CN113315582B - 微波光子双光频率梳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双光学频率梳OFDM发射装置及发射方法。本发明通过将单频窄线宽连续激光分成两路，分别经过信号、本振光频梳产生单元产生具有重复频率差的信号光频梳和本振光频梳。波分复用器单元分离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光频梳的光梳齿上，形成电光调制OFDM光梳齿。再经合束单元合成宽带电光调制OFDM光信号。合成宽带电光调制OFDM光信号与本振光频梳进入拍频单元拍频得到宽带调制微波OFDM信号。通过发射天线完成OFDM信号的发射，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

微波光子双光频率梳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双光学频率梳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的频谱效率需求。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【Chen Hongwei,Chen Minghua,Yin Feifei,et al.All-optical orthogonal frequency multiplexingscheme with cyclic postfix based on fiber Bragg gratings.Optical Engineering,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 of orthogonal frequencydivision 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。但是，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
本发明所要解决的技术问题在于：使用微波光子双光学频率梳的OFDM发射装置及发射方法，降低发射系统对电子处理器速率的依赖，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：
一种微波光子双光梳OFDM发射装置，所述微波光子双光梳OFDM发射装置由激光器单元、第一分束单元、信号光频梳产生单元、本振光频梳产生单元、波分复用器单元、电光调制单元、合路单元、拍频单元、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、信号光频梳产生单元用以产生信号光频梳和本振光频梳；
所述波分复用器单元用以分离信号光频梳的光梳齿；
所述合路单元用以将各路电光调制OFDM光梳齿合成宽带电光调制OFDM光信号；
所述拍频单元用以将电光调制OFDM光信号和本振光频梳进行外差探测得到宽带调制微波OFDM信号；
所述天线单元用以将得到的宽带调制微波OFDM信号发射；
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，其中一路通过信号光频梳产生单元产生具有一定重复频率的信号光频梳，另一路通过本振光频梳产生单元产生具有一定重复频率的本振光频梳。
所述波分复用器单元分离产生信号光频梳的每一根光梳齿，经电光调制单元将串行比特数据调制到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，各电光调制OFDM光梳齿经合路单元合成宽带电光调制OFDM光信号；
所述拍频单元将宽带电光调制OFDM光信号和本振光频梳拍频得到宽带调制微波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，所述第一分束单元为3dB分束器。
作为本发明的进一步改进，所述信号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，所述本振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，所述合路器单元由光合路器组成。
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，所述天线单元由发射天线组成。
一种微波光子双光学频率梳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、信号光频梳产生单元、本振光频梳产生单元，生成信号光频梳和本振光频梳；
激光器产生单频窄线宽连续激光，将激光器产生的单频窄线宽连续激光表示为：
Figure BDA0003081399110000031
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 BDA0003081399110000032
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，两路单频窄线宽连续激光分别作为产生信号光频梳和本振光频梳的种子光，其中一路通过信号光频梳产生单元产生具有一定重复频率的信号光频梳，另一路通过本振光频梳产生单元产生具有一定重复频率的本振光频梳；将输出的信号光频梳表示为：
Figure BDA0003081399110000033
其中n为梳齿序号，fsig是信号光频梳的重复频率，将输出的本振光频梳表示为：
Figure BDA0003081399110000034
其中n为梳齿序号，flo是本振光频梳的重复频率，并且信号光频梳和本振光频梳具有一定的重复频率差；
2)波分复用器单元分离所述信号光频梳的每一根光梳齿，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光梳齿上，形成各路电光调制OFDM光梳齿，经合束单元合成宽带电光调制OFDM光信号；
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 BDA0003081399110000035
Figure BDA0003081399110000036
Figure BDA0003081399110000037
Figure BDA0003081399110000038
其中Esig1、Esig2、Esig3…Esign分别为第1根到第n根光梳齿；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光梳齿表示为：
