CN115276803B - 一种全双工光载无线通信方法及系统 - Google Patents

一种全双工光载无线通信方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全双工光载无线通信方法。本发明利用偏振复用技术在基站实现光源的复用，避免另外使用光源，简化基站设备；利用光的正交偏振态在基站通过简单的结构在光域同时抑制射频自干扰和噪声干扰，以避免光链路中射频自干扰和噪声干扰的进一步影响，提升系统的动态范围；通过设计射频信号的调制方式和偏置点，实现光载上行/下行信号的单边带调制，可以克服光纤传输过程中色散的影响；最终实现基于ROF的全双工通信，以提升频谱资源利用率。本发明还公开了一种全双工光载无线通信系统。相比现有技术，本发明可有效解决射频自干扰和噪声干扰的问题，实现基于ROF的全双工通信，以提升频谱资源利用率。

Description

一种全双工光载无线通信方法及系统
技术领域
本发明属于光通信和微波光子技术领域，具体涉及一种全双工光载无线通信(ROF)方法及系统。
背景技术
ROF技术是将光纤通信和无线通信结合起来的无线接入技术，在中心站将微波信号调制到光载波上，通过光纤链路传输到达基站，在基站解调转换为电信号后通过天线发射给用户。ROF系统具有频段高、带宽大、损耗小、抗电磁干扰等优势，在通信技术领域受到广泛研究。
同时同频全双工技术是通信设备同时、同频进行双向通信的技术，可以提升频谱资源、时间资源的利用率，应对通信系统传输速率和传输容量增长的需求，是新一代无线通信系统的关键技术之一。
将ROF技术与同时同频全双工技术结合起来的全双工ROF系统可以结合两者的优势，发挥更大的价值，但仍面临着挑战。
第一是发射天线泄漏到接收天线的射频自干扰，会影响目标信号的接收，因此需要进行射频自干扰对消。传统的射频自干扰对消是通过电学手段实现的，面临着频率、带宽受限的技术瓶颈。利用微波光子技术进行射频自干扰对消，工作频率高、带宽大，可以提升系统的对消性能，极具发展潜力。
第二是为补偿光纤传输损耗而进行光放大引入的放大自发辐射(ASE)噪声，会降低光载信号及通信信号的信噪比，制约射频自干扰消除的性能。消除ASE噪声可以通过改良光放大器，也可以在光链路中进行噪声对消。
目前，有关射频自干扰对消和噪声对消的系统实现的功能较为单一，难以满足全双工ROF系统的多方面需求。因此，研究能够同时实现射频自干扰对消和噪声对消的全双工ROF系统很有意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种全双工光载无线通信方法，可有效解决射频自干扰和噪声干扰的问题，实现基于ROF的全双工通信，以提升频谱资源利用率。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种全双工光载无线通信方法，包括以下步骤：
用下行信号对光载波进行偏振复用调制，生成包含两个正交偏振态的光载下行信号，其中一个偏振态为单边带调制光载下行信号，另一个偏振态为光载波；对经光链路传输后的光载下行信号进行偏振态分离，分离出光载波和单边带调制光载下行信号；
对分离出的单边带调制光载下行信号进行光电转换，得到下行信号并将其分为两路，一路下行信号经发射天线发射，将另一路下行信号与接收信号进行延时和幅度的匹配，然后用匹配后的另一路下行信号与接收信号在两个正交偏振态上分别对分离出的光载波进行单边带调制，并对所得到的调制光信号进行135°检偏，得到射频自干扰和ASE噪声抑制后的单边带调制光载上行信号；
令射频自干扰和ASE噪声抑制后的单边带调制光载上行信号经光链路传输后，将其与所述光载波的分束信号合为一路，然后进行光电转换，得到上行信号。
