CN111585654A - 一种低功耗远端天线单元实现方法及远端天线装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低功耗远端天线单元实现方法及远端天线装置，采用光纤传能技术，通过将高能量光与下行光信号耦合后同向传输，再利用光伏转换器实现光电能量转换，为远端天线单元中的有源器件供电，实现远端供电线路的简化。利用光环形器让上行信号和下行信号在一根光纤中相向传输，缩减光纤布线成本。同时在远端天线单元，通过分离下行信号中的光载波作为上行载波，以降低远端天线单元的功耗及成本开销。

Description

一种低功耗远端天线单元实现方法及远端天线装置

技术领域

本发明涉及光电技术领域和光纤通信技术领域，具体是一种低功耗远端天线单元实现方法及远端天线装置。

背景技术

有线宽带接入技术能够实现各类信息数据的快速传递，随着用户需求量的增加，提升宽带接入技术的速率和容量是信息时代的迫切需求。光纤宽带技术利用光纤通信带宽大、传输损耗低，且光缆价格低廉的优势，成为有线接入的主流发展方向。同时，由于智能手机、笔记本电脑等移动终端设备的大量普及，人们通过无线通信网络在出租车、地铁、机场等各类场所实现随时随地的办公、娱乐、交流，这些应用对宽带网络的移动性提出了新的需求。但传统的无线通信采用的工作频段较低，带宽受限。若通过提高工作频率来扩大无线通信系统的容量，信号在空气中的传输损耗随之增加，长距离传输存在困难。因此，人们提出光纤-无线融合技术，利用光纤通信技术实现高速率宽带信号的低损耗、远距离传输，同时采用无线通信接入方式满足用户的移动需求，从而实现高速大容量无线通信。

光纤-无线融合系统是利用光纤将射频(RF, Radio Frequency)信号从中心站（CS, Central Station）传输到远端天线单元（RAUs, Remote Antenna Units），再由RAUs进行光电转换和电放大后发射至用户端。在第五代移动通信的应用中，为了满足移动数据量急剧增长的需求，射频信号工作频段被提升至C波段乃至毫米波频段，以获得更大的容量、更高的速率。但是，射频信号在空气中的衰减也随之增大，导致每个RAU的覆盖面积减小，总的RAU数量增加，因此将面临总功耗和硬件成本急剧上升的问题。此外，如果采用传统的铜缆对每个RAU进行供电，既增加了布设成本，也增加了布线难度。

随着高功率激光器成本的降低和光伏器件光电转换效率的提高，光纤传能技术（PoF, Power-over-Fiber）快速发展，成为简化RAU供电系统的潜在解决方案。利用光纤传输激光能量，通过光电转换装置将光能转换为电能实现远端供电，一方面能够实现RAU的无源化，减小电缆成本（单位长度铜缆价格是单位长度光纤价格的20倍以上），另一方面能够使RAUs的电源供应控制系统集中在CS端，从而根据RAU的实际流量负载调节所提供的电能。此外，与传统的电缆供电相比，光纤传能供电还具有传输损耗低、抗电磁干扰和重量轻等优点。因此，利用一根光纤既实现远端供电，又完成CS和RAU的双向通信功能，不仅能够为光纤-无线融合系统提供远端无源化解决方案，还能为地震等恶劣灾害情况下的通信系统快速抢通提供技术保障。然而，为了满足5G通信系统高速率广覆盖的需求，RAU数量急剧增加，因此，如何降低单个RAU的功耗及成本是急需解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种低功耗远端天线单元实现方法，包括以下步骤：

a.电光强度调制器将下行链路信号通过双边带调制方式对光载波信号进行调制，将调制后的光载波信号与高能量光进行耦合，将耦合信号通过光纤传输到远端天线单元；

b.在远端天线单元，利用光耦合器将调制信号和高能量光进行分路；其中，高能量光通过光伏器件将光能转换为电能，为有源器件供电；而调制信号通过光学梳状滤波器将光载波和携带下行数据信号的两个边带进行分路，光载波用于为上行传输链路提供光源，两个光波边带在光电探测器中拍频产生上变频后的微波信号；

c.上行数据通过远端天线单元中的电光强度调制器加载在步骤b分离出的光载波上，并经过步骤a所述的光纤回传至中心站后，再依次完成上行信号的光放大、噪声抑制和光电转换。

