CN113315581A - 微波光子单光频率梳ofdm发射装置及发射方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微波光子学技术领域，公开了一种微波光子单光学频率梳OFDM发射装置及发射方法。本发明通过将单频连续激光分成两路，一路经光频梳产生单元生成信号光频梳，另一路作为参考光。波分复用器单元分离所述信号光频梳的每一根光梳齿，然后依次将串行比特数据调制到所述光频梳的光梳齿上，形成电光调制OFDM信号。同时将参考光分束成参考光梳齿。将电光调制OFDM信号光梳齿和参考光梳齿对送入拍频单元拍频得到各路调制微波OFDM信号，最后将各路调制微波OFDM信号通过合路单元合成一路宽带调制OFDM微波信号，通过发射单元发射，实现OFDM信号发射功能，具有高速度、高精度、全光OFDM信号发射的优势。

Description

微波光子单光频率梳OFDM发射装置及发射方法
技术领域
本发明属于微波光子学技术领域，特别涉及一种微波光子单光学频率梳OFDM发射装置及发射方法。
背景技术
随着信息速率需求额的高速增长，通信系统对带宽和频谱效率的要求不断提高。由于传统的微波系统都会受到电子器件“速率瓶颈”的限制，伴随着微波射频通信技术的发展和光通信技术的日益成熟，两者间相互渗透形成了光子学和微波相结合的技术——微波光子技术。微波光子技术融合了光波宽带低损优势和微波窄带精细控制优势。首先，光器件带宽比微波器件带宽高几个数量级，能够满足通信系统日益增长对大带宽的需求；其次，在无线通信、射频广播、雷达系统等的传输中可以利用光纤重量轻、损耗低、廉价、抗电磁干扰等特点构建高性能，低成本，易于安装维护的通信系统；最后，相比于传统的微波器件，光器件的尺寸更小，并且有集成上芯片的可能。
正交频分复用技术(Orthogonal Frequency-Division Multiplex,OFDM)是一种广泛应用的多址调制技术。其相邻的子载波间频谱是正交重叠的，因此传输系统具有很高的频谱效率，能够满足通信系统日益增长对频谱效率的需求。2005年N.E.Jolley和J.M.Tang等人在OFC2005上首次将无线领域的OFDM技术引进到光纤传输中。与其他通信技术相比，光OFDM技术具有高频谱利用率、高传输速率、高拓展性和良好的兼容性，并且能有效抵抗光纤色散效应和多径衰落效应。
目前光OFDM发射系统实现方案主要有以下几种：一、LEE等人依靠相移器和光延迟线阵列构造成出光信号处理模块，直接对光信号进行离散傅里叶逆变换(InverseDiscrete Fourier Transform,IDFT)生成光OFDM信号。【Kyusang Lee,Chan T.D.Thai,June-Koo Kevin Rhee.All optical discrete Fourier transform processor for100Gbps OFDM transmission.Optics Express,2008,16(6):4023～4028】二、NTT光子实验室的K.Takiguchi等人提出以平面光波导(Planar Lightwave Circuit,PLC)为基础，采用多个马赫-曾德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator,MZM)和相移器实现全光OFDM系统。【K.Takiguchi,M.Oguma,T.Shibata,et al.Optical OFDM demultiplexer using silicaPLC based optical FFT circuit.OFC/NFOEC,San Diego,California,2009.OWO3】；卡尔斯鲁厄大学的D.Hillerkuss等人则提出基于PLC的快速傅里叶反变换/快速傅里叶变化(Inversion Fast Fourier Transform/Fast Fourier Transform,IFFT/FFT)简化，降低了MZM和相移器的数量。三、A.J.Lowery等人证明了阵列波导光栅(Arrayed WaveguideGrating,AWG)的拓扑结构可以实现OFDM系统设计。