优选地，所述用匹配后的另一路下行信号与接收信号在两个正交偏振态上分别对分离出的光载波进行单边带调制，使用两个子马赫曾德尔调制器均偏置在正交传输点的双偏振双驱动马赫曾德尔调制器来实现。
优选地，所述用下行信号对光载波进行偏振复用调制，通过双偏振双驱动马赫曾德尔调制器来实现，下行信号输入其中一个偏置在正交传输点的子马赫曾德尔调制器，另一个子马赫曾德尔调制器无微波输入且偏置在最大传输点。
优选地，所述光链路为包含放大器的光纤链路。
基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：
一种全双工光载无线通信系统，包括：
光载下行信号产生模块，用于用下行信号对光载波进行偏振复用调制，生成包含两个正交偏振态的光载下行信号，其中一个偏振态为单边带调制光载下行信号，另一个偏振态为光载波；
偏振分离模块，用于对经光链路传输后的光载下行信号进行偏振态分离，分离出光载波和单边带调制光载下行信号；
下行信号解调模块，用于对分离出的单边带调制光载下行信号进行光电转换，得到下行信号并将其分为两路，一路下行信号经发射天线发射；
光载上行信号生成模块，用于将另一路下行信号与接收信号进行延时和幅度的匹配，然后用匹配后的另一路下行信号与接收信号在两个正交偏振态上分别对分离出的光载波进行单边带调制，并对所得到的调制光信号进行135°检偏，得到射频自干扰和ASE噪声抑制后的单边带调制光载上行信号；
上行信号解调模块，用于在射频自干扰和ASE噪声抑制后的单边带调制光载上行信号经光链路传输后，将其与所述光载波的分束信号合为一路，然后进行光电转换，得到上行信号。
优选地，所述用匹配后的另一路下行信号与接收信号在两个正交偏振态上分别对分离出的光载波进行单边带调制，使用两个子马赫曾德尔调制器均偏置在正交传输点的双偏振双驱动马赫曾德尔调制器来实现。
优选地，所述用下行信号对光载波进行偏振复用调制，通过双偏振双驱动马赫曾德尔调制器来实现，下行信号输入其中一个偏置在正交传输点的子马赫曾德尔调制器，另一个子马赫曾德尔调制器无微波输入且偏置在最大传输点。
优选地，所述光链路为包含放大器的光纤链路。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
一、本发明利用偏振复用技术，在基站可以通过下行光信号获取光载波，避免了在基站另外使用光源，简化了基站的设备。
二、本发明在基站通过简单的结构在光域同时抑制了射频自干扰和噪声干扰，避免了光链路中射频自干扰和噪声干扰的进一步影响，提升了系统的动态范围。
三、本发明通过设计射频信号的调制方式和偏置点，实现了上行/下行信号的单边带调制，可以克服光纤传输过程中色散的影响。
附图说明
图1为本发明全双工光载无线通信系统一个优选实施例的结构原理示意图。
具体实施方式
针对现有技术所存在不足，本发明的解决思路是利用偏振复用技术在基站实现光源的复用，避免另外使用光源，简化基站设备；利用光的正交偏振态在基站通过简单的结构在光域同时抑制射频自干扰和噪声干扰，以避免光链路中射频自干扰和噪声干扰的进一步影响，提升系统的动态范围；通过设计射频信号的调制方式和偏置点，实现光载上行/下行信号的单边带调制，可以克服光纤传输过程中色散的影响；最终实现基于ROF的全双工通信，以提升频谱资源利用率。
本发明所提出的全双工光载无线通信方法，包括以下步骤：
用下行信号对光载波进行偏振复用调制，生成包含两个正交偏振态的光载下行信号，其中一个偏振态为单边带调制光载下行信号，另一个偏振态为光载波；对经光链路传输后的光载下行信号进行偏振态分离，分离出光载波和单边带调制光载下行信号；
