CN110958053B - 产生四倍频光载毫米波bpsk矢量信号的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种产生四倍频光载毫米波BPSK矢量信号的装置及方法，该装置包括：激光器LD、RF射频信号发生器、电相位调制器、移相器、电增益器、集成调制器、单模光纤和光电探测器。方法：激光器LD发出的光波经过集成调制器被携带数据的射频信号调制；集成调制器上下两臂输出的两路信号相加会生成4k‑1阶边带，经过光纤传输后正3阶边带和负1阶边带在光电探测器PD拍频产生四倍频毫米波信号；数据信号通过电相位调制器PM对RF射频信号发生器产生的射频信号进行相位调制，被数据相位调制的射频信号和经增益的数据信号相加后驱动两个子调制器。本发明可以降低对射频器件和MZM调制器带宽要求，具有可调谐性且系统稳定容易实现。

Description

产生四倍频光载毫米波BPSK矢量信号的装置及方法
技术领域
本发明涉及光电信号处理方法领域，特别是涉及一种产生四倍频光载毫米波BPSK矢量信号的装置及方法。
背景技术
随着信息社会的快速发展，用户对无线通信接入的带宽和速率提出了更高的要求。毫米波通信因其高带宽和高速率成为宽带无线通信的有力竞争者。60GHz频率波段将成为无线局域网的首选频段。光纤无线通信RoF技术结合了光纤通信的带宽大和无线通信接入灵活等优点，能提高毫米波通信的传输距离。然而，受限于铌酸锂马赫-曾德尔调制器（MZM）较低的频率响应，直接将毫米波信号调制到光频上存在困难，同时高频射频器件的成本较高，这些都需要采用倍频技术产生高频光载毫米波。普通倍频方案产生的光载毫米波的两个边带上都携带有数据信号，接收端光电探测时会产生相位失真，因而只适用于ASK幅移键控等强度信号的调制，而不能产生特别适合无线通信的PSK相移键控等矢量信号。因此如何产生高频光载毫米波PSK矢量信号就成为了实现高效光纤无线通信RoF的关键问题。
四倍频毫米波产生方案可以生成60GHz及以上频率的高频毫米波信号，并且能降低对MZM调制器带宽和射频器件的频率响应的要求。已经报道的产生四倍频光载毫米波矢量信号的方法有集成调制器法[Optics Communications, 2012, 285:5429-5432]、预编码+马赫曾德尔调制器法[IEEE Photonic Technology Letters, 2015, 27(23):2449-2452]、光滤波器+马赫曾德尔调制器法[中国激光, 2018, 45(10):1006005-1-7]。
然而，上述产生四倍频光载毫米波矢量信号的方法存在一些不足。采用集成调制器法需要采用特定的调制指数才能产生所需的光载毫米波矢量信号，从而限制了该方案的灵活性和可调谐性。预编码+马赫曾德尔调制器方案中的预先编码大大增加了调制器驱动电路的复杂度并降低了系统的稳定性。光滤波器+马赫曾德尔调制器法需要使用额外的光滤波器抑制不需要的光边带，这样又会妨碍其在波分复用WDM-RoF系统和上变频系统中的应用，也增加了系统的复杂程度并限制了其在整个毫米波段的可调谐性。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种产生四倍频光载毫米波BPSK矢量信号的装置及方法，可以降低对射频器件和MZM调制器带宽的要求，无需将MZM调制指数设置为特定值，也无需光滤波器就能产生高频光载毫米波矢量信号，该方法具有可调谐性且系统稳定容易实现，还能应用于WDM-RoF波分复用光纤无线通信系统和上变频系统，产生的四倍频光载毫米波经单模光纤传输时，会消除光纤色散引起的功率衰落和码元走离效应。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种产生四倍频光载毫米波BPSK矢量信号的装置，包括：激光器LD、RF射频信号发生器、电相位调制器、移相器、电增益器、集成调制器、单模光纤和光电探测器，激光器LD、集成调制器和单模光纤和光电探测器用光纤连接，RF射频信号发生器、电相位调制器、移相器和电增益器电性连接。
