CN114221708A - 基于相位调制的低成本宽可调谐高频光载毫米波/亚毫米波信号产生装置及方法 - Google Patents

基于相位调制的低成本宽可调谐高频光载毫米波/亚毫米波信号产生装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种属于光载无线（ROF）通信系统中光载毫米波产生领域的基于相位调制的低成本宽可调谐高频光载毫米波/亚毫米波信号产生装置及方法。本发明将二进制相移键控（BPSK）信号通过电混频器上变频至BPSK射频信号用于驱动相位调制器，对连续光载波进行调制，通过合理设置相位调制器的调制指数，产生携带BPSK信号的奇数阶边带和不携带BPSK信号的偶数阶边带，利用光交叉复用器提取出‑4阶边带和+3阶边带送入半导体光放大器（SOA）中进行四波混频，利用光交叉复用器滤取出四波混频后产生的携带BPSK信号相位信息的‑11阶边带和不携带BPSK信号相位信息的+10阶边带，最后将‑11阶边带和+10阶边带送入光电检测器拍频后得到21倍频的电毫米波。本发明结构简单，倍频次数高，宽可调谐，系统成本低。

Description

基于相位调制的低成本宽可调谐高频光载毫米波/亚毫米波 信号产生装置及方法
技术领域
本发明属于光载无线（Radio-over-Fiber,简称为ROF）通信系统技术中的光载毫米波产生领域。
背景技术
随着大数据和物联网时代的到来，业务多样性的不断发展、云计算、云存储和移动互联等服务的数据中心逐渐普及，大容量高速率已经成为当前及下一代网络传输的目标。对移动通信系统的通信容量、传输速率的要求也越来越高，进而促进了第五代无线接入系统（5G）的产生与发展，载波频率延伸到毫米波波段。但频率高的无线电波在大气中传输衰减快，无法进行较长距离的传输。光载无线通信（Radio over Fiber，ROF）技术为未来宽带无线接入提供了一个很有潜力的解决方案。ROF 技术有效地综合了光纤通信在通信带宽和传输距离方面以及无线通信在移动性和无缝覆盖方面的优势，能够克服高频电子瓶颈，具有传输速率高、可利用频带宽、终端设备体积小和功耗低等优点，能满足人们对及时的、任意地点的和高速可靠的信息通信的需求，具有广阔的应用前景。
对于ROF系统，高频率光载毫米波的产生是关键技术之一。目前，高频率光载毫米波的产生多采用外调制法和基于光器件非线性效应的方法。【薛壮壮, 无滤波24倍频光载毫米波发生器, 光学学报,2020,40(10):35-43】提出了利用三平行马赫-曾德尔调制器（MZM）和单个马赫-曾德尔调制器级联的方式，结合偏振复用的结构滤除冗余光边带，生成24倍频毫米波信号的方案。三平行MZM调制器结构由三个平行的子MZM调制器以及光移相器（PS）组成，偏振复用的结构包含了两个偏振控制器（PC）、偏振分束器（PBS）、单个MZM和偏振合束器（PBC），结构复杂。有实验报道，【周威,基于级联调制器和四波混频效应的24倍频微波信号的光学生成, 光电子.激光, 2013, 24(12): 2332-2337】提出了一种利用级联马赫-曾德尔调制器和半导体光放大器（SOA）的24倍频微波信号光学生成方案，产生了264GHz、276 GHz和288 GHz微波信号。但该方案采用级联MZM的结构较为复杂，系统成本较高，需要通过控制每个MZM直流偏置电压及调制深度，还需要控制可调谐电相移器（TEPS）和可调谐光相移器来抑制边带（TOPS）。此外，该方案产生的微波信号，覆盖频段范围较窄。【HuiZhou, A ROF system based on 18-tuple frequency millimeter wave generationusing external modulator and SOA, Optical Fiber Technology, 2021 61: 102402-1-102402-6】理论提出并仿真验证了采用铌酸锂-马赫曾德尔调制器（LN-MZM）和半导体光放大器中四波混频效应产生18倍频光载毫米波的方案。