JP2011228825A - 無線信号光ファイバ伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】無線信号を光ファイバで伝送する場合に、発光素子の電流対光強度特性の非線形性により生じるひずみの発生を抑制する。
【解決手段】送信部が、発光素子の直流バイアス電流に無線信号を重畳することにより、強度変調成分と周波数変調成分とを含む光信号を出力し、受信部が、出力ポートとして通過ポートと反射ポートを有し、前記光信号が入力されると強度変調成分については両ポートから同位相同振幅の信号が出力され、周波数変調成分については強度変調成分に変換され両ポートから１８０度異なる位相の信号が出力されるフィルタを用いて前記光信号を２分割し、それぞれを電流に変換して各電流の差を所定の電力に増幅することにより前記無線信号を復調する。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線信号をアナログ変調光信号として光ファイバ伝送するための無線信号光ファイバ伝送システムに関する。

無線通信システムに使用される無線信号(ＲＦ(Radio Frequency)信号)を、有線区間を光ファイバにより伝送する場合、一般に、光の強度をアナログ信号である無線信号の振幅で変調する光強度変調を用いて光信号の伝送を行う。

図８に、従来の無線信号光ファイバ伝送システム５００の構成例を示す。無線信号光ファイバ伝送システム５００は送信部１１０と受信部５２０とを備える。送信部１１０は、レーザーダイオードなどの発光素子１１１を備え、発光素子１１１には、直流バイアス電流に受信側に伝送すべき無線信号が重畳された電流が順方向に印加される。これにより、発光素子１１１の発光強度は無線信号の振幅波形により変調される。この強度変調された光信号は光ファイバ伝送路５０を介して受信部５２０に伝送される。受信部５２０は、フォトダイオードなどの受光素子５２１とインピーダンス変換増幅器(ＴＩＡ)などによる増幅器５２２とを備える。受光素子５２１は、強度変調された光信号を検出して電流に変換し、増幅器５２２はこの電流を所定の電力に増幅するとともに、同軸線路等の低い特性インピーダンスに変換し、無線信号を復調する。

無線信号は、少ないひずみで伝送することが必要である。しかし、無線信号を光信号の強度変調により伝送する場合、発光素子の電流対光強度特性の非線形性により、復調された信号にひずみが生じる場合がある。特に、無線信号が周波数分割多重された信号である場合、ひずみにより生じたスプリアスが伝送信号に干渉を与え、伝送品質を劣化させる。

本発明の目的は、無線信号を光ファイバで伝送する場合に、発光素子の電流対光強度特性の非線形性により生じるひずみの発生を抑制し、よって伝送品質の劣化を抑えることが可能な無線信号光ファイバ伝送システムを提供することにある。

本発明の無線信号光ファイバ伝送システムは、入力された無線信号により変調された光信号を出力する送信部と、光ファイバ伝送路を介して前記光信号を受信して前記無線信号を復調する受信部と、を備える。送信部は、発光素子を備え、その直流バイアス電流に前記無線信号を重畳して電流を前記無線信号の振幅に比例して変化させることにより、強度変調成分と周波数変調成分とを含む光信号を出力する。受信部は、光フィルタと第１受光素子と第２受光素子と増幅器とを備える。光フィルタは、入力ポートと、出力ポートとして通過ポートと反射ポートを有し、入力ポートに入力された前記光信号のうち強度変調成分については各出力ポートから互いに同位相同振幅で出力し、周波数変調成分についてはフィルタ透過率の周波数特性により強度変調成分に変換して各出力ポートから互いに１８０度異なる位相で出力する。第１受光素子は、光フィルタの通過ポートに接続され、光フィルタの出力を電流に変換する。第２受光素子は、光フィルタの反射ポートに接続され、光フィルタの出力を電流に変換する。増幅器は、第１受光素子の出力電流と第２受光素子の出力電流との差をとり、所定の電力に増幅することにより前記無線信号を復調する。

