CN108521300A - 一种光载无线射频信号产生装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光通讯领域，具体涉及一种光载无线射频信号产生装置。所述光载无线射频信号产生装置设置在基站中，所述光载无线射频信号产生装置包括接收非归零码调制的光基带信号的接收单元、产生纵模激光的多纵模激光器和输出光载无线射频信号的输出单元，所述多纵模激光器包括将光基带信号和纵模激光进行调制并形成光载无线射频信号的调制单元。本发明还涉及一种光载无线射频信号产生方法。本发明通过设计一种光载无线射频信号产生装置及方法，通过多纵模激光器，具有结构简单、易集成、功耗低、成本低的优势，可以直接将中心站点传输过来的光基带信号上变频至光载无线射频信号，避免了传统通过中心站点产生光载无线射频信号。

Description

一种光载无线射频信号产生装置及方法
技术领域
本发明涉及光通讯领域，具体涉及一种光载无线射频信号产生装置及方法。
背景技术
宽带无线接入技术可以满足用户对灵活接入方式的需求。然而随着社交、视频等新兴互联网业务的蓬勃发展，接入带宽的需求越来越大。因此，无线接入的发射机载波频率必须向着高频化方向发展，以承载越来越高的接入带宽。然而，高频载波的无线发射机在模块复杂程度、模块功耗以及成本上都将大幅提高，不利于实际应用。
为此，研究人员提出采用光载无线通信(radio-over-fiber，RoF)技术，以应对高速大容量无线通信需求。具体来说，就是在中心站将携带数据的无线射频信号调制到激光上，之后调制后的光波通过复杂的光纤链路进行传输，到达基站后，光电转换将微波信号解调，再通过天线发射供用户使用。这样所有的复杂设备和数据、传输管理都集中在中心站点，基站避免了复杂的上变频设计。
然而，基于目前的ROF技术方案存在诸多问题而难以实用。一方面，中心站点的发射机必须采用额外的高频稳定的射频微波源产生无线射频载波或者稳定频率间隔的外差种子光源用于拍频产生无线射频载波，采用高频稳定的射频微波源的方案，需要如高频混频器、宽带电光调制器、高频放大器、高频稳定微波源等昂贵的器件；而基于稳定频率间隔的外差种子光源的拍频产生技术，则必须以锁频、锁相技术获得种子光源，实现难度大，成本高。
另一方面，随着用户对带宽需求的增加，这样无线基站便呈现小区蜂窝—微蜂窝—家庭毫微蜂窝的小型化演进趋势，无线载波频率也必须升高，逐步向30～60GHz演进。如果在中心站点产生携带有30～60GHz无线射频信号的光载无线信号，在光纤传输过程受色散的影响将出现高频无线信号周期性衰落的问题，30～60GHz无线射频信号的以一个衰落点将出现在光纤距离1～4公里点，这意味着光纤接入距离将大大受限，光接入技术长距离传输的优势将荡然无存。
可行的解决方案是在无线接入的基站点，将光基带信号在光域上变频至光载无线射频信号发射出去。其中，亟待突破的关键技术，就是如何实现在光域产生光载无线射频信号的装置，亦即本发明要解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种光载无线射频信号产生装置及方法，解决目前的ROF技术方案存在诸多问题而难以实用的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种光载无线射频信号产生装置，中心站将携带数据的光基带信号发射到基站中，所述光载无线射频信号产生装置设置在基站中，所述光载无线射频信号产生装置包括接收非归零码调制的光基带信号的接收单元、产生纵模激光的多纵模激光器和输出光载无线射频信号的输出单元，所述多纵模激光器包括将光基带信号和纵模激光进行调制并形成光载无线射频信号的调制单元；其中，所述光基带信号的中心波长与所述纵模激光的纵模波长存在频率间隔，且所述频率间隔为光载无线射频信号的载波频率；以及，所述光基带信号的线宽小于纵模激光的个单纵模激光线宽；以及，所述纵模激光的纵模频率间隔大于光载无线射频信号的载波频率。
其中，较佳方案是：所述调制单元包括相位锁定模块，所述相位锁定模块将光基带信号的频谱分量锁定在纵模激光的锁定范围内。
其中，较佳方案是：所述多纵模激光器为法布里珀罗激光器。
其中，较佳方案是：所述法布里珀罗激光器包括第一端面和第二端面，所述接收单元将光基带信号从第一端面注入至法布里珀罗激光器中，并且通过第二端面输出光载无线射频信号至输出单元中；其中，所述法布里珀罗激光器的第一端面和第二端面均设置为半透半反面。
其中，较佳方案是：所述光载无线射频信号产生装置还包括光环形器，所述光环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述法布里珀罗激光器包括设置为半透半反面的第一端面和设置为全反射面的第二端面，所述第二端口与第一端面对齐；所述接收单元将光基带信号从光环形器的第一端口入射，并从光环形器的第二端口入射至法布里珀罗激光器的第一端面，再经过第二端面将光载无线射频信号反射并经过第一端面入射至光环形器的第二端口，并从光环形器的第三端口输出至输出单元中。
其中，较佳方案是：所述多纵模激光器为半导体环形激光器；其中，所述半导体环形激光器的纵模激光的频率间隔大于所需形成的光载无线射频信号的载波频率。
其中，较佳方案是：所述光基带信号的速率为10Gbps至25Gbps。
其中，较佳方案是：所述光载无线射频信号的载波频率为30GHz至60GHz。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种光载无线射频信号产生方法，中心站将携带数据的光基带信号发射到基站中，所述光载无线射频信号产生方法应用在基站中，所述光载无线射频信号产生方法的步骤包括：接收非归零码调制的光基带信号；产生纵模激光，并且，将光基带信号和纵模激光进行调制并形成光载无线射频信号；输出光载无线射频信号；其中，所述光基带信号的中心波长与所述纵模激光的纵模波长存在频率间隔，且所述频率间隔为光载无线射频信号的载波频率；以及，所述光基带信号的线宽小于纵模激光的个单纵模激光线宽；以及，所述纵模激光的纵模频率间隔大于光载无线射频信号的载波频率。
其中，较佳方案是，所述调制的步骤包括：将光基带信号的频谱分量锁定在纵模激光的锁定范围内。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明通过设计一种光载无线射频信号产生装置及方法，通过多纵模激光器，具有结构简单、易集成、功耗低、成本低的优势，可以直接将中心站点传输过来的光基带信号上变频至光载无线射频信号，避免了传统通过中心站点产生光载无线射频信号，易受光纤色散而导致信号衰落的问题；以及，无需额外的高频稳定的射频微波源产生无线射频载波，或者稳定频率间隔的外差种子光源用于拍频产生无线射频载波。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明光载无线射频信号产生装置的结构示意图；
图2是本发明中心站与基站的结构示意图；
图3是本发明基于法布里珀罗激光器的结构示意图；
图4是本发明基于光环形器与法布里珀罗激光器的结构示意图；
图5是本发明基于半导体环形激光器的结构示意图；
图6是本发明光载无线射频信号产生方法的流程示意图。
具体实施方式
现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。
如图1和图2所示，本发明提供一种光载无线射频信号产生装置的优选实施例。
一种光载无线射频信号产生装置，中心站200将携带数据的光基带信号发射到基站100中，所述光载无线射频信号产生装置设置在基站100中，所述光载无线射频信号产生装置包括接收非归零码调制的光基带信号的接收单元110、产生纵模激光的多纵模激光器120和输出光载无线射频信号的输出单元130，所述多纵模激光器120包括将光基带信号和纵模激光进行调制并形成光载无线射频信号的调制单元121。
在本实施例中，纵模是指沿谐振腔轴向的稳定光波振荡模式，对激光的输出频率影响较大，能够大大提高激光的相干性，因此常常把激光器纵模的选取称为激光的选频技术。其中，发射多个纵模的激光器为多纵模激光器120。采用多纵模激光器120，无需额外的高频稳定的射频微波源产生无线射频载波或者稳定频率间隔的外差种子光源用于拍频产生无线射频载波，具有装置简单，可集成，功耗低，成本低的优势。
当然，调制单元121是广义上的调制模块，实质可以为一个光调整场所，光调制技术就是将一个携带信息的信号叠加到载波光波上的一种调制技术。光调制能够使光波的某些参数如振幅、频率、相位、偏振状态和持续时间等按一定的规律发生变化。
同时，所述光基带信号的中心波长与所述纵模激光的纵模波长存在频率间隔，且所述频率间隔为光载无线射频信号的载波频率；以及，所述光基带信号的线宽小于纵模激光的个单纵模激光线宽；以及，所述纵模激光的纵模频率间隔大于光载无线射频信号的载波频率。
优选地，所述光基带信号的速率为10Gbps至25Gbps。进一步地，所述光载无线射频信号的载波频率为30GHz至60GHz。
具体地，光基带信号即为信源(信息源，也称发终端)发出的没有经过调制(进行频谱搬移和变换)的原始电信号，其特点是频率较低，信号频谱从零频附近开始，具有低通形式。光基带信号要求光载波具有有较好的相干性，即所述光基带信号的线宽小于纵模激光的个单纵模激光线宽，两个波彼此相互干涉时，因为相位的差异，会造成建设性干涉或摧毁性干涉，假若两个正弦波的相位差为常数，则这两个波的频率必定相同，称这两个波“完全相干”，两个“完全不相干”的波，例如白炽灯或太阳所发射出的光波，由于产生的干涉图样不稳定，无法被明显地观察到，在这两种极端之间，存在着“部分相干”的波。