在本发明一个较佳实施例中，所述集成调制器由主调制器和两个子调制器构成，主调制器为调制器MZMc，两个子调制器分别为调制器MZMa和调制器MZMb ，调制器MZMa和调制器MZMb嵌在调制器MZMc的两臂上。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种产生四倍频光载毫米波BPSK矢量信号的方法，包括以下步骤：
（1）激光器LD发出的光波经过集成调制器被携带数据的射频信号调制，MZMc偏置在正交点而使集成调制器上下两臂间的相位差为π/2，MZMa和MZMb都偏置在最小输出点，由移相器实现MZMa调制器两臂射频驱动信号之间的相位差为π，由移相器实现MZMb调制器两臂射频驱动信号之间的相位差也为π；
（2）设置两个子调制器MZMa和MZMb的射频驱动信号之间的相位差为π/2，使集成调制器上臂和下臂输出的4k+1（k=0, ±1, ±2…）阶边带幅度相同而相位相反，两者相加时会互相抵消；集成调制器上下两臂输出的两路信号相加会生成4k-1（k=0, ±1, ±2…）阶边带，主要包括-1, +3阶边带，而其它高阶分量幅度很小可忽略，经过光纤传输后正3阶边带和负1阶边带在光电探测器PD拍频产生四倍频毫米波信号；
（3）数据信号通过电相位调制器PM对RF射频信号发生器产生的射频信号进行相位调制，被数据相位调制的射频信号和经增益的数据信号相加后驱动MZMa和MZMb，产生了四倍频光载毫米波BPSK矢量信号。
在本发明一个较佳实施例中，步骤（3）中数据信号通过电相位调制器PM对RF射频信号发生器产生的射频信号进行相位调制，PM的相位调制参数设置为π/4。
在本发明一个较佳实施例中，步骤（3）中被数据相位调制的射频信号和经增益的数据信号相加后驱动MZMa和MZMb，设置电增益器的增益系数-3/4
Figure 699543DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 736770DEST_PATH_IMAGE001
为MZM子调制器的半波电压，使产生的光载毫米波仅有负1阶边带携带数据d(t)；d(t)为0或1时负1阶边带的相位分别为0或π，故产生了四倍频光载毫米波二进制相移键控BPSK信号。由于仅有单个边带携带数据，会消除光纤色散引起的功率衰落和码元走离效应。
设置PM的相位调制参数和电增益器的增益系数分别为π/4和-3/4
Figure 500457DEST_PATH_IMAGE001
，使产生的光载毫米波仅有单个边带携带数据，能消除光纤色散引起的码元走离效应，增加传输距离。通过设置合适的PM的相位调制参数和电增益器的增益系数，可使产生的光载毫米波仅有负1阶边带携带数据，且该数据调制格式为二进制相移键控BPSK。
本发明的有益效果是：
（1）本发明能产生四倍频光载毫米波BPSK信号，可以降低对射频器件和MZM调制器带宽的要求，如仅需15GHz的射频信号发生器和调制器即可产生60GHz的毫米波，同时产生了适合无线通信的二进制相移键控BPSK矢量信号。
（2）本发明无需将MZM调制指数设置为特定值，也无需光滤波器就能产生高频光载毫米波，该方法具有可调谐性且系统稳定容易实现，还能应用于WDM-RoF波分复用光纤无线通信系统和上变频系统。
（3）本发明产生的四倍频光载毫米波经单模光纤传输时，会消除光纤色散引起的功率衰落和码元走离效应，使传输距离由约30 Km增加至110 Km以上。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1为本发明的原理结构图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例包括：