对分离出的单边带调制光载下行信号进行光电转换，得到下行信号并将其分为两路，一路下行信号经发射天线发射，将另一路下行信号与接收信号进行延时和幅度的匹配，然后用匹配后的另一路下行信号与接收信号在两个正交偏振态上分别对分离出的光载波进行单边带调制，并对所得到的调制光信号进行135°检偏，得到射频自干扰和ASE噪声抑制后的单边带调制光载上行信号；
令射频自干扰和ASE噪声抑制后的单边带调制光载上行信号经光链路传输后，将其与所述光载波的分束信号合为一路，然后进行光电转换，得到上行信号。
本发明所提出的全双工光载无线通信系统，包括：
光载下行信号产生模块，用于用下行信号对光载波进行偏振复用调制，生成包含两个正交偏振态的光载下行信号，其中一个偏振态为单边带调制光载下行信号，另一个偏振态为光载波；
偏振分离模块，用于对经光链路传输后的光载下行信号进行偏振态分离，分离出光载波和单边带调制光载下行信号；
下行信号解调模块，用于对分离出的单边带调制光载下行信号进行光电转换，得到下行信号并将其分为两路，一路下行信号经发射天线发射；
光载上行信号生成模块，用于将另一路下行信号与接收信号进行延时和幅度的匹配，然后用匹配后的另一路下行信号与接收信号在两个正交偏振态上分别对分离出的光载波进行单边带调制，并对所得到的调制光信号进行135°检偏，得到射频自干扰和ASE噪声抑制后的单边带调制光载上行信号；
上行信号解调模块，用于在射频自干扰和ASE噪声抑制后的单边带调制光载上行信号经光链路传输后，将其与所述光载波的分束信号合为一路，然后进行光电转换，得到上行信号。
为便于公众理解，下面通过一个优选实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
图1显示了本实施例全双工光载无线通信系统的基本结构，该ROF系统包括通过光纤链路连接的中心站和基站；中心站将下行信号调制到光载波上，得到光载下行信号；光载下行信号通过光纤链路从中心站传输至基站，并通过光放大器来补偿链路损耗；基站接收下行信号并进行解调后用发射天线发射，并复用传输至基站的光载波作为基站接收机的光源；接收天线接收用户端传来的上行信号，由于所接收的上行信号中包含发射天线泄露的射频自干扰信号，为区别起见，本发明将其称为接收信号；基站中的光载上行信号生成模块对接收信号进行调制生成光载上行信号，并在光域消除其中的射频自干扰和由光放大引入的ASE噪声，然后通过光链路传输至中心站；中心站对光载上行信号进行处理得到上行信号并进行进一步处理。
如图1所示，中心站的硬件部分包括激光器、光分束器、偏振控制器、双偏振双驱动马赫曾德尔调制器、任意波形发生器、90°电桥、光合束器、光电探测器、信号处理模块。
激光器经光分束器分为两路，其中一路作为光载下行信号产生模块的光载波，经偏振控制器调整偏振态与双偏振双驱动马赫曾德尔调制器的主轴对齐后输入双偏振双驱动马赫曾德尔调制器；任意波形发生器产生下行信号，经90°电桥进行相位调整后，输入双偏振双驱动马赫曾德尔调制器的X偏振态MZM射频输入口，X偏振态MZM偏置在正交传输点,由此实现X偏振态MZM对下行信号的单边带调制，得到单边带调制光载下行信号，Y偏振态不进行调制，Y偏振态MZM偏置在最大传输点；激光器分束后的另一路与由基站传来的光载上行信号通过光合束器合为一路，再输入光电探测器进行光电转换，得到上行信号，在中心站由信号处理模块进行信号处理。
中心站得到的光载下行信号由光纤传输至基站，光载下行信号在光纤传输过程中可以避免色散引发的功率衰落；由掺铒光纤放大器进行放大，来补偿光纤传输过程中的损耗，但不可避免地同时引入了ASE噪声。
