一種九倍頻qpsk光載毫米波信號(hào)的產(chǎn)生方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光通信和毫米波通信領(lǐng)域，尤其涉及光載射頻（RoF)系統(tǒng)中心站的光 載毫米波產(chǎn)生技術(shù)，提供一種產(chǎn)生穩(wěn)定性高、倍頻效率高、成本低的光載毫米波信號(hào)產(chǎn)生方 法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 光載射頻（RadiooverFiber，RoF)技術(shù)是一種利用光通信技術(shù)傳輸微波、毫米 波信號(hào)的技術(shù)。在中心站微波、毫米波信號(hào)等射頻信號(hào)模擬調(diào)制在光波上，經(jīng)過(guò)低損耗光纖 鏈路后，在接收端基站用光電轉(zhuǎn)換得到可以直接發(fā)射的微波或毫米波信號(hào)。該技術(shù)有效利 用了光纖鏈路低損耗、高帶寬，以及抗電磁干擾等特性，具有大寬帶、低成本、低功耗和易安 裝等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊，是目前國(guó)際研究熱點(diǎn)之一。如何產(chǎn)生能夠克服光纖色散效應(yīng)的影 響，高質(zhì)量、高頻率的光載毫米波信號(hào)是RoF系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。
[0003]目前，文獻(xiàn)報(bào)道了多種毫米波產(chǎn)生方案，可以分為以下類(lèi)型：直接強(qiáng)度調(diào)制法、光 外差法、頻率上轉(zhuǎn)換的技術(shù)、基于非線(xiàn)性效應(yīng)四波混頻效應(yīng)法以及受激布里淵散射法等產(chǎn) 生毫米波、外調(diào)制法。直接強(qiáng)度調(diào)制法將低頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極 管產(chǎn)生光載射頻信號(hào)，該方法簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、容易實(shí)現(xiàn)，但只適用于低頻系統(tǒng)。光外差法傳輸 兩個(gè)頻率差等于所需毫米波頻率的窄線(xiàn)寬光波，其中一個(gè)邊帶攜帶需要傳輸信息的基帶信 號(hào)，在基站通過(guò)光電探測(cè)器外差拍頻產(chǎn)生毫米波信號(hào)，在傳輸光纖中兩個(gè)光波光譜窄，色散 效應(yīng)的影響較小，但是需要兩個(gè)高性能的激光源以克服相位噪聲的影響。低頻微波傳輸和 在基站實(shí)現(xiàn)頻率上變換是在光纖中傳輸頻率較低的副載波，然后在基站實(shí)現(xiàn)頻率上變換獲 得高頻的毫米波信號(hào)，這大大增加了基站成本。利用非線(xiàn)性效應(yīng)產(chǎn)生毫米波具有閾值低，增 益帶寬窄等優(yōu)點(diǎn)，但需要多個(gè)光源，且在多光源工作條件下對(duì)光源波長(zhǎng)穩(wěn)定性要求高。外調(diào) 制法通過(guò)外調(diào)制器產(chǎn)生邊帶，在接收端由邊帶拍頻產(chǎn)生的毫米波信號(hào)的頻率穩(wěn)定度高，具 有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作穩(wěn)定且頻率可調(diào)諧的優(yōu)點(diǎn)。在調(diào)制器的線(xiàn)性調(diào)制范圍內(nèi)，射頻信號(hào)通 過(guò)電光調(diào)制可以把承載的基帶信號(hào)的幅度和相位信息轉(zhuǎn)移到一階邊帶上，但是無(wú)法同時(shí)實(shí) 現(xiàn)高階的載波倍頻。根據(jù)已有利用外調(diào)制非線(xiàn)性調(diào)制特性產(chǎn)生不同倍頻階數(shù)高頻光載信號(hào) 的報(bào)道，包括二倍頻、四倍頻、六倍頻、八倍頻、十二倍頻等，使用的調(diào)制器有光強(qiáng)度調(diào)制器 和相位調(diào)制器等。對(duì)多電平的幅度調(diào)制信號(hào)來(lái)說(shuō)，調(diào)制器的非線(xiàn)性會(huì)造成信號(hào)幅度的非線(xiàn) 性畸變；對(duì)多電平的相位調(diào)制信號(hào)來(lái)說(shuō)，由于相位的周期性，高階邊帶的相位信息會(huì)消失。 通常使用一個(gè)光調(diào)制器進(jìn)行倍頻，另一個(gè)光調(diào)制器進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，系統(tǒng)比較復(fù)雜，且載波的 相干性顯著降低。最近有利用單個(gè)光調(diào)制器將承載數(shù)據(jù)的射頻信號(hào)調(diào)制光波上并實(shí)現(xiàn)倍頻 的報(bào)道，但是需要在電域?qū)ι漕l信號(hào)的幅度或相位進(jìn)行預(yù)編碼或預(yù)畸變處理，使得光載毫 米波信號(hào)產(chǎn)生相對(duì)復(fù)雜。