一种远端天线单元装置，包括激光二极管、第一电光调制器、第一掺铒光纤放大器、第一光学带通滤波器、第一光环形器、第二掺铒光纤放大器、第二光学带通滤波器、第一光电探测器、高功率激光二极管、第一光耦合器、光纤、第二光耦合器、高功率光伏转换器、第二光环形器、光学梳状滤波器、第二光电探测器、第二电光调制器；

所述激光二极管的输出依次通过第一电光调制器、第一掺铒光纤放大器、第一光学带通滤波器和第一光环形器的第一端口；

所述第一光环形器的第二端口接第一光耦合器的第一输入端口；第一光环形器的第三端口依次连接第二掺铒光纤放大器、第二光学带通滤波器和第一光电探测器；第一光耦合器的第二输入端口由高功率激光二极管的输出端接入；第一光耦合器的输出端依次连接光纤和第二光耦合器的输入端；

所述第二光耦合器的第一输出端口接高功率光伏转换器；第二光耦合器的第二输出端口接第二光环形器的第二端口。而第二光环形器的第三端口接光学梳状滤波器的输入，光学梳状滤波器的第一输出端口接第二光电探测器，光学梳状滤波器的第二输出端口依次连接第二电光调制器和第二光环形器的第一端口；

所述激光二极管用于提供光载波，利用电光调制器将下行链路信号以双边带调制形式加载到光载波上，调制信号依次通过掺铒光纤放大器的光放大和光学带通滤波器的光学滤波输出，输出的信号经过光环形器后与高功率激光二极管输出的高能量光在光耦合器中耦合，并由光纤传输到远端天线单元；

在远端天线单元中，光耦合器将调制信号和高能量光进行分路，其中，调制信号经过光环形器后输入光学梳状滤波器，将光载波分量和携带下行数据信号的两个边带进行分路；两个光波边带经过光电探测器拍频产生上变频后的微波信号，而光载波输入电光调制器，将上行链路信号通过电光调制后，依次通过光环形器、光耦合器、光返回中心站，再通过光耦合、光环形器后，依次输入光放大器、光学滤波器、光电探测器依次实现光放大、光学滤波和光电转换；而RAU中的高能量光通过高功率光伏转换器将光能转换为电能，用以为RAU中的光电探测器提供驱动电压，并为电光调制器提供偏置电压。

本发明的有益效果是：采用光纤传能技术，通过将高能量光与下行光信号耦合后同向传输，再利用高功率光伏转换器实现光电能量转换，为RAU中的有源器件供电，实现远端供电线路的简化。利用光环形器让上行信号和下行信号在一根光纤中双向传输，以降低光纤布线成本。同时，通过将下行信号中的光载波分量在远端分离，作为上行信号的光载波，从而省略RAU中激光源的设置，既降低了RAU的功耗，又减少了RAU的成本，实现了RAU供电线路的简化，并在实现上行信号和下行信号双向传输的同时，降低了RAU的功耗和成本 。

附图说明

图1为一种远端天线单元装置的结构示意图；

图2为一种低功耗远端天线单元实现方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种远端天线单元装置包括激光二极管（LD）1、第一电光调制器（EOM）2、第一掺铒光纤放大器（EDFA）3、第一光学带通滤波器（BPF）4、第一光环形器(Circulator)5、第二掺铒光纤放大器（EDFA）6、第二光学带通滤波器（BPF）7、第一光电探测器（PD）8、高功率激光二极管（HPLD）9、第一光耦合器（OC）10、光纤（Optical Fiber）11、第二光耦合器（OC）12、高功率光伏转换器（HPPC）13、第二光环形器(Circulator)14、光学梳状滤波器（IL）15、第二光电探测器（PD）16、第二电光调制器（EOM）17。

