集光电检测器与上行高速数字信号处理模块连接；双向EDFA分别与多波长筛选滤波器、上行90°光学混频器、第一布拉格光纤光栅(FBG-1)连接；第一布拉格光纤光栅(FBG-1)分别与第二布拉格光纤光栅(FBG-2)、第一波分复用器(WDM-1) 连接；第二布拉格光纤光栅(FBG-2)分别与第一调制器(MZM-1)、第二调制器 (MZM-2)及第一波分复用器(WDM-1)连接；第一调制器(MZM-1)分别与RF-OFDM 下行发射机、第一波分复用器(WDM-1)连接；第二调制器(MZM-2)分别与RF-OFDM 下行发射机、第一光学相移器连接；第一光学相移器与第一波分复用器(WDM-1) 连接；第一波分复用器(WDM-1)通过单模光纤(SSMF)与第二波分复用器(WDM-2) 连接；第二波分复用器(WDM-2)分别与第三调制器(MZM-3)、第四调制器(MZM-4) 及下行90°光学混频器连接；下行90°光学混频器与下行分集光电检测器连接，下行分集光电检测器与下行高速数字信号处理模块连接；RF-OFDM上行发射机分别与第三调制器(MZM-3)、第四调制器(MZM-4)连接；第四调制器(MZM-4) 与第二光学相移器连接；第三调制器(MZM-3)和第二光学相移器通过单模光纤(SSMF)与双向EDFA连接。
一种基于上述相位自锁定自相干探测的双向光子射频OFDM系统的信号处理实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：CW激光器以1:1:1功率分成三路，其中一路输入到上行90°光学混频器用于上行光子射频OFDM高速信号的自相干解调处理，另外两路分别通过两个光学相位调制器并分别被本地振荡器和本地振荡器经射频相移器调制，两路调制后的激光光波经光合路器合路处理，产生一系列峰值点功率不同的多频点激光光波，进而产生10GHz本振射频信号的60倍频的光子射频波；
步骤2：合路后的光子射频波通过多波长筛选滤波器，筛选出相位同步的中心频率为192.81THz、193.07THz、193.37THz的窄线宽激光光波，经过双向EDFA 光学放大处理后进入第一个布拉格光纤光栅FBG-1，从反射端口分离出中心频率为192.81THz的激光光波，再通过第二个布拉格光纤光栅FBG-2，从反射端口分离出中心频率为193.37THz的激光光波，经过FBG-2通透端口输出中心频率为 193.07THz的激光光波，中心频率为193.07THz的激光光波按1:1功率分路后分别通过第一调制器(MZM-1)、第二调制器(MZM-2)被RF-OFDM下行发射机输出的I、Q信号调制，其中一路已调光子射频OFDM信号通过光学相移器实施90°相移，然后再与另外一路已调光子射频OFDM信号合路正交处理；
步骤3：合路后的光子射频OFDM信号与从第一布拉格光纤光栅(FBG-1)、第二布拉格光纤光栅(FBG-2)反射端口输出的中心频率分别为192.81THz、 193.37THz的窄线宽激光光波通过第一波分复用器(WDM-1)复用处理，然后再通过单模光纤(SSMF)传输到下行链路的接收端；
步骤4：下行链路的接收端接收光子射频OFDM信号后，经过第二波分复用器(WDM-2)波长解复用处理，分离出中心频率为193.07THz的光子射频OFDM 信号及中心频率分别为192.81THz、193.37THz的窄线宽激光光波，然后中心频率为193.07THz的光子射频OFDM信号与中心频率为193.37THz的窄线宽激光光波进入下行90°光学混频器、下行分集光电检测器实施光子射频信号相位同步自锁定自相干探测处理，然后再经过下行高速数字信号处理，进而解调出数字基带信号；
步骤5：中心频率为192.81THz的窄线宽激光光波按1:1功率分路后分别通过第三调制器(MZM-3)、第四调制器(MZM-4)被RF-OFDM上行发射机输出的I、 Q信号调制，其中一路已调光子射频OFDM信号通过光学相移器实施90°相移，然后再与另外一路已调光子射频OFDM信号合路正交处理；