该方案通过设置MZM的调制深度和直流偏置电压产生3阶边带，利用波分解复用器将两个3阶边带分离，非归零码（NRZ）数据信号经强度调制器（IM）加载到-3阶边带上，再对两个3阶边带进行耦合送入SOA中进行四波混频。光载毫米波信号的产生是先调制光载波生成光载毫米波，然后再用一个调制器加载基带数据信号，增加了系统成本。以上这些方案都需要采用多个调制器，系统成本较高，结构复杂，很难控制每个调制器的直流偏置电压、射频信号相位差和调制深度，性能稳定度不高。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提出了一种基于相位调制的低成本宽可调谐高频光载毫米波/亚毫米波信号产生装置。本发明将二进制相移键控（BPSK）信号通过电混频器上变频至BPSK射频信号用于驱动相位调制器，对连续光载波进行调制，通过合理设置相位调制器的调制指数，产生携带BPSK信号的奇数阶边带和不携带BPSK信号的偶数阶边带，利用光交叉复用器提取出-4阶边带和+3阶边带送入半导体光放大器（SOA）中进行四波混频，从而产生21倍频光载BPSK毫米波信号。本发明结构简单，倍频次数高，宽可调谐，系统成本低。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是，基于相位调制的低成本宽可调谐高频光载毫米波/亚毫米波信号产生装置，所述装置包括：
一个连续激光器，用于产生指定波长的光载波；
一个伪随机序列发生器，用于产生伪随机二进制序列；
一个PSK脉冲发生器，用于加载二进制随机序列产生BPSK基带信号；
一个射频信号发生器，用于产生一定频率的射频信号；
一个电混频器，用于将BPSK基带信号与射频信号进行上变频至BPSK射频信号来驱动相位调制器；
一个相位调制器，用于产生携带BPSK信号的奇数阶边带及不携带BPSK信号的偶数阶边带；
一个光交叉复用器，用于滤取出不携带BPSK信号的-4阶边带和携带BPSK信号的+3阶边带；
一个半导体光放大器，用于对滤取出所述的-4阶边带和+3阶边带进行四波混频；
一个光交叉复用器，用于滤除所述的-4阶边带和+3阶边带，滤取出四波混频后产生的-11阶边带和+10阶边带；
一个光电检测器，用于对所述的-11阶边带和+10阶边带进行拍频。
与上述装置相应的，基于相位调制的低成本宽可调谐高频光载毫米波/亚毫米波信号产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用连续激光器产生指定波长的光载波；利用伪随机序列发生器产生伪随机二进制序列；利用PSK脉冲发生器加载二进制随机序列产生BPSK基带信号；利用射频信号发生器产生一定频率的射频信号；利用电混频器将BPSK基带信号与射频信号进行上变频至BPSK射频信号来驱动相位调制器；利用相位调制器对连续光载波进行调制，通过合理设置相位调制器的调制指数，产生携带BPSK信号的奇数阶边带和不携带BPSK信号的偶数阶边带，且生成的±3阶边带与±4阶边带具有较高幅度；利用光交叉复用器滤取出不携带BPSK信号的-4阶边带和携带BPSK信号的+3阶边带；利用半导体光放大器对滤取出所述的-4阶边带和+3阶边带进行四波混频，在-4阶边带和+3阶边带两侧分别产生两个新的边带：携带BPSK信号的-11阶边带和不携带BPSK信号的+10阶边带；利用光交叉复用器滤除原有的-4阶边带和+3阶边带，滤取出需要的-11阶边带和+10阶边带；利用光电检测器对所述的-11阶边带和+10阶边带进行拍频得到21倍于射频信号频率的BPSK电毫米波信号。
本发明采用了相位调制器结合BPSK调制，再利用半导体光放大器中四波混频效应实现21倍频光载毫米波信号产生。相位调制器结合BPSK调制可以同时实现光载毫米波的产生和数据基带信号的加载，相位调制器无需直流偏置电压，结构简单，具有较高的可靠性和低成本特性；基于四波混频效应产生-11阶边带和+10阶边带，拍频可得到21倍于射频信号频率的电毫米波信号，倍频次数高；通过改变本发明中射频信号的频率，能够实现宽频带可调谐，具有很强的实用性。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图；