所述激光二极管1的输出端依次通过第一电光调制器2、第一掺铒光纤放大器3、第一光学带通滤波器4和第一光环形器5的第一端口。所述第一光环形器5的第二端口接第一光耦合器10的第一输入端口；第一光环形器5的第三端口依次连接第二掺铒光纤放大器6、第二光学带通滤波器7和第一光电探测器8。而第一光耦合器10的第二输入端口由高功率激光二极管9的输出端接入；第一光耦合器10的输出端依次连接光纤11和第二光耦合器12的输入端。所述第二光耦合器12的第一输出端口接高功率光伏转换器13；第二光耦合器12的第二输出端口接第二光环形器14的第二端口。而第二光环形器14的第三端口接光学梳状滤波器15的输入，光学梳状滤波器15的第一输出端口接第二光电探测器16，光学梳状滤波器15的第二输出端口依次连接第二电光调制器17和第二光环形器14的第一端口。

所述激光二极管1为一种直流光源，用于提供光载波，利用电光调制器2将下行链路信号以双边带调制形式加载到光载波上，调制信号依次通过掺铒光纤放大器3和光学带通滤波器4的光放大、光学滤波输出后，经过光环形器5与高功率激光二极管9输出的高能量光在光耦合器10中耦合，并由光纤11传输到RAU。在RAU中，光耦合器12将调制信号和高能量光进行分路。其中，调制信号经过光环形器14后输入光学梳状滤波器15，将光载波分量和携带下行数据信号的两个边带进行分路。两个光波边带经过光电探测器16拍频产生上变频后的微波信号，而光载波输入电光调制器17，将上行链路信号通过电光强度调制后，依次通过光环形器14、光耦合器12、光纤11返回CS中，再通过光耦合器10、光环形器5后，依次输入光放大器6、光学滤波器7、光电探测器8分别实现光放大、光学滤波和光电转换。而RAU中的高能量光通过高功率光伏转换器13将光能转换为电能，用于为RAU中的光电探测器16提供驱动电压，并为电光强度调制器17提供偏置电压。

结构图中的虚线为电路，实线为光路。从图1可知，双向信号传输的光纤信息能量共传系统由中心站（CS）、光纤和远端天线单元（RAU）组成。中心站中，所采用的激光二极管1中心波长为，下行传输链路信号为频率信号和基带数据信号混频而成。下行传输链路信号通过一个线性偏置下的push-pull马赫-曾德尔调制器（MZM）2以双边带调制形式加载到光载波上，然后经过掺铒光纤放大器3进行光功率放大，通过光学带通滤波器4以滤除掺铒光纤放大器3的自发辐射噪声，降低噪声对信号的影响。

对于下行传输链路而言，经过光放大和光学滤波后的调制信号从光环形器5的第一端口输入第二端口输出，然后与高功率激光二极管9输出的中心波长为的高能量光通过光耦合器10进行耦合，经由一根信号能量共传的光纤11传输到远端天线单元。需要说明的是，传输光纤可以为多模光纤、双包层光纤或多芯光纤等。在远端天线单元利用光耦合器12将调制信号和高能量光进行分路，其中，高能量光通过高功率光伏转换器13将光能转换为电能，为光电探测器16和push-pull马赫-曾德尔调制器（MZM）17提供驱动和偏置电压；而调制信号从光环形器14的第二端口输入第三端口输出，再通过光学梳状滤波器15将光载波和携带下行信号的两个边带进行分路，其中，光载波用于为上行传输链路提供光源，而两个光波边带经过光电探测器16拍频产生中心频率为的射频信号，再通过天线发射给用户。

对于上行传输链路而言，光学梳状滤波器15输出的光载波分量被再利用，天线接收的上行链路信号通过一个线性偏置的push-pull马赫-曾德尔调制器（MZM）17加载到光载波上。调制信号从光环形器14的第一端口输入第二端口输出，经过光耦合器12，由光纤11传输到中心站。到达中心站后，调制信号经过光耦合器10从光环形器5的第二端口输入第三端口输出。随后，调制信号依次通过掺铒光纤放大器6和光学带通滤波器7，最后经过光电探测器8将光信号转变为电信号。