本発明の無線信号光ファイバ伝送システムによれば、無線信号を光ファイバで伝送する場合に、発光素子から出力される光信号に含まれる強度変調成分と周波数変調成分のうち、周波数変調成分のみを用いて無線信号を復調する。そのため、発光素子の電流対光強度特性の非線形性により生じるひずみの発生を抑制し、よって伝送品質の劣化を抑えることができる。近年の占有帯域幅が広い無線システムは、無線信号の振幅ダイナミックレンジが大きく、無線信号の伝送系には高い線形性が求められる。本発明の構成によれば、有線部分についても光ファイバを用いて低ひずみで無線信号を伝送することが可能である。そのため、従来、無線送受信装置とアンテナは同軸線路で接続されていたが、これを光ファイバ線路で置き換えることが可能となる。また、現在移動無線の基地局系は、複数バンドの無線周波数、ダイバーシチ、マルチセクタを実現するために、アンテナシステムと無線送受信装置との間を多数の同軸線路で接続している。本発明の構成によれば、このような同軸線路についても光ファイバ線路で置き換えることができるため、アンテナフィーダ系を大幅に簡素化できる。

無線信号光ファイバ伝送システム１００の構成例を示すブロック図。 発光素子における発光強度と発光周波数の注入電流依存性を例示する図。 光フィルタ１２１の特性例を示す図。 受信部１２０´の構成例を示すブロック図。 無線信号光ファイバ伝送システム２００の構成例を示すブロック図。 無線信号光ファイバ伝送システム３００の構成例を示すブロック図。 無線信号光ファイバ伝送システム４００の構成例を示すブロック図。 従来の無線信号光ファイバ伝送システム５００の構成例を示すブロック図。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図１は、本発明の無線信号光ファイバ伝送システム１００の構成例を示すブロック図である。無線信号光ファイバ伝送システム１００は、送信部１１０と受信部１２０とを備える。

送信部１１０は、従来の無線信号光ファイバ伝送システム５００と同様、レーザーダイオードなどの発光素子１１１を備え、発光素子１１１には、直流バイアス電流に受信側に伝送すべき無線信号が重畳された電流が順方向に印加される。これにより、発光素子１１１の発光強度は無線信号の振幅波形により変調されるが、実際には発光周波数についても変調される。図２は、発光素子(ＤＦＢレーザ)における発光強度と発光周波数の注入電流依存性の一例を示したものである。発光素子の発光強度は注入電流の大きさに比例して増加する(図２の例では０．３５ｍＷ／ｍＡ)。一方、発光素子の発光周波数は注入電流の大きさに反比例して小さくなる(図２の例では−０．９３ＧＨｚ／ｍＡ)。従って、送信部１１０から出力される光信号には、強度変調成分と周波数変調成分が含まれることになる。この光信号が、光ファイバ伝送路５０を介して受信部１２０に伝送される。

受信部１２０は、光フィルタ１２１と第１受光素子１２２と第２受光素子１２３と増幅器１２４とを備える。

透過光強度が光周波数の変化に対し負または正の傾きを示す光フィルタに周波数変調成分を含む光信号が入射されると、フィルタの周波数弁別特性により周波数変調成分は強度変調成分に変換される。受信部１２０ではこのような特性を利用し、送信部１１０からの光信号の周波数変調成分のみを用いて無線信号を復調する。

光フィルタ１２１は、送信部１１０からの光信号が入力される入力ポート１２１−ｉと、出力ポートとして通過ポート１２１−ｔと反射ポート１２１−ｒを備える。本発明ではこの光フィルタ１２１として、通過ポート１２１−ｔと反射ポート１２１−ｒそれぞれへの透過光強度について、図３に示すような、動作の中心周波数に対して、互いに対称でそれぞれ負、正の傾きを示す周波数特性を有するもの(すなわちローパスとハイパス)を用いる。このような光フィルタ１２１の入力ポート１２１−ｉに、強度変調成分と周波数変調成分とを含み、光周波数が光フィルタ１２１の動作の中心周波数に概ね一致する光信号が入力されると、強度変調成分は通過ポート１２１−ｔと反射ポート１２１−ｒから同位相同振幅で出力される。一方、周波数変調成分はフィルタの周波数弁別特性により強度変調成分に変換されるとともに、変換された強度変調成分は１８０度異なる位相で通過ポート１２１−ｔと反射ポート１２１−ｒから出力される。通過ポート１２１−ｔからの出力光は、フォトダイオードなどの第１受光素子１２２で電流に変換され、反射ポート１２１−ｒからの出力光は、フォトダイオードなどの第２受光素子１２３で電流に変換され、それぞれ増幅器１２４に入力される。この増幅器１２４として差動型のＴＩＡなどを用いることで、光フィルタ１２１に入力された光信号の強度変調成分については通過ポート１２１−ｔからの出力と反射ポート１２１−ｒからの出力とが同位相同振幅であるため出力において相殺される。一方、光フィルタ１２１に入力された光信号の周波数変調成分については通過ポート１２１−ｔからの出力と反射ポート１２１−ｒからの出力とが１８０度位相が異なり差分をとることで同相で合成されるため、これを所定の電力に増幅するとともにインピーダンス変換することで、出力において無線信号を復調することができる。

このように構成することで、光信号の強度変調成分がキャンセルされ、周波数変調成分のみにより無線信号を復調するため、発光素子１１１における強度変調によるひずみ成分が周波数変調によるひずみ成分より大きい場合、より少ないひずみで無線信号を伝送することができる。

なお、図１に示す受信部１２０を、図４に示すように、第１受光素子１２２と第２受光素子１２３を直列に接続することにより両者の出力電流の差分を得て、この出力電流の差分を増幅器１２４´で所定の電力に増幅する構成を備える受信部１２０´に置き換えても、同様な効果を得ることができる。

レーザーダイオードなどの発光素子の発光周波数は一般に温度依存性を有するため、発光素子の周囲温度の変動により発光周波数が変動し、光フィルタに入力される光信号の周波数が光フィルタの動作の中心周波数からずれてしまう恐れがある。また、このずれが大きいと増幅器が飽和し、復調された無線信号に大きな歪を生じる。実施例２はこのような問題に対応するための構成である。

図５は、本発明の無線信号光ファイバ伝送システム２００の構成例を示すブロック図である。無線信号光ファイバ伝送システム２００は、実施例１に示した無線信号光ファイバ伝送システム１００と同様な構成を上り用と下り用の計２組備え、これに加えて、一方のシステムで復調した無線信号のオフセット成分を用いて、他方のシステムの発光素子に注入する電流量を制御するように構成したものである。このように構成することで、各発光素子の発光周波数を安定化することができる。以下、図５の表記に従い、上り用の無線信号光ファイバ伝送システム１００の各構成要素の符号としてａを、下り用の無線信号光ファイバ伝送システム１００の各構成要素の符号としてｂを付して説明するが、上り用と下り用とを読み替えても、同様の効果を得ることができる。

各無線信号光ファイバ伝送システム１００の受信部１２０ａ、１２０ｂはそれぞれ、増幅器１２４ａ、ｂで復調された無線信号のオフセット成分を抽出するローパスフィルタ２２５ａ、１２５ｂを更に備える。また、上り用の送信部１１０ａは、下り用のローパスフィルタ２２５ｂで抽出された下りオフセット成分を直流バイアス電流から減算する減算器２１２を更に備え、下り用の送信部１１０ｂは、上り用のローパスフィルタ２２５ａで抽出された上りオフセット成分を直流バイアス電流に加算する加算器２１３を更に備える。

このような構成の下、光フィルタ１２１ａ、１２１ｂの通過ポート１２１ａ−ｔ、１２１ｂ−ｔがローパス、反射ポート１２１ａ−ｒ、１２１ｂ−ｒがハイパスの特性(図３参照)を有する時、上り用発光素子１１１ａの発光周波数の状況に応じ、無線信号光ファイバ伝送システム２００は以下のように動作する。

(1) 発光周波数が光フィルタの動作の中心周波数にある場合
上り用光フィルタ１２１ａの特性により、入力光信号の強度変調成分は相殺され、周波数変調成分のみが増幅器１２４ａから出力される。この際、上りオフセット成分はゼロとなり、従って、下り用送信部１１０ｂにおける上りオフセット成分の直流バイアス電流への加算もゼロである。また、下り用発光素子１１１ｂが出力する光信号も下り用光フィルタ１２１ｂの特性により、入力光信号の強度変調成分は相殺され、下りオフセット成分はゼロとなり、従って、上り用送信部１１０ａにおける下りオフセット成分の直流バイアス電流からの減算もゼロである。

(2) 発光周波数が光フィルタの動作の中心周波数より高い場合
上り用光フィルタ１２１ａの特性により、反射ポート１２１ａ−ｒから出力される光信号の強度が通過ポート１２１ａ−ｔから出力される光信号の強度より強くなるため、差動型の増幅器１２４ａの動作により、上りオフセット成分が負の極性となる。これにより、下り用送信部１１０ｂの加算器２１３において直流バイアス電流から上りオフセット成分の電流の絶対値が減算され、発光素子１１１ｂへの注入電流が減少するため、発光周波数が高くなる。そしてこの場合、下り用光フィルタ１２１ｂの特性により、反射ポート１２１ｂ−ｒから出力される光信号の強度が通過ポート１２１ｂ−ｔから出力される光信号の強度より強くなるため、差動型の増幅器１２４ｂの動作により、下りオフセット成分が負の極性となる。これにより、上り用送信部１１０ａの減算器２１２において直流バイアス電流に上りオフセット成分の電流の絶対値が加算され、発光素子１１１ａへの注入電流が増加するため、発光素子１１１ａの発光周波数を低下させることができる。このような動作を繰り返すことで、発光周波数が光フィルタの動作の中心周波数に収束するよう制御することができる。

(3) 発光周波数が光フィルタの動作の中心周波数より低い場合
上り用光フィルタ１２１ａの特性により、通過ポート１２１ａ−ｔから出力される光信号の強度が反射ポート１２１ａ−ｒから出力される光信号の強度より強くなるため、差動型の増幅器１２４ａの動作により、上りオフセット成分が正の極性となる。これにより、下り用送信部１１０ｂの加算器２１３において直流バイアス電流から上りオフセット成分の電流値が加算され、発光素子１１１ｂへの注入電流が増加するため、発光周波数が低くなる。そしてこの場合、下り用光フィルタ１２１ｂの特性により、通過ポート１２１ｂ−ｔから出力される光信号の強度が反射ポート１２１ｂ−ｒから出力される光信号の強度より強くなるため、差動型の増幅器１２４ｂの動作により、下りオフセット成分が正の極性となる。これにより、上り用送信部１１０ａの減算器２１２において直流バイアス電流から上りオフセット成分の電流値が減算され、発光素子１１１ａへの注入電流が減少するため、発光素子１１１ａの発光周波数を高めることができる。このような動作を繰り返すことで、発光周波数が光フィルタの動作の中心周波数に収束するよう制御することができる。

なお、ここでは光フィルタ１２１ａ、１２１ｂの通過ポート１２１ａ−ｔ、１２１ｂ−ｔがローパス、反射ポート１２１ａ−ｒ、１２１ｂ−ｒがハイパスの特性を有すると仮定したが、通過ポートがハイパス、反射ポートがローパスの特性を有する場合にも同様な効果を得ることができる。

