CN1901414A - 一种射频光纤传输系统的毫米波载波生成装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种射频光纤传输系统(RoF，Radioon Fiber)的毫米波载波生成装置和方法。该装置由中心站的半导体激光器、相位调制器、正弦波驱动和基站的周期性光滤波器、光探测器、毫米波带通滤波器组成。本发明在中心站利用相位调制器，采用正弦波对半导体激光器的输出光波进行光学扫频；在基站利用Fabry－Perot光滤波器的透射响应起伏特性，将频率变化的光波转变成强度变化的光波，通过光探测器和毫米波带通滤波器后，得到毫米波载波。本发明提出的毫米波生成方法与装置能够以无源的方法在基站中生成毫米波，保证很低的系统成本，同时还具有温度稳定性好、能灵活选择输出频率等优点。

Description

一种射频光纤传输系统的毫米波载波生成装置和方法

技术领域

本发明涉及一种射频光纤传输系统(RoF，Radio on Fiber)的毫米波载波产生方法和装置，特别是一种中心站用电正弦波扫描光波相位，基站用Fabry-Perot光滤波器加光探测器的光学扫频法产生毫米波载波的方法和装置。

技术背景

作为超高速无线通信网(下一代高速移动通信和宽带无线接入网)的极具竞争力的一个发展方向，毫米波光纤传输系统融合了毫米波和光纤的优势，解决了宽带无线通信网基站与中心站的连接问题。它能向大量的用户提供无线局域网、宽带接入和移动多媒体等各种业务，具有通信容量大、便携、通信安全性强等诸多优点。

超高速无线通信网的毫米波光纤传输系统由三大部分组成，一部分是中心站，它集成了信号处理的各项功能，如高速基带信号的调制、解调、驱动、放大，光波的发送和探测等。第二部分是光纤传输链路，完成中心站与基站之间光波的双向传输。第三部分是基站，完成光波与毫米波的转换，对基带信号透明。

由于毫米波的传输距离有限，在一个超高速无线通信网络中要求将一个基站的覆盖范围取得很小，称为微微蜂窝。由于基站数目的急剧增多，每一个基站的设备必须十分简单和价廉才有推广应用的价值。因而在毫米波通信系统中，作为通信系统的心脏起发射源和本振源作用的毫米波发生器，它所涉及的毫米波生成技术和毫米波光纤传输技术在成本和系统性能两个方面对于通信系统的实现起至关重要的作用。

经文献检索发现，Ken-Ichi Kitayama在A Taylor & Francis Journal：Fiber andIntegrated Optics，19：P167-P186，2000上发表的Architectural Considerations of Fiber-RadioMillimeter-Wave Wireless Access Systems中介绍了RoF系统中产生毫米波的四种方法：外调制法、光自外差法、光上下变频法和电吸收收发器法。但是这些方法要么需要精密偏置的电光调制器或者精密的相干激光器或者毫米波本振源和混频器，导致基站结构庞杂，成本很高；要么基站结构简化了，但光纤色散的影响较严重，调制深度不高，有非线性效应，或有较强的射频反射，双工工作有串扰。

发明内容

本发明的目的在于提供一射频光纤传输系统的毫米波载波生成装置和方法，该装置和方法能保证很低的系统成本，以满足毫米波射频光纤传输系统的需要。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种射频光纤传输系统(RoF，Radio on Fiber)的毫米波载波生成装置，由中心站(1)、光纤链路(2)和基站(3)构成，其特征在于：

(1)所述的中心站(1)由半导体激光器(1-1)、相位调制器(1-2)和强度调制器(1-3)依次连接组成，采用正弦波(1-4)驱动相位调制器(1-2)，基带信号(1-5)通过强度调制器(1-3)调制到光波上；

(2)基站(3)由周期性光滤波器(3-1)、光探测器(3-2)、毫米波带通滤波器(3-3)、放大器(3-4)、天线(3-5)依次连接组成。

一种射频光纤传输系统的毫米波载波生成方法，采用上装置，其特征在于：

(1)在中心站(1)中，采用正弦波(1-4)驱动相位调制器(1-2)，使光波的相位在有效范围内依正弦规律变化，光波的频率在有效范围内依余弦规律变化，实现光波的频率扫描；