【Arthur James Lowery.Design ofarrayed-waveguide grating routers for use as optical OFDMdemultiplexers.Optics Express,2010,18(13):14129～14143】四、清华大学的研究组报告了一个基于光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)的光OFDM设计。【ChenHongwei,Chen Minghua,Yin Feifei,et al.All-optical orthogonal frequencymultiplexing scheme with cyclic postfix based on fiber Bragg gratings.OpticalEngineering,2009,48(6):065002-1～065002-6】五、Kumar等人提出采用时间透镜与色散介质结合的方式构造OFDM系统。【S.Kumar,D.Yang.Optical implementation oforthogonal frequency division multiplexing using time lenses.Optics Letters,2008,33(17):2002～2004】。目前，基于色散管理、级联延迟干涉仪或AWG、以及通过片上马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer,MZI)和移相器等方案的OFDM发射系统，当传输数据量扩展时，这些技术要么精度有限，要么结构复杂性不断增加，妨碍了它们在通信领域的应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于：使用微波光子单光学频率梳的OFDM信号发射装置及发射方法，达到高精度、高速度、低功耗的目的。
为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：
一种微波光子单光梳OFDM发射装置，所述微波光子单光梳OFDM发射装置由激光器单元、第一分束单元、光频梳产生单元、波分复用器单元、第二分束单元、电光调制单元、拍频单元、合路单元、天线单元组成：
所述激光器单元用以产生单频窄线宽连续激光，能根据应用需要调整中心波长和线宽；
所述第一分束单元、光频梳产生单元用以产生信号光频梳和参考单频激光；
所述波分复用器单元用以分离信号光频梳的光梳齿；
所述第二分束单元用以产生参考光梳齿；
所述拍频单元用以将各路电光调制OFDM光梳齿和对应的参考光梳齿进行外差探测形成各路调制微波OFDM信号；
所述合路单元用以将各路调制微波OFDM信号合成一路宽带调制微波OFDM信号；
所述天线单元用以发射宽带调制微波OFDM信号；
所述第一分束单元连接激光器单元，将激光器单元产生的单频窄线宽连续激光分成两路相同的单频窄线宽连续激光，其中一路通过光频梳产生单元产生具有一定重复频率的信号光频梳，再经过波分复用器单元分离信号光频梳的每一根光梳齿，另一路作为参考单频激光通过第二分束单元分成各路参考光梳齿；
所述电光调制单元将串行比特数据调制到所述波分复用器单元分离出信号光频梳的每一根光梳齿上形成各路电光调制OFDM光梳齿；
所述拍频单元将电光调制单元得到的各路电光调制OFDM光梳齿分别与第二分束单元得到的各路参考光梳齿并行送入拍频单元进行外差探测得到各路调制微波OFDM信号；
各路调制微波OFDM信号经过合路单元合成一路宽带调制微波OFDM信号，宽带调制微波OFDM信号通过天线单元发射。
作为本发明的进一步改进，所述激光器单元由一单频窄线宽连续激光器构成。
作为本发明的进一步改进，所述第一分束单元和所述第二分束单元由二分束器构成，且所述第一分束单元为3dB分束器。
作为本发明的进一步改进，所述光频梳产生单元包括级联调制器和微波源。
作为本发明的进一步改进，所述波分复用器单元由波分复用器组成。
作为本发明的进一步改进，所述电光调制单元由双平行马赫曾德尔调制器组成。