以上のような構成及び動作原理により、各発光素子の発光周波数を安定化させることができる。

図６は、本発明の無線信号光ファイバ伝送システム３００の構成例を示すブロック図である。無線信号光ファイバ伝送システム３００は、無線信号光ファイバ伝送システム１００の構成に加え、光ファイバ伝送路５０と並行して設けられたメタリック伝送路６０を介し、無線信号光ファイバ伝送システム１００の送信部１１０側に電源重畳部３１０を、受信部１２０側に電源分離部３２０を更に備える構成である。このような構成をとることで、送信部１１０側から受信部１２０への電源の供給や受信部１２０の制御、動作状態の情報収集を行うことが可能となる。

電源重畳部３１０は、受信部１２０に給電するための電源と受信部１２０の動作状態の情報収集や制御のための監視制御信号とを合成し、電源分離部３２０と通信する。電源分離部３２０は、電源と監視制御信号とを分離し、電源は受信部１２０に給電され、監視制御信号はモニタ回路３３０を介して受信部１２０との間で送受される。モニタ回路３３０は、増幅器１２４の動作状態や２つの受光素子１２２、１２３の動作点などの情報をメタリック伝送路６０で伝送可能なモニタ信号に変換し、また、受信した制御信号で増幅器１２４などを制御する。

図７は、本発明の無線信号光ファイバ伝送システム４００の構成例を示すブロック図である。無線信号光ファイバ伝送システム４００は、無線信号光ファイバ伝送システム２００の構成に加え、光ファイバ伝送路５０ａ、５０ｂと並行して設けられたメタリック伝送路６０を介し、一方の無線信号光ファイバ伝送システム１００の送信部１１０ａ側に電源重畳部３１０を、受信部１２０ａ側に電源分離部３２０を更に備える構成である。このような構成をとることで、送信部１１０ａ側から受信部１２０ａと他方の無線信号光ファイバ伝送システム１００の送信部１１０ｂへの電源の供給や受信部１２０ａの制御、動作状態の情報収集を行うことが可能となる。

電源重畳部３１０は、受信部１２０ａ及び送信部１１０ｂに給電するための電源と受信部１２０ａの動作状態の情報収集や制御のための監視制御信号とを合成し、電源分離部３２０と通信する。電源分離部３２０は、電源と監視制御信号とを分離し、電源は受信部１２０ａと１１０ｂとに給電され、監視制御信号はモニタ回路３３０を介して受信部１２０ａとの間で送受される。モニタ回路３３０は、増幅器１２４ａの動作状態や２つの受光素子１２２ａ、１２３ａの動作点などの情報をメタリック伝送路６０で伝送可能なモニタ信号に変換し、また、受信した制御信号で増幅器１２４ａなどを制御する。なお、ここでは図７の表記に従い、上り用の無線信号光ファイバ伝送システム１００の各構成要素の符号としてａを、下り用の無線信号光ファイバ伝送システム１００の各構成要素の符号としてｂを付して説明したが、上り用と下り用とを読み替えても同様の効果を得ることができる。

５０、５０ａ、５０ｂ 光ファイバ伝送路（ａ：上り用、ｂ：下り用）
６０ メタリック伝送路
１００、２００、３００、４００、５００ 無線信号光ファイバ伝送システム
１１０、１１０ａ、１１０ｂ 送信部（ａ：上り用、ｂ：下り用）
１１１、１１１ａ、１１１ｂ 発光素子（ａ：上り用、ｂ：下り用）
１２０、１２０ａ、１２０ｂ、５２０ 受信部（ａ：上り用、ｂ：下り用）
１２１、１２１ａ、１２１ｂ 光フィルタ（ａ：上り用、ｂ：下り用）
１２２、１２２ａ、１２２ｂ 第１受光素子（ａ：上り用、ｂ：下り用）
１２３、１２３ａ、１２３ｂ 第２受光素子（ａ：上り用、ｂ：下り用）
１２４、１２４ａ、１２４ｂ、５２２ 増幅器（ａ：上り用、ｂ：下り用）
２１２ 減算器 ２１３ 加算器
２２５ａ、２２５ｂ ローパスフィルタ（ａ：上り用、ｂ：下り用）
３１０ 電源重畳部 ３２０ 電源分離部 ３３０ モニタ回路
５２１ 受光素子

