CN107819514A - 一种大容量光纤‑轨道角动量波融合系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信技术领域，具体为一种大容量光纤‑轨道角动量波融合系统。本发明系统中，发送端使用波分复用器实现两路光基带信号或光微波信号的合成，然后进入光纤传输，再利用阵列波导光栅对光波分复用信号进行解复用；解复用的光信号通过光电探测器转换成电基带信号或电微波信号，利用电混频器实现上变频后，两路电信号通过单个轨道角动量天线转换成轨道角动量复用信号发送出去；接收端的轨道角动量天线将接收信号解复用，再利用电下变频器和低通滤波器恢复出基带信号。本发明所述的光纤—轨道角动量波融合系统，不仅避免了多天线的使用，降低了系统复杂度，而且结合了波分复用和轨道角动量空间复用，大幅度地提高了系统的通信容量和频谱效率。

Description

一种大容量光纤-轨道角动量波融合系统

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及基于轨道角动量复用的光纤-无线融合通信系统。

背景技术

随着通信容量和接入需求的高速增长，融合了光纤传输低损耗、高带宽和抗电磁干扰的优点和无线通信宽域覆盖，接入灵活等优点的光纤-无线通信系统成为研究热点，被认为是下一代超宽带无线接入最有前景的备选方案。在ROF系统中，结合光波分复用（WDM）技术可将调制到不同波长的光信号复用到一根光纤中进行传输，极大地提高通信容量。然而，考虑到光纤的非线性效应和高速信号对光信噪比的要求，波长信道间隔不能无限减少，因此目前的信道数量也快达到极限。必须考虑釆用新的复用方式来提高传输系统容量，增加频谱效率，满足日益增长的网络需求。

结合天线多输入多输出（MIMO）技术，可以将携带不同信息的多路毫米波信号通过多个天线发送和接收，进一步提高ROF系统的传输容量，并显著减少达到给定无线传输容量所需无线发射功率。然而，多个收发天线的使用，增加了系统复杂度、成本和代价。

近年来新兴的轨道角动量（OAM）技术，为在不增加系统复杂度的条件下提高传输容量提供了有力支撑。轨道角动量电磁涡旋复用技术能够将载波所携带的轨道角动量模式作为调制参数，并且利用轨道角动量模式内在的正交性，将多路信号调制到不同的轨道角动量模式上，根据模式数或拓扑电荷数区分不同的信道。通过这种方式，在相同载频上可以得到多个相互独立的轨道角动量信道。由于具有轨道角动量在理论上可以拥有无穷维阶数，可以构成无穷维的希尔伯特空间，由此理论上同一载波频率利用轨道角动量电磁涡旋复用可获得无穷的传输能力。

因此，本发明提出了一种结合光波分复用和轨道角动量复用技术的光纤-无线(Radio-over-Fiber,ROF)通信系统。在发送端使用光波分复用器实现多路光信号的合成，然后进入光纤传输，再利用阵列波导光栅对光波分复用信号进行解复用。解复用的光信号通过光电探测器转换成电信号，经电上变频后通过单个轨道角动量天线转换成轨道角动量复用信号发送出去。接收端的轨道角动量天线将接收信号解复用，再经电下变频器和低通滤波器恢复出基带信号。这种结构，不仅避免了多天线的使用，降低了系统复杂度，而且结合了波分复用和轨道角动量空间复用，大幅度地提高了系统的通信容量和频谱效率。

发明内容

针对上述情况，本发明的目的是提供一种通信容量大、频谱效率高，而且结构简单的大容量光纤-轨道角动量波融合系统。

本发明的基本方案如下：在中心站，利用波分复用器实现多路光基带信号或光微波信号的合成，然后进入光纤传输，到达基站后再利用阵列波导光栅对光波分复用信号进行解复用。解复用的光信号通过光电探测器转换成电基带信号或电微波信号，利用电混频器实现上变频后，多路电信号通过单个轨道角动量天线转换成轨道角动量复用信号发送出去，从而简化系统结构，提高传输容量；在用户端，接收轨道角动量天线将轨道角动量复用信号解复用，再利用电下变频器和低通滤波器恢复出基带信号。

本发明提供的光纤-轨道角动量波融合系统，包括：中心站，基站，用户端，其中：

所述中心站，其包括：

激光器，用于产生光纤通信指定的连续波激光；

外调制器，用于产生光基带信号；

数据源，用于产生数字基带信号；

光波分复用器，用于产生波分复用光基带信号；

所述基站，其包括：

阵列波导光栅，用于对光波分复用信号进行解复用；

光电探测器，用于将光基带信号转换为电基带信号；

电混频器，用于将电基带信号上变频为射频信号；

射频信号发生器，为上变频提供射频本振信号；

轨道角动量天线，用于实现轨道角动量空间复用；

所述用户端，其包括：

轨道角动量天线，用于实现轨道角动量复用信号的解复用；

电混频器，用于将射频调制信号下变频为电基带信号；

射频信号发生器，为下变频提供射频本振信号；

低通滤波器，用于滤除下变频产生的二次谐波信号。

本发明中，所述中心站，包括以下工作过程：

激光器产生指定频率的连续波光载波进入外调制器，利用外调制器将数据源产生的基带数据强度调制到光载波上。同理，也可以将另一路基带数据强度调制到另一个频率的光载波上。两路不同频率的光基带信号通过光波分复用器产生波分复用光基带信号，经过光纤传输到达基站。

本发明中，所述基站，包括以下工作过程：

利用阵列波导光栅对接收的光波分复用信号进行解复用，送入两个光电探测器将两路光基带信号转换为电基带信号，射频信号发生器产生射频本振信号经功分器分为两路，然后将两路电基带信号和两路射频本振信号分别送入两个电混频器，产生两路射频调制信号，最后利用轨道角动量天线实现轨道角动量空间复用，通过无线传输到达用户端。

本发明中，所述用户端，包括以下工作过程：

利用轨道角动量天线接收基站发送的空间复用信号实现解复用，射频信号发生器产生射频本振信号经功分器分为两路，然后将两路射频调制信号和两路射频本振信号分别送入两个电混频器实现下变频，最后利用两路低通滤波器恢复出基带信号。

本发明利用轨道角动量复用，避免了多天线的使用，降低了系统复杂度，易于实现，而且结合波分复用技术，大幅度地提高了系统的通信容量。

附图说明

图1是本发明的中心站结构示意图。

图2是本发明的基站结构示意图。

图3是本发明的用户端结构示意图。

图4是本发明的光纤-轨道角动量波融合系统示意图。

图中标号：1-数据源，11-数据源，2-激光器，3-外调制器，22-激光器，33-外调制器，4-光波分复用器，5-阵列波导光栅，6-光电探测器，66-光电探测器，7-基站射频信号发生器，77-用户端射频信号发生器，8-基站功分器，88-用户端功分器，9-基站电混频器，99-基站电混频器，999-用户端电混频器，9999-用户端电混频器，10-基站轨道角动量天线，1010-用户端轨道角动量天线，11-低通滤波器，1111-低通滤波器，12-中心站，13-光纤链路，14- 基站，15-用户端。

具体实施方式

下面结合具体实验例子和附图，对本发明作进一步说明。

由图1所示，光纤-轨道角动量波融合系统的中心站的各部件及功能分别说明如下：

数据源1，产生数字基带信号a₁(t)，数据源11，产生数字基带信号a₂(t)，激光器2，产生波长λ₁的连续波激光，激光器22，产生波长λ₂的连续波激光，外调制器3，将数据源1产生的数字基带信号a₁(t)调制到激光器2产生的波长λ₁的连续波激光上，外调制器33，将数据源2产生的数字基带信号a₂(t)调制到激光器22产生的波长λ₂的连续波激光上，光波分复用器4，实现外调制器3产生的光基带信号和外调制器33产生的光基带信号的复用，复用后的信号通过光纤链路传输到基站。

由图2所示，光纤-轨道角动量波融合系统的基站的各部件及功能分别说明如下：

阵列波导光栅5，将两路波分复用光基带信号解复用，光电探测器6，实现波长λ₁的光基带信号的光电转换，光电探测器66，实现波长λ₂的光基带信号的光电转换，射频信号发生器7，产生频率为f的射频本振信号用于上变频，功分器8，将频率为f的射频本振信号分为两路，电混频器9，实现数字基带信号a₁(t)的上变频，电混频器99，实现数字基带信号a₂(t)的上变频，轨道角动量天线10，实现两路射频调制信号的轨道角动量复用，复用后的信号通过无线链路传输到用户端。

由图3所示，光纤-轨道角动量波融合系统的用户端的各部件及功能分别说明如下：

轨道角动量天线1010，实现两路射频调制信号的轨道角动量解复用，射频信号发生器77，产生频率为f的射频本振信号用于下变频，功分器88，将频率为f的射频本振信号分为两路，电混频器999，实现携带数字基带信号a₁(t)的射频调制信号下变频，电混频器9999，实现携带数字基带信号a₂(t)的射频调制信号下变频，低通滤波器11，滤除二次谐波，恢复数字基带信号a₁(t)，低通滤波器1111，滤除二次谐波，恢复数字基带信号a₂(t)。

本发明所述的光纤-轨道角动量波融合系统如图4所示。

所述的光纤-轨道角动量波融合系统包括中心站12，光纤链路13，基站14和用户端15。

本发明所述的中心站12，主要作用是产生波分复用的光基带信号。光纤链路13，其作用是传输中心站和基站之间的光信号。本发明所述的基站14，主要作用是实现波分复用光基带信号的解复用、光电转换、上变频和轨道角动量复用。本发明所述的用户端15，主要作用是实现轨道角动量解复用、下变频和恢复基带信号。

所述的光纤-轨道角动量波融合系统具体连接方式如下：

中心站12中的光波分复用器4的输出端与传输光纤链路13相连，传输光纤链路13的另一端与基站14中的阵列波导光栅5的输入端相连。传输光纤链路13为单模光纤SMF-28。基站14中的轨道角动量天线10发射的信号通过无线链路进入用户端15中的轨道角动量天线1010。

中心站12中的各部件连接方式如下：

数据源1的输出端与外调制器3的电输入端用电缆相连，数据源11的输出端与外调制器33的电输入端用电缆相连。其余各部件均为光纤连接。

基站14中的各部件连接方式如下：

阵列波导光栅5的输出端与光电探测器6和光电探测器66的输入端用光纤相连。其余各部件均为电缆连接。

用户端15中的各部件连接方式如下：

轨道角动量天线1010的一个输出端与电混频器999的一个输入端用电缆连接，轨道角动量天线1010的另一个输出端与电混频器9999的一个输入端用电缆连接，射频信号发生器77的输出端与功分器88的输入端用电缆连接，功分器88的两个输出端分别与电混频999和电混频器9999的另一个输入端用电缆连接，电混频器999的输出端与低通滤波器11的输入端用电缆连接，电混频器9999的输出端与低通滤波器1111的输入端用电缆连接。

本发明中所述的基站适合于频率1~100 GHz 的WDM光纤传输无线信号和轨道角动量复用信号。

本发明在中心站采用光波分复用技术，可以提高传输容量，在基站采用轨道角动量复用技术，避免了多天线的使用，不仅降低了系统复杂度，而且增加了传输容量。

总之，本发明的优点是能降低光纤无线通信系统的成本，使系统整体结构简单，容易实现，并大幅度提高系统的传输容量。

Claims (4)

1.一种光纤—轨道角动量波融合系统，其特征在于，包括中心站、基站、用户端，其中：

所述中心站，其包括：

激光器，用于产生光纤通信指定的连续波激光；

外调制器，用于产生光基带信号；

数据源，用于产生数字基带信号；

光波分复用器，用于产生波分复用光基带信号；

所述基站，其包括：

阵列波导光栅，用于对光波分复用信号进行解复用；

光电探测器，用于将光基带信号转换为电基带信号；

电混频器，用于将电基带信号上变频为射频信号；

射频信号发生器，为上变频提供射频本振信号；

轨道角动量天线，用于实现轨道角动量空间复用；

所述用户端，其包括：

轨道角动量天线，用于实现轨道角动量复用信号的解复用；

电混频器，用于将射频调制信号下变频为电基带信号；

射频信号发生器，为下变频提供射频本振信号；

低通滤波器，用于滤除下变频产生的二次谐波信号。

2.根据权利要求1所述的光纤—轨道角动量波融合系统，其特征在于，所述的中心站的工作流程为：

激光器产生指定频率的连续波光载波进入外调制器，利用外调制器将数据源产生的基带数据强度调制到光载波上；同理，或者将另一路基带数据强度调制到另一个频率的光载波上；两路不同频率的光基带信号通过光波分复用器产生波分复用光基带信号，经过光纤传输到达基站。

3.根据权利要求2所述的光纤—轨道角动量波融合系统，其特征在于，所述的基站的工作流程为：

利用阵列波导光栅对接收的光波分复用信号进行解复用，送入两个光电探测器将两路光基带信号转换为电基带信号，射频信号发生器产生射频本振信号经功分器分为两路，然后将两路电基带信号和两路射频本振信号分别送入两个电混频器，产生两路射频调制信号，最后利用轨道角动量天线实现轨道角动量空间复用，通过无线传输到达用户端。

4.根据权利要求3所述的光纤—轨道角动量波融合系统，其特征在于，所述的用户端的工作流程为：

利用轨道角动量天线接收基站发送的空间复用信号实现解复用，射频信号发生器产生射频本振信号经功分器分为两路，然后将两路射频调制信号和两路射频本振信号分别送入两个电混频器实现下变频，最后利用两路低通滤波器恢复出基带信号。