作为本发明的进一步改进，所述拍频单元由平衡探测器组成。
作为本发明的进一步改进，所述合路器单元由合路器组成。
作为本发明的进一步改进，所述天线单元由发射天线组成。
一种微波光子单光学频率梳OFDM发射方法，包括以下步骤：
1)激光器单元生成单频窄线宽连续激光，经第一分束单元、光频梳产生单元生成信号光频梳和参考单频激光；
激光器产生单频窄线宽连续激光，将激光器单元产生的单频窄线宽连续激光表示为：
Figure BDA0003081257580000031
其中fc为单频窄线宽连续激光的频率，Ec是单频窄线宽连续激光的幅度，
Figure BDA0003081257580000032
是单频窄线宽连续激光的相位；所述单频窄线宽连续激光通过第一分束单元分成两路相同的单频窄线宽连续激光，其中一路激光用于生成信号光频梳，另一路激光作为参考光；生成信号光频梳的一路激光经光频梳产生单元，产生重复频率可调的光频梳；将输出的信号光频梳表示为：
Figure BDA0003081257580000033
其中N为梳齿序号，fsig是信号光频梳的重复频率，并且生成光频梳每一根梳齿频率与激光器单元产生的单频窄线宽连续激光的频率差为递增关系；
2)波分复用器单元分离所述信号光频梳的每一根光梳齿，第二分束单元将参考单频激光分束成各路参考光梳齿；
波分复用器单元分离所述生成信号光频梳的每一根光梳齿，得到频率为fc+Nfsig的各路光梳齿为：
Figure BDA0003081257580000034
Figure BDA0003081257580000035
Figure BDA0003081257580000036
Figure BDA0003081257580000037
其中Esig1、Esig2、Esig3…EsigN分别为第1根到第N根光梳齿；由第二分束单元将参考单频激光分成多路参考光梳齿，各路参考光梳齿完全相同，表示为：
Figure BDA0003081257580000038
Figure BDA0003081257580000039
Figure BDA0003081257580000041
Figure BDA0003081257580000042
其中Elo1、Elo2、Elo3…EloN分别为第1根到第N根参考光梳齿；
3)串行比特数据经电光调制单元调制到所述分离出信号光频梳的梳齿上，形成各路电光调制OFDM信号；
将串行的比特数据流通过电光调制单元依次调制到所述波分复用器单元分离出信号光频梳的每一根梳齿上，以形成各路电光调制信号，将N位串行比特流表示为msg(1)、msg(2)、msg(3)…msg(N)，各路电光调制OFDM信号表示为：
Figure BDA0003081257580000043
其中E'sig1、E'sig2、E'sig3…E'sigN分别为第1路到第N路电光调制OFDM信号；
4)电光调制OFDM信号与参考单频激光经拍频单元拍频后，由合路单元合路，形成宽带调制微波OFDM信号，并经天线单元发射；
将各路电光调制OFDM信号分别和参考光梳齿并行送入拍频单元拍频，得到各路调制微波OFDM信号：
Figure BDA0003081257580000044
其中V1(t)、V2(t)、V3(t)…VN(t)分别为第1路到第N路调制微波OFDM信号；
再经由合路器组成的合路单元将各路调制微波信号合成一路，以形成宽带调制OFDM微波信号：
Figure BDA0003081257580000045
经天线单元发射生成的宽带调制微波OFDM信号。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
本发明微波光子单光频率梳OFDM发射装置具有良好的通用性，可广泛应用于光OFDM系统中。本发明微波光子单光学频率梳发射装置通过DPMZM将串行比特数据信号调制到光频梳的每一根梳齿上，形成了OFDM信号，并通过电光调制信号光频梳和参考单频连续激光对应梳齿拍频得到宽带调制微波信号进行发射。利用光电混合的方法，直接在光域上实现OFDM信号的调制，避免了传统全电子DFT和IDFT“速率瓶颈”的限制，降低系统对电子处理器速率的依赖；并且发射系统精度和结构复杂性不受OFDM信号载波数量的限制，可大幅度提高OFDM信号发射的速度和精度，这对于OFDM通信系统性能提升具有重要意义。
