專利名稱：一種射頻光纖傳輸系統(tǒng)的毫米波載波生成裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種射頻光纖傳輸系統(tǒng)(RoF，Radio on Fiber)的毫米波載波產(chǎn)生方法和裝置，特別是一種中心站用電正弦波掃描光波相位，基站用Fabry-Perot光濾波器加光探測(cè)器的光學(xué)掃頻法產(chǎn)生毫米波載波的方法和裝置。
背景技術(shù)：
作為超高速無(wú)線通信網(wǎng)(下一代高速移動(dòng)通信和寬帶無(wú)線接入網(wǎng))的極具競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)發(fā)展方向，毫米波光纖傳輸系統(tǒng)融合了毫米波和光纖的優(yōu)勢(shì)，解決了寬帶無(wú)線通信網(wǎng)基站與中心站的連接問(wèn)題。它能向大量的用戶提供無(wú)線局域網(wǎng)、寬帶接入和移動(dòng)多媒體等各種業(yè)務(wù)，具有通信容量大、便攜、通信安全性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。
超高速無(wú)線通信網(wǎng)的毫米波光纖傳輸系統(tǒng)由三大部分組成，一部分是中心站，它集成了信號(hào)處理的各項(xiàng)功能，如高速基帶信號(hào)的調(diào)制、解調(diào)、驅(qū)動(dòng)、放大，光波的發(fā)送和探測(cè)等。第二部分是光纖傳輸鏈路，完成中心站與基站之間光波的雙向傳輸。第三部分是基站，完成光波與毫米波的轉(zhuǎn)換，對(duì)基帶信號(hào)透明。
由于毫米波的傳輸距離有限，在一個(gè)超高速無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中要求將一個(gè)基站的覆蓋范圍取得很小，稱為微微蜂窩。由于基站數(shù)目的急劇增多，每一個(gè)基站的設(shè)備必須十分簡(jiǎn)單和價(jià)廉才有推廣應(yīng)用的價(jià)值。因而在毫米波通信系統(tǒng)中，作為通信系統(tǒng)的心臟起發(fā)射源和本振源作用的毫米波發(fā)生器，它所涉及的毫米波生成技術(shù)和毫米波光纖傳輸技術(shù)在成本和系統(tǒng)性能兩個(gè)方面對(duì)于通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)起至關(guān)重要的作用。
經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，Ken-Ichi Kitayama在A Taylor & Francis JournalFiber andIntegrated Optics，19P167-P186，2000上發(fā)表的Architectural Considerations of Fiber-RadioMillimeter-Wave Wireless Access Systems中介紹了RoF系統(tǒng)中產(chǎn)生毫米波的四種方法外調(diào)制法、光自外差法、光上下變頻法和電吸收收發(fā)器法。但是這些方法要么需要精密偏置的電光調(diào)制器或者精密的相干激光器或者毫米波本振源和混頻器，導(dǎo)致基站結(jié)構(gòu)龐雜，成本很高；要么基站結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了，但光纖色散的影響較嚴(yán)重，調(diào)制深度不高，有非線性效應(yīng)，或有較強(qiáng)的射頻反射，雙工工作有串?dāng)_。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一射頻光纖傳輸系統(tǒng)的毫米波載波生成裝置和方法，該裝置和方法能保證很低的系統(tǒng)成本，以滿足毫米波射頻光纖傳輸系統(tǒng)的需要。