(2)在基站(3)中采用Fabry-Perot光滤波器(3-1)，利用它的透射响应起伏特性，对扫频光波进行滤波，将频率变化的光波转变成强度变化的光波；

(3)在基站(3)中采用光探测器(3-2)和毫米波带通滤波器(3-3)对通过Fabry-Perot光滤波器(3-1)的光波进行光电转换和滤波，生成毫米波载波；

(4)在中心站(1)中，基带信号(1-5)通过强度调制器(1-3)调制到光波上；在基站(3)中，基带信号被转移到毫米波载波上，经放大器(3-4)和天线(3-5)发射出去。

本发用的原理如下：

在中心站(1)，采用半导体激光器(1-1)作光源，用相位调制器(1-2)对半导体激光器(1-1)输出的光波作相位调制，选择角速率等于ω_sw的正弦波(1-4)作为相位调制器(1-2)的驱动电压，对输出光波在有效波长范围Δλ(对应频率范围Δf)内作周期性扫描，同时保持激光器光功率不变。基带信号(1-5)通过强度调制器(1-3)调制在光波上，光纤链路(2)中传送的是强度受基带信号(1-5)调制而且频率在一定范围内扫描的光波。在基站(3)中，输入光波经周期性光滤波器(3-1)的滤波和光探测器(3-2)的光电变换之后，基带信号(1-5)被转移到了毫米波载波的幅度上，再经放大器(3-4)和天线(3-5)发射出去。因为基带信号(1-5)不影响生成的毫米波频率，故在解释毫米波载波的产生过程中不考虑基带信号(1-5)。在不传送基带信号(1-5)的情况下，中心站最后输出的光波电场为：

         E(t)＝E_cexp[jω_ct+jβsinω_swt)]                                (1)

其中ω_c为光波的中心角频率，E_c为光波电场振幅，β为调相指数。

在基站(3)中，来自光纤链路的光波信号进入光接收机之前，首先经过周期性光滤波器(Fabry-Perot光滤波器)(3-1)，其冲激响应为：

$h_{\mathrm{fp}}\left(t\right)=t^2[\mathrm{\δ}(t-\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fp}}}{2})+r^2\mathrm{\δ}(t-\frac{{3\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fp}}}{2})+...+r^{2n}\mathrm{\δ}(t-\frac{(2n+1){\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fp}}}{2})+...]---\left(2\right)$

其中r和t分别为光滤波器的电场反射系数和透射系数，且t²＝1-r²，τ_fp是光信号在Fabry-Perot光谐振腔内反射一个来回的延迟时间。Fabry-Perot光滤波器(3-1)的输出光波电场可表示为：

$E\left(t\right)=\frac{E_c(1-R)}{1-R^2\exp (-j2{\mathrm{\ω}}_c{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fp}})}\left\{\exp \right[{\mathrm{j\ω}}_c(t-\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fp}}}{2})+\mathrm{j\β}\sin {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sw}}(t-\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fp}}}{2})]$

$+\mathrm{Rexp}[j{\mathrm{\ω}}_c(t-\frac{{3\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fp}}}{2})+\mathrm{j\β}\sin {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sw}}(t-\frac{{3\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fp}}}{2})]\}---\left(3\right)$

其中R为功率反射系数，R＝r²。因此光探测器(3-2)输出的光电流应当为：

$i_d\left(t\right)=\frac{i_0{(1-R)}^2}{1+R^4-2R^2\cos 2{\mathrm{\ω}}_c{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fp}}}\{1+R^2+2R\cos [{\mathrm{\ω}}_c{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fp}}+2\mathrm{\β}\sin \left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sw}}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fp}}}{2}\right)\cos ({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sw}}t-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sw}}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fp}})\left]\right\}$

其中i₀是平均光电流，且i₀＝F·P₀，P₀、F分别是光探测器(3-2)的输入光功率和响应度。

取τ_fp＝0.5/f_sw，f_sw为扫描频率，将上式用贝塞尔函数展开为：

$i_d\left(t\right)=\frac{i_0{(1-R)}^2}{1+R^4-2R^2\cos 2{\mathrm{\ω}}_c{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fp}}}\{1+R^2+2R\cos {\mathrm{\ω}}_c{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fp}}{J}_0\left(2\mathrm{\β}\right)+$

$4R\cos {\mathrm{\ω}}_c{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fp}}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^n{J}_{2n}\left(2\mathrm{\β}\right)\cos \left[2n({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sw}}t-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sw}}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fp}})\right]$

$4R\cos {\mathrm{\ω}}_c{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fp}}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^n{J}_{2n+1}\left(2\mathrm{\β}\right)\cos \left[(2n+1)({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sw}}t-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sw}}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fp}})\right]\}---\left(4\right)$

可见，光探测器(3-2)输出的电信号由若干谐波分量组成，通过选择合适的扫描角频率ω_sw，设计中心频率为2nf_sw的窄带电滤波器(3-3)，滤波后就可以得到所需要的毫米波，其频率为

             f_m＝2nf_sw                         (5)

毫米波载波的表达式为：

$i_{d2n}\left(t\right)=\frac{{4i}_{0}R{(1-R)}^2\cos \left({\mathrm{\ω}}_c{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fp}}\right)}{1+R^4-2R^2\cos \left(2{\mathrm{\ω}}_c{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fp}}\right)}\·J_{2n}\left(2\mathrm{\β}\right)\cos \left(2n{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sw}}t\right)---\left(6\right)$

可以通过优化Fabry-Perot滤波器(3-1)的腔长d(控制τ_fp＝0.5/f_sw)、反射系数R以及调相指数β，从而使所需要的毫米波分量功率最大，具体方法如下：

①为了使所需要的谐波分量最大，令贝塞尔函数取最大值，即由Max{J_2n(2β)}推出贝塞尔函数自变量β的最佳值；②考虑到使偶次谐波分量最大，消除奇次谐波分量，令ω_cτ_fp＝kπ，确定出ωc的最佳取值；③由

推出功率反射系数R的最佳值。

本发明与现有技术相比较，具有以下突出特点和显著优点：所提出的毫米波生成装置与方法是一种无源方法，可以使基站(3)的部件简单而价廉，能保证整个RoF系统的成本很低；基站(3)采用Fabry-Perot光滤波器做周期性光滤波器(3-1)，具有良好的温度稳定性，可以解决毫米波频率和功率波动的问题；对中心站输出光波采用正弦波扫描方式，基站中Fabry-Perot光滤波器(3-1)的最佳功率反射系数的大小与扫描正弦波的谐波频率没有关系，如要改变输出毫米波频率，只需改变调相指数β以使所需的谐波分量最大即可，无需更换Fabry-Perot光滤波器(3-1)，所以系统在输出频率的选择上十分灵活。此外，还有一个突出优点，由于扫描频率较低，而微微蜂窝RoF系统的光纤链路又很短，不必担心光纤色散的影响，可以使用石英多模光纤甚至塑料光纤作为传输介质，进一步降低系统的材料成本和敷设费用。

附图说明

图1是本发明的射频光纤传输系统的毫米波载波生成装置的结构框图。

中心站1、光纤链路2、基站3、激光器1-1、相位调制器1-2、强度调制器1-3、正弦波振荡器1-4、基带信号1-5、周期性光滤波器3-1、光探测器3-2、带通滤波器3-3、放大器3-4和天线3-5

具体实施方式

本发明的一个优选实施例是一种应用于RoF系统中的60GHz毫米波光学生成装置和方法，结合附图，详述如下：

参见图1，本射频光纤传输系统的毫米波载波生成装置由中心站1、光纤链路2和基站3构成，其特征在于：

(1)所述的中心站1由半导体激光器1-1、相位调制器1-2和强度调制器1-3依次连接组成，采用正弦波1-4驱动相位调制器1-2，基带信号1-5通过强度调制器1-3调制到光波上；

(2)基站3由周期性光滤波器3-1、光探测器3-2、毫米波带通滤波器3-3、放大器3-4、天线3-5依次连接组成。

本射频光纤传输系统的毫米波载波生成方法是采用上述的装置，按下述方法工作：

在中心站1的发送端，用作光源的半导体激光器1-1工作在波长1550nm，线宽10MHz，功率10mW。采用LiNbO₃相位调制器1-2，用f_sw＝5GHz的正弦波1-4驱动它，从而使半导体激光器1-1输出的光波经相位调制器1-2后具有如下的表示式：

           E(t)＝E_cexp[jω_ct+jβsinω_swt)]

其中ω_c为光波的中心角频率，E_c为光波电场振幅，β为调相指数。

基站3中令输入光波首先经过具有梳状透射响应的Fabry-Perot光滤波器3-1，将中心站的相位调制光波转换为强度调制光波，再经光探测器3-2光电变换后，用毫米波带通滤波器3-3取出所需要的谐波分量，经过放大器3-4和天线3-5后发射出去。