步骤6：合路后的上行正交光子射频OFDM信号由单模光纤(SSMF)传输到上行接收端的双向EDFA中实施光学信号放大处理，经过双向EDFA放大后的上行光子射频OFDM信号进入上行90°光学混频器，与从中心频率为193.10THz的 CW激光分路出来的激光光波通过上行90°光学混频器和上行分集光电检测器进行自相干探测解调处理，再经过上行高速数字信号处理恢复出数字从远端发送过来的数字基带信号。
进一步地，在步骤2中，所述多频点激光光波频率间隔为10GHz的峰值点功率不同的激光光波，所述多频点激光光波信号的两两频点间隔最大高达 600GHz，因此可以产生10GHz本振射频信号的60倍频的光子射频波。
进一步地，在步骤2中，所述多频点激光光波的相位与CW激光光波的相位是相干的，多频点激光光波的相位随着CW激光光波相位变化而变化，且第二波分复用器(WDM-2)输出的三路激光光波相位信息同步自锁定。
进一步地，在步骤2中，利用所述光子射频波通过处理可以产生20GHz至 600GHz的无线微波频段信号。
进一步地，在步骤4和步骤6中，通过适度增大多波长筛选滤波器、WDM、 FBG器件的信号通透带宽，使得中心频率为193.10THz、193.37THz的本振激光光波信号带宽加宽，进而来提高相对强度噪声数值；还可以通过双向EDFA对信号放大后的滤波功能，适度增大滤波带宽来提高相对强度噪声数值。通过提高相对强度噪声数字，来改善复值光电流进而提高整个系统的传输、接收性能；调整这些功能器件滤波后的本振激光光波信号带宽，也提高了本振激光器的平均功率部分(即ILO)，从而更进一步地改善复值光电流进而降低高速数字信号接收的误码率。
进一步地，在步骤1中，通过联合调整两个光学相位调制器(OPM-1、OPM-2) 的相位频偏度，使得目标频点激光光波的功率得到大幅度降低、以至于可以做到零抑制目标频点激光光波，进而保留我们想要的大功率光子射频波。
本发明提供一种相位自锁定自相干探测的双向光子射频OFDM系统及其信号处理实现方法，可以让光子射频融合传输系统、超高速无线局域网、新型相邻基站之间高速光子射频互联互通实现高效的高速信号调制、解调，而且下行接收端和上行接收端没有用于相干解调的独立本振激光光源，上行发送端没有独立激光载波光源，大大降低了系统成本及维护成本；而且唯一激光光源及有源 EDFA放大模块集中在系统一侧端，易于运营及维护。
〖附图说明〗
图1为本申请实施例一种相位自锁定自相干探测的双向光子射频OFDM传输系统架构图。
图2为本申请实施例的系统框图中A点处的光谱示意图。
图3为本申请实施例的系统框图中B点处的光谱示意图。
图4为本申请实施例的系统框图中C点处的光谱示意图。
图5为本申请实施例的系统框图中D点处的光谱示意图。
图6为本申请实施例的系统框图中E点处的光谱示意图。
图7为本申请实施例的系统框图中F点处的光谱示意图。
图8为本申请实施例的系统框图中G点处的光谱示意图。
图9为本申请实施例的系统框图中H点处的光谱示意图。
图10为本申请实施例的系统框图中I点处的光谱示意图。
图11为本申请实施例的系统框图中J点处的光谱示意图。
〖具体实施方式〗
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
如图1所示，一种相位自锁定自相干探测的双向光子射频OFDM系统，包括： CW激光器、第一光学相位调制器(OPM-1)、第二光学相位调制器(OPM-2)、本地振荡器、射频相移器、光学合路器、多波长筛选滤波器、双向EDFA、第一布拉格光纤光栅(FBG-1)、第二布拉格光纤光栅(FBG-2)、第一调制器(MZM-1)、第二调制器(MZM-2)、第三调制器(MZM-3)、第四调制器(MZM-4)、RF-OFDM下行发射机、RF-OFDM上行发射机、第一光学相移器、第二光学相移器、第一波分复用器(WDM-1)、第二波分复用器(WDM-2)、单模光纤(SSMF)、下行90°光学混频器、下行分集光电检测器、下行高速数字信号处理模块、上行90°光学混频器、上行分集光电检测器、上行高速数字信号处理模块。