图1中：
1- 连续激光器（LD）
2- 伪随机序列发生器（PRBS）
3- PSK脉冲发生器
4-射频信号发生器
5-电混频器
6- 相位调制器（PM）
7- 光交叉复用器（IL）
8- 半导体光放大器（SOA）
9- 光交叉复用器（IL）
10- 光电检测器（PD）
图2为本发明产生的BPSK基带信号的频谱图；图3为本发明产生的BPSK射频信号的频谱图；图4为本发明产生的携带BPSK信号的奇数阶边带和不携带BPSK信号的偶数阶边带的光谱图；图5为本发明滤取的-4阶边带和+3阶边带后的光谱图；图6为本发明四波混频后而产生了-11阶边带和+10阶边带的光谱图；图7为本发明滤取的-11阶边带和+10阶边带的光谱图；图8为本发明拍频后得到的电毫米波信号的频谱图；图9为本发明射频信号频率为7GHz时，拍频后产生147GHz电毫米波信号的频谱图；图10为本发明射频信号频率为20GHz时，拍频后产生420GHz电毫米波信号的频谱图；图11为本发明射频信号频率为31GHz时，拍频后产生651GHz电毫米波信号的频谱图。
具体实施方式
下面结合具体实验例子和附图，对本发明作具体说明。
由图1所示，基于相位调制的低成本宽可调谐高频光载毫米波/亚毫米波信号产生装置各部件说明如下：
连续激光器1，用于产生指定波长的光载波；
伪随机序列发生器2，用于产生伪随机二进制序列；
PSK脉冲发生器3，用于加载二进制随机序列产生BPSK基带信号；
射频信号发生器4，用于产生一定频率的射频信号；
电混频器5，用于将BPSK基带信号与射频信号上变频至BPSK射频信号来驱动相位调制器；
相位调制器6，用于产生携带BPSK信号的奇数阶边带及不携带BPSK信号的偶数阶边带；
光交叉复用器7，用于滤取出不携带BPSK信号的-4阶边带和携带BPSK信号的+3阶边带；
半导体光放大器8，用于对所述的-4阶边带和+3阶边带进行四波混频；
光交叉复用器9，用于滤除所述的-4阶边带和+3阶边带，滤取出四波混频后产生的-11阶边带和+10阶边带；
光电检测器10，用于对所述的-11阶边带和+10阶边带进行拍频。
本发明所采用的工作工程如下：
利用连续激光器1产生频率为193.1THz，输出光功率为8.5dBm，线宽为1MHz的光载波；利用伪随机序列发生器2产生伪随机二进制序列；利用PSK脉冲发生器3加载二进制随机序列2产生3Gb/s BPSK基带信号，其频谱图如图2所示；利用射频信号发生器4产生频率为10GHz的射频信号；利用电混频器5将BPSK基带信号与射频信号上变频至BPSK射频信号来驱动相位调制器6，BPSK射频信号频谱图如图3所示；利用相位调制器6对连续光载波进行调制，通过设置BPSK信号的幅度为6.22V，使相位调制器6的调制指数为4.89，产生携带BPSK信号的奇数阶边带和不携带BPSK信号的偶数阶边带，且生成的±3阶边带与±4阶边带具有较高幅度，其光谱图如图4所示；利用光交叉复用器7滤取出频率为193.06THz不携带BPSK信号的-4阶边带和频率为193.13THz携带BPSK信号的+3阶边带，其光谱图如图5所示；利用半导体光放大器8对所述的-4阶边带和+3阶边带进行四波混频，在-4阶边带和+3阶边带两侧分别产生两个新的边带：频率为192.99GHz携带BPSK信号的-11阶边带和频率为193.2THz不携带BPSK信号的+10阶边带，其光谱图如图6所示；利用光交叉复用器9滤除原有的-4阶边带和+3阶边带，滤取出所述的-11阶边带和+10阶边带，其光谱图如图7所示，本实施例子中-11阶边带与+10阶边带的频率间隔为210GHz，即得到了21倍频光载毫米波信号；利用光电检测器10对所述的-11阶边带以及+10阶边带进行拍频得到21倍于射频信号频率的BPSK电毫米波信号，其频谱图如图8所示；图9至图11为当射频信号频率分别为7GHz、20GHz和31GHz时，经光电检测器拍频后得到的频率为147GHz、420GHz和651GHz BPSK电毫米波信号的频谱图。可以看到图9至图11中的射频杂散抑制比分别为57 dB、45dB 和42dB，优于文献【薛壮壮, 无滤波24倍频光载毫米波发生器, 光学学报, 2020,40(10):35-43】中的30dB。通过调节射频信号频率从7 GHz至31GHz，可以获得147GHz～651GHz的高频毫米波/亚毫米波信号。