如图1所示，基站的硬件部分包括一组偏振控制器、偏振分束器、光电探测器、电功分器、电移相器、电衰减器、90°电桥、双偏振双驱动马赫曾德尔调制器、检偏器、发射天线、接收天线。
由中心站传输至基站的光载下行信号经偏振控制器调节偏振态后，由偏振分束器将X、Y两个偏振态分开；X偏振态为单边带调制光载下行信号，由光电探测器进行光电转换，得到下行信号；下行信号由电功分器分为两路，其中一路由发射天线发射给用户端，另一路作为射频自干扰对消的对消参考信号；Y偏振态为未经调制的光信号，经偏振控制器调节偏振态与双偏振双驱动马赫曾德尔调制器的主轴对齐后，输入双偏振双驱动马赫曾德尔调制器，作为基站接收端的光载波；接收天线的接收信号包含用户端传来的上行信号及发射天线泄露的射频自干扰信号，经90°电桥进行相位调整后输入双偏振双驱动马赫曾德尔调制器的Y偏振态MZM射频输入口，Y偏振态MZM偏置在正交传输点,由此实现Y偏振态MZM对接收信号的单边带调制；对消参考信号经过一个电移相器和一个电衰减器，进行延时和幅度的调整，使对消参考信号的延时和幅度与接收信号中射频自干扰信号的延时和幅度相同，之后由90°电桥进行相位调整，输入双偏振双驱动马赫曾德尔调制器的X偏振态MZM射频输入口，X偏振态MZM偏置在正交传输点,由此实现X偏振态MZM对对消参考信号的单边带调制；X偏振态的光载参考信号和Y偏振态的光载接收信号在双偏振双驱动马赫曾德尔调制器中耦合为一路，由偏振控制器调节偏振态，输入检偏器，检偏器角度设为135°，两偏振态光信号相减，在光域同时实现射频自干扰信号的对消和ASE噪声的对消，得到射频自干扰和噪声抑制后的单边带调制光载上行信号。
基站得到的射频自干扰和噪声抑制后的单边带调制光载上行信号由光纤传输至中心站；由掺铒光纤放大器进行放大，来补偿光纤传输过程中的损耗；在中心站进行后续处理。
为便于公众理解，下面对上述全双工光载无线通信系统的基本原理做进一步详细说明：
假设光载波的角频率为ωS，幅度为ES，则激光器输出光信号可表示为：
Ein(t)＝Esexp(jωst) (1)
由光分束器分为两路，其中一路输入双偏振双驱动马赫曾德尔调制器，任意波形发生器产生下行信号表示为m(t)＝Vmsim(ωmt)，其通过90°电桥后输入X偏振态MZM的射频输入口，Y偏振态不输入射频信号，则经调制后的光信号可以表示为：
其中，mm＝Vmπ/Vπ，代表双偏振双驱动马赫曾德尔调制器的X偏振态MZM的调制系数。X偏振态MZM偏置在正交点，Y偏振态MZM偏置在最大点，因此θ11＝3π/2，θ12＝0，那么式(2)可写为：
可以看出，X偏振态得到了单边带调制的光载下行信号，Y偏振态为未调制的光信号。
上述光信号经过光纤传输至基站，并通过掺铒光纤放大器进行放大后，可以表示为：
其中，N(t)为由掺铒光纤放大器引入的ASE噪声。
在基站，由中心站传来的光信号分束为X偏振态和Y偏振态，X偏振态光信号由光电探测器进行光电转换，得到下行信号，由发射天线发射至用户端。Y偏振态作为光载波输入双偏振双驱动马赫曾德尔调制器，由射频自干扰信号i(t)＝Visin(ωi(t+τi))和目标信号s(t)＝Vssin(ωst)组成的接收信号经接收天线接收后，单边带调制到Y偏振态光载波上,调制方式与中心站的X偏振态MZM调制方式相同，由光电转换后的下行信号功分出的对消参考信号r(t)＝Vrsin(ωr(t+τr))，经电移相器调节延时，使τi＝τi，以相同的调制方式调制到X偏振态光载波上，调制后的光信号表示为：
经135°检偏器检偏后，输出光信号表示为：
若调节电衰减器，使J1(mr)＝J0(ms)J1(mi)，则得到噪声对消和射频自干扰对消后的单边带调制光载接收信号，此时光载波也进行了很大的衰减，表示为：