在本实施例中，所述调制单元121包括相位锁定模块，所述相位锁定模块将光基带信号的频谱分量锁定在纵模激光的锁定范围内。
具体调整步骤如下，A、注入光基带信号，其载波频率为Fs，以一定的频率间隔，注入到调制单元121中进行调制，并且注入至纵模激光的一纵模附近，其光频率为F1；B、由于光基带信号携带数据，其具有一定光谱宽度，一部分光基带信号的频谱分量进入到多纵模激光器120的激光纵模光频率F1的锁定范围。多纵模激光器120纵模光频率F1被这部分光基带信号的频谱分量锁定，锁定后多纵模激光器120纵模光频率F1与光基带信号频谱分量的相位是锁定的；C、由于光基带信号频谱分量的相位跟光基带信号的光载波频率Fs的相位是锁定的，因此，锁定后多纵模激光器120纵模光频率F1与光基带信号的光载波频率Fs，两者的相互相位锁定，此时两个稳定锁相的光频率之间即产生稳定的光载无线射频信号载波频率的外差频率f1＝Fs-F1。
进一步地，由于光基带信号的功率被数据以非归零码调制，因此相对应产生的光无无线射频信号也复制了光基带信号的调制数据。
如图3和图4所示，本发明提供基于法布里珀罗激光器的较佳实施例。
所述多纵模激光器120为法布里珀罗激光器1201。
在本实施例中，提供两种较佳方案。
方案一、并参考图3，所述法布里珀罗激光器1201包括第一端面12011和第二端面12012，所述接收单元110将光基带信号从第一端面12011注入至法布里珀罗激光器1201中，并且通过第二端面12012输出光载无线射频信号至输出单元130中；其中，所述法布里珀罗激光器1201的第一端面12011和第二端面12012均设置为半透半反面。
具体光路径为，接收单元110——法布里珀罗激光器1201的第一端面12011——法布里珀罗激光器1201的第二端面12012——输出单元130。同时，在法布里珀罗激光器1201中光基带信号和纵模激光进行调制并形成光载无线射频信号，并通过输出单元130输出。
其中，法布里珀罗激光器1201(FP-LD)是最常见、最普通的半导体激光器，它最大的特点是激光器的谐振腔由半导体材料的两个解理面构成。目前光纤通信上采用的FP-LD的制作技术已经相当成熟，普遍采用双异质结多量子阱有源层、载流子与光分别限制的结构。
方案二、并参考图4，所述光载无线射频信号产生装置还包括光环形器1202，所述光环形器1202包括第一端口12021、第二端口12022和第三端口12023，所述法布里珀罗激光器1201包括设置为半透半反面的第一端面12011和设置为全反射面的第二端面12012，所述第二端口12022与第一端面12011对齐；所述接收单元110将光基带信号从光环形器1202的第一端口12021入射，并从光环形器1202的第二端口12022入射至法布里珀罗激光器1201的第一端面12011，再经过第二端面12012将光载无线射频信号反射并经过第一端面12011入射至光环形器1202的第二端口12022，并从光环形器1202的第三端口12023输出至输出单元130中。光环形的端口具有单向隔离特性。
具体光路径为，接收单元110——光环形器1202的第一端口12021——光环形器1202的第二端口12022——法布里珀罗激光器1201的第一端面12011——法布里珀罗激光器1201的第二端面12012——法布里珀罗激光器1201的第一端面12011——光环形器1202的第二端口12022——光环形器1202的第三端口12023——输出单元130。同时，在法布里珀罗激光器1201中光基带信号和纵模激光进行调制并形成光载无线射频信号，并通过输出单元130输出。
其中，光环形器1202是一种多端口的具有非互易特性的光器件。光信号由任一端口输入时，都能按图示的数字顺序从下一端口以很小的损耗输出，而该端口通向所有其他端口的损耗都很大，成为不相通端口。光环形器1202的非互易性使其成为双向通信中的重要器件，它可以完成正/反向传输的分离任务。
通过光环形器1202，提高光载无线射频信号产生装置的整体紧凑性。
如图5所示，本发明提供基于半导体环形激光器的较佳实施例。
所述多纵模激光器120为半导体环形激光器1203；其中，所述半导体环形激光器1203的纵模激光的频率间隔大于所需形成的光载无线射频信号的载波频率。其中，半导体环形激光器1203包括输入口12031和输出口12032。
具体光路径为，接收单元110——半导体环形激光器1203的输入口12031——半导体环形激光器1203的输出口12032——输出单元130。同时，在半导体环形激光器1203中光基带信号和纵模激光进行调制并形成光载无线射频信号，并通过输出单元130输出。
