專利名稱：毫米波光纖傳輸系統(tǒng)的毫米波產(chǎn)生及調(diào)制系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及毫米波光纖傳輸系統(tǒng)的毫米波光學(xué)生成及調(diào)制系統(tǒng)和方法，在此提出一種新的光學(xué)方法產(chǎn)生毫米波的技術(shù)，在中心站將單頻激光分成兩路，對其進行不同處理后再將兩路信號疊加，通過光纖傳送至基站光電轉(zhuǎn)換后可輸出所需要的毫米波信號；若在中心站對光波進行強度調(diào)制，在基站獲得的毫米波也會得到相同的調(diào)制。
背景技術(shù)：
最近幾年射頻光纖傳輸技術(shù)(RoF，Radio on Fiber)以其融合了光纖傳輸頻帶寬、損耗低、抗干擾強和無線通信覆蓋靈活的優(yōu)點，在寬帶無線接入網(wǎng)、下一代移動通信、多媒體通信等研究領(lǐng)域成為一項非常有吸引力的解決方案。
為了適應(yīng)終端用戶對帶寬日益增長的要求，射頻光纖傳輸系統(tǒng)所用的射頻頻率必然向著頻譜的高端發(fā)展，如針對毫米波頻段的應(yīng)用研究引起了廣泛的關(guān)注。如何實現(xiàn)毫米波在光纖鏈路中的傳輸問題是毫米波光纖傳輸技術(shù)(mmRoF，millimeter-waveRoF)一項重要的研究課題，其中一個研究重點就是如何產(chǎn)生毫米波以及在此基礎(chǔ)上如何實現(xiàn)對毫米波的調(diào)制，到目前為止，國際上已經(jīng)提出多種方案，主要有以下幾種1)光波邊帶調(diào)制(modulation-side-band technique)基帶信號對毫米波調(diào)制，然后用該毫米波直接對光波調(diào)制，到基站后光波兩邊帶差頻得到毫米波，這種方法本身就需要毫米波振蕩器，所以毫米波是靠電的方法產(chǎn)生的。
2)雙模激光器(dual-mode laser)激光器產(chǎn)生兩種頻率，頻率之差正好為毫米波頻率。
3)光調(diào)頻(調(diào)相)結(jié)合光纖色散(FM-modulated laser in conjunction with fiberdispersion)用低頻微波信號對激光器調(diào)頻或光波外調(diào)相，通過色散光纖，將相位變化轉(zhuǎn)化為幅度變化(FM-IM效應(yīng))，幅度變化包含微波信號及其高次分里量，提取高次諧波為毫米波的信號。如果把色散光纖換成梳狀濾波器，就是光學(xué)倍頻法。
4)非線性激光器諧波上變頻(harmonic upconversion in nonlinear lasers)將低頻微波信號加到非線性激光器，激發(fā)出高次諧波，到光探測器差頻得到所需的毫米波，與3)有點類似，但原理上有區(qū)別。
5)多光源技術(shù)(multiple optical source technique)兩光源頻率之差即為毫米頻率，到光探測器差頻即得毫米波。
各種技術(shù)各有千秋，有自己獨特應(yīng)用場合和優(yōu)點，但大多成本較高，系統(tǒng)復(fù)雜，不利于大規(guī)模推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有毫米波生成技術(shù)系統(tǒng)復(fù)雜、成本高昂、維護困難的問題，提出一種實現(xiàn)在此技術(shù)上的信號調(diào)制傳輸。該技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，性能穩(wěn)定，成本低廉，適合于實用產(chǎn)品的開發(fā)推廣。