上述光载接收信号从基站传输至中心站，与激光器分束后的光信号进行合束，补偿抑制掉的光载波，再通过光电探测器进行光电转换，得到上行信号，并做后续信号处理。

Claims (8)

1.一种全双工光载无线通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
用下行信号对光载波进行偏振复用调制，生成包含两个正交偏振态的光载下行信号，其中一个偏振态为单边带调制光载下行信号，另一个偏振态为光载波；
对经光链路传输后的光载下行信号进行偏振态分离，分离出光载波和单边带调制光载下行信号；
对分离出的单边带调制光载下行信号进行光电转换，得到下行信号并将其分为两路，一路下行信号经发射天线发射，将另一路下行信号与接收信号进行延时和幅度的匹配，然后用匹配后的另一路下行信号与接收信号在两个正交偏振态上分别对分离出的光载波进行单边带调制，并对所得到的调制光信号进行135°检偏，得到射频自干扰和ASE噪声抑制后的单边带调制光载上行信号；
令射频自干扰和ASE噪声抑制后的单边带调制光载上行信号经光链路传输后，将其与所述光载波的分束信号合为一路，然后进行光电转换，得到上行信号。
2.如权利要求1所述全双工光载无线通信方法，其特征在于，所述用匹配后的另一路下行信号与接收信号在两个正交偏振态上分别对分离出的光载波进行单边带调制，使用两个子马赫曾德尔调制器均偏置在正交传输点的双偏振双驱动马赫曾德尔调制器来实现。
3.如权利要求1所述全双工光载无线通信方法，其特征在于，所述用下行信号对光载波进行偏振复用调制，通过双偏振双驱动马赫曾德尔调制器来实现，下行信号输入其中一个偏置在正交传输点的子马赫曾德尔调制器，另一个子马赫曾德尔调制器无微波输入且偏置在最大传输点。
4.如权利要求1所述全双工光载无线通信方法，其特征在于，所述光链路为包含放大器的光纤链路。
5.一种全双工光载无线通信系统，其特征在于，包括：
光载下行信号产生模块，用于用下行信号对光载波进行偏振复用调制，生成包含两个正交偏振态的光载下行信号，其中一个偏振态为单边带调制光载下行信号，另一个偏振态为光载波；
偏振分离模块，用于对经光链路传输后的光载下行信号进行偏振态分离，分离出光载波和单边带调制光载下行信号；
下行信号解调模块，用于对分离出的单边带调制光载下行信号进行光电转换，得到下行信号并将其分为两路，一路下行信号经发射天线发射；
光载上行信号生成模块，用于将另一路下行信号与接收信号进行延时和幅度的匹配，然后用匹配后的另一路下行信号与接收信号在两个正交偏振态上分别对分离出的光载波进行单边带调制，并对所得到的调制光信号进行135°检偏，得到射频自干扰和ASE噪声抑制后的单边带调制光载上行信号；
上行信号解调模块，用于在射频自干扰和ASE噪声抑制后的单边带调制光载上行信号经光链路传输后，将其与所述光载波的分束信号合为一路，然后进行光电转换，得到上行信号。
6.如权利要求5所述全双工光载无线通信系统，其特征在于，所述用匹配后的另一路下行信号与接收信号在两个正交偏振态上分别对分离出的光载波进行单边带调制，使用两个子马赫曾德尔调制器均偏置在正交传输点的双偏振双驱动马赫曾德尔调制器来实现。
7.如权利要求5所述全双工光载无线通信系统，其特征在于，所述用下行信号对光载波进行偏振复用调制，通过双偏振双驱动马赫曾德尔调制器来实现，下行信号输入其中一个偏置在正交传输点的子马赫曾德尔调制器，另一个子马赫曾德尔调制器无微波输入且偏置在最大传输点。
8.如权利要求5所述全双工光载无线通信系统，其特征在于，所述光链路为包含放大器的光纤链路。
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