[0004]光纖色散是影響毫米波光纖無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)傳輸性能的一個(gè)重要因素。研究表明，當(dāng)毫 米波光譜包括超過(guò)兩個(gè)波長(zhǎng)成分或更多時(shí)，光纖的色散引起拍頻產(chǎn)生的毫米波信號(hào)功率隨 著傳輸距離呈幅度衰落；當(dāng)光載射頻信號(hào)被調(diào)制光載毫米波超過(guò)一個(gè)波長(zhǎng)成分時(shí)，由光纖 色散引起射頻信號(hào)的脈沖寬度隨傳輸距離的增加而減小，信號(hào)碼形的失真甚至是嚴(yán)重畸 變，波形失真還會(huì)引起碼間干擾，限制了光載毫米波信號(hào)的傳輸距離；而只有包含兩個(gè)波長(zhǎng) 成分且其中只有一個(gè)波長(zhǎng)成分?jǐn)y帶數(shù)據(jù)信號(hào)的光載毫米波信號(hào)能夠有效抑制光纖引起的 上述影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服上述光載毫米波系統(tǒng)中光纖色散對(duì)毫米信號(hào)質(zhì)量的影響，降低產(chǎn)生光載 毫米波信號(hào)模塊的復(fù)雜度，產(chǎn)生高質(zhì)量、高倍頻，傳輸性能好的光載毫米波信號(hào)，本專(zhuān)利提 出了一種九倍頻QPSK光載毫米波信號(hào)的產(chǎn)生方法和系統(tǒng)。
[0006] 本發(fā)明提出了一種九倍頻QPSK光載毫米波信號(hào)的產(chǎn)生方法。由激光器發(fā)出頻率 為f。的光波注入到一個(gè)光相位調(diào)制器PM，在射頻頻率為fRF的QPSK信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)生頻率 為仁+nf^的多個(gè)邊帶光信號(hào)，其中4n階邊帶完全不攜帶相位信息，而（4n+l)階邊帶攜帶 正確完整的相位信息，這里η為整數(shù)；將相位調(diào)制器PM的輸出經(jīng)波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)WSS濾出+5 階和-4階邊帶作為最終傳輸?shù)墓廨d毫米波信號(hào)；經(jīng)過(guò)光纖傳輸?shù)腝PSK信號(hào)調(diào)制光載毫米 波，由光電探測(cè)器ro進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，生成QPSK信號(hào)調(diào)制的電毫米波，其頻率為射頻驅(qū)動(dòng)信 號(hào)頻率fRF的九倍、且承載的QPSK信號(hào)保持完好。該方法基于光外調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)，所產(chǎn)生的 光載毫米波信號(hào)穩(wěn)定性高；該方法利用了QPSK信號(hào)相位信息的周期性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)倍頻和調(diào) 制QPSK信號(hào)，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度；經(jīng)過(guò)波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)WSS，最終傳輸?shù)腝PSK毫米波信號(hào) 包含兩個(gè)波長(zhǎng)且只有一個(gè)波長(zhǎng)承載數(shù)據(jù)信號(hào)，這克服了光纖色散對(duì)毫米波信號(hào)的影響。
[0007] 作為一種優(yōu)選方法，對(duì)于射頻QPSK信號(hào)，其幅度保持恒定，只有四種相位取值的 基帶信號(hào)構(gòu)成，Θ= 9D+(2k+l)Ji/4，k=l，2,3,4,其中Θ。為QPSK信號(hào)的初始相位，是 常數(shù)；是射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率fRF的角頻率；射頻QPSK信號(hào)由基帶QPSK信號(hào)調(diào)制射頻本 振產(chǎn)生，可表示為
[0009] 作為一種優(yōu)選方法，光相位調(diào)制器PM在頻率為fRF的射頻QPSK信號(hào)驅(qū)動(dòng)下對(duì)頻 率為f。的激光器發(fā)出的光波否的=進(jìn)行相位調(diào)制，輸出的光波可以表示為
[0010]
[0011] 其中VjPmzπνκρ/νπ分別是光相位調(diào)制器PM的半波電壓和調(diào)制系數(shù)。經(jīng)過(guò)光 相位調(diào)制器ΡΜ調(diào)制，產(chǎn)生光波包含多個(gè)邊帶光信號(hào)。基于第一類(lèi)Bessel函數(shù)對(duì)公式（2) 進(jìn)行展開(kāi)得