為達到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種毫米波光纖傳輸系統(tǒng)的毫米波產(chǎn)生及調(diào)制系統(tǒng)，包括中心站(1)、基站(2)和光纖(3)，中心站(1)和基站(2)通過光纖(3)互連，其特征在于在所述的中心站(1)中，激光器(1-1)和一個起偏器(1-2)通過尾纖相連，所述的起偏器(1-2)通過保偏光纖(1-9)與一個光分路器(1-3)輸入端連接，所述的光分路器(1-3)一輸出端與一個光調(diào)相器(1-4)輸入端通過保偏光纖(1-9)相連，有周期信號源(1-5)接入光調(diào)相器(1-4)；光分路器(1-3)另一輸出端通過保偏光纖(1-9)與一個保偏耦合器(1-6)一輸入端連接，光調(diào)相器(1-4)輸出端與保偏耦合器(1-6)另一輸入端相連，所述的保偏耦合器(1-6)輸出端與一個光強度調(diào)制器(1-7)通過保偏光纖(1-9)相連，有調(diào)制信號(1-8)從光強度調(diào)制器(1-7)的電輸入端接入，所述的光強度調(diào)制器(1-7)輸出端通過光纖(3)連接到所述的基站(2)中的光探測器(2-1)光輸入端；在所述的基站中，所述的光探測器(2-1)電輸出端與一個帶通濾波器(2-2)輸入端相連，帶通濾波器(2-2)輸出與一個毫米波放大器(2-3)輸入端連接，毫米波放大器(2-3)輸出端與毫米波發(fā)射天線(2-4)相連。
一種毫米波光纖傳輸系統(tǒng)的毫米波產(chǎn)生方法，采用上述的毫米波光纖傳輸系統(tǒng)的毫米波產(chǎn)生及調(diào)制系統(tǒng)，其特征在于在中心站(1)，將激光器(1-1)輸出的激光分成兩路，一路通過光調(diào)相器(1-4)，周期信號源(1-5)與光調(diào)相器(1-4)相連，該路光波經(jīng)過光調(diào)相器(1-4)后與另一路光波疊加干涉，再將此合成波通過光纖(3)輸送到光探測器(2-1)，光探測器(2-1)電輸出再到毫米波帶通濾波器(2-2)。
一種毫米波光纖傳輸系統(tǒng)的毫米波產(chǎn)生方法，采用上述的毫米波光纖傳輸系統(tǒng)的毫米波產(chǎn)生及調(diào)制系統(tǒng)，其特征在于從保偏耦合器(1-6)出來的疊加光波，經(jīng)過光強調(diào)制器(1-7)，調(diào)制信號(1-8)與光強調(diào)制器(1-7)的電輸入端相連，光強調(diào)制器(1-7)輸出經(jīng)光纖(3)輸送到光探測器(2-1)，光探測器(2-1)電輸出再到毫米波帶通濾波器(2-2)。
以下對本發(fā)明作進一步的說明本方案屬于光調(diào)相(頻)外差技術(shù)，具體實現(xiàn)為如附圖所示，在中心站1，激光器1-1發(fā)出單頻激光到起偏器1-2，產(chǎn)生單一偏振方向，然后到光分路器分為兩路光波，第一路由保偏光纖1-9到光調(diào)相器1-4，周期信號源1-5產(chǎn)生周期信號(可以是正余弦波、鋸齒波、方波等)對光調(diào)相器1-4進行調(diào)相，輸出到保偏耦合器1-6，此調(diào)相光波電場表達式為E1(t)＝Ecexp[jωct+jβφ(t)+jΦPN] (1)其中，Ec為光波電場振幅，ωc為光波的中心角頻率，β為調(diào)相指數(shù)，φ(t)是周期信號源1-5產(chǎn)生的周期信號，ΦPN是激光本身的隨機噪聲。
第二路光波則不做信號處理，直接由保偏光纖1-9到保偏耦合器1-6，其光波電場表達式E2(t)＝Ecexp[jωc(t-Δτ)+jΦPN] (2)其中，Ec為光波電場振幅，ωc為光波的中心角頻率，Δτ是光波分兩路傳輸后的時延差，ΦPN是激光本身的隨機噪聲。
由于兩路光波都進行了保偏處理，偏振方向是一致的，由保偏耦合器1-6疊加后合成光波電場為E3(t)＝E1(t)+E2(t)＝Ecexp[jωct+jβφ(t)+jΦPN]+Ecexp[jωc(t-Δτ)+jΦPN] (3)此合成光波送到強度調(diào)制器1-7，調(diào)制信號1-8對光波E3(t)進行調(diào)制，調(diào)制后光波信號表達式Eout(t)=EckM(t){exp[jωct+jβφ(t)+jΦPN]+exp[jωc(t-Δτ)+jΦPN]}---(4)]]>式中k為調(diào)制指數(shù)，M(t)為調(diào)制信號，此信號可以是基帶信號，也可以是已經(jīng)調(diào)制了基帶信息的微波信號。
調(diào)制好的光波由光纖3傳輸?shù)交?，光探測器2-1檢測光強度，形成光電流Id(t)，表達式(式中R、K是比例系數(shù))如下Id(t)=12REout(t)Eout(t)*]]>=12REckM(t){exp[jωct+jβφ(t)+jΦPN]+exp[jωc(t-Δτ)+jΦPN]}]]>×EckM(t){exp[-jωct-jβφ(t)-jΦPN]+exp[-jωc(t-Δτ)-jΦPN]}]]>=12kREc2M(t){1+1+2cos[βφ(t)+ωcΔτ]}]]>=KM(t){1+cos[βφ(t)+ωcΔτ]}]]>=KM(t){1+cos(ωcΔτ)cos[βφ(t)]-sin(ωcΔτ)sin[βφ(t)]---(5)]]>可見光電流里沒有光相位噪聲ΦPN，兩路光同源，差頻后相位噪聲已抵消，由此避免了光相位噪聲對信號的影響。φ(t)可以是正余弦、方波、鋸齒波等各種周期性信號波形，都可以用于產(chǎn)生毫米波，為了說明問題方便，我們這里選余弦波進行公式推導(dǎo)，即φ(t)＝cos(ωst)，ωs為角頻率。
Id(t)＝KM(t){1+cos(ωcΔτ)cos[βcos(ωst)]-sin(ωcΔτ)sin[βcos(ωst)]} (6)將其進行貝塞爾展開有Id(t)=KM(t){1+cos(ωcΔτ)J0(β)+2cos(ωcΔτ)Σn=1∞(-1)nJ2n(β)cos(2nωst)]]>-2sin(ωcΔτ)Σn=1∞(-1)n-1J2n-1(β)cos[(2n-1)ωst]}---(7)]]>由式(7)看到，輸出光電流信號由一系列諧波分量組成，這些分量頻率間隔為ωs，包含有奇次諧波和偶次諧波KM(t){2cos(ωcΔτ)Σn=1∞(-1)nJ2n(β)cos(2nωst)}]]>是偶次分量KM(t){-2sin(ωcΔτ)Σn=1∞(-1)n-1J2n-1(β)cos[(2n-1)ωst]}]]>是奇次分量只要取出適當(dāng)?shù)母叽沃C波分量，就可以得到我們需要的毫米波，比如當(dāng)周期信號源1-5輸出頻率fs＝5GHZ(ωs＝2πfs＝2π×5GHZ)，要產(chǎn)生60GHZ的毫米波，只要用帶通濾波器2-2取出12次諧波即可。
我們可以控制兩路光的光程使它們的時延差為0或很接近0，即Δτ→0，sin(ωcΔτ)→0而cos(ωcΔτ)→1，這樣就可以消除奇次分量，只有偶次分量并且使偶次分量最大(cos(ωcΔτ)＝1)，使能量更為集中；假如我們要的是2N次諧波，取出該項如下F2N(t)＝2KM(t)J2N(β)cos(2Nωst)(8)我們還可選取適當(dāng)?shù)恼{(diào)相指數(shù)β使J2N(β)最大，即使需要的毫米波幅度最大。得到的毫米波已經(jīng)調(diào)制了信號M(t)，如果將強度調(diào)制器1-7去掉，保偏耦合器直接連光纖3，或不加調(diào)制信號，只加直流偏置，則M(t)＝1，得到的將是未經(jīng)調(diào)制的純凈毫米波。
另外，在具體實現(xiàn)系統(tǒng)的時候一定要保證兩路光的偏振方向的一致性，這樣可使疊加后形成最佳干涉，否則光探測器2-1光電流有用信號輸出衰減甚至變?yōu)?。
由此本方案實現(xiàn)了毫米波的產(chǎn)生和基于此生成技術(shù)的信息調(diào)制。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有以下突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點(1)本發(fā)明使用普通低頻微波源和光子技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生毫米波，與直接用毫米波本振源對光調(diào)制的RoF傳輸系統(tǒng)相比，無需價格昂貴的毫米波振蕩器和電吸收調(diào)制器(EAM)，實現(xiàn)真正意義上的利用微波和光通信技術(shù)產(chǎn)生毫米波的低成本實用mmRoF方案。(2)與傳統(tǒng)光學(xué)倍乘法相比，省掉了梳狀濾波器(Mach-Zenhnder干涉器或Fabry-Perot濾波器等)，核心架構(gòu)只需一個光調(diào)相器和少許保偏無源光器件，大大減少了系統(tǒng)成本和結(jié)構(gòu)，并且提高了穩(wěn)定性(3)與采用雙模激光器和雙光源生成毫米波技術(shù)相比，本發(fā)明只需一個普通單頻激光器，節(jié)約了成本，避免了光相位噪聲的影響(4)只要控制兩路光波的光程相等使其產(chǎn)生時延差為0時，奇次諧波將徹底消除而與光頻率無關(guān)，無需調(diào)整光頻率就可以使諧波更少，頻譜能量更集中，有利于提高有用毫米波的信噪比和系統(tǒng)性能，使系統(tǒng)維護更容易(5)本發(fā)明調(diào)制技術(shù)方便靈活，加到光強度調(diào)制器1-7的調(diào)制信號1-8可以是直接的數(shù)字基帶信號，也可以是幾路已經(jīng)調(diào)制了信息的微波信號(比如兩個載頻為2.4GHZ、2.6GHZ的QPSK信號)，進而實現(xiàn)子載波復(fù)用(6)本發(fā)明結(jié)構(gòu)巧妙簡單，成本低廉，使毫米波的生成技術(shù)進一步走向?qū)嵱没?br>

圖1是毫米波光纖傳輸系統(tǒng)的毫米波產(chǎn)生及調(diào)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例是一個應(yīng)用于60GHz RoF系統(tǒng)的下行傳輸系統(tǒng)參見圖1，本毫米波光纖傳輸系統(tǒng)的毫米波產(chǎn)生及調(diào)整系統(tǒng)由中心站1、基站2和連接它們的光纖3組成。在所述的中心站1中，激光器1-1和一個起偏器1-2通過尾纖相連，所述的起偏器1-2通過保偏光纖1-9與一個光分路器1-3輸入端連接，所述的光分路器1-3一輸出端與一個光調(diào)相器1-4輸入端通過保偏光纖1-9相連，有周期信號源1-5接入光調(diào)相器1-4；光分路器1-3另一輸出端通過保偏光纖1-9與一個保偏耦合器1-6一輸入端連接，光調(diào)相器1-4輸出端與保偏耦合器1-6另一輸入端相連，所述的保偏耦合器1-6輸出端與一個光強度調(diào)制器1-7通過保偏光纖1-9相連，有調(diào)制信號1-8從光強度調(diào)制器1-7的電輸入端接入，所述的光強度調(diào)制器1-7輸出端通過光纖3連接到所述的基站2中的光探測器2-1光輸入端；在所述的基站中，所述的光探測器2-1電輸出端與一個帶通濾波器2-2輸入端相連，帶通濾波器2-2輸出與一個毫米波放大器2-3輸入端連接，毫米波放大器2-3輸出端與毫米波發(fā)射天線2-4相連。
毫米波的生成和調(diào)制過程為在中心站1的發(fā)送端，用作光源的半導(dǎo)體激光器1-1工作在1550nm波長，線寬10MHz，功率10mW。周期信號源1-5產(chǎn)生頻率為fs＝5GHZ的余弦波驅(qū)動光調(diào)相器1-4，調(diào)相指數(shù)β＝13.8，則從分光器1-3出來的第一路光波被調(diào)相后到保偏耦合器1-6的電場表達式為E1(t)＝Ecexp[jωct+jβcosωst+jΦPN]其中，Ec為光波電場振幅，ωc為光波的中心角頻率，β為調(diào)相指數(shù)，ωs是周期信號源1-5產(chǎn)生的余弦信號的角頻率，ωs＝2πfs＝2π×5GHZ，ΦPN是激光本身的隨機噪聲。
已經(jīng)控制好了兩路光波的光程差為0，則Δτ＝0，而第二路到保偏耦合器后的光波電場表達式E2(t)＝Ecexp[jωct+jΦPN]兩個光波偏振方向經(jīng)過偏振控制，是一致的，所以合成光波為E3(t)＝E1(t)+E2(t)＝Ecexp[jωct+jβcosωst+jΦPN]+Ecexp[jωct+jΦPN]
如果該合成光波E3(t)不經(jīng)過光強度調(diào)制器1-7，直接通過光纖3到基站，光探測器2-1輸出光電流Id(t)=K{1+J0(β)+2Σn=1∞(-1)nJ2n(β)cos(2nωst)]]>12次諧波為所要的60GHZ毫米波，用中心頻率為60GHZ通帶為400MHZ的帶通濾波器2-2后取出該諧波，得到信號如下KJ12(13.8)cos(12ωst)＝0.2858Kcos(2π×60×109t)可見獲得的就是所要產(chǎn)生的60GHZ毫米波。
如果合成光波E3(t)經(jīng)過光強度調(diào)制器1-7調(diào)制，調(diào)制信號1-8為M(t)速率為100Mbps的數(shù)字基帶信號，則調(diào)制后輸出信號Eout(t)=EckM(t){exp[jωct+jβcosωst+jΦPN]+exp[jωct+jΦPN]}]]>光信號經(jīng)過光纖3傳輸?shù)交镜墓馓綔y器2-1，產(chǎn)生光電流Id(t)Id(t)=KM(t){1+J0(β)+2Σn=1∞(-1)nJ2n(β)cos(2nωst)]]>12次諧波為所要的60GHZ毫米波，經(jīng)過中心頻率為60GHZ通帶為400MHZ的帶通濾波器2-2后取出該諧波，得到信號如下(K1為幅度常數(shù))K1M(t)J12(13.8)cos(12ωst)＝0.2858K1M(t)cos(2π×60×109t)可見，不僅產(chǎn)生了60GHZ毫米波，還實現(xiàn)了100Mbps數(shù)字基帶調(diào)制信號1-8M(t)對60GHZ毫米波的AM調(diào)制，再把此毫米波信號經(jīng)過毫米波放大器2-3放大，用毫米波發(fā)射天線2-4發(fā)射出去，這樣就完成了60GHZ RoF傳輸系統(tǒng)的下行鏈路信息調(diào)制傳輸?shù)墓δ堋?br> 權(quán)利要求
1.一種毫米波光纖傳輸系統(tǒng)的毫米波產(chǎn)生及調(diào)制系統(tǒng)，包括中心站(1)、基站(2)和光纖(3)，中心站(1)和基站(2)通過光纖(3)互連，其特征在于在所述的中心站(1)中，激光器(1-1)和一個起偏器(1-2)通過尾纖相連，所述的起偏器(1-2)通過保偏光纖(1-9)與一個光分路器(1-3)輸入端連接，所述的光分路器(1-3)一輸出端與一個光調(diào)相器(1-4)輸入端通過保偏光纖(1-9)相連，有周期信號源(1-5)接入光調(diào)相器(1-4)；光分路器(1-3)另一輸出端通過保偏光纖(1-9)與一個保偏耦合器(1-6)一輸入端連接，光調(diào)相器(1-4)輸出端與保偏耦合器(1-6)另一輸入端相連，所述的保偏耦合器(1-6)輸出端與一個光強度調(diào)制器(1-7)通過保偏光纖(1-9)相連，有調(diào)制信號(1-8)從光強度調(diào)制器(1-7)的電輸入端接入，所述的光強度調(diào)制器(1-7)輸出端通過光纖(3)連接到所述的基站(2)中的光探測器(2-1)光輸入端；在所述的基站中，所述的光探測器(2-1)電輸出端與一個帶通濾波器(2-2)輸入端相連，帶通濾波器(2-2)輸出與一個毫米波放大器(2-3)輸入端連接，毫米波放大器(2-3)輸出端與毫米波發(fā)射天線(2-4)相連。
2.一種毫米波光纖傳輸系統(tǒng)的毫米波產(chǎn)生方法，采用根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米波光纖傳輸系統(tǒng)的毫米波產(chǎn)生及調(diào)制系統(tǒng)，其特征在于在中心站(1)，將激光器(1-1)輸出的激光分成兩路，一路通過光調(diào)相器(1-4)，周期信號源(1-5)與光調(diào)相器(1-4)相連，該路光波經(jīng)過光調(diào)相器(1-4)后與另一路光波疊加干涉，再將此合成波通過光纖(3)輸送到光探測器(2-1)，光探測器(2-1)電輸出再到毫米波帶通濾波器(2-2)。
3.一種毫米波光纖傳輸系統(tǒng)的毫米波產(chǎn)生方法，采用根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米波光纖傳輸系統(tǒng)的毫米波產(chǎn)生及調(diào)制系統(tǒng)，其特征在于從保偏耦合器(1-6)出來的疊加光波，經(jīng)過光強調(diào)制器(1-7)，調(diào)制信號(1-8)與光強調(diào)制器(1-7)的電輸入端相連，光強調(diào)制器(1-7)輸出經(jīng)光纖(3)輸送到光探測器(2-1)，光探測器(2-1)電輸出再到毫米波帶通濾波器(2-2)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種毫米波光纖傳輸系統(tǒng)的毫米波產(chǎn)生及調(diào)制系統(tǒng)和方法。在本系統(tǒng)中，中心站將單頻激光分成兩路，對其中一路光波用低頻周期性微波信號進行相位調(diào)制，另一路則不做任何信號處理，然后再把兩路光波疊加干涉，通過光纖傳輸至基站用光探測器檢測產(chǎn)生光電流，該電流信號里包含了低頻微波信號的各次諧波，用帶通濾波器取出高次諧波為所要的毫米波信號，即實現(xiàn)毫米波的光學(xué)產(chǎn)生；若在中心站對疊加干涉后的光波進行光強度調(diào)制，在基站不僅會生成毫米波信號，而且會獲得已調(diào)制了信息的毫米波，從而實現(xiàn)信息從中心站到基站的調(diào)制傳輸。本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，成本低廉，性能穩(wěn)定，適合開發(fā)應(yīng)用。
文檔編號G02B6/26GK101079670SQ200710042768
公開日2007年11月28日 申請日期2007年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月26日
發(fā)明者朱美偉, 林如儉, 葉家駿, 修明磊 申請人:上海大學(xué)