一种产生四倍频光载毫米波BPSK矢量信号的装置，包括：激光器LD、RF射频信号发生器、电相位调制器、移相器、电增益器、集成调制器、单模光纤和光电探测器，激光器LD、集成调制器和单模光纤和光电探测器用光纤连接，RF射频信号发生器、电相位调制器、移相器和电增益器电性连接。
所述集成调制器由主调制器和两个子调制器构成，主调制器为调制器MZMc，两个子调制器分别为调制器MZMa和调制器MZMb ，调制器MZMa和调制器MZMb嵌在调制器MZMc的两臂上。
采用光谱分析仪测量四倍频光载毫米波的光边带抑制比，采用误码分析仪测试其传输性能。
产生四倍频光载毫米波BPSK矢量信号的方法，具体包括以下步骤：
（1）激光器LD发出的光波经过集成调制器被携带数据的射频信号调制，MZMc偏置在正交点而使集成调制器上下两臂间的相位差为π/2，MZMa和MZMb都偏置在最小输出点，由移相器实现MZMa调制器两臂射频驱动信号之间的相位差为π，由移相器实现MZMb调制器两臂射频驱动信号之间的相位差也为π；
（2）设置两个子调制器MZMa和MZMb的射频驱动信号之间的相位差为π/2，使集成调制器上臂和下臂输出的4k+1（k=0, ±1, ±2…）阶边带幅度相同而相位相反，两者相加时会互相抵消；集成调制器上下两臂输出的两路信号相加会生成4k-1（k=0, ±1, ±2…）阶边带，主要包括-1, +3阶边带，而其它高阶分量幅度很小忽略不计，测得集成调制器输出光载毫米波的光边带抑制比为23 dB，经过光纤传输后正3阶边带和负1阶边带在光电探测器PD拍频产生四倍频毫米波信号；
（3）数据信号通过电相位调制器PM对RF射频信号发生器产生的射频信号进行相位调制，PM的相位调制参数设置为π/4，被数据相位调制的射频信号和经增益的数据信号相加后驱动MZMa和MZMb，设置电增益器的增益系数-3/4
Figure 914121DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 63343DEST_PATH_IMAGE001
为MZM子调制器的半波电压，使产生的光载毫米波仅有负1阶边带携带数据d(t)；d(t)为0或1时负1阶边带的相位分别为0或π，故产生了四倍频光载毫米波二进制相移键控BPSK信号。
由于仅有单个边带携带数据，会消除光纤色散引起的功率衰落和码元走离效应。信息传输速率为2.5Gbit/s的四倍频光载毫米波BPSK信号传输距离为110Km时测得其误码率低于10-9，而传统的四倍频RoF系统的传输距离约30Km。
原理：
激光器LD的输出光波
Figure 786317DEST_PATH_IMAGE002
经过集成调制器被频率为
Figure 755410DEST_PATH_IMAGE003
的射频信号调制，被数据d(t)相位调制的射频信号和经增益的数据信号相加后分别驱动子调制器MZMa和MZMb，两者间驱动信号相位差为π/2，则MZMa和MZMb的驱动电压分别为
Figure 238344DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 445334DEST_PATH_IMAGE005
，则集成调制器输出的上下两路信号可分别表示为：
Figure 840675DEST_PATH_IMAGE006
Figure 93802DEST_PATH_IMAGE007
式中，
Figure 364115DEST_PATH_IMAGE008
是子调制器MZMa和MZMb的调制指数，
Figure 222349DEST_PATH_IMAGE009
是射频信号的振幅，
Figure 506700DEST_PATH_IMAGE010
是子调制器的半波电压；
上下两路信号相加可得集成调制器的输出为：
Figure 450385DEST_PATH_IMAGE011
输出为4k-1（k=0, ±1, ±2…）阶边带，主要包括-1, +3阶边带，而其它高于3阶的奇数阶分量幅度很小忽略不计，故集成调制器的输出可以简化为：
Figure 25854DEST_PATH_IMAGE012