Figure BDA0003081399110000041
Figure BDA0003081399110000042
Figure BDA0003081399110000043
Figure BDA0003081399110000044
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光梳齿；由合束单元合成宽带电光调制OFDM光信号，将宽带电光调制OFDM光信号表示为：
Figure BDA0003081399110000045
3)宽带电光调制OFDM光信号与本振光频梳经拍频单元外差探测得宽带调制微波OFDM信号，宽带调制微波OFDM信号经天线单元发射
信号光频梳与本振光频梳重复频率差Δf＝fsig-flo，每一对信号本振光梳分量对存在递增的频率间隔m·Δf,m是光梳分量对编号；经过串行比特数据流调制并合路后的宽带电光调制OFDM光信号与本振光频梳进入拍频单元拍频，以光外差探测方式得到宽带调制微波OFDM信号：
Figure BDA0003081399110000046
通过天线单元发射。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
本发明微波光子双光学频率梳OFDM发射装置具有良好的通用性，可广泛应用于光OFDM系统中。本发明微波光子双光学频率梳发射装置通过DPMZM将串行比特数据信号调制到信号光频梳的每一根梳齿上，形成了OFDM信号，并通过电光调制OFDM光信号和本振光频梳对应梳齿对拍频得到宽带调制微波OFDM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；本发明采用双光梳外差探测方案，装置不受波分复用器频率间隔限制，具有实用性，并且精度和结构复杂性不受载波数量限制，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为本发明微波光子双光学频率梳OFDM发射装置的结构框图；
图2为本发明微波光子双光学频率梳OFDM发射装置的一个具体实施例的结构示意图；
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。
一种微波光子双光梳OFDM发射装置，如附图1所示微波光子双光梳OFDM发射装置由激光器单元、第一分束单元、信号光频梳产生单元、本振光频梳产生单元、波分复用器单元、电光调制单元、合路单元、拍频单元、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、信号光频梳产生单元用以产生信号光频梳和本振光频梳；
所述波分复用器单元用以分离信号光频梳的光梳齿；
所述合路单元用以将各路电光调制OFDM光梳齿合成宽带电光调制OFDM光信号；
所述拍频单元用以将电光调制OFDM光信号和本振光频梳进行外差探测得到宽带调制微波OFDM信号；
所述天线单元用以将得到的宽带调制微波OFDM信号发射；
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，其中一路通过信号光频梳产生单元产生具有一定重复频率的信号光频梳，另一路通过本振光频梳产生单元产生具有一定重复频率的本振光频梳。
所述波分复用器单元分离产生信号光频梳的每一根光梳齿，经电光调制单元将串行比特数据调制到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，各电光调制OFDM光梳齿经合路单元合成宽带电光调制OFDM光信号；
所述拍频单元将宽带电光调制OFDM光信号和本振光频梳拍频得到宽带调制微波OFDM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，所述第一分束单元为3dB分束器。
作为本发明的进一步改进，所述信号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，所述本振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，所述合路器单元由光合路器组成。
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，所述天线单元由发射天线组成。
一种微波光子双光学频率梳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、信号光频梳产生单元、本振光频梳产生单元，生成信号光频梳和本振光频梳；
激光器产生单频窄线宽连续激光，将激光器产生的单频窄线宽连续激光表示为：
Figure BDA0003081399110000051
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 BDA0003081399110000052
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，两路单频窄线宽连续激光分别作为产生信号光频梳和本振光频梳的种子光，其中一路通过信号光频梳产生单元产生具有一定重复频率的信号光频梳，另一路通过本振光频梳产生单元产生具有一定重复频率的本振光频梳；将输出的信号光频梳表示为：
Figure BDA0003081399110000061
其中n为梳齿序号，fsig是信号光频梳的重复频率，将输出的本振光频梳表示为：
Figure BDA0003081399110000062
其中n为梳齿序号，flo是本振光频梳的重复频率，并且信号光频梳和本振光频梳具有一定的重复频率差；
2)波分复用器单元分离所述信号光频梳的每一根光梳齿，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光梳齿上，形成各路电光调制OFDM光梳齿，经合束单元合成宽带电光调制OFDM光信号；
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 BDA0003081399110000063
Figure BDA0003081399110000064
Figure BDA0003081399110000065
Figure BDA0003081399110000066
其中Esig1、Esig2、Esig3…Esign分别为第1根到第n根光梳齿；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光梳齿表示为：
Figure BDA0003081399110000067
Figure BDA0003081399110000068