附图说明
图1为本发明微波光子单光学频率梳OFDM发射装置的结构框图；
图2为本发明微波光子单光学频率梳OFDM发射装置的一个具体实例的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
一种微波光子单光梳OFDM发射装置，如附图1所示微波光子单光梳OFDM发射装置由激光器单元、第一分束单元、光频梳产生单元、波分复用器单元、第二分束单元、电光调制单元、拍频单元、合路单元、天线单元组成：
所述激光器单元用以产生单频窄线宽连续激光，能根据应用需要调整中心波长和线宽；
所述第一分束单元、光频梳产生单元用以产生信号光频梳和参考单频激光；
所述波分复用器单元用以分离信号光频梳光梳齿；
所述第二分束单元用以产生参考光梳齿；
所述拍频单元用以将各路电光调制OFDM光梳齿和对应的参考光梳齿进行外差探测形成各路调制微波OFDM信号；
所述合路单元用以将各路调制微波OFDM信号合成一路宽带调制微波OFDM信号；
所述天线单元用以发射天线发射宽带调制微波OFDM信号；
所述第一分束单元连接激光器单元，将激光器单元产生的单频窄线宽连续激光分成两路相同的单频窄线宽连续激光，其中一路通过光频梳产生单元产生具有一定重复频率的信号光频梳，再经过波分复用器单元分离信号光频梳的每一根光梳齿，另一路作为参考单频激光通过第二分束单元分成各路参考光梳齿；
所述电光调制单元将串行比特数据调制到所述波分复用器单元分离出信号光频梳的每一根光梳齿上形成各路电光调制OFDM光梳齿；
所述拍频单元将所述电光调制单元得到的各路电光调制OFDM光梳齿分别与所述第二分束单元得到的各路参考光梳齿并行送入拍频单元进行外差探测得到各路调制微波OFDM信号；
各路调制微波OFDM信号经过合路单元合成一路宽带调制微波OFDM信号，宽带调制微波信号通过天线单元发射。
如附图2所示作为本发明的进一步改进，所述激光器单元由一单频窄线宽连续激光器构成。
作为本发明的进一步改进，所述第一分束单元和所述第二分束单元由二分束器构成，且所述第一分束单元为3dB分束器。
作为本发明的进一步改进，所述光频梳产生单元包括级联调制器和微波源。
作为本发明的进一步改进，所述波分复用器单元由波分复用器组成。
作为本发明的进一步改进，所述电光调制单元由双平行马赫曾德尔调制器组成。
作为本发明的进一步改进，所述拍频单元由平衡探测器组成。
作为本发明的进一步改进，所述合路器单元由合路器组成。
作为本发明的进一步改进，所述天线单元由发射天线组成。
一种微波光子单光频率梳OFDM发射方法，包括以下步骤：
1)激光器单元生成单频连续激光，经第一分束单元、光频梳产生单元生成信号光频梳和参考单频激光；
激光器产生单频窄线宽连续激光，将激光器单元产生的单频窄线宽连续激光表示为：
Figure BDA0003081257580000064
其中fc为单频窄线宽连续激光的频率，Ec是单频窄线宽连续激光的幅度，
Figure BDA0003081257580000065
是单频窄线宽连续激光的相位；所述单频窄线宽连续激光通过第一分束单元分成两路相同的单频窄线宽连续激光，其中一路激光用于生成信号光频梳，另一路激光作为参考光；生成信号光频梳的一路激光经光频梳产生单元，产生重复频率可调的光频梳；将输出的信号光频梳表示为：
Figure BDA0003081257580000061
其中N为梳齿序号，fsig是信号光频梳的重复频率，并且生成的光频梳每一根梳齿频率与激光器单元产生的单频窄线宽连续激光的频率差为递增关系；
2)波分复用器单元分离所述信号光频梳的每一根光梳齿，第二分束单元将参考单频激光分束成各路参考光梳齿；
波分复用器单元分离所述生成信号光频梳的每一根光梳齿，得到频率为fc+Nfsig的各路光梳齿为：
Figure BDA0003081257580000062
其中Esig1、Esig2、Esig3…EsigN分别为第1根到第N根光梳齿；由第二分束单元将参考单频激光分成多路参考光梳齿，各路参考光梳齿完全相同，表示为：