输出频率分别为3
Figure 738595DEST_PATH_IMAGE013
和-
Figure 990585DEST_PATH_IMAGE013
的正3阶边带与负1阶边带，其中仅有负1阶边带携带数据d(t)，d(t)为0或1时负1阶边带的相位分别为0或π，故产生了二进制相移键控BPSK矢量信号。由于PD采用平方律探测，正3阶边带和负1阶边带拍频会产生四倍频毫米波信号。
本发明产生四倍频光载毫米波BPSK矢量信号的装置及方法的有益效果是：
（1）本发明能产生四倍频光载毫米波BPSK信号，可以降低对射频器件和MZM调制器带宽的要求，如仅需15GHz的射频信号发生器和调制器即可产生60GHz的毫米波，同时产生了适合无线通信的二进制相移键控BPSK矢量信号。
（2）本发明无需将MZM调制指数设置为特定值，也无需光滤波器就能产生高频光载毫米波，该方法具有可调谐性且系统稳定容易实现，还能应用于WDM-RoF波分复用光纤无线通信系统和上变频系统。
（3）本发明产生的四倍频光载毫米波经单模光纤传输时，会消除光纤色散引起的功率衰落和码元走离效应，使传输距离由约30 Km增加至110 Km以上。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种产生四倍频光载毫米波BPSK矢量信号的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）激光器LD发出的光波经过集成调制器被携带数据的射频信号调制，MZMc偏置在正交点而使集成调制器上下两臂间的相位差为π/2，MZMa和MZMb都偏置在最小输出点，由移相器实现MZMa调制器两臂射频驱动信号之间的相位差为π，由移相器实现MZMb调制器两臂射频驱动信号之间的相位差也为π；
（2）设置两个子调制器MZMa和MZMb的射频驱动信号之间的相位差为π/2，使集成调制器上臂和下臂输出的4k+1（k=0, ±1, ±2…）阶边带幅度相同而相位相反，两者相加时会互相抵消；集成调制器上下两臂输出的两路信号相加会生成4k-1（k=0, ±1, ±2…）阶边带，经过光纤传输后正3阶边带和负1阶边带在光电探测器PD拍频产生四倍频毫米波信号；
（3）数据信号通过电相位调制器PM对RF射频信号发生器产生的射频信号进行相位调制，被数据相位调制的射频信号和经增益的数据信号相加后驱动MZMa和MZMb，设置电增益器的增益系数(-3/4)Vπ，Vπ为MZM子调制器的半波电压，使产生的光载毫米波仅有负1阶边带携带数据d(t)；d(t)为0或1时负1阶边带的相位分别为0或π，故产生了四倍频光载毫米波二进制相移键控BPSK信号；
产生四倍频光载毫米波BPSK矢量信号的装置，包括：激光器LD、RF射频信号发生器、电相位调制器、移相器、电增益器、集成调制器、单模光纤和光电探测器，激光器LD、集成调制器和单模光纤和光电探测器用光纤连接，RF射频信号发生器、电相位调制器、移相器和电增益器电性连接。
2.根据权利要求1所述的产生四倍频光载毫米波BPSK矢量信号的方法，其特征在于，所述集成调制器由主调制器和两个子调制器构成，主调制器为调制器MZMc，两个子调制器分别为调制器MZMa和调制器MZMb ，调制器MZMa和调制器MZMb嵌在调制器MZMc的两臂上。
3.根据权利要求1所述的产生四倍频光载毫米波BPSK矢量信号的方法，其特征在于，步骤（3）中数据信号通过电相位调制器PM对RF射频信号发生器产生的射频信号进行相位调制，PM的相位调制参数设置为π/4。
4.根据权利要求1所述的产生四倍频光载毫米波BPSK矢量信号的方法，其特征在于，步骤（3）中设置PM的相位调制参数和电增益器的增益系数分别为π/4和(-3/4)Vπ，使产生的光载毫米波仅有单个边带携带数据，能消除光纤色散引起的码元走离效应，增加传输距离。
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