專利名稱：射頻光纖傳輸系統(tǒng)的qpsk毫米波的產(chǎn)生裝置和方法
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QPSK調(diào)制60GHz毫米波信號的產(chǎn)生裝置和方法，技術(shù)領(lǐng)域?qū)儆诟陛d波復用光纖通信系統(tǒng)。該方法的特色是QPSK毫米波的光學生成方法。在中心站既按QPSK體制用高速數(shù)據(jù)完成光波的相位調(diào)制，又用正弦調(diào)相光波激勵光梳狀濾波器產(chǎn)生光波的強度變化，在基站通過平方律光電轉(zhuǎn)換和窄帶濾波把QPSK光波直接轉(zhuǎn)換為QPSK毫米波。
背景技術(shù)：
作為超高速無線通信網(wǎng)(下一代高速移動通信和寬帶無線接入網(wǎng))的極具競爭力的一個發(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，解決了寬帶無線通信網(wǎng)基站與中心站的連接問題。它能向大量的用戶提供無線局域網(wǎng)、寬帶接入和移動多媒體等各種業(yè)務(wù)，具有通信容量大、便攜、通信安全性強等諸多優(yōu)點。
超高速無線通信網(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，它集成了信號處理的各項功能，如高速基帶信號的調(diào)制、解調(diào)、驅(qū)動、放大，光波的發(fā)送和探測等。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，對基帶信號透明。
由于毫米波的傳輸距離有限，在一個超高速無線通信網(wǎng)絡(luò)中要求將一個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，每一個基站的設(shè)備必須十分簡單和價廉才有推廣應(yīng)用的價值。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)性能兩個方面對于通信系統(tǒng)的實現(xiàn)起至關(guān)重要的作用。
經(jīng)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，Ken-Ichi Kitayama在A Taylor & Francis JournalFiber andIntegrated Optics，19P167-P186，2000上發(fā)表的Architectural Considerations ofFiber-Radio Millimeter-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，導致基站結(jié)構(gòu)龐雜，成本很高；要么基站結(jié)構(gòu)簡化了，但光纖色散的影響較嚴重，調(diào)制深度不高，有非線性效應(yīng)，或有較強的射頻反射，對雙工工作有串擾。Koonen.T.等人在Photonic Network Communications，Netherlands，Kluwer Academic Publisher，52，pp.177～187，2003上發(fā)表的In-House Network Using Multi-mode Polymer Optical Fiberfor Broadband Wireless Services中給出了一種光學倍乘法的5.4GHz下行鏈路的結(jié)構(gòu)，但是文中提到的結(jié)構(gòu)只適合產(chǎn)生較低頻率的射頻載波，不適合產(chǎn)生毫米波。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種光學生成毫米波信號的裝置和方法，該裝置和方法能把中心站的QPSK已調(diào)光波變換成基站的QPSK已調(diào)毫米波，保證基站有很低的成本，以滿足高速數(shù)據(jù)毫米波射頻光纖傳輸系統(tǒng)的需要。
為達到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是參見附圖，在中心站1，采用半導體激光器(1-1)作光源，把它的輸出光波用光分路器(1-2)按2∶1分光比分成兩路。其一路經(jīng)偏振控制器(1-3)進入光相位調(diào)制器(1-4)。選擇角頻率為ωsw的正弦電壓Vsw(t)驅(qū)動光相位調(diào)制器(1-4)，對光波相位在一定波長范圍Δλ(對應(yīng)頻率范圍Δf)內(nèi)作周期性掃描。光相位調(diào)制器(1-4)的輸出光波再激勵光梳狀濾波器(1-5)，使光波的正弦形相位調(diào)制轉(zhuǎn)化為非正弦形強度變化，其中包含著掃描信號的高次諧波。另一路經(jīng)偏振控制器(1-6)進入鈮酸鋰波導光QPSK調(diào)制器(1-7)，把高速數(shù)據(jù)串并變換后的I/Q信號和適當?shù)闹绷髌秒妷杭拥焦釷PSK調(diào)制器(1-7)，產(chǎn)生QPSK調(diào)制光波。然后用光合路器(1-10)把正弦調(diào)相支路輸出光波和經(jīng)過偏振控制器(1-9)的QPSK調(diào)制支路輸出光波合成一路注入光纖線路(2)。