Figure BDA0003081257580000063
Figure BDA0003081257580000071
其中Elo1、Elo2、Elo3…EloN分别为第1根到第N根参考光梳齿；
3)串行比特数据经电光调制单元调制到所述分离出信号光频梳的梳齿上，形成各路电光调制OFDM信号；
将串行的比特数据流通过电光调制单元依次调制到所述波分复用器单元分离出信号光频梳的每一根梳齿上，以形成各路电光调制OFDM光梳齿，将N位串行比特流表示为msg(1)、msg(2)、msg(3)…msg(N)，各路电光调制OFDM信号表示为：
Figure BDA0003081257580000072
其中E'sig1、E'sig2、E'sig3…E'sigN分别为第1路到第N路电光调制OFDM信号；
4)电光调制信号与参考单频激光经拍频单元拍频后，由合路单元合路，形成宽带调制微波OFDM信号，并经天线单元发射；
将各路电光调制OFDM信号分别和参考光梳齿并行送入拍频单元拍频，得到各路调制微波OFDM信号：
Figure BDA0003081257580000073
其中V1(t)、V2(t)、V3(t)…VN(t)分别为第1路到第N路调制微波OFDM信号；
再经由合路器组成的合路单元将各路调制微波信号合成一路，以形成宽带调制OFDM微波信号：
Figure BDA0003081257580000074
经天线单元发射生成的宽带调制微波OFDM信号。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种微波光子单光梳OFDM发射装置，其特征在于，所述微波光子单光梳OFDM发射装置由激光器单元、第一分束单元、光频梳产生单元、波分复用器单元、第二分束单元、电光调制单元、拍频单元、合路单元、天线单元组成：
所述激光器单元用以产生单频窄线宽连续激光，能根据应用需要调整中心波长和线宽；
所述第一分束单元、光频梳产生单元用以产生信号光频梳和参考单频激光；
所述波分复用器单元用以分离信号光频梳的光梳齿；
所述第二分束单元用以产生参考光梳齿；
所述拍频单元用以将各路电光调制OFDM光梳齿和对应的参考光梳齿进行外差探测形成各路调制微波OFDM信号；
所述合路单元用以将各路调制微波OFDM信号合成一路宽带调制微波OFDM信号；
所述天线单元用以发射宽带调制微波OFDM信号；
所述第一分束单元连接激光器单元，将激光器单元产生的单频窄线宽连续激光分成两路相同的单频窄线宽连续激光，其中一路通过光频梳产生单元产生具有一定重复频率的信号光频梳，再经过波分复用器单元分离信号光频梳的每一根光梳齿，另一路作为参考单频激光通过第二分束单元分成各路参考光梳齿；
所述电光调制单元将串行比特数据调制到所述波分复用器单元分离出信号光频梳的每一根光梳齿上形成各路电光调制OFDM光梳齿；
所述拍频单元将电光调制单元得到的各路电光调制OFDM光梳齿分别与第二分束单元得到的各路参考光梳齿并行送入拍频单元进行外差探测得到各路调制微波OFDM信号；
各路调制微波OFDM信号经过合路单元合成一路宽带调制微波OFDM信号，宽带调制微波OFDM信号通过天线单元发射。
2.如权利要求1所述的一种微波光子单光梳OFDM发射装置，其特征在于，所述激光器单元由一单频窄线宽连续激光器构成。
3.如权利要求1所述的一种微波光子单光梳OFDM发射装置，其特征在于，所述第一分束单元和所述第二分束单元由二分束器构成，且所述第一分束单元为3dB分束器。
4.如权利要求1所述的一种微波光子单光梳OFDM发射装置，其特征在于，所述光频梳产生单元包括级联调制器和微波源。
5.如权利要求1所述的一种微波光子单光梳OFDM发射装置，其特征在于，所述波分复用器单元由波分复用器组成。
6.如权利要求1所述的一种微波光子单光梳OFDM发射装置，其特征在于，所述电光调制单元由双平行马赫曾德尔调制器组成。
7.如权利要求1所述的一种微波光子单光梳OFDM发射装置，其特征在于，所述拍频单元由平衡探测器组成。
8.如权利要求1所述的一种微波光子单光梳OFDM发射装置，其特征在于，所述合路器单元由合路器组成。
