專利名稱：經(jīng)改進(jìn)的光纖gps鏈路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)一般涉及用于通過多模光纖傳輸全球定位系統(tǒng)(GPS)信號(hào)的裝置、系統(tǒng)以 及方法。
背景技術(shù)：
全球定位系統(tǒng)(GPS)接收器的某些應(yīng)用要求將接收器置于離天線一千英尺或更 遠(yuǎn)。一種此類應(yīng)用是將GPS定時(shí)接收器用于電話網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間同步和頻率控制。GPS定時(shí) 接收器的這種應(yīng)用可能要求將天線放置在辦公大樓頂上，并通過該大樓將同軸電纜布線至 GPS接收器所在的電話網(wǎng)絡(luò)控制室。標(biāo)準(zhǔn)低成本同軸電纜在1. 57542GHz下每100英尺的損 耗將在IOdB與30dB之間。眾所周知，同軸電纜中的損耗隨著頻率增大。例如，在Buchsbaum 的實(shí)用電子手冊(cè)中列出的RG58C同軸電纜在IOMHz下具有每100英尺1. 6dB的損耗，在IGHz 下具有每100英尺24dB的損耗。以前已按照至少三種方法來處理同軸電纜損耗。第一種方法涉及在天線處放置具有足夠增益的低噪聲放大器(LNA)來解決電纜 損耗。然而在GPS頻率下，這種方法僅對(duì)長(zhǎng)達(dá)約200英尺的電纜有用。第二種方法利用低噪聲區(qū)塊(LNB)在天線處降頻至較低頻率，并將該信號(hào)以較低 頻率通過同軸電纜傳輸至設(shè)計(jì)成接收該較低頻率的接收器。這種方法不適用于設(shè)計(jì)成接收 1. 57542GHz信號(hào)的GPS接收器。重新設(shè)計(jì)GPS接收器以接受較低頻率信號(hào)也不是成本高效 的解決方案。第三種方法尋求通過在天線處使用降頻轉(zhuǎn)換器部分和在接收器處使用升頻轉(zhuǎn)換 器部分以將信號(hào)轉(zhuǎn)換回天線處接收的原始頻率的第三種方法來處理同軸電纜損耗，如發(fā)明 人和轉(zhuǎn)讓情況與本發(fā)明相同的美國(guó)專利5，999，795所述，該專利通過引用整體結(jié)合于此。 概言之，本發(fā)明防止引入頻率誤差，基準(zhǔn)信號(hào)沿電纜傳輸并在升頻轉(zhuǎn)換和降頻轉(zhuǎn)換過程中 使用。因此，所接收的頻率過高而不能沿電纜長(zhǎng)度以幾乎感受不到的幅值損耗傳輸?shù)男盘?hào) 被降頻轉(zhuǎn)換至較低頻率。該降頻轉(zhuǎn)換過程包括混合所接收的信號(hào)與本機(jī)振蕩器信號(hào)以產(chǎn) 生中間頻率。該中間頻率沿電纜長(zhǎng)度向下傳輸。該中間頻率被選擇成比所接收的信號(hào)的頻 率低得多。因?yàn)檠仉娎|的信號(hào)衰減隨著頻率降低而減少，所以較低頻率的中間信號(hào)相比所 接收的較高頻率信號(hào)而言將經(jīng)歷更少損耗。在電纜的另一端，該中間信號(hào)被升頻轉(zhuǎn)換至較 高頻率的輸出信號(hào)。升頻轉(zhuǎn)換過程通過將中間信號(hào)與本機(jī)振蕩器信號(hào)混合來完成。升頻 轉(zhuǎn)換器和降頻轉(zhuǎn)換器二者中的本機(jī)振蕩器信號(hào)由同一基準(zhǔn)信號(hào)派生。對(duì)于GPS應(yīng)用，頻率 為1. 57542GHz的GPS信號(hào)由天線接收并進(jìn)入轉(zhuǎn)換器，在該轉(zhuǎn)換器中從1. 6368GHz中減去 該信號(hào)以產(chǎn)生61. 38MHz的中間頻率。該中間頻率被放大并進(jìn)入雙工器。該雙工器是隔離 61. 38MHz中間頻率和16. 368MHz基準(zhǔn)頻率、從而允許同軸電纜同時(shí)傳輸兩個(gè)信號(hào)的雙向功 率分配器和濾波器的裝置。該中間頻率在同軸電纜的接收端上到達(dá)雙工器處，并被引導(dǎo)至轉(zhuǎn)換器，在該轉(zhuǎn)換器中其與1. 6368GHz本機(jī)振蕩器(LO)信號(hào)混合以再現(xiàn)1. 57542GHz的信 號(hào)。該轉(zhuǎn)換器的輸出然后被濾波并衰減至代表具有30dB增益的有源GPS天線所接收的信號(hào) 的信號(hào)電平。連接至升頻轉(zhuǎn)換器的輸出端的GPS接收器將該信號(hào)視為連接至標(biāo)準(zhǔn)有源GPS 天線。