参见关系表达式(5)和表达式(6)，取f_m＝60GHz，可知n等于6，2n等于12，即需要提取第12次谐波，该谐波的表达式为：

$i_{d12}\left(t\right)=\frac{{4i}_{0}R{(1-R)}^2\cos \left({\mathrm{\ω}}_c{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fp}}\right)}{1+R^4-2R^2\cos \left(2{\mathrm{\ω}}_c{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fp}}\right)}\·J_{12}\left(2\mathrm{\β}\sin \frac{{\mathrm{\ω}}_c{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fp}}}{2}\right)\cos \left(12{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sw}}t\right)$

为了使所需要的谐波功率最大，系统参数应当满足以下条件：τ_fp＝0.5/f_sw＝0.1ns，ω_cτf_p＝kπ，β＝6.3。这样输出信号中只有偶次谐波，且12次谐波分量的功率达到最强。此时可以将光电流表达式简化为：

$i_{d12}\left(t\right)=\frac{{4i}_{0}R}{{(1+R)}^2}\·J_{12}\left(2\mathrm{\β}\right)\cos \left(12{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sw}}t\right)$

进一步将幅度系数求导后可以得出使输出毫米波功率最大时功率反射系数R的取值：

$\frac{d\left[\frac{{4i}_{0}R}{{(1+R)}^2}\right]}{\mathrm{dR}}=0\⇒R=1$

实际制作中功率反射系数R的值不可能等于1，但是制作功率反射系数接近1的Fabry-Perot光滤波器3-1并不困难，R越接近于1，光滤波器的选频特性就越尖锐。在传输基带信号时，需要将基带信息通过强度调制器加载到光波上，这样中心站的输出光谱会变宽，如果Fabry-Perot光滤波器3-1的反射系数过高，光滤波器的通带就很窄，会对有用信号的频谱造成很大的衰减。考虑到基带信号带宽的大小以及激光器频率的稳定程度，在实际应用中Fabry-Perot光滤波器3-1的反射系数不是越大越好，适当降低Fabry-Perot光滤波器3-1的反射系数不仅可以增加Fabry-Perot光滤波器通带的宽度，而且不会对毫米波的功率造成太大的影响。传输100Mbps的基带信号1-5，取R＝0.8为宜，这时与R＝1.0相比，系统输出毫米波功率只下降0.1dB，而输出毫米波已调波的失真比较小，终端恢复的基带信号的上升沿和下降沿都比较陡，在检测判决时对定时信号的要求可以降低。

n值与系统部件特性有约束关系，即由LiNbO₃相位调制器1-2输出光波的扫描频率范围Δf和Fabry-Perot光滤波器3-1的自由光谱范围FSR的比值决定，n＝Δf/FSR。

由Fabry-Perot光滤波器3-1的FSR＝10GHz，计算出LiNbO₃相位调制器1-2的扫描频率范围Δf＝60GHz，最佳调相指数β＝6.3。

不传输基带信号1-5时产生的毫米波频谱中60GHz的谐波分量功率最大，比50GHz的谐波大3dB左右，比70GHz的谐波大5dB左右，用毫米波滤波器提取60GHz毫米波分量是容易的。

Claims (2)

1.一种射频光纤传输系统(RoF，Radio on Fiber)的毫米波载波生成装置，由中心站(1)、光纤链路(2)和基站(3)构成，其特征在于：

a)所述的中心站(1)由半导体激光器(1-1)、相位调制器(1-2)和强度调制器(1-3)依次连接组成，采用正弦波(1-4)驱动相位调制器(1-2)，基带信号(1-5)通过强度调制器(1-3)调制到光波上；

b)基站(3)由周期性光滤波器(3-1)、光探测器(3-2)、毫米波带通滤波器(3-3)、放大器(3-4)、天线(3-5)依次连接组成。

2.一种射频光纤传输系统的毫米波载波生成方法，采用权利要求1所述的毫米波载波生成装置，其特征在于：

a)在中心站(1)中，采用正弦波(1-4)驱动相位调制器(1-2)，使光波的相位在有效范围内依正弦规律变化，光波的频率在有效范围内依余弦规律变化，实现光波的频率扫描；

b)在基站(3)中采用Fabry-Perot光滤波器(3-1)，利用它的透射响应起伏特性，对扫频光波进行滤波，将频率变化的光波转变成强度变化的光波；

c)在基站(3)中采用光探测器(3-2)和毫米波带通滤波器(3-3)对通过Fabry-Perot光滤波器(3-1)的光波进行光电转换和滤波，生成毫米波载波；

d)在中心站(1)中，基带信号(1-5)通过强度调制器(1-3)调制到光波上；在基站(3)中，基带信号被转移到毫米波载波上，经放大器(3-4)和天线(3-5)发射出去。

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