CW激光器分别与第一光学相位调制器(OPM-1)、第二光学相位调制器(OPM-2) 及上行90°光学混频器连接；第一光学相位调制器(OPM-1)分别与光学合路器、本地振荡器连接；本地振荡器与射频相移器连接；第二光学相位调制器(OPM-2) 分别与射频相移器、光学合路器连接；光学合路器与多波长筛选滤波器连接；上行90°光学混频器与上行分集光电检测器连接；上行分集光电检测器与上行高速数字信号处理模块连接；双向EDFA分别与多波长筛选滤波器、上行90°光学混频器、第一布拉格光纤光栅(FBG-1)连接；第一布拉格光纤光栅(FBG-1) 分别与第二布拉格光纤光栅(FBG-2)、第一波分复用器(WDM-1)连接；第二布拉格光纤光栅(FBG-2)分别与第一调制器(MZM-1)、第二调制器(MZM-2)及第一波分复用器(WDM-1)连接；第一调制器(MZM-1)分别与RF-OFDM下行发射机、第一波分复用器(WDM-1)连接；第二调制器(MZM-2)分别与RF-OFDM 下行发射机、第一光学相移器连接；第一光学相移器与第一波分复用器(WDM-1) 连接；第一波分复用器(WDM-1)通过单模光纤(SSMF)与第二波分复用器(WDM-2) 连接；第二波分复用器(WDM-2)分别与第三调制器(MZM-3)、第四调制器(MZM-4) 及下行90°光学混频器连接；下行90°光学混频器与下行分集光电检测器连接，下行分集光电检测器与下行高速数字信号处理模块连接；RF-OFDM上行发射机分别与第三调制器(MZM-3)、第四调制器(MZM-4)连接；第四调制器(MZM-4) 与第二光学相移器连接；第三调制器(MZM-3)和第二光学相移器通过单模光纤 (SSMF)与双向EDFA连接。
其中，主要器件的参数如下：
(1)CW激光光源：中心波长为193.10THz，发射功率为3dBm，激光线宽为 10MHz，初相位为0度。
(2)OPM光学调制器：OPM-1相位相偏移为700，OPM-2相位相偏移为441。
(3)多波长筛选器：中心波长为192.81THz、193.10THz、193.37THz，滤波类型为贝塞尔带通滤波，带宽10GHz，滤波深度100dB。
(4)双向EDFA：放大增益为43dB，噪声系数为4dB。
(5)FBG布拉格光纤光栅：FBG-1反射端口输出中心频率为192.81THz的激光光波，FBG-2反射端口输出中心频率为193.37THz的激光光波，布拉格光纤光栅滤波效果等价于10GHz带宽、85dB深度。
(6)MZM调制器：消光比为30dB，对称因子为-1，调制类型为NRZ。
(7)WDM：信道数为3，信道带宽为10GHz，中心频率分别为192.81THz、 193.07THz、193.37THz、插入损耗为0dB，滤波器类型为贝塞尔型，滤波深度为 100dB，滤波阶数为2。
(8)光电探测器：响应度为1A/W、暗电流为10nA、调制带宽为40GHz。
(9)SSMF：参考波长为1550nm、衰减系数为0.2dB/Km、色散系数为 16.75ps/nm/Km。
本发明的相位自锁定自相干探测的双向光子射频OFDM信号处理实现方法为：中心频率为193.10THz的窄线宽CW激光器以1:1:1功率分成三路，其中一路输入到上行90°光学混频器用于上行光子射频OFDM高速信号的自相干解调处理，另外两路分别通过两个功能相同的光学相位调制器(OPM-1、OPM-2)并分别被频率为10GHz、相位相差90°的二端口射频本振信号调制，两路调制后的激光光波经光合路器合路处理。此时合路后的光子射频波，产生一系列以 193.10THz为中心的频点间隔为10Ghz的峰值点功率不同的激光光波，该激光光波信号的两两频点间隔最大高达600GHz，即是通过此种结构的设计可以产生 10GHz本振射频信号的60倍频的光子射频波；利用这些两两间隔10GHz倍数的光子射频波通过选频、滤波、光电拍频处理进而可以产生20GHz、30GHz、40GHz、 50GHz……580GHz、590GHz、600GHz等一系列无线微波频段信号。