這是可行的解決方案，但太復(fù)雜而不允許向同一電纜或光纖中添加其它頻率。此外，現(xiàn)在使用的射頻光纖鏈路呈現(xiàn)為需要高動(dòng)態(tài)范圍。這些設(shè)備所基于的設(shè)想 是通用鏈路將經(jīng)歷在60dB或以上的動(dòng)態(tài)范圍，從而意味著從約OdBm到-60dBm的信號(hào)功率 范圍。堅(jiān)持這一設(shè)想使現(xiàn)有設(shè)備非常昂貴。該開銷部分來自與極低噪聲線性調(diào)制器和檢測(cè) 器相關(guān)聯(lián)的成本。因此，仍存在對(duì)用于在長(zhǎng)達(dá)例如2000英尺或更長(zhǎng)的光纖電纜長(zhǎng)度向GPS接收器傳 輸Ll (1575. 42MHz)和/或L2 (1227. 6MHz)頻率以及800MHz與1800MHz之間的任何頻率的 GPS信號(hào)的廉價(jià)方法和裝置的需求。

發(fā)明內(nèi)容
一種光纖GPS信號(hào)設(shè)備和方法包括VCSEL多模發(fā)射器，該VCSEL多模發(fā)射器的增 益與GPS天線增益一起大于VCSEL多模發(fā)射器噪聲。當(dāng)經(jīng)由長(zhǎng)達(dá)2000英尺或更長(zhǎng)的多模光 纖與光纖接收器進(jìn)行有效通信時(shí)，這些GPS信號(hào)以Ll和L2等頻率在多模光纖的長(zhǎng)度上以 最小降級(jí)傳輸。本發(fā)明可用于需要長(zhǎng)電纜布線的多種GPS傳輸應(yīng)用。例如，當(dāng)GPS天線位 于辦公大樓或蜂窩電話發(fā)射塔頂上并遠(yuǎn)離GPS接收器、且用于高容量商用電話同步(DTMF) 應(yīng)用時(shí)，本發(fā)明尤其有用。當(dāng)結(jié)合附圖和權(quán)利要求閱讀對(duì)本發(fā)明的以下詳細(xì)描述時(shí)，上述發(fā)明內(nèi)容對(duì)本鄰域 技術(shù)人員將顯而易見。在整個(gè)附圖中，相同的標(biāo)記指示相似或相同的部分。附圖簡(jiǎn)述

圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)級(jí)示圖。發(fā)明詳細(xì)描述參照附圖，提供了用于在長(zhǎng)達(dá)例如2000英尺或更長(zhǎng)的光纖電纜長(zhǎng)度向GPS接收器 傳輸Ll (1575. 42MHz)和/或L2 (1227. 6MHz)頻率以及800MHz與1800MHz之間的任何頻率 的GPS信號(hào)的方法和裝置。如上簡(jiǎn)述地，GPS信號(hào)不具有高動(dòng)態(tài)范圍。換言之，GPS信號(hào)小，例如為_120dBm 到-130dBm，而且不會(huì)變化超過約12dB。這部分是因?yàn)樗邢嚓P(guān)衛(wèi)星都在12，500英里的 高度處繞軌道旋轉(zhuǎn)，且具有相同的信號(hào)強(qiáng)度以及離位于地球上的GPS接收器幾乎相等的距 離。這些信號(hào)強(qiáng)度變化主要是因?yàn)镚PS鏈路的接收器端處的天線拍達(dá)聲(patter)。良好 的GPS接收天線具有超過在10度的仰角上的半球接收拍達(dá)聲約6dB的信號(hào)電平變化的拍 達(dá)聲。由GPS信號(hào)通過空氣傳播引起的損耗導(dǎo)致約另一 6dB的信號(hào)損耗。因此，GPS信號(hào) 要求約12dB的動(dòng)態(tài)范圍。GPS信號(hào)的約12dB的這種非常小的動(dòng)態(tài)范圍允許引入和使用本發(fā)明中的廉價(jià)垂 直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)光纖兼容發(fā)射器來提供諸如電話網(wǎng)絡(luò)中的高容量時(shí)間同步和 頻率控制之類的低成本GPS光纖鏈路應(yīng)用。本發(fā)明中所采用的VCSEL多模發(fā)射器是本領(lǐng)域中已知的，且當(dāng)前可從諸如 Honeywell和Vitesse之類的銷售商處買到。這樣的VCSEL多模發(fā)射器包括激光器，該激光器設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)低成本多模光纖且能在850nm波長(zhǎng)下線性調(diào)制至2. 5GHz，即可見紅光光 譜的低端。一般而言，相比于具有低至IdB噪聲系數(shù)的低噪聲放大器，VCSEL發(fā)射器在50dB 的噪聲系數(shù)下具有糟糕的噪聲性能。此外，此類VCSEL發(fā)射器包括低溫工作方面的限制，即 它們必須在等于或高于9°C下才能正常工作。由于這些性能問題，VCSEL發(fā)射器不是GPS信 號(hào)發(fā)射的必然選擇。此外，多模光纖包括在小于IGHz下指定的帶寬。因此，多模光纖顯現(xiàn)為不適用于 長(zhǎng)達(dá)2000英尺或更長(zhǎng)的長(zhǎng)距離上的當(dāng)前包括Ll (1575. 42MHz)和L2 (1227. 6MHz)頻率的 GPS信號(hào)。因?yàn)槎嗄９饫w帶寬針對(duì)由多個(gè)1和0組成的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)指定，而且該多模光纖包括 不同的調(diào)制頻率，所以這些波形隨著光纖長(zhǎng)度增加可能會(huì)失真。這些因素等綜合在一起致 使多模光纖不成為GPS信號(hào)傳輸?shù)谋厝贿x擇。然而，我們已經(jīng)確定延遲失真沒有使相對(duì)窄帶的GPS信號(hào)降級(jí)。針對(duì)GPS衛(wèi)星構(gòu) 想了若干其它GPS頻率，本發(fā)明能夠?qū)?00MHz與1. 8GHz之間的任何頻率尋址。此外，我們 已經(jīng)通過增益抑制了 VCSEL發(fā)射器的約50dB噪聲。具體參照?qǐng)D1，提供了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例10。因此，如本領(lǐng)域所周知地，提供了 GPS天線20。這樣的GPS天線20能接收極低電平的GPS信號(hào)(_120dBm到_130dBm)，且具 有26dB的標(biāo)準(zhǔn)增益。該GPS天線20被示為通過標(biāo)準(zhǔn)的50 Ω同軸電纜60有效地連接至光 纖發(fā)射器50。該光纖發(fā)射器50包括未示出但本領(lǐng)域公知的VCSEL多模發(fā)射器。該VCSEL 多模發(fā)射器包括便于GPS信號(hào)發(fā)射的激光器。該VCSEL多模發(fā)射器經(jīng)由本領(lǐng)域公知的標(biāo)準(zhǔn) 電纜布線40與電源30有效連接。而包括VCSEL多模發(fā)射器的光纖發(fā)射器50經(jīng)由多模光 纖電纜70有效連通至光纖接收器80，該光纖接收器80通過例如標(biāo)準(zhǔn)的50 Ω同軸電纜90 與至少一個(gè)GPS接收器100有效連通。將光纖發(fā)射器50和光纖接收器80有效連接的多模 光纖電纜70可包括長(zhǎng)達(dá)2000英尺或更長(zhǎng)的長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度取決于所探討的具體任務(wù)。使用這種設(shè)置，我們將來自自身包括約26dB到約32dB增益的GPS天線20的GPS 信號(hào)再放大約28dB到約32dB以產(chǎn)生約60dB的總增益，以克服光纖發(fā)射器50的VCSEL多 模發(fā)射器的50dB噪聲系數(shù)，從而產(chǎn)生低成本的GPS光纖鏈路。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知地， VCSEL多模發(fā)射器內(nèi)的放大通過指定超過VCSEL發(fā)射器的噪聲系數(shù)的增益來實(shí)現(xiàn)。因此， 該VCSEL多模發(fā)射器包括可指定增益的放大器(未示出，但本領(lǐng)域均能理解)。對(duì)VCSEL發(fā) 射器放大器的增益指定可包括不同的水平，這取決于克服VCSEL發(fā)射器噪聲所需的實(shí)際增 益，且根據(jù)在約26dB到約32dB之間變化的GPS天線的實(shí)際增益。優(yōu)選在GPS天線與VCSEL 增益之間實(shí)現(xiàn)的總增益超過VCSEL多模發(fā)射器噪聲水平10dB，不過超過VCSEL多模發(fā)射器 噪聲的包括大于或小于IOdB的其它總增益增大也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。作為示例而非限制，GPS信號(hào)總體放大60dB意味著來自天線20的噪聲超過了來 自光纖發(fā)射器50的VCSEL發(fā)射器激光器的噪聲功率10dB。這又意味著來自GPS天線20 的噪聲超過了激光器噪聲10倍。因此，GPS信號(hào)通過本發(fā)明的光纖鏈路無降級(jí)地傳輸至至 少一個(gè)GPS接收器100。此外，因?yàn)榘╒CSEL多模發(fā)射器的光纖發(fā)射器50的工作波長(zhǎng)是 850nm且位于可見紅光光譜的低端，所以可使用長(zhǎng)度達(dá)2000英尺或更長(zhǎng)的低成本多模光纜 70而沒有性能降級(jí)。因?yàn)楣饫w發(fā)射器50的VCSEL發(fā)射器具有低于9°C的低溫工作限制，所以該VCSEL 多模發(fā)射器，尤其是VCSEL多模發(fā)射器的激光器主體與本領(lǐng)域已知的導(dǎo)熱板有效連接。該激光器主體與VCSEL多模發(fā)射器的放大器有效連接。導(dǎo)熱板的溫度被監(jiān)測(cè)并不允許低于 9°C。根據(jù)本發(fā)明的一種方法可包括—種用于通過多模光纖傳輸GPS信號(hào)的方法，包括提供具有指定增益的GPS天線；提供包括VCSEL多模發(fā)射器的光纖發(fā)射器，該VCSEL多模發(fā)射器具有指定噪聲水平，且將GPS天線與光纖發(fā)射器有效連接。在光纖發(fā)射器中設(shè)置包括可指定增益的放大器；確保包括GPS天線增益加上指定放大器增益的總增益大于VCSEL多模發(fā)射器的噪 聲水平；利用一段多模光纖將光纖發(fā)射器與光纖接收器連接；將光纖接收器與至少一個(gè)GPS接收器有效連接；利用GPS天線接收GPS信號(hào)；將GPS信號(hào)從GPS天線傳輸至光纖發(fā)射器；放大GPS信號(hào)至指定增益；將經(jīng)放大的GPS信號(hào)傳輸至光纖接收器；以及將經(jīng)放大的GPS信號(hào)傳輸至至少一個(gè)GPS接收器。附加的方法步驟可包括將多模VCSEL發(fā)射器激光器保持于至少9°C的溫度。上述說明書描述了本發(fā)明的某些優(yōu)選實(shí)施例。該說明書決不旨在限制權(quán)利要求的 范圍。本領(lǐng)域技術(shù)人員現(xiàn)在能想到在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的其它修改、變化或替換。因 此本發(fā)明旨在僅受所附權(quán)利要求的范圍限制。
權(quán)利要求
一種用于通過多模光纖傳輸L1(1575.42MHz)和/或L2(1227.6MHz)頻率的GPS信號(hào)的裝置，所述GPS信號(hào)從具有增益的GPS天線接收，所述裝置包括光纖發(fā)射器，所述光纖發(fā)射器與所述GPS天線有效連通且包括VCSEL多模發(fā)射器，所述VCSEL多模發(fā)射器包括噪聲水平、激光器主體以及與所述激光器主體有效連接的具有可指定增益的放大器；與所述光纖發(fā)射器有效連通且具有一長(zhǎng)度的多模光纜；與所述多模光纜有效連通的光纖接收器；以及與所述光纖接收器有效連通的至少一個(gè)GPS接收器。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括由所述放大器的可指定增益和所述 GPS天線增益組成的總增益。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，還包括所述總增益大于所述VCSEL多模發(fā)射 器的所述噪聲水平。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述多模光纜的長(zhǎng)度長(zhǎng)達(dá)2，OOO英尺。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述多模光纜的長(zhǎng)度大于2，000英尺。
6.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，還包括所述總增益比所述VCSEL多模發(fā)射器 的所述噪聲水平大IOdB。
7.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，還包括所述總增益比所述VCSEL多模發(fā)射器 的所述噪聲水平大不到IOdB。
8.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，還包括所述總增益比所述VCSEL多模發(fā)射器 的所述噪聲水平大超過IOdB。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括所述GPS信號(hào)具有800MHz與1800MHz 之間的頻率。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括與所述VCSEL多模發(fā)射器激光器主 體有效連接的導(dǎo)熱板。