[0013] 其中，Jn(x)代表η階第一類(lèi)Bessel函數(shù)。輸出光波包含光載波和多個(gè)邊帶，它們 的邊帶幅度由光電場(chǎng)幅度E。、射頻信號(hào)幅度V。和邊帶階數(shù)η決定，不隨QPSK信號(hào)改變，而 相位ηΘ(t)由射頻信號(hào)相位Θ(t)和邊帶階數(shù)η決定；由于QPSK信號(hào)的相位具有周期性， 第4η階邊帶的相位4ηθ= 4ηΘQ+n(2k+l)π= 4ηΘ。+π為恒定值，QPSK信號(hào)完全消失， 而第 4η+1 階邊帶的相位（4η+1)Θ= (4n+l) 0Q+(4n+l) (2k+l)π/4 = (4n+l) 9Q+n(2k+l) 31+(21<:+1)31/4=(411+1)9。+]131+(21<:+1)31/4，攜帶完整正確的(^：)31(彳目號(hào)相位彳目息；而其 它的邊帶，如（4n+2)、（4n+3)階數(shù)邊帶，攜帶不完整的QPSK信號(hào)相位信息。由此可見(jiàn)，+5 階邊帶的相位為5Θ。+π+(2k+l)π/4,攜帶完整正確的QPSK信號(hào)相位信息；而-4階邊帶的 相位為恒定值-4Θ。+π，QPSK信號(hào)完全消失。根據(jù)第一類(lèi)Bessel函數(shù)性質(zhì)，當(dāng)光相位調(diào)制 器PM的調(diào)制系數(shù)m= 5. 975時(shí)，+5階和-4階邊帶幅度相等，而其它階數(shù)的邊帶幅度較小； 此時(shí)，+5階和-4階邊帶外差拍頻輸出的射頻信號(hào)最大，提高了所產(chǎn)生毫米波信號(hào)質(zhì)量和光 電探測(cè)轉(zhuǎn)換效率。
[0014] 作為一種優(yōu)選方法，波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)WSS用于濾出+5階和-4階邊帶、而抑制其它邊 帶。其中波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)WSS的兩個(gè)通帶位于光相位調(diào)制器PM所產(chǎn)生的+5階和-4階邊帶 的中心頻率和f。-4&「處，通帶的3dB帶寬大于QPSK信號(hào)的帶寬以減小濾波過(guò)程對(duì) 信號(hào)的損傷、且小于射頻信號(hào)頻率fRF以避免相鄰邊帶干擾。最終得到只有+5階和_4階邊 帶的毫米波包含兩個(gè)波長(zhǎng)且只有一個(gè)波長(zhǎng)承載數(shù)據(jù)信號(hào)，可以克服光纖色散對(duì)毫米波信號(hào) 質(zhì)量的影響。
[0015] 滿(mǎn)足上述條件時(shí)，生成的最終傳輸?shù)腝PSK光載毫米波信號(hào)的表達(dá)式為
[0017] 所產(chǎn)生的QPSK光載毫米波信號(hào)由光電探測(cè)器ro探測(cè)，產(chǎn)生QPSK毫米波電信號(hào)， 其光電流表達(dá)式為
[0019] 由上述方案產(chǎn)生的QPSK光毫米波信號(hào)光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的光載毫米波信號(hào)頻率為發(fā) 射端射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率fRF的九倍，承載的QPSK信號(hào)相位信息沒(méi)有損失。
[0020] 本發(fā)明提供一種九倍頻QPSK信號(hào)光載毫米波的產(chǎn)生系統(tǒng)。
[0021 ] 系統(tǒng)包括：一個(gè)連續(xù)激光源、一個(gè)光相位調(diào)制器PM、一個(gè)射頻源RF、一個(gè)QPSK調(diào)制 器、一個(gè)波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)WSS、一個(gè)單模光纖傳輸鏈路和一個(gè)光電探測(cè)器ro。連續(xù)激光源：產(chǎn) 生所需要的頻率為f。的連續(xù)光波；射頻源L0RF:其頻率為fRF的射頻驅(qū)動(dòng)，用于承載QPSK 信號(hào)；QPSK調(diào)制器：用于將基帶的QPSK信號(hào)調(diào)制到頻率為fRF射頻本振信號(hào)上，產(chǎn)生射頻 QPSK信號(hào)；光相位調(diào)制器PM:在頻率為QPSK射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，為輸入到光相位調(diào)制 器PM的連續(xù)激光波提供相位調(diào)制；波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)WSS:濾除光相位調(diào)制器PM輸出的不需要 邊帶，保留+5階和-4階邊帶；單模光纖傳輸鏈路：用于系統(tǒng)中光載毫米波信號(hào)的傳輸，由 單模光纖構(gòu)成；光電探測(cè)器ro: