CN118018115A - 一种基于混合调制相干检测rof系统的微波光子下变频装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于混合调制相干检测ROF系统的微波光子下变频装置,该装置涉及微波技术领域和光通信技术领域。所述装置如说明书附图图1所示,包括激光器、双平行马赫曾德尔调制器、180°电桥、射频源、单模光纤、马赫曾德尔调制器调制器、偏振控制器、90°光混频器、平衡探测器、模数转换器和数字信号处理模块。发送端将经过强度和相位调制的光信号发送到接收端,接收端的马赫曾德尔调制器对单音信号强度调制后,将两路光信号混频并转换为光电流,对光电流进行数字信号处理后解调。本发明实现了多维度调制光信号的全光下变频,并利用简单的数字域算法消除了激光器的相位噪声,提高了传输容量,降低了设备的复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域和微波技术领域,主要涉及微波光子下变频技术和数字相干检测技术。
背景技术
随着信息技术的发展,数字业务需求迅速增长,常规的低频段无线频谱已经分配完毕,要想提高通信带宽,需使通信频段向高频段扩展。而高频段无线信号在大气中的损耗很大,传输性能不稳定。光载射频ROF技术可以解决以上问题,该技术结合光纤通信和无线通信的优点,可实现大容量、低成本超宽带接入。微波光子下变频技术继承了微波光子技术大带宽、抗干扰、频率可调谐的优点,相比微波变频技术具有很大的优势。将ROF技术和微波光子下变频技术结合可以避免使用大带宽的光电探测器和高速模数转换器。因此,将微波光子下变频技术引入到ROF系统具有很强的应用价值,对未来通信网络发展具有重大意义。
相位调制-相干检测ROF链路除了具有多维度调制的优势外,还有很高的灵敏度,此外还用平衡探测器消除激光器的相对强度噪声。除此之外还易于通过数字信号处理算法进行色散补偿以及其他非线性补偿,大幅度提高了传输容量和传输质量。
另外,随着通信技术的发展,毫米波频段使用场景越来越被人所知。高频段信号处理对硬件性能要求更高,处理难度越大。目前相干检测方案,多数都是直接用高速模数转换器ADC对高频信号进行采样,根据奈奎斯特定理,采样率为带宽的2倍,这要求ADC具有更高的采样率,增加了系统成本。
为了既支持毫米波段的工作又采用低速光电探测器件,常见的方法是采用光载中频链路,即光纤传输中频信号,用电混频器进行频率转换。然而,这增加了远端射频单元的复杂度。微波光子变频技术无需毫米波到中频的电混频过程,从而简化远端射频单元。最近,微波光子变频技术已经在许多新设计的前传系统中被采用。然而,在这些方案中,只采用了单一调制方式,即只利用光载波强度或相位承载信息,这降低了链路容量。为了进一步提高系统传输容量,人们提出了许多基于相干检测的模拟ROF方案,以实现对光载波的多维调制,包括强度、相位和偏振三个维度。然而,在这些方案中并不支持毫米波信号传输。
发明内容
为了解决背景技术中所存在的问题,本发明提出了一种基于混合调制相干检测ROF系统的微波光子下变频装置。该装置有如下优点:第一,简化远端射频单元的复杂度,因为该方法可以直接将毫米波在光域下变频;第二,该方法可以同时对强度调制和相位调制光信号下变频,提高了传输容量,在如今对数据速率需求大的场景中有较高的优势;第三,该方法中,激光器间相位噪声可以在数字域用简单的算法消除。
本发明所采用的技术方案是:所述架构的发送端Transmitter包括激光器LD1、双平行马赫曾德尔调制器DPMZM、180°电桥、射频源RF、单模光纤,接收端Receiver包括激光器LD2、马赫曾德尔调制器MZM、偏振控制器PC、90°光混频器90°OpticalHybrid、平衡探测器BPD、模数转换器ADC和数字信号处理模块DSP。其特征在于,激光器LD1输出连接DPMZM调制器光输入端,射频源RF1输出连接180°电桥输入端,180°电桥输出和RF2输出连接DPMZM调制器电输入端,DPMZM的子马赫曾德尔调制器MZMa工作在正交点QTP,子马赫曾德尔调制器MZMb工作在最大点MATP,主马赫曾德尔调制器MZMc工作在最小点MITP,实现对射频信号的强度和相位调制,DPMZM调制器的输出和单模光纤SMF相连,随后到达Receiver,Receiver的激光器LD2输出连接马赫曾德尔调制器MZM的光输入端,射频源RF3连接MZM的电输入端,MZM的偏置电压为A,MZM的输出和第二偏振控制器PC2相连,SMF输出和第一偏振控制器PC1相连,PC1和PC2的输出进入90°OpticalHybrid和第一平衡探测器BPD1和第二平衡探测器BPD2后,生成的I和Q两路光电流输入ADC采样后,完成DSP算法,实现对强度调制和相位调制射频信号的解调功能。DSP分以下步骤来线性解调信号:第一步,用低通滤波器滤除杂波分量,并用带阻滤波器将强度调制通道和相位调制通道分离;第二步,对强度调制通道和相位调制通道进行激光器的频差和相位噪声消除算法,恢复出信号。
本发明在工作时包括以下步骤:
(1)所述架构的发射端有一个激光器,其输出光信号输入双平行马赫曾德尔调制器中。
(2)两个射频信号输入双平行马曾调制器的射频口中,分别实现光的强度调制和相位调制。
(3)调制器的输出光信号经过光纤到达接收端。
(4)所述架构的接收端有一个单波长激光器,其输出光信号输入强度调制器中。(5)接收端射频源产生的单音信号输入强度调制器的射频口中,实现强度调制,
产生三线光梳。
(6)两个偏振控制器将收到的已调光信号和三线光梳的偏振态对齐。对齐后将二者输入相干接收机的90°光混频器的两个输入中。
(7)模数转换器将平衡探测器的输出采样后,送入数字信号处理模块。数字信号处理模块对采样信号做进一步处理,其步骤为:第一步,用低通滤波器滤除杂波分量,并用带阻滤波器将强度调制通道和相位调制通道分离;第二步,对强度调制通道和相位调制通道进行激光器的频差和相位噪声消除算法,恢复出信号。
本发明提出了一种基于混合调制相干检测ROF系统的微波光子下变频装置,该装置在用简单的数字信号处理算法对两路信号下变频的同时,简化远端射频单元的复杂度。在发送端对光载波进行强度和相位调制后将已调光信号发送到接收端。在接收端将偏振态对齐的强度调制三线光梳和已调光信号输入相干接收机,在对输出光电流采样后,数字信号处理模块同时对强度调制信号和相位调制信号进行解调。
本方案架构可以在实现多维度调制前提下对毫米波信号进行微波光子下变频,支持毫米波段工作的同时提高了链路的传输容量。
该方案架构采用简单的数字域算法,而不用模拟或数字锁相环来消除激光器的相位噪声,降低了链路复杂度和数字域算法复杂度。
附图说明
图1为本发明基于混合调制相干检测ROF系统的微波光子下变频的原理图,其中:
(a)为所提方法链路架构图。
(b)为(a)中标记各点的光谱和电谱图。
图2为恢复强度调制信号的数字信号处理流程图。
图3为恢复相位调制信号的数字信号处理流程图。
图4为接收端生成的三线光梳的光谱图。
图5为对相干接收机的I路输出光电流做傅里叶变换的结果图。其中2.8GHz处的频率分量是激光器的频差项,其余四个频率分量是强度调制信号和相位调制信号变频后的结果。
图6为带阻滤波器输出的电谱图和对应解调16-正交振幅调制信号的星座图,其中:
(a)为滤除相位调制信号变频结果后的电谱图。
(b)为对(a)解调16-正交振幅调制信号得到的星座图。
(c)为滤除强度调制信号变频结果后的电谱图。
(d)为对(c)解调16-正交振幅调制信号得到的星座图。
图7为消除激光器频差和相位噪声后得到的强度调制信号和相位调制信号电谱图和对应的星座图,其中:
(a)为恢复出强度调制信号的电谱图。
(b)为恢复出强度调制信号的星座图。
(c)为恢复出相位调制信号的电谱图。
(d)为恢复出相位调制信号的星座图。
图8为不同接收光功率的条件下,强度调制信号和相位调制信号误差矢量幅度随着接收光功率的变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例:
如图1(a)所示,本实施例中,装置包括,第一激光器LD1、第一射频源RF1、第二射频源RF2、电桥、双平行马赫曾德尔调制器DPMZM、单模光纤SMF、第二激光器LD2、第三射频源RF3、马赫曾德尔调制器MZM、第一偏振控制器PC1、第二偏振控制器PC2、90°光混频器、第一平衡探测器BPD1、第二平衡探测器BPD2、模数转换器ADC、数字信号处理模块DSP。第一激光器LD1的输出端口与双平行马赫曾德尔调制器DPMZM的光输入端口相连,第一射频源RF1的输出端口与电桥的输入端口相连,电桥的输出端口与双平行马赫曾德尔调制器DPMZM的射频输入端口相连,第二射频源RF2的输出端口与双平行马赫曾德尔调制器DPMZM的射频输入端口相连,双平行马赫曾德尔调制器DPMZM的输出端口与单模光纤SMF的输入端口相连,单模光纤SMF的输出端口和第一偏振控制器PC1的输入端口相连,第二激光器LD2的输出端口与马赫曾德尔调制器MZM的光输入端口相连,第三射频源RF3的输出端口与马赫曾德尔调制器MZM的射频输入端口相连,马赫曾德尔调制器MZM的输出端口与第二偏振控制器PC2的输入端口相连,第一偏振控制器PC1的输出端口与90°光混频器的输入端口相连,第二偏振控制器PC2的输出端口与与90°光混频器的另一个输入端口相连,90°光混频器的输出端口与BPD1和BPD2的输入端口相连,BPD1和BPD2的输出端口和模数转换器ADC的输入端口相连,模数转换器ADC的输出端口和数字信号处理模块DSP的输入端口相连。数字信号处理模块DSP恢复出两路射频信号。
本实例中,具体实施步骤是:
步骤一:发送端激光器LD1产生工作波长为1552.11nm、功率为13dBm、线宽为100kHz的光载波,将光载波输入到半波电压为6V、插入损耗为7dB的双平行马赫曾德尔调制器DPMZM中。DPMZM的子马赫曾德尔调制器MZMa工作在正交点QTP,子马赫曾德尔调制器MZMb工作在最大点MATP,主马赫曾德尔调制器MZMc工作在最小点MITP。
步骤二:射频源RF1输出载波频率为25GHz、符号率为50MSym/s的16-正交振幅调制信号,经过180°电桥后输入DPMZM的射频输入口中实现强度调制。步骤三:射频源RF2输出载波频率为24GHz、符号率为50MSym/s的16-正交振幅调制信号输入DPMZM的射频输入口中实现相位调制。
步骤四:将DPMZM的输出和25km的单模光纤SMF相连,已调光信号经过光纤到达接收端。
步骤五:接收端激光器LD2产生工作波长为1552.132nm、功率为15dBm、线宽为100kHz的光载波,将光载波输入到半波电压为5V、插入损耗为7dB的马赫曾德尔调制器MZM中。
步骤六:射频源RF3产生频率为23GHz、功率为15dBm的单音信号,输入MZM的射频输入口中实现强度调制生成三线光梳,由图4可以看到产生的三线光梳。
步骤七:第一偏振控制器PC1用来控制已调光载波的偏振态,第二偏振控制器PC2用来控制三线光梳的偏振态,当二者处于同一偏振态时,将其输入90°光混频器。
步骤八:将第一平衡探测器BPD1和第二平衡探测器BPD2的输出输入模数转换器ADC。
步骤九:数字信号处理模块DSP对光电流进行处理。首先对相干接收机的输入光电流做傅里叶变换,得到其频谱图,由图5可以看到频率2.8GHz处的频率分量是激光器的频差和相位噪声项,0.8GHz和4.8GHz处的是强度调制信号下变频之后的分量,1.8GHz和3.8GHz处的是相位调制信号下变频之后的分量。步骤十:用带阻滤波器分离强度调制通道和相位调制通道的频率分量,由图6(a)可以看到仅保留强度调制信号下变频之后的分量的电谱图,图6(b)是其解调出的星座图,由图6(c)可以看到仅保留相位调制信号下变频之后的分量的电谱图,图6(d)是其解调出的星座图。
步骤十一:对强度调制通道和相位调制通道的信号消除相位噪声,由图7(a)可以看到仅保留强度调制信号消除相位噪声之后的电谱图,图7(b)是其解调出的星座图,由图7(c)可以看到仅保留相位调制信号消除相位噪声之后的电谱图,图7(d)是其解调出的星座图。
步骤十二:不改变其他参数,改变接收光功率,测量强度调制和相位调制下变频信号误差矢量幅度随着接收光功率的变化曲线,如图8所示。
综上,本发明提出了一种基于混合调制相干检测ROF系统的微波光子下变频装置。在方案结构中,同时实现了强度调制信号和相位调制信号的下变频,提高了传输容量,并且采用了简单的数字域算法消除了激光器的相位噪声,降低了链路的复杂度,能够满足第五代通信中对于传输速率和链路结构的要求。
总之,以上所述实施方案仅为本发明的实施例而已,并非仅用于限定本发明的保护范围,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在本发明公开的内容上,还可以做出若干等同变形和替换,射频信号中心频率、信号带宽、调制格式都可改变。这些等同变形和替换以及频率范围的调整也应视为本发明保护的范围。
Claims (4)
1.一种基于混合调制相干检测ROF系统的微波光子下变频装置,发送端Transmitter包括激光器LD1、双平行马赫曾德尔调制器DPMZM、180°电桥、射频源RF、单模光纤,接收端Receiver包括激光器LD2、马赫曾德尔调制器MZM、偏振控制器PC、90°光混频器90°OpticalHybrid、平衡探测器BPD、模数转换器ADC和数字信号处理模块DSP,其特征在于,激光器LD1输出连接DPMZM调制器光输入端,射频源RF1输出连接180°电桥输入端,180°电桥输出和RF2输出连接DPMZM调制器电输入端,DPMZM的子马赫曾德尔调制器MZMa工作在正交点QTP,子马赫曾德尔调制器MZMb工作在最大点MATP,主马赫曾德尔调制器MZMc工作在最小点MITP,实现对射频信号的强度和相位调制,DPMZM调制器的输出和单模光纤SMF相连,随后到达Receiver,Receiver的激光器LD2输出连接马赫曾德尔调制器MZM的光输入端,射频源RF3连接MZM的电输入端,MZM的偏置电压为A,MZM的输出和第二偏振控制器PC2相连,SMF输出和第一偏振控制器PC1相连,PC1和PC2的输出进入90°OpticalHybrid和第一平衡探测器BPD1和第二平衡探测器BPD2后,生成的I和Q两路光电流输入ADC采样后,完成DSP算法,实现对强度调制和相位调制射频信号的解调功能。
2.根据权利要求1所述的一种基于混合调制相干检测ROF系统的微波光子下变频装置,其特征在于,可以直接在光域完成毫米波信号的下变频。
3.根据权利要求1所述的一种基于混合调制相干检测ROF系统的微波光子下变频装置,其特征在于,可以同时实现强度调制和相位调制信号的下变频。
4.根据权利要求1所述的一种基于混合调制相干检测ROF系统的微波光子下变频装置,其特征在于,激光器的相位噪声可以通过简单的DSP算法来消除。
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