Claims (4)

1. 入力された無線信号により変調された光信号を出力する送信部と、光ファイバ伝送路を介して前記光信号を受信して前記無線信号を復調する受信部と、を備える無線信号光ファイバ伝送システムにおいて、
   前記送信部は、発光素子を備え、その直流バイアス電流に前記無線信号を重畳して電流を前記無線信号の振幅に比例して変化させることにより、強度変調成分と周波数変調成分とを含む光信号を出力し、
   前記受信部は、
   入力ポートと、出力ポートとして通過ポートと反射ポートを有し、入力ポートに入力された前記光信号のうち強度変調成分については各出力ポートから互いに同位相同振幅で出力し、周波数変調成分についてはフィルタ透過率の周波数特性により強度変調成分に変換して各出力ポートから互いに１８０度異なる位相で出力する光フィルタと、
   前記通過ポートに接続され、前記光フィルタの出力を電流に変換する第１受光素子と、
   前記反射ポートに接続され、前記光フィルタの出力を電流に変換する第２受光素子と、
   前記第１受光素子の出力電流と前記第２受光素子の出力電流との差をとり、所定の電力に増幅することにより前記無線信号を復調する増幅器と、
   を備える無線信号光ファイバ伝送システム。
2. 請求項１に記載の無線信号光ファイバ伝送システムを２組備え、
   各無線信号光ファイバ伝送システムの受信部はそれぞれ、前記増幅器で復調された前記無線信号のオフセット成分を抽出するローパスフィルタを更に備え、
   一方の無線信号光ファイバ伝送システムの送信部は、当該一方の無線信号光ファイバ伝送システムの発光素子の直流バイアス電流から他方の無線信号光ファイバ伝送システムから出力される前記オフセット成分を減算する減算器を更に備え、当該減算器の出力に前記入力された無線信号を重畳し、
   前記他方の無線信号光ファイバ伝送システムの送信部は、当該他方の無線信号光ファイバ伝送システムの発光素子の直流バイアス電流に前記一方の無線信号光ファイバ伝送システムから出力される前記オフセット成分を加算する加算器を更に備え、当該加算器の出力に前記入力された無線信号を重畳する
   ことを特徴とする無線信号光ファイバ伝送システム。
3. 請求項１に記載の無線信号光ファイバ伝送システムにおいて、
   前記光ファイバ伝送路と並行して設けられたメタリック伝送路を介し、送信部側に電源重畳部を、受信部側に電源分離部を更に備え、
   前記電源重畳部は、前記受信部に給電するための電源と、前記受信部の動作状態の情報収集や制御のための監視制御信号と、を合成して前記電源分離部と通信し、
   前記電源分離部は、前記電源と前記監視制御信号とを分離する
   ことを特徴とする無線信号光ファイバ伝送システム。
4. 請求項２に記載の無線信号光ファイバ伝送システムにおいて、
   前記光ファイバ伝送路と並行して設けられたメタリック伝送路を介し、一方の無線信号光ファイバ伝送システムの送信部側に電源重畳部を、受信部側に電源分離部を更に備え、
   前記電源重畳部は、前記一方の無線信号光ファイバ伝送システムの受信部と他方の無線信号光ファイバ伝送システムの送信部とに給電するための電源と、前記一方の無線信号光ファイバ伝送システムの受信部の動作状態の情報収集や制御のための監視制御信号と、を合成して前記電源分離部と通信し、
   前記電源分離部は、前記電源と前記監視制御信号とを分離する
   ことを特徴とする無線信号光ファイバ伝送システム。

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