其中，半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生激光的器件。其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带(导带与价带)之间，或者半导体物质的能带与杂质(受主或施主)能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用；而半导体环形激光器1203是其腔体通道构成环形的半导体激光器。
如图6所示，本发明提供一种光载无线射频信号产生方法的优选实施例。
一种光载无线射频信号产生方法，中心站200将携带数据的光基带信号发射到基站100中，所述光载无线射频信号产生方法应用在基站100中，所述光载无线射频信号产生方法的步骤包括：
步骤S11、接收非归零码调制的光基带信号；
步骤S12、产生纵模激光，并且，将光基带信号和纵模激光进行调制并形成光载无线射频信号；
步骤S13、输出光载无线射频信号；
其中，所述光基带信号的中心波长与所述纵模激光的纵模波长存在频率间隔，且所述频率间隔为光载无线射频信号的载波频率；以及，所述光基带信号的线宽小于纵模激光的个单纵模激光线宽；以及，所述纵模激光的纵模频率间隔大于光载无线射频信号的载波频率。
进一步地，所述调制的步骤包括：将光基带信号的频谱分量锁定在纵模激光的锁定范围内。
其中，上述步骤描述与上文描述相似，在此不再一一描述。
以上所述者，仅为本发明最佳实施例而已，并非用于限制本发明的范围，凡依本发明申请专利范围所作的等效变化或修饰，皆为本发明所涵盖。

Claims (10)

1.一种光载无线射频信号产生装置，中心站将携带数据的光基带信号发射到基站中，其特征在于：所述光载无线射频信号产生装置设置在基站中，所述光载无线射频信号产生装置包括接收非归零码调制的光基带信号的接收单元、产生纵模激光的多纵模激光器和输出光载无线射频信号的输出单元，所述多纵模激光器包括将光基带信号和纵模激光进行调制并形成光载无线射频信号的调制单元；其中，所述光基带信号的中心波长与所述纵模激光的纵模波长存在频率间隔，且所述频率间隔为光载无线射频信号的载波频率；以及，所述光基带信号的线宽小于纵模激光的个单纵模激光线宽；以及，所述纵模激光的纵模频率间隔大于光载无线射频信号的载波频率。
2.根据权利要求1所述的光载无线射频信号产生装置，其特征在于：所述调制单元包括相位锁定模块，所述相位锁定模块将光基带信号的频谱分量锁定在纵模激光的锁定范围内。
3.根据权利要求1所述的光载无线射频信号产生装置，其特征在于：所述多纵模激光器为法布里珀罗激光器。
4.根据权利要求3所述的光载无线射频信号产生装置，其特征在于：所述法布里珀罗激光器包括第一端面和第二端面，所述接收单元将光基带信号从第一端面注入至法布里珀罗激光器中，并且通过第二端面输出光载无线射频信号至输出单元中；其中，所述法布里珀罗激光器的第一端面和第二端面均设置为半透半反面。
5.根据权利要求3所述的光载无线射频信号产生装置，其特征在于：所述光载无线射频信号产生装置还包括光环形器，所述光环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述法布里珀罗激光器包括设置为半透半反面的第一端面和设置为全反射面的第二端面，所述第二端口与第一端面对齐；所述接收单元将光基带信号从光环形器的第一端口入射，并从光环形器的第二端口入射至法布里珀罗激光器的第一端面，再经过第二端面将光载无线射频信号反射并经过第一端面入射至光环形器的第二端口，并从光环形器的第三端口输出至输出单元中。
6.根据权利要求1所述的光载无线射频信号产生装置，其特征在于：所述多纵模激光器为半导体环形激光器；其中，所述半导体环形激光器的纵模激光的频率间隔大于所需形成的光载无线射频信号的载波频率。
7.根据权利要求1至6任一所述的光载无线射频信号产生装置，其特征在于：所述光基带信号的速率为10Gbps至25Gbps。
8.根据权利要求7所述的光载无线射频信号产生装置，其特征在于：所述光载无线射频信号的载波频率为30GHz至60GHz。
9.一种光载无线射频信号产生方法，中心站将携带数据的光基带信号发射到基站中，其特征在于，所述光载无线射频信号产生方法应用在基站中，所述光载无线射频信号产生方法的步骤包括：
接收非归零码调制的光基带信号；
产生纵模激光，并且，将光基带信号和纵模激光进行调制并形成光载无线射频信号；
输出光载无线射频信号；
其中，所述光基带信号的中心波长与所述纵模激光的纵模波长存在频率间隔，且所述频率间隔为光载无线射频信号的载波频率；以及，所述光基带信号的线宽小于纵模激光的个单纵模激光线宽；以及，所述纵模激光的纵模频率间隔大于光载无线射频信号的载波频率。
10.根据权利要求9所述的光载无线射频信号产生方法，其特征在于，所述调制的步骤包括：将光基带信号的频谱分量锁定在纵模激光的锁定范围内。
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