TWI513206B - 一混合有線電視/１６－正交振幅調變之正交分頻多工訊號實現可見雷射光光通訊系統 - Google Patents

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一混合有線電視訊號/16-正交振幅調變之正交分頻多工訊號實現可見雷射光光通訊系統
本發明為光通訊技術領域，而本發明是以新穎的的可見雷射光光通訊為主體，並以近年來備受矚目的正交分頻多工方式進行資料調變並混合一有線電視訊號調變同時傳輸的系統架構。
在可見光LED無線通訊應用與紅外光通訊應用，唯獨尚未看到有任何國內外研究團隊針對可見光雷射光作為光源系統應用於室內短距離無線通訊系統做一深入之研究與探討。利用可見光通信(VLC)波長介於375-780nm間的雷射二極體(Laser Diode；LD)的可見光來作為通訊媒介來取代無線電波(Radio Frequency；RF)傳輸資料的無線網路，便可以達到在室內傳輸高速無線光通訊技術的新突破。
可見雷射光光通訊(VLLC)是將670nm-685nm波長範圍內的可見雷射光以自由空間為介質。VLLC已經吸引了大量的注意並被視為室內無線通信的後起之秀，因為此系統比起傳統的射頻系統提供了更多優點。垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)具有高調變頻寬的特性，已被證明在自由空間可見雷射光光通訊系統是極有潛力的。此可見雷射光 光通訊系統中，混合一有線電視(CATV)訊號與一16-正交振幅調變之正交分頻多工(16-QAM-OFDM)訊號直接調變一垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)傳輸超過5公尺之自由空間的VLLC系統已被提出並證明。
201‧‧‧產生OFDM之程式碼(Generated offline MATLAB program)
202‧‧‧任意波形產生器(Arbitrary Wavelength Generator AWG)
203‧‧‧多頻道訊號產生器(Multiple signal generator)
204‧‧‧2對1射頻耦合器(2×1 RF combiner)
205‧‧‧垂直共振腔面射型雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser VCSEL)
206 207‧‧‧平-凸透鏡(Plane-Convex lens)
208‧‧‧光電檢測器(Photodiode PD)
209‧‧‧1對2射頻分離器(1×2 RF Splitter)
210‧‧‧射頻低通濾波器(RF Low Pass Filter RF LPF)
211‧‧‧推挽系統(Push-Pull scheme)
212‧‧‧有線電視分析儀(CATV analyzer)
213‧‧‧射頻高通濾波器(RF High Pass Filter RF HPF)
214‧‧‧等化器(Equalizer)
215‧‧‧低雜訊放大器(Low Noise Amplifier LNA)
216‧‧‧通信信號分析儀(Communication signal analyzer CSA)
217‧‧‧分析OFDM之程式碼(Processed offline MATLAB program)
圖一 ：「利用分波多工器所構成傳輸10公尺及500Mbps的可見光傳輸系統」之先前技術架構圖；圖二 ：是本發明所提出混合有線電視(CATV)/16-正交振幅調變之正交分頻多工(16-QAM-OFDM)調變訊號實驗架構圖；圖三 ：此圖為混合有線電視(CATV)/16-正交振幅調變之正交分頻多工(16-QAM-OFDM)調變訊號同時傳輸時所測得有線電視訊號品質之重要參數CNR/CSO/CTB；圖四 ：此圖為混合有線電視(CATV)/16-正交振幅調變之正交分頻多工(16-QAM-OFDM)調變訊號同時傳輸時所測得16-正交振幅調變之正交分頻多工訊號之誤碼率曲線與對應之星座圖。
 實施例一：先前技術
如圖1可見光通訊系統架構是採用紅色雷射筆雷射103和綠色雷射筆雷射102並且直接調變資料信號，而後透過一個10公尺的自由空間傳輸，如圖1所示。雷射筆雷射的規格表示為“波長/顏色/功率”分別是671nm/紅色/5mW和532nm/綠色/5mW。此外還利用由Tektronix任意波行產生器(Arbitrary Wavelength Generation,AWG)101產生一組210 -1的500Mbps偽隨機二進制序列(Pseudorandom Binary Sequence,PRBS) 透過1×2電分歧器102分別對紅色雷射筆雷射及綠色雷射筆雷射進行直接調變。
調變後的紅光與綠光經由傳輸10公尺後達到PIN光檢測器(PIN-Photodiode,PIN-PD)105、106。PIN-PD的檢測波長範圍為350-1100nm而響應度為0.65mA/mW。然後接收的信號經由放大率約4.5dB的低雜訊前置放大器(Pre Amplifier)107、108進行放大。接著透過自適應濾波器(Adaptive Filter)109、110執行錯誤的更正，在來由2組500Mbps的資料信號經由2×1多工器(Multiplexer)111將其結合，最後將資料信號傳送到誤碼率檢測器(Bits Error Rate Tester,BERT)112對誤碼率做分析和眼圖的評估。
實施例二：本發明
如圖2我們採用一個垂直共振腔面射型雷射VCSEL被調變一混合有線電視(CATV)/16-正交振幅調變之正交分頻多工(16-QAM-OFDM)超過5公尺的自由空間連結之可見雷射光光通訊(VLLC)系統的實驗配置示於圖2。總共77個載波(通道2~78)從多頻道訊號產生器(Matrix SX-16)被產生用於模擬有線電視(CATV)訊號。一16-正交振幅調變之正交分頻多工(16-QAM-OFDM)訊號(傳輸容量10Gbps/中心頻率5GHz)由MATLAB軟體執行調變之程式碼並置入任意波形產生器(AWG)。該16-QAM-OFDM訊號參數分別為128個子載波，FFT為512，取樣率為10GS/s和5GHz中心頻率(IF)。
將有線電視(CATV)訊號和16-正交振幅調變之正交分頻多工 (16-QAM-OFDM)訊號合併藉由一2對1射頻耦合器，而此射頻耦合器可用的頻段範圍由0.05GHz-6GHz。垂直共振腔面射型雷射VCSEL的資料分別為可調變頻寬5.2GHz/雷射光波段678-680nm/顏色紅色。從垂直共振腔面射型雷射VCSEL發射之後，光發散後進入第一個凸透鏡產生平行光，在自由空間中傳輸後，送入第二個凸透鏡，並且匯聚成光點後進入一光電檢測器(PD)。光電檢測器(PD)的檢測波長範圍為320nm-1000nm/0.4mm的接收區域直徑/響應度為0.43mA/mW(波長為680nm時)。利用一1對2射頻分離器將PD檢測後的訊號分為兩路，並傳送至兩個獨立的射頻濾波器。
其中一路的訊號通過一頻寬為0.05GHz-1GHz的射頻低通濾波器(LPF)傳遞。經過射頻低通濾波器後，訊號被送入一推挽系統消除失真，並送入HP-8591C有線電視分析儀CNR/CSO/CTB性能分析。另一路的訊號通過一頻寬為2GHz-6GHz的射頻高通濾波器(HPF)傳遞。經由射頻高通濾波器後進入等化器將訊號優化後，並通過一雜訊指數為3.8dB的低雜訊放大器(LNA)。最後16-正交振幅調變之正交分頻多工(16-QAM-OFDM)訊號進入通信信號分析儀(CSA)，並由通信信號分析儀(CSA)擷取資料，在經由MATLAB軟體執行解調之程式碼來評估的誤碼率性能和相應的星座圖。
201‧‧‧產生OFDM之程式碼(Generated offline MATLAB program)
202‧‧‧任意波形產生器(Arbitrary Wavelength Generator AWG)
203‧‧‧多頻道訊號產生器(Multiple signal generator)
204‧‧‧2對1射頻耦合器(2×1 RF combiner)
205‧‧‧垂直共振腔面射型雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser VCSEL)
206 207‧‧‧平-凸透鏡(Plane-Convex lens)
208‧‧‧光電檢測器(Photodiode PD)
209‧‧‧1對2射頻分離器(1×2 RF Splitter)
210‧‧‧射頻低通濾波器(RF Low Pass Filter RF LPF)
211‧‧‧推挽系統(Push-Pull scheme)
212‧‧‧有線電視分析儀(CATV analyzer)
213‧‧‧射頻高通濾波器(RF High Pass Filter RF HPF)
214‧‧‧等化器(Equalizer)
215‧‧‧低雜訊放大器(Low Noise Amplifier LNA)
216‧‧‧通信信號分析儀(Communication signal analyzer CSA)
217‧‧‧分析OFDM之程式碼(Processed offline MATLAB program)