合路后的光子射频波通过多波长筛选滤波器，筛选出相位同步的中心频率为192.81THz、193.07THz、193.37THz的窄线宽激光光波，经过双向EDFA光学放大处理后进入第一个布拉格光纤光栅FBG-1(从反射端口分离出中心频率为 192.81THz的激光光波)，再通过第二个布拉格光纤光栅FBG-2(从反射端口分离出中心频率为193.37THz的激光光波)，经过FBG-2通透端口输出中心频率为 193.07THz的激光光波，中心频率为193.07THz的激光光波按1:1功率分路后分别通过Mach-Zehnder调制器(MZM-1、MZM-2)被RF-OFDM下行发射机输出的I、 Q信号调制，其中一路已调光子射频OFDM信号通过光学相移器实施90°相移，然后再与另外一路已调光子射频OFDM信号合路正交处理。合路后的光子射频 OFDM信号与从FBG-1、FBG-2反射端口输出的中心频率分别为192.81THz、 193.37THz的窄线宽激光光波通过波分复用器WDM-1复用处理，然后再通过长距离标准单模光纤(SSMF)传输到下行链路的接收端。
下行链路的接收端收到从发送端传送来的光子射频OFDM信号后，经过波分复用器WDM-2波长解复用处理，分离出中心频率为193.07THz的光子射频OFDM 信号及中心频率分别为192.81THz、193.37THz的窄线宽激光光波，然后中心频率为193.07THz的光子射频OFDM信号与中心频率为193.37THz的窄线宽激光光波进入下行90°光学混频器、下行分集光电检测器实施光子射频信号相位同步自锁定自相干探测处理，然后再经过下行高速数字信号处理，进而解调出数字基带信号。此过程，光子射频OFDM相干探测中没有单独引入激光本振信号实施光学相干解调，并且中心频率分别为193.07THz、193.37THz的激光光波信号来源于同一个CW激光器且它们传输的光程一样，即实现相位同步自锁定的下行自相干探测解调接收。
中心频率为192.81THz的窄线宽激光光波按1:1功率分路后分别通过 Mach-Zehnder调制器(MZM-3、MZM-4)被RF-OFDM上行发射机输出的I、Q信号调制，其中一路已调光子射频OFDM信号通过光学相移器实施90°相移，然后再与另外一路已调光子射频OFDM信号合路正交处理。合路后的上行正交光子射频OFDM信号由经长距离SSMF传输到上行接收端的双向EDFA中实施光学信号放大处理。经过双向EDFA放大后的上行光子射频OFDM信号进入上行90°光学混频器，与从中心频率为193.10THz的CW激光分路出来的激光光波通过上行90°光学混频器和上行分集光电检测器进行自相干探测解调处理，再经过上行高速数字信号处理恢复出数字从远端发送过来的数字基带信号。此过程，上行光子射频OFDM信号相干探测过程中没有单独引入激光本振信号实施光学相干解调，并且中心频率分别为192.81THz、193.10THz的光波来源于同一个CW激光器，即实现上行自相干探测解调接收。
在此需要说明的是，上述的上下行SSMF传输所用的光纤可以通过波分复用实施单纤双向传输，系统图中为了更好地说明上下行光子射频信号的传送用了两段相同的长距离SSMF。
如图2、3、4、5、6、7、8、9、10、11所示，分别对应传输系统框图中A、 B、C、D、E、F、G、H、I、J点处的光谱示意图。关键技术原理及数学建模推论如下：
1.多波长高倍频光子射频波的数学模型设计与理论验证
本发明中的光学相位调制器调制是利用射频本振驱动信号控制激光载波信号相位来实现调制。如果Ein(t)和V(t)分别代表加入连续激光载波信号和本振射频调制信号，则Eout(t)＝Ein(t)·exp[j·φ·V(t)]，其中φ为相位偏离值， V(t)标准化后的数字介于0和1之间。
如果Ein(t)和V(t)分别代表加入连续激光载波信号和本振射频信号，令：
Ein(t)＝Ec·cos(ωc·t) (1)
V(t)＝Vm·cos(ωRF·t+θ) (2)
则相位调制器输出为：Eout＝Ec·cos(ωc·t)·exp[j·φ·Vm·cos(ωRF·t+θ)] (3)
也可以用另外一种精简表述该调制器的输出：Eout(t)＝Ec·cos[ωc·t+γ·cos(ωRF·t+θ)] (4)
上式(4)中γ＝π·Vm/Vπ为调制器的调制深度，Vπ为半波电压。
假设在图1光学合路前的两光学相位调制输出信号分别为E1out(t)和 E2out(t)，且令θ＝0，则根据公式(4)得：
E1out(t)＝Ec·cos[ωc·t+γ·cos(ωRF·t)] (5)
E2out(t)＝Ec·cos[ωc·t+γ·cos(ωRF·t+π/2)] (6)
将E1out(t)和E2out(t)利用Bessel公式展开得到：
以取Bessel函数前两项为例，可以进一步展开E1out(t)和E2out(t)得：
E1out(t)＝Ec{cos(ωct)j0(γ)+2cos(ωct)[-j2(γ)cos(2ωRFt)+j4(γ)cos(4ωRFt)]+2sin(ωct)[-j1(γ)cos(ωRFt)+j3(γ)cos(3ωRFt)]}
利用正弦函数和余弦函数的周期性和奇偶性质进一步化简E2out(t)得：
E2out(t)＝Ec{cos(ωct)j0(γ)+2cos(ωct)[j2(γ)cos(2ωRFt)+j4(γ)cos(4ωRFt)]+2sin(ωct)[j1(γ)sin(ωRFt)+j3(γ)sin(3ωRFt)]}
如果去Bessel函数的更多项，则可以得到更多不同角频率的三角函数展开式，因此，通过光学合路器将E1out(t)和E2out(t)耦合之后得到就得到了以ωc为中心角频点，在其左右两边分别以ωRF的倍数角频点展开的光谱分布，因此，我们可以得到
本发明中的CW激光器的中心频率为193.10THz，我们用到了光子射频多波长播处理中的193.07THz、192.81THz、193.37THz这三个所在激光光波功率相对较大、频率间隔相对较远的频点；本发明中的射频本振信号用到的是频率为 10GHz余弦函数信号；因此，有
从而我们得知，所用的这三个激光光谱是光学相位已调制光子射频信号的下3倍频边带、上29倍频边带和下27倍频边带激光光波。
2.自相干光子射频探测接收数学模型及理论推导
假设ES为90°光学混频器输入端的待解调有用信号，ELO为90°光学混频器输入端的本振激光信号，为光电分集检测器I、Q信号输出合路后的复值光电流，那么可以得到90°光学混频器四路输出端的光信号E1、E2、E3、E4表征值分别为：
①②
③④
上述四路光信号输入到分集光电检测器后，经过四个光电检测平PD1、PD2、 PD3、PD4实施光电探测，其光电流分别为I1、I2、I3、I4，接着我们可以进一步得到：
以此，在分集光电检测其中产生的光电流II(t)、IQ(t)分别为：
II(t)＝I1-I2＝2Re{ES(ELO)*}；
IQ(t)＝I3-I4＝2Im{ES(ELO)*}；
其中Re表示函数的实部，Im表示函数的虚部；以此，我们可以进一步得到I～(t)为：
而ES＝Er+n0，其中Er是接收到的矢量信号部分，n0是放大自发散射噪声部分，因此可以得到|ES|2＝|Er|2+|n0|2+2Re{Er(n0)*}；而本振激光光波 |ELO|2＝ILO[1+IRIN(t)]，其中ILO、IRIN(t)分别是本振激光器的平均功率部分和相对强度噪声(RIN)部分。
因此，我们有：
即：
本发明中的下行链路：接收端收到从发送端传送来的光子射频OFDM信号后，经过波分复用器WDM-2波长解复用处理，分离出中心频率为193.07THz的光子射频OFDM信号及中心频率分别为192.81THz、193.37THz的窄线宽激光光波，然后中心频率为193.07THz的光子射频OFDM信号与中心频率为193.37THz的窄线宽激光光波进入下行90°光学混频器、下行分集光电检测器实施光子射频信号相位同步自锁定自相干探测处理，然后再经过下行高速数字信号处理，进而解调出数字基带信号。此接收探测过程中，中心频率为193.07THz的光子射频 OFDM信号就是上述数学建模推理中的Er，中心频率为193.37THz的窄线宽激光光波就是上述数学建模推理中的ELO，Er和ELO同出自于CW激光器且它们在整个下行链路的传输光程一样，光子射频OFDM相干探测中没有单独引入激光本振信号，即实现相位同步自锁定的下行自相干探测解调接收。
本发明中的上行链路：经过双向EDFA放大后的上行光子射频OFDM信号进入上行90°光学混频器，与从中心频率为193.10THz的CW激光分路出来的激光光波通过上行90°光学混频器和上行分集光电检测器进行自相干探测解调处理，再经过上行高速数字信号处理恢复出数字从远端发送过来的数字基带信号。此接收探测过程中，中心频率为192.81THz的光子射频OFDM信号就是上述数学建模推理中的Er，中心频率为193.10THz的窄线宽激光光波就是上述数学建模推理中的ELO，Er和ELO同出自于CW激光器，光子射频OFDM相干探测中没有单独引入激光本振信号，即实现上行自相干探测解调接收。
本发明中的上下行链路传输中，由：
我们可以得知：接收到的中心频率为192.81THz(或193.07THz)的光子射频OFDM信号的放大自发散射噪声n0和相对强度噪声(RIN)电流对复值光电流是有一定的贡献的，因此，我们可以稍稍地恶化作为上下行自相干探测用的本振激光光波(中心频率为193.10THz、193.37THz)的相对强度噪声来提高数值，进而改进高速数字信号处理的误码率。例如可以通过多波长筛选滤波器、WDM、 FBG器件中的通透、反射的滤波特性，使得以中心频率为193.10THz、193.37THz 的本振激光光波信道的滤波带宽稍稍加宽来适当地提高相对强度噪声数值；也可以通过双向EDFA对信号放大后的滤波功能，稍稍加宽滤波带宽来提高相对强度噪声数值来改善复值光电流I～(t)，进而适度提高整个系统的传输、接收性能。当然，此时稍稍增加这些功能器件滤波后的本振激光光波信号带宽，其实也提高了本振激光器的平均功率部分(即ILO)，从而更进一步地改善复值光电流I～(t)，进而改进高速数字信号处理的误码率。
上述实施例提供的一种相位自锁定自相干探测的双向光子射频OFDM系统及其信号处理实现方法，其有益效果为：(1)提供一种相位自锁定自相干探测的双向光子射频OFDM传输系统解决方案，可以让光子射频融合传输系统、超高速无线局域网、新型相邻基站之间高速光子射频互联互通实现高效的高速信号调制、解调；(2)提供一种相位同步多波长高倍频光子射频波产生装置及方法； (3)提供一种多波段毫米波产生装置及方法；(4)提供一种下行自相干探测所用同步相位本振激光光源产生方法；(5)提供一种上行自相干探测所用本振激光光源产生方法；(6)提供一种光子射频OFDM上行发射机所在端无独立激光载波的设计方法；(7)提供一种改善90°光学混频与分集光电探测接收端中的复值光电流的一种方法。(8)下行接收端没有用于相干解调的独立本振激光光源，大大降低了系统成本及维护成本；(9)上行接收端没有用于相干解调的独立本振激光光源，大大降低了系统成本及维护成本；(10)上行发送端没有独立激光载波光源，大大低成本组网及维护成本；(11)唯一激光光源及有源EDFA放大模块集中在系统一侧端，易于运营及维护。
以上实施例仅为充分公开而非限制本发明，凡基于本发明的创作主旨、未经创造性劳动的等效技术特征的替换，应当视为本申请揭露的范围。
Claims (7)
1.一种相位自锁定自相干探测的双向光子射频OFDM系统，包括：CW激光器、第一光学相位调制器(OPM-1)、第二光学相位调制器(OPM-2)、本地振荡器、射频相移器、光学合路器、多波长筛选滤波器、双向EDFA、第一布拉格光纤光栅(FBG-1)、第二布拉格光纤光栅(FBG-2)、第一调制器(MZM-1)、第二调制器(MZM-2)、第三调制器(MZM-3)、第四调制器(MZM-4)、RF-OFDM下行发射机、RF-OFDM上行发射机、第一光学相移器、第二光学相移器、第一波分复用器(WDM-1)、第二波分复用器(WDM-2)、单模光纤(SSMF)、下行90°光学混频器、下行分集光电检测器、下行高速数字信号处理模块、上行90°光学混频器、上行分集光电检测器、上行高速数字信号处理模块；其特征在于：
CW激光器分别与第一光学相位调制器(OPM-1)、第二光学相位调制器(OPM-2)及上行90°光学混频器连接；第一光学相位调制器(OPM-1)分别与光学合路器、本地振荡器连接；本地振荡器与射频相移器连接；第二光学相位调制器(OPM-2)分别与射频相移器、光学合路器连接；光学合路器与多波长筛选滤波器连接；上行90°光学混频器与上行分集光电检测器连接；上行分集光电检测器与上行高速数字信号处理模块连接；双向EDFA分别与多波长筛选滤波器、上行90°光学混频器、第一布拉格光纤光栅(FBG-1)连接；第一布拉格光纤光栅(FBG-1)分别与第二布拉格光纤光栅(FBG-2)、第一波分复用器(WDM-1)连接；第二布拉格光纤光栅(FBG-2)分别与第一调制器(MZM-1)、第二调制器(MZM-2)及第一波分复用器(WDM-1)连接；第一调制器(MZM-1)分别与RF-OFDM下行发射机、第一波分复用器(WDM-1)连接；第二调制器(MZM-2)分别与RF-OFDM下行发射机、第一光学相移器连接；第一光学相移器与第一波分复用器(WDM-1)连接；第一波分复用器(WDM-1)通过单模光纤(SSMF)与第二波分复用器(WDM-2)连接；第二波分复用器(WDM-2)分别与第三调制器(MZM-3)、第四调制器(MZM-4)及下行90°光学混频器连接；下行90°光学混频器与下行分集光电检测器连接，下行分集光电检测器与下行高速数字信号处理模块连接；RF-OFDM上行发射机分别与第三调制器(MZM-3)、第四调制器(MZM-4)连接；第四调制器(MZM-4)与第二光学相移器连接；第三调制器(MZM-3)和第二光学相移器通过单模光纤(SSMF)与双向EDFA连接。
2.一种基于权利要求1所述相位自锁定自相干探测的双向光子射频OFDM系统的信号处理实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：CW激光器以1:1:1功率分成三路，其中一路输入到上行90°光学混频器用于上行光子射频OFDM高速信号的自相干解调处理，另外两路分别通过两个光学相位调制器并分别被本地振荡器和本地振荡器经射频相移器调制，两路调制后的激光光波经光合路器合路处理，产生一系列峰值点功率不同的多频点激光光波，进而产生10GHz本振射频信号的60倍频的光子射频波；
步骤2：合路后的光子射频波通过多波长筛选滤波器，筛选出相位同步的中心频率为192.81THz、193.07THz、193.37THz的窄线宽激光光波，经过双向EDFA光学放大处理后进入第一个布拉格光纤光栅FBG-1，从反射端口分离出中心频率为192.81THz的激光光波，再通过第二个布拉格光纤光栅FBG-2，从反射端口分离出中心频率为193.37THz的激光光波，经过FBG-2通透端口输出中心频率为193.07THz的激光光波，中心频率为193.07THz的激光光波按1:1功率分路后分别通过第一调制器(MZM-1)、第二调制器(MZM-2)被RF-OFDM下行发射机输出的I、Q信号调制，其中一路已调光子射频OFDM信号通过光学相移器实施90°相移，然后再与另外一路已调光子射频OFDM信号合路正交处理；
步骤3：合路后的光子射频OFDM信号与从第一布拉格光纤光栅(FBG-1)、第二布拉格光纤光栅(FBG-2)反射端口输出的中心频率分别为192.81THz、193.37THz的窄线宽激光光波通过第一波分复用器(WDM-1)复用处理，然后再通过单模光纤(SSMF)传输到下行链路的接收端；
步骤4：下行链路的接收端接收光子射频OFDM信号后，经过第二波分复用器(WDM-2)波长解复用处理，分离出中心频率为193.07THz的光子射频OFDM信号及中心频率分别为192.81THz、193.37THz的窄线宽激光光波，然后中心频率为193.07THz的光子射频OFDM信号与中心频率为193.37THz的窄线宽激光光波进入下行90°光学混频器、下行分集光电检测器实施光子射频信号相位同步自锁定自相干探测处理，然后再经过下行高速数字信号处理，进而解调出数字基带信号；
步骤5：中心频率为192.81THz的窄线宽激光光波按1:1功率分路后分别通过第三调制器(MZM-3)、第四调制器(MZM-4)被RF-OFDM上行发射机输出的I、Q信号调制，其中一路已调光子射频OFDM信号通过光学相移器实施90°相移，然后再与另外一路已调光子射频OFDM信号合路正交处理；
步骤6：合路后的上行正交光子射频OFDM信号由单模光纤(SSMF)传输到上行接收端的双向EDFA中实施光学信号放大处理，经过双向EDFA放大后的上行光子射频OFDM信号进入上行90°光学混频器，与从中心频率为193.10THz的CW激光分路出来的激光光波通过上行90°光学混频器和上行分集光电检测器进行自相干探测解调处理，再经过上行高速数字信号处理恢复出数字从远端发送过来的数字基带信号。
3.根据权利要求2所述的信号处理实现方法，其特征在于，在步骤2中，所述多频点激光光波频率间隔为10GHz为10Ghz的峰值点功率不同的激光光波，所述多频点激光光波信号的两两频点间隔最大高达600GHz，因此可以产生10GHz本振射频信号的60倍频的光子射频波。
4.根据权利要求2所述的信号处理实现方法，其特征在于，在步骤2中，所述多频点激光光波的相位与CW激光光波的相位是相干的，多频点激光光波的相位随着CW激光光波相位变化而变化，且第二波分复用器(WDM-2)输出的三路激光光波相位信息同步自锁定。
5.根据权利要求2所述的信号处理实现方法，其特征在于，在步骤2中，利用所述光子射频波通过处理可以产生20GHz至600GHz的无线微波频段信号。
6.根据权利要求2所述的信号处理实现方法，其特征在于，在步骤4和步骤6中，通过适度增大多波长筛选滤波器、WDM、FBG器件的信号通透带宽，使得中心频率为193.10THz、193.37THz的本振激光光波信号带宽加宽，进而来提高相对强度噪声数值；还可以通过双向EDFA对信号放大后的滤波功能，适度增大滤波带宽来提高相对强度噪声数值。通过提高相对强度噪声数字，来改善复值光电流进而提高整个系统的传输、接收性能；调整这些功能器件滤波后的本振激光光波信号带宽，也提高了本振激光器的平均功率部分(即ILO)，从而更进一步地改善复值光电流进而降低高速数字信号接收的误码率。
7.根据权利要求2所述的信号处理实现方法，其特征在于，在步骤1中，通过联合调整两个光学相位调制器(OPM-1、OPM-2)的相位频偏度，使得目标频点激光光波的功率得到大幅度降低、以至于可以做到零抑制目标频点激光光波，进而保留我们想要的大功率光子射频波。
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