9.如权利要求1所述的一种微波光子单光梳OFDM发射装置，其特征在于，所述天线单元由发射天线组成。
10.一种微波光子单光学频率梳OFDM发射方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)激光器单元生成单频窄线宽连续激光，经第一分束单元、光频梳产生单元生成信号光频梳和参考单频激光；
激光器产生单频窄线宽连续激光，将激光器单元产生的单频窄线宽连续激光表示为：
Figure FDA0003081257570000021
其中fc为单频窄线宽连续激光的频率，Ec是单频窄线宽连续激光的幅度，
Figure FDA0003081257570000022
是单频窄线宽连续激光的相位；所述单频窄线宽连续激光通过第一分束单元分成两路相同的单频窄线宽连续激光，其中一路激光用于生成信号光频梳，另一路激光作为参考光；生成信号光频梳的一路激光经光频梳产生单元，产生重复频率可调的光频梳；将输出的信号光频梳表示为：
Figure FDA0003081257570000023
其中N为梳齿序号，fsig是信号光频梳的重复频率，并且生成光频梳每一根梳齿频率与激光器单元产生的单频窄线宽连续激光的频率差为递增关系；
2)波分复用器单元分离所述信号光频梳的每一根光梳齿，第二分束单元将参考单频激光分束成各路参考光梳齿；
波分复用器单元分离所述生成信号光频梳的每一根光梳齿，得到频率为fc+Nfsig的各路光梳齿为：
Figure FDA0003081257570000024
Figure FDA0003081257570000025
Figure FDA0003081257570000026
Figure FDA0003081257570000027
其中Esig1、Esig2、Esig3…EsigN分别为第1根到第N根光梳齿；由第二分束单元将参考单频激光分成多路参考光梳齿，各路参考光梳齿完全相同，表示为：
Figure FDA0003081257570000028
Figure FDA0003081257570000029
Figure FDA00030812575700000210
Figure FDA00030812575700000211
其中Elo1、Elo2、Elo3…EloN分别为第1根到第N根参考光梳齿；
3)串行比特数据经电光调制单元调制到所述分离出信号光频梳的梳齿上，形成各路电光调制OFDM信号；
将串行的比特数据流通过电光调制单元依次调制到所述波分复用器单元分离出信号光频梳的每一根梳齿上，以形成各路电光调制信号，将N位串行比特流表示为msg(1)、msg(2)、msg(3)…msg(N)，各路电光调制OFDM信号表示为：
Figure FDA0003081257570000031
Figure FDA0003081257570000032
Figure FDA0003081257570000033
Figure FDA0003081257570000034
其中E'sig1、E'sig2、E'sig3…E'sigN分别为第1路到第N路电光调制OFDM信号；
4)电光调制OFDM信号与参考单频激光经拍频单元拍频后，由合路单元合路，形成宽带调制微波OFDM信号，并经天线单元发射；
将各路电光调制OFDM信号分别和参考光梳齿并行送入拍频单元拍频，得到各路调制微波OFDM信号：
Figure FDA0003081257570000035
Figure FDA0003081257570000036
Figure FDA0003081257570000037
Figure FDA0003081257570000038
其中V1(t)、V2(t)、V3(t)…VN(t)分别为第1路到第N路调制微波OFDM信号；
再经由合路器组成的合路单元将各路调制微波信号合成一路，以形成宽带调制OFDM微波信号：
Figure FDA0003081257570000039
经天线单元发射生成的宽带调制微波OFDM信号。
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