Claims (4)

  1. 一混合有線電視(CATV)訊號/16-正交振幅調變之正交分頻多工(16-QAM-OFDM)訊號實現可見雷射光光通訊系統，包含：一產生OFDM之程式碼；一任意波形產生器，產生OFDM訊號；一多頻道訊號產生器；一射頻耦合器，電連接於意波形產生器及多頻道訊號產生器；一垂直共振腔面射型雷射，電連接於射頻耦合器，將資料載入雷射；二透鏡，第一透鏡產生平行光束，第二透鏡聚焦平行光束；一光電檢測器，接收聚焦平行光束；一射頻分離器，電連接於光電檢測器；一射頻低通濾波器，電連接於射頻分離器；一有線電視分析儀，電連接於射頻低通濾波器；一射頻高通濾波器，電連接於射頻分離器；一通信信號分析儀，電接於射頻高通濾波器；一分析OFDM之程式碼，進行誤碼率的量測與星座圖的分析。
  2. 如請求項1所述之一混合有線電視(CATV)訊號/16-正交振幅調變之正交分頻多工(16-QAM-OFDM)訊號實現可見雷射光光通訊系統，更包含一推挽系統，電接於射頻低通濾波器與有線電視分析儀之間，降低高階雜訊的失真。
  3. 如請求項1所述之一混合有線電視(CATV)訊號/16-正交振幅調變之正交分頻多工(16-QAM-OFDM)訊號實現可見雷射光光通訊系統，更包含一等化器，電連接於射頻高通濾波器與通信信號分析儀之間。
  4. 如請求項1所述之一混合有線電視(CATV)訊號/16-正交振幅調變之正交分頻多工(16-QAM-OFDM)訊號實現可見雷射光光通訊系統，更包含一低雜訊放大器，電連接於等化器與通信信號分析儀之間，提高輸出功率與抑制雜訊功率。
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H. Tsuda et al, "Analog and Digital Optical Pulse Synthesizers Using Arrayed-Waveguide Gratings for High-Speed Optical Signal Processing," Journal of Lightwave Technology, VOL. 26, NO. 6, Mar. 2008, pp.670-677 *
Heng-Sheng Su et al, "Hybrid CATV and 16-QAM OFDM to the Home Device Networks," 2011 Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO), 2011, pp.1-2 *
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