Figure BDA0003081399110000069
Figure BDA00030813991100000610
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光梳齿；由合束单元合成宽带电光调制OFDM光信号，将宽带电光调制OFDM光信号表示为：
Figure BDA00030813991100000611
3)宽带电光调制OFDM光信号与本振光频梳经拍频单元外差探测得宽带调制微波OFDM信号，宽带调制微波OFDM信号经天线单元发射
信号光频梳与本振光频梳重复频率差Δf＝fsig-flo，每一对信号本振光梳分量对存在递增的频率间隔m·Δf,m是光梳分量对编号；经过串行比特数据流调制并合路后的宽带电光调制OFDM光信号与本振光频梳进入拍频单元拍频，以光外差探测方式得到宽带调制微波OFDM信号：
Figure BDA0003081399110000071
通过天线单元发射。
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 (6)

1.一种微波光子双光频率梳OFDM发射方法，用于微波光子双光频率梳OFDM发射装置，微波光子双光频率梳OFDM发射装置由激光器单元、第一分束单元、信号光频梳产生单元、本振光频梳产生单元、波分复用器单元、电光调制单元、合路单元、拍频单元、天线单元组成；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；第一分束单元、信号光频梳产生单元、本振光频梳产生单元用以产生信号光频梳和本振光频梳；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，其中一路通过信号光频梳产生单元产生具有一定重复频率的信号光频梳，另一路通过本振光频梳产生单元产生具有一定重复频率的本振光频梳，其特征在于：
所述波分复用器单元用以分离信号光频梳的光梳齿；
所述合路单元用以将各路电光调制OFDM光梳齿合成宽带电光调制OFDM光信号；
所述拍频单元用以将电光调制OFDM光信号和本振光频梳进行外差探测得到宽带调制微波OFDM信号；
所述天线单元用以将得到的宽带调制微波OFDM信号发射；
所述波分复用器单元分离产生信号光频梳的每一根光梳齿，经电光调制单元将串行比特数据调制到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，各电光调制OFDM光梳齿经合路单元合成宽带电光调制OFDM光信号；
所述拍频单元将宽带电光调制OFDM光信号和本振光频梳拍频得到宽带调制微波OFDM信号，通过天线单元发射；
使用微波光子双光频率梳OFDM发射装置进行发射包含以下步骤：
1)激光器单元生成单频窄线宽连续激光，经第一分束单元、信号光频梳产生单元、本振光频梳产生单元，生成信号光频梳和本振光频梳；
激光器产生单频窄线宽连续激光，将激光器产生的单频窄线宽连续激光表示为：
Figure FDA0003781393360000011
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 FDA0003781393360000012
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，两路单频窄线宽连续激光分别作为产生信号光频梳和本振光频梳的种子光，其中一路通过信号光频梳产生单元产生具有一定重复频率的信号光频梳，另一路通过本振光频梳产生单元产生具有一定重复频率的本振光频梳；将输出的信号光频梳表示为：
Figure FDA0003781393360000013
其中n为梳齿序号，fsig是信号光频梳的重复频率，将输出的本振光频梳表示为：
Figure FDA0003781393360000014
其中n为梳齿序号，flo是本振光频梳的重复频率，并且信号光频梳和本振光频梳具有一定的重复频率差；
2)波分复用器单元分离所述信号光频梳的每一根光梳齿，串行比特数据经电光调制单元调制到分离出信号光频梳的梳齿上，形成各路电光调制OFDM光梳齿，经合束单元合成宽带电光调制OFDM光信号；
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 FDA0003781393360000021
Figure FDA0003781393360000022
Figure FDA0003781393360000023
Figure FDA0003781393360000024
其中Esig1、Esig2、Esig3…Esign分别为第1根到第n根光梳齿；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光梳齿表示为：
Figure FDA0003781393360000025
Figure FDA0003781393360000026
Figure FDA0003781393360000027
Figure FDA0003781393360000028
其中E'sig1、E'sig2、E'sig3…E'sign为第1路到第n路电光调制OFDM光梳齿，合束单元合成宽带电光调制OFDM光信号：
Figure FDA0003781393360000029
3)宽带电光调制OFDM光信号与本振光频梳经拍频单元拍频得宽带调制微波OFDM信号，并经天线单元发射；
信号光频梳与本振光频梳重复频率差Δf＝fsig-flo，每一对信号本振光梳分量对存在递增的频率间隔m·Δf,m是光梳分量对编号；经过串行比特数据流调制并合路后的宽带电光调制OFDM光信号与本振光频梳进入拍频单元拍频，以光外差探测方式得到宽带调制微波OFDM信号：
Figure FDA00037813933600000210
通过天线单元发射。
2.如权利要求1所述的一种微波光子双光频率梳OFDM发射方法，其特征在于，所述波分复用器单元由波分复用器组成。
3.如权利要求1所述的一种微波光子双光频率梳OFDM发射方法，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。
4.如权利要求1所述的一种微波光子双光频率梳OFDM发射方法，其特征在于，所述合路单元由光合路器组成。
5.如权利要求1所述的一种微波光子双光频率梳OFDM发射方法，其特征在于，所述拍频单元由平衡探测器组成。
6.如权利要求1所述的一种微波光子双光频率梳OFDM发射方法，其特征在于，所述天线单元由发射天线组成。
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