主要技术优势
本发明采用相位调制器结合BPSK调制，通过滤波产生-4阶边带和+3阶边带，并利用半导体光放大器中的四波混频效应产生了21倍频光载毫米波信号。产生的毫米波信号倍频次数高；由于相位调制器无需直流偏置电压，产生的毫米波信号稳定性高；光载毫米波的产生和基带数据信号的调制同时实现，降低了系统成本。
总之，本发明的优点是能用较低的成本产生高倍频光载毫米波，该发明装置的结构简单，容易实现，具有低成本、宽可调谐、易于系统集成和实用性强的优点。

Claims (4)

1.基于相位调制的低成本宽可调谐高频光载毫米波/亚毫米波信号产生装置，所述装置包括：
一个连续激光器，用于产生指定波长的光载波；
一个伪随机序列发生器，用于产生伪随机二进制序列；
一个PSK脉冲发生器，用于加载二进制随机序列产生BPSK基带信号；
一个射频信号发生器，用于产生一定频率的射频信号；
一个电混频器，用于将BPSK基带信号与射频信号进行上变频至BPSK射频信号来驱动相位调制器；
一个相位调制器，用于产生携带BPSK信号的奇数阶边带及不携带BPSK信号的偶数阶边带；
一个光交叉复用器，用于滤取出不携带BPSK信号的-4阶边带和携带BPSK信号的+3阶边带；
一个半导体光放大器，用于对滤取出所述的-4阶边带和+3阶边带进行四波混频；
一个光交叉复用器，用于滤除所述的-4阶边带和+3阶边带，滤取出四波混频后产生的-11阶边带和+10阶边带；
一个光电检测器，用于对所述的-11阶边带和+10阶边带进行拍频。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：采用相位调制器结合BPSK调制，通过合理设置相位调制器的调制指数，产生携带BPSK信号的奇数阶边带和不携带BPSK信号的偶数阶边带，且生成的±3阶边带与±4阶边带具有较高幅度。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：利用光交叉复用器滤取出不携带BPSK信号的-4阶边带和携带BPSK信号的+3阶边带送入半导体光放大器进行四波混频，在-4阶边带和+3阶边带两侧产生两个新的边带：携带BPSK信号的-11阶边带和不携带BPSK信号的+10阶边带，其频率间隔为21倍于射频信号频率。
4.基于相位调制的低成本宽可调谐高频光载毫米波/亚毫米波信号产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用连续激光器产生指定波长的光载波；利用伪随机序列发生器产生伪随机二进制序列；利用PSK脉冲发生器加载二进制随机序列产生BPSK基带信号；利用射频信号发生器产生一定频率的射频信号；利用电混频器将BPSK基带信号与射频信号进行上变频至BPSK射频信号来驱动相位调制器；利用相位调制器对连续光载波进行调制，通过合理设置相位调制器的调制指数，产生携带BPSK信号的奇数阶边带和不携带BPSK信号的偶数阶边带，且生成的±3阶边带与±4阶边带具有较高幅度；利用光交叉复用器滤取出不携带BPSK信号的-4阶边带和携带BPSK信号的+3阶边带；利用半导体光放大器对滤取出所述的-4阶边带和+3阶边带进行四波混频，在-4阶边带和+3阶边带两侧分别产生两个新的边带：携带BPSK信号的-11阶边带和不携带BPSK信号的+10阶边带；利用光交叉复用器滤除原有的-4阶边带和+3阶边带，滤取出需要的-11阶边带和+10阶边带；利用光电检测器对所述的-11阶边带和+10阶边带进行拍频得到21倍于射频信号频率的BPSK电毫米波信号。
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