由具体实例可知，本发明提出的一种低功耗远端天线单元实现方法及远端天线装置，它实现了RAU供电线路的简化，并在具备了CS与RAU双向通信功能的同时，简化了RAU的结构、降低了RAU的功耗。

实现的方法包括：a.电光强度调制器将下行链路信号通过双边带调制方式对光载波信号进行调制，将调制后的光载波信号与高能量光进行耦合，将耦合信号通过光纤传输到远端天线单元；

b.在远端天线单元，利用光耦合器将调制信号和高能量光进行分路；其中，高能量光通过光伏器件将光能转换为电能，为有源器件供电；而调制信号通过光学梳状滤波器将光载波和携带下行数据信号的两个边带进行分路，光载波用于为上行传输链路提供光源，两个光波边带在光电探测器中拍频产生上变频后的微波信号；

c.上行数据通过远端天线单元中的电光强度调制器加载在步骤b分离出的光载波上，并经过步骤a所述的光纤回传至中心站后，再依次完成上行信号的光放大、噪声抑制和光电转换。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种低功耗远端天线单元实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.电光强度调制器将下行链路信号通过双边带调制方式对光载波信号进行调制，将调制后的光载波信号与高能量光进行耦合，将耦合信号通过光纤传输到远端天线单元；

b.在远端天线单元，利用光耦合器将调制信号和高能量光进行分路；其中，高能量光通过光伏器件将光能转换为电能，为有源器件供电；而调制信号通过光学梳状滤波器将光载波和携带下行数据信号的两个边带进行分路，光载波用于为上行传输链路提供光源，两个光波边带在光电探测器中拍频产生上变频后的微波信号；

c.上行数据通过远端天线单元中的电光强度调制器加载在步骤b分离出的光载波上，并经过步骤a所述的光纤回传至中心站后，再依次完成上行信号的光放大、噪声抑制和光电转换。

2.一种远端天线单元装置，其特征在于，包括激光二极管、第一电光调制器、第一掺铒光纤放大器、第一光学带通滤波器、第一光环形器、第二掺铒光纤放大器、第二光学带通滤波器、第一光电探测器、高功率激光二极管、第一光耦合器、光纤、第二光耦合器、高功率光伏转换器、第二光环形器、光学梳状滤波器、第二光电探测器、第二电光调制器；

所述激光二极管的输出依次通过第一电光调制器、第一掺铒光纤放大器、第一光学带通滤波器和第一光环形器的第一端口；

所述第一光环形器的第二端口接第一光耦合器的第一输入端口；第一光环形器的第三端口依次连接第二掺铒光纤放大器、第二光学带通滤波器和第一光电探测器；第一光耦合器的第二输入端口由高功率激光二极管的输出端接入；第一光耦合器的输出端依次连接光纤和第二光耦合器的输入端；

所述第二光耦合器的第一输出端口接高功率光伏转换器；第二光耦合器的第二输出端口接第二光环形器的第二端口；

而第二光环形器的第三端口接光学梳状滤波器的输入，光学梳状滤波器的第一输出端口接第二光电探测器，光学梳状滤波器的第二输出端口依次连接第二电光调制器和第二光环形器的第一端口；

所述激光二极管用于提供光载波，利用电光调制器将下行链路信号以双边带调制形式加载到光载波上，调制信号依次通过掺铒光纤放大器的光放大和光学带通滤波器的光学滤波输出，输出的信号经过光环形器后与高功率激光二极管输出的高能量光在光耦合器中耦合，并由光纤传输到远端天线单元；

在远端天线单元中，光耦合器将调制信号和高能量光进行分路，其中，调制信号经过光环形器后输入光学梳状滤波器，将光载波分量和携带下行数据信号的两个边带进行分路；两个光波边带经过光电探测器拍频产生上变频后的微波信号，而光载波输入电光调制器，将上行链路信号通过电光调制后，依次通过光环形器、光耦合器、光返回中心站，再通过光耦合、光环形器后，依次输入光放大器、光学滤波器、光电探测器依次实现光放大、光学滤波和光电转换；而RAU中的高能量光通过高功率光伏转换器将光能转换为电能，用以为RAU中的光电探测器提供驱动电压，并为电光调制器提供偏置电压。

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