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種射頻光纖傳輸系統(tǒng)(RoF，Radio on Fiber)的毫米波載波生成裝置，由中心站(1)、光纖鏈路(2)和基站(3)構(gòu)成，其特征在于(1)所述的中心站(1)由半導(dǎo)體激光器(1-1)、相位調(diào)制器(1-2)和強(qiáng)度調(diào)制器(1-3)依次連接組成，采用正弦波(1-4)驅(qū)動(dòng)相位調(diào)制器(1-2)，基帶信號(hào)(1-5)通過(guò)強(qiáng)度調(diào)制器(1-3)調(diào)制到光波上；(2)基站(3)由周期性光濾波器(3-1)、光探測(cè)器(3-2)、毫米波帶通濾波器(3-3)、放大器(3-4)、天線(3-5)依次連接組成。
一種射頻光纖傳輸系統(tǒng)的毫米波載波生成方法，采用上裝置，其特征在于(1)在中心站(1)中，采用正弦波(1-4)驅(qū)動(dòng)相位調(diào)制器(1-2)，使光波的相位在有效范圍內(nèi)依正弦規(guī)律變化，光波的頻率在有效范圍內(nèi)依余弦規(guī)律變化，實(shí)現(xiàn)光波的頻率掃描；(2)在基站(3)中采用Fabry-Perot光濾波器(3-1)，利用它的透射響應(yīng)起伏特性，對(duì)掃頻光波進(jìn)行濾波，將頻率變化的光波轉(zhuǎn)變成強(qiáng)度變化的光波；(3)在基站(3)中采用光探測(cè)器(3-2)和毫米波帶通濾波器(3-3)對(duì)通過(guò)Fabry-Perot光濾波器(3-1)的光波進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和濾波，生成毫米波載波；(4)在中心站(1)中，基帶信號(hào)(1-5)通過(guò)強(qiáng)度調(diào)制器(1-3)調(diào)制到光波上；在基站(3)中，基帶信號(hào)被轉(zhuǎn)移到毫米波載波上，經(jīng)放大器(3-4)和天線(3-5)發(fā)射出去。
本發(fā)用的原理如下在中心站(1)，采用半導(dǎo)體激光器(1-1)作光源，用相位調(diào)制器(1-2)對(duì)半導(dǎo)體激光器(1-1)輸出的光波作相位調(diào)制，選擇角速率等于ωsw的正弦波(1-4)作為相位調(diào)制器(1-2)的驅(qū)動(dòng)電壓，對(duì)輸出光波在有效波長(zhǎng)范圍Δλ(對(duì)應(yīng)頻率范圍Δf)內(nèi)作周期性掃描，同時(shí)保持激光器光功率不變?；鶐盘?hào)(1-5)通過(guò)強(qiáng)度調(diào)制器(1-3)調(diào)制在光波上，光纖鏈路(2)中傳送的是強(qiáng)度受基帶信號(hào)(1-5)調(diào)制而且頻率在一定范圍內(nèi)掃描的光波。在基站(3)中，輸入光波經(jīng)周期性光濾波器(3-1)的濾波和光探測(cè)器(3-2)的光電變換之后，基帶信號(hào)(1-5)被轉(zhuǎn)移到了毫米波載波的幅度上，再經(jīng)放大器(3-4)和天線(3-5)發(fā)射出去。因?yàn)榛鶐盘?hào)(1-5)不影響生成的毫米波頻率，故在解釋毫米波載波的產(chǎn)生過(guò)程中不考慮基帶信號(hào)(1-5)。在不傳送基帶信號(hào)(1-5)的情況下，中心站最后輸出的光波電場(chǎng)為E(t)＝Ecexp[jωct+jβsinωswt)](1)其中ωc為光波的中心角頻率，Ec為光波電場(chǎng)振幅，β為調(diào)相指數(shù)。
在基站(3)中，來(lái)自光纖鏈路的光波信號(hào)進(jìn)入光接收機(jī)之前，首先經(jīng)過(guò)周期性光濾波器(Fabry-Perot光濾波器)(3-1)，其沖激響應(yīng)為hfp(t)=t2[δ(t-τfp2)+r2δ(t-3τfp2)+...+r2nδ(t-(2n+1)τfp2)+...]---(2)]]>其中r和t分別為光濾波器的電場(chǎng)反射系數(shù)和透射系數(shù)，且t2＝1-r2，τfp是光信號(hào)在Fabry-Perot光諧振腔內(nèi)反射一個(gè)來(lái)回的延遲時(shí)間。Fabry-Perot光濾波器(3-1)的輸出光波電場(chǎng)可表示為E(t)=Ec(1-R)1-R2exp(-j2ωcτfp){exp[jωc(t-τfp2)+jβsinωsw(t-τfp2)]]]>+Rexp[jωc(t-3τfp2)+jβsinωsw(t-3τfp2)]}---(3)]]>其中R為功率反射系數(shù)，R＝r2。因此光探測(cè)器(3-2)輸出的光電流應(yīng)當(dāng)為id(t)=i0(1-R)21+R4-2R2cos2ωcτfp{1+R2+2Rcos[ωcτfp+2βsin(ωswτfp2)cos(ωswt-ωswτfp)]}]]>其中i0是平均光電流，且i0＝F·P0，P0、F分別是光探測(cè)器(3-2)的輸入光功率和響應(yīng)度。
取τfp＝0.5/fsw，fsw為掃描頻率，將上式用貝塞爾函數(shù)展開為id(t)=i0(1-R)21+R4-2R2cos2ωcτfp{1+R2+2RcosωcτfpJ0(2β)+]]>4RcosωcτfpΣn=1∞(-1)nJ2n(2β)cos[2n(ωswt-ωswτfp)]]]>4RcosωcτfpΣn=1∞(-1)nJ2n+1(2β)cos[(2n+1)(ωswt-ωswτfp)]}---(4)]]>可見(jiàn)，光探測(cè)器(3-2)輸出的電信號(hào)由若干諧波分量組成，通過(guò)選擇合適的掃描角頻率ωsw，設(shè)計(jì)中心頻率為2nfsw的窄帶電濾波器(3-3)，濾波后就可以得到所需要的毫米波，其頻率為fm＝2nfsw(5)毫米波載波的表達(dá)式為id2n(t)=4i0R(1-R)2cos(ωcτfp)1+R4-2R2cos(2ωcτfp)·J2n(2β)cos(2nωswt)---(6)]]>可以通過(guò)優(yōu)化Fabry-Perot濾波器(3-1)的腔長(zhǎng)d(控制τfp＝0.5/fsw)、反射系數(shù)R以及調(diào)相指數(shù)β，從而使所需要的毫米波分量功率最大，具體方法如下①為了使所需要的諧波分量最大，令貝塞爾函數(shù)取最大值，即由Max{J2n(2β)}推出貝塞爾函數(shù)自變量β的最佳值；②考慮到使偶次諧波分量最大，消除奇次諧波分量，令ωcτfp＝kπ，確定出ωc的最佳取值；③由 推出功率反射系數(shù)R的最佳值。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有以下突出特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)所提出的毫米波生成裝置與方法是一種無(wú)源方法，可以使基站(3)的部件簡(jiǎn)單而價(jià)廉，能保證整個(gè)RoF系統(tǒng)的成本很低；基站(3)采用Fabry-Perot光濾波器做周期性光濾波器(3-1)，具有良好的溫度穩(wěn)定性，可以解決毫米波頻率和功率波動(dòng)的問(wèn)題；對(duì)中心站輸出光波采用正弦波掃描方式，基站中Fabry-Perot光濾波器(3-1)的最佳功率反射系數(shù)的大小與掃描正弦波的諧波頻率沒(méi)有關(guān)系，如要改變輸出毫米波頻率，只需改變調(diào)相指數(shù)β以使所需的諧波分量最大即可，無(wú)需更換Fabry-Perot光濾波器(3-1)，所以系統(tǒng)在輸出頻率的選擇上十分靈活。此外，還有一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)，由于掃描頻率較低，而微微蜂窩RoF系統(tǒng)的光纖鏈路又很短，不必?fù)?dān)心光纖色散的影響，可以使用石英多模光纖甚至塑料光纖作為傳輸介質(zhì)，進(jìn)一步降低系統(tǒng)的材料成本和敷設(shè)費(fèi)用。


圖1是本發(fā)明的射頻光纖傳輸系統(tǒng)的毫米波載波生成裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
中心站1、光纖鏈路2、基站3、激光器1-1、相位調(diào)制器1-2、強(qiáng)度調(diào)制器1-3、正弦波振蕩器1-4、基帶信號(hào)1-5、周期性光濾波器3-1、光探測(cè)器3-2、帶通濾波器3-3、放大器3-4和天線3-5
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例是一種應(yīng)用于RoF系統(tǒng)中的60GHz毫米波光學(xué)生成裝置和方法，結(jié)合附圖，詳述如下參見(jiàn)圖1，本射頻光纖傳輸系統(tǒng)的毫米波載波生成裝置由中心站1、光纖鏈路2和基站3構(gòu)成，其特征在于(1)所述的中心站1由半導(dǎo)體激光器1-1、相位調(diào)制器1-2和強(qiáng)度調(diào)制器1-3依次連接組成，采用正弦波1-4驅(qū)動(dòng)相位調(diào)制器1-2，基帶信號(hào)1-5通過(guò)強(qiáng)度調(diào)制器1-3調(diào)制到光波上；(2)基站3由周期性光濾波器3-1、光探測(cè)器3-2、毫米波帶通濾波器3-3、放大器3-4、天線3-5依次連接組成。
本射頻光纖傳輸系統(tǒng)的毫米波載波生成方法是采用上述的裝置，按下述方法工作在中心站1的發(fā)送端，用作光源的半導(dǎo)體激光器1-1工作在波長(zhǎng)1550nm，線寬10MHz，功率10mW。采用LiNbO3相位調(diào)制器1-2，用fsw＝5GHz的正弦波1-4驅(qū)動(dòng)它，從而使半導(dǎo)體激光器1-1輸出的光波經(jīng)相位調(diào)制器1-2后具有如下的表示式E(t)＝Ecexp[jωct+jβsinωswt)]其中ωc為光波的中心角頻率，Ec為光波電場(chǎng)振幅，β為調(diào)相指數(shù)。
基站3中令輸入光波首先經(jīng)過(guò)具有梳狀透射響應(yīng)的Fabry-Perot光濾波器3-1，將中心站的相位調(diào)制光波轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度調(diào)制光波，再經(jīng)光探測(cè)器3-2光電變換后，用毫米波帶通濾波器3-3取出所需要的諧波分量，經(jīng)過(guò)放大器3-4和天線3-5后發(fā)射出去。
參見(jiàn)關(guān)系表達(dá)式(5)和表達(dá)式(6)，取fm＝60GHz，可知n等于6，2n等于12，即需要提取第12次諧波，該諧波的表達(dá)式為id12(t)=4i0R(1-R)2cos(ωcτfp)1+R4-2R2cos(2ωcτfp)·J12(2βsinωcτfp2)cos(12ωswt)]]>為了使所需要的諧波功率最大，系統(tǒng)參數(shù)應(yīng)當(dāng)滿足以下條件τfp＝0.5/fsw＝0.1ns，ωcτfp＝kπ，β＝6.3。這樣輸出信號(hào)中只有偶次諧波，且12次諧波分量的功率達(dá)到最強(qiáng)。此時(shí)可以將光電流表達(dá)式簡(jiǎn)化為id12(t)=4i0R(1+R)2·J12(2β)cos(12ωswt)]]>
進(jìn)一步將幅度系數(shù)求導(dǎo)后可以得出使輸出毫米波功率最大時(shí)功率反射系數(shù)R的取值d[4i0R(1+R)2]dR=0⇒R=1]]>實(shí)際制作中功率反射系數(shù)R的值不可能等于1，但是制作功率反射系數(shù)接近1的Fabry-Perot光濾波器3-1并不困難，R越接近于1，光濾波器的選頻特性就越尖銳。在傳輸基帶信號(hào)時(shí)，需要將基帶信息通過(guò)強(qiáng)度調(diào)制器加載到光波上，這樣中心站的輸出光譜會(huì)變寬，如果Fabry-Perot光濾波器3-1的反射系數(shù)過(guò)高，光濾波器的通帶就很窄，會(huì)對(duì)有用信號(hào)的頻譜造成很大的衰減?？紤]到基帶信號(hào)帶寬的大小以及激光器頻率的穩(wěn)定程度，在實(shí)際應(yīng)用中Fabry-Perot光濾波器3-1的反射系數(shù)不是越大越好，適當(dāng)降低Fabry-Perot光濾波器3-1的反射系數(shù)不僅可以增加Fabry-Perot光濾波器通帶的寬度，而且不會(huì)對(duì)毫米波的功率造成太大的影響。傳輸100Mbps的基帶信號(hào)1-5，取R＝0.8為宜，這時(shí)與R＝1.0相比，系統(tǒng)輸出毫米波功率只下降0.1dB，而輸出毫米波已調(diào)波的失真比較小，終端恢復(fù)的基帶信號(hào)的上升沿和下降沿都比較陡，在檢測(cè)判決時(shí)對(duì)定時(shí)信號(hào)的要求可以降低。
n值與系統(tǒng)部件特性有約束關(guān)系，即由LiNbO3相位調(diào)制器1-2輸出光波的掃描頻率范圍Δf和Fabry-Perot光濾波器3-1的自由光譜范圍FSR的比值決定，n＝Δf/FSR。
由Fabry-Perot光濾波器3-1的FSR＝10GHz，計(jì)算出LiNbO3相位調(diào)制器1-2的掃描頻率范圍Δf＝60GHz，最佳調(diào)相指數(shù)β＝6.3。
不傳輸基帶信號(hào)1-5時(shí)產(chǎn)生的毫米波頻譜中60GHz的諧波分量功率最大，比50GHz的諧波大3dB左右，比70GHz的諧波大5dB左右，用毫米波濾波器提取60GHz毫米波分量是容易的。
權(quán)利要求
1.一種射頻光纖傳輸系統(tǒng)(RoF，Radio on Fiber)的毫米波載波生成裝置，由中心站(1)、光纖鏈路(2)和基站(3)構(gòu)成，其特征在于a)所述的中心站(1)由半導(dǎo)體激光器(1-1)、相位調(diào)制器(1-2)和強(qiáng)度調(diào)制器(1-3)依次連接組成，采用正弦波(1-4)驅(qū)動(dòng)相位調(diào)制器(1-2)，基帶信號(hào)(1-5)通過(guò)強(qiáng)度調(diào)制器(1-3)調(diào)制到光波上；b)基站(3)由周期性光濾波器(3-1)、光探測(cè)器(3-2)、毫米波帶通濾波器(3-3)、放大器(3-4)、天線(3-5)依次連接組成。
2.一種射頻光纖傳輸系統(tǒng)的毫米波載波生成方法，采用權(quán)利要求1所述的毫米波載波生成裝置，其特征在于a)在中心站(1)中，采用正弦波(1-4)驅(qū)動(dòng)相位調(diào)制器(1-2)，使光波的相位在有效范圍內(nèi)依正弦規(guī)律變化，光波的頻率在有效范圍內(nèi)依余弦規(guī)律變化，實(shí)現(xiàn)光波的頻率掃描；b)在基站(3)中采用Fabry-Perot光濾波器(3-1)，利用它的透射響應(yīng)起伏特性，對(duì)掃頻光波進(jìn)行濾波，將頻率變化的光波轉(zhuǎn)變成強(qiáng)度變化的光波；c)在基站(3)中采用光探測(cè)器(3-2)和毫米波帶通濾波器(3-3)對(duì)通過(guò)Fabry-Perot光濾波器(3-1)的光波進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和濾波，生成毫米波載波；d)在中心站(1)中，基帶信號(hào)(1-5)通過(guò)強(qiáng)度調(diào)制器(1-3)調(diào)制到光波上；在基站(3)中，基帶信號(hào)被轉(zhuǎn)移到毫米波載波上，經(jīng)放大器(3-4)和天線(3-5)發(fā)射出去。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種射頻光纖傳輸系統(tǒng)(RoF，Radioon Fiber)的毫米波載波生成裝置和方法。該裝置由中心站的半導(dǎo)體激光器、相位調(diào)制器、正弦波驅(qū)動(dòng)和基站的周期性光濾波器、光探測(cè)器、毫米波帶通濾波器組成。本發(fā)明在中心站利用相位調(diào)制器，采用正弦波對(duì)半導(dǎo)體激光器的輸出光波進(jìn)行光學(xué)掃頻；在基站利用Fabry－Perot光濾波器的透射響應(yīng)起伏特性，將頻率變化的光波轉(zhuǎn)變成強(qiáng)度變化的光波，通過(guò)光探測(cè)器和毫米波帶通濾波器后，得到毫米波載波。本發(fā)明提出的毫米波生成方法與裝置能夠以無(wú)源的方法在基站中生成毫米波，保證很低的系統(tǒng)成本，同時(shí)還具有溫度穩(wěn)定性好、能靈活選擇輸出頻率等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01S5/14GK1901414SQ20061002924
公開日2007年1月24日 申請(qǐng)日期2006年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月21日
發(fā)明者林如儉, 修明磊, 陳新橋, 張奇 申請(qǐng)人:上海大學(xué)