11.一種用于通過多模光纖傳輸Ll (1575. 42MHz)和/或L2 (1227. 6MHz)頻率的GPS信 號(hào)的裝置，所述GPS信號(hào)從具有增益的GPS天線接收，所述裝置包括光纖發(fā)射器，所述光纖發(fā)射器與所述GPS天線有效連通且包括VCSEL多模發(fā)射器，所述 VCSEL多模發(fā)射器包括噪聲水平、激光器主體以及與所述激光器主體有效連通的具有可指 定增益的放大器；與所述光纖發(fā)射器有效連通且具有一長(zhǎng)度的多模光纜；與所述多模光纜有效連通的光纖接收器；與所述光纖接收器有效連通的至少一個(gè)GPS接收器；由所述放大器的所述可指定增益和所述GPS天線增益組成的總增益；以及與所述VCSEL多模發(fā)射器激光器主體有效連接的導(dǎo)熱板。
12.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，還包括所述GPS信號(hào)具有800MHz與 1800MHz之間的頻率。
13.一種用于通過多模光纖傳輸GPS信號(hào)的方法，包括 提供具有指定增益的GPS天線；提供包括VCSEL多模發(fā)射器的光纖發(fā)射器，所述VCSEL多模發(fā)射器具有激光器和指定噪聲水平，且將所述GPS天線與所述光纖發(fā)射器有效地連接； 在所述光纖發(fā)射器中設(shè)置包括可指定增益的放大器；確保包括所述GPS天線增益加上所述指定放大器增益的總增益大于所述VCSEL多模發(fā) 射器的噪聲水平；利用一段多模光纖將所述光纖發(fā)射器與光纖接收器連接； 將所述光纖接收器與至少一個(gè)GPS接收器有效地連接；利用所述GPS天線接收Ll (1575. 42MHz)和/或L2 (1227. 6MHz)頻率的GPS信號(hào)； 將所述GPS信號(hào)從所述GPS天線傳輸至所述光纖發(fā)射器； 將所述GPS信號(hào)放大至所述指定增益； 將所述經(jīng)放大的GPS信號(hào)傳輸至所述光纖接收器；以及 將所述經(jīng)放大的GPS信號(hào)傳輸至所述至少一個(gè)GPS接收器。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，還包括確保所述總增益超過所述VCSEL多 模發(fā)射器的噪聲水平至少10dB。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，還包括確保所述總增益超過所述VCSEL多 模發(fā)射器的噪聲水平至多10dB。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，還包括將所述多模VCSEL發(fā)射器的激光器 保持于至少9°C的溫度。
17.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，還包括利用所述GPS天線接收800MHz與 1800MHz之間的任何頻率的GPS信號(hào)。
全文摘要
一種光纖GPS信號(hào)設(shè)備和方法包括VCSEL多模發(fā)射器，該VCSEL多模發(fā)射器的增益與GPS天線增益一起大于VCSEL多模發(fā)射器噪聲。當(dāng)經(jīng)由長(zhǎng)達(dá)2000英尺或更長(zhǎng)的多模光纖與光纖接收器進(jìn)行有效通信時(shí)，這些GPS信號(hào)以L1和L2等頻率在多模光纖的長(zhǎng)度上以最小衰減傳輸。本發(fā)明可用于需要長(zhǎng)電纜布線的多種GPS傳輸應(yīng)用。例如，當(dāng)GPS天線位于辦公大樓或蜂窩電話發(fā)射塔頂上并遠(yuǎn)離GPS接收器、且用于高容量商用電話同步(DTMF)應(yīng)用時(shí)，本發(fā)明尤其有用。
文檔編號(hào)H04B10/12GK101809899SQ200880109144
公開日2010年8月18日 申請(qǐng)日期2008年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月25日
發(fā)明者C·W·福勒, D·W·哈克爾, J·J·高巴茨, K·J·克林, M·L·希爾曼 申請(qǐng)人:雷文工業(yè)股份有限公司