在基站(3)，經(jīng)光纖傳輸后的合成光波入射到光探測器(3-1)，平方律光電轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生的光電流中包含了一系列角頻率為2nωsw、相位受QPSK調(diào)制的諧波。采用前置放大器(3-2)和中心角頻率和帶寬適當?shù)恼瓗V波器(3-3)提取出需要的已調(diào)毫米波，最后通過功率放大器(3-4)放大到mW量級，經(jīng)毫米波天線(3-5向空間發(fā)射。
設(shè)中心站光正弦調(diào)相支路輸出的光波電場為Eol(t)＝Ec{exp[j(ωct+βsinωswt)]+exp[j(ωc((t-τ)+βsinωsw(t-τ))]}(1)其中，ωc為光波的中心角頻率；Ec為光波電場振幅；β為調(diào)相指數(shù)；τ為光梳狀濾波器(Mach-Zehnder光干涉儀)兩條支臂的時延差，1/τ＝FSR為該光干涉儀的梳狀頻率響應(yīng)的周期(自由光譜范圍)。
中心站光QPSK調(diào)制支路輸出的光波電場為
Eo2(t)=Ecexp[j(ωct+2i+14π)]]]>(2)其中，隨機數(shù)i∈
，在每一符號周期(2T)中取值一次，1/T為碼速。
中心站輸出的合成光波電場為Eo(t)=Ec{exp[j(ωct+βsinωswt)]+exp[j(ωc(t-τ)+βsinωsw(t-τ))]]]>+exp[j(ωct+2i+14π)]}···(3)]]>忽略了光合路器與光纖線路的衰減因子后，基站光探測器產(chǎn)生的光電流為id=12REo(t)Eo*(t)]]>=Io{exp[j(ωct+βsinωswt)]+exp[j(ωc(t-τ)+βsinωsw(t-τ))]+exp[j(ωct+2i+14π)]}]]>{exp[-j(ωct+βsinωswt)]+exp[-j(ωc(t-τ)+βsinωsw(t-τ))]+exp[-j(ωct+2i+14π)]}]]>式中Io=0.5REc2,]]>R是光探測器的響應(yīng)度。利用和差化積的三角公式上式可變化為id(t)=Io{3+2cos(ωcτ)cos(2βsinωswt)-2sin(ωcτ)sin(2βsinωswt)]]>+2cos(2i+14π)cos(βsinωswt)+2sin(2i+14π)sin(βsinωswt)]]>+2cos(ωcτ+2i+14π)cos[βsinωsw(t-τ)]+2sin(ωcτ+2i+14π)sin[βsinωsw(t-τ)]}]]>取ωcτ＝2kπ，光電流簡化為id(t)=Io{3+2cos(2βsinωswt)]]>+4cos(2i+14π)cos[βsinωsw(t-τ2)cosωswτ2]cos[βcosωsw(t-τ2)sinωswτ2]]]>+4sin(2i+14π)sin[βsinωsw(t-τ2)cosωswτ2]cos[βcosωsw(t-τ2)sinωswτ2]}]]>(4)再取ωswτ2=π2,]]>光電流進一步簡化為id(t)=Io{3+2cos(2βsinωswt)+4cos(2i+14π)cos(βsinωswt)}]]>(5)
利用貝塞耳函數(shù)展開式，獲得光電流的最終級數(shù)形式如下id(t)=Io{3+2Jo(2β)+4Jo(β)cos(2i+14π)]]>+Σn=1∞[4J2n(2β)+8J2n(β)cos(2i+14π)]cos(2nωswt)}]]>(6)以上論述證明本發(fā)明確實能把中心站中QPSK調(diào)制的光波用光學方法變換成基站中一系列QPSK調(diào)制的電波，這從關(guān)系式cos(2i+14π)cos(2nωswt)=12{cos(2nωswt+2i+14π)+cos(2nωswt-2i+14π)]]>就可以看出。其中頻率足夠高的是QPSK調(diào)制的毫米波。
生成的毫米波信號的頻率是調(diào)相正弦波頻率fsw的2n倍，而振幅正比于J2n(β)。只要用一個窄帶帶通濾波器就可以取出所需頻率的已調(diào)毫米波信號。
根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種射頻光纖傳輸系統(tǒng)的QPSK毫米波信號生成裝置，由中心站(1)、光纖線路(2)和基站(3)構(gòu)成，其特征在于1)在中心站(1)設(shè)置半導體激光器(1-1)、光分路器(1-2)、偏振控制器(1-3)、光相位調(diào)制器(1-4)、光梳狀濾波器(1-5)、偏振控制器(1-6)、光QPSK調(diào)制器(1-7)、偏振控制器(1-9)和光合路器(1-10)；所述的半導體激光器(1-1)輸出的光波經(jīng)所述的光分路器(1-2)按2∶1分光比分成二路一路經(jīng)所述的偏振控制器(1-3)和光相位調(diào)制器(1-4)進入所述的光梳狀濾波器(1-5)，另一路經(jīng)所述的偏振控制器(1-6)和光QPSK調(diào)制器(1-7)進入所述的偏振控制器(1-9)，然后由所述的光合路器(1-10)將上述二路輸出光波合成一路注入所述的光纖線路(2)；2)在基站(3)設(shè)置光探測器(3-1)、前置放大器(3-2)、窄帶帶通濾波器(3-3)、功率放大器(3-4)、毫米波天線(3-5)；從所述的光纖線路(2)輸送來的合成光波經(jīng)所述的光探測器(3-1)、前置放大器(3-2)、窄帶帶通濾波器(3-3)和功率放大器(3-4)，最后通過所述的毫米波天線(3-5)向空間發(fā)射。
上述的光相位調(diào)制器(1-4)、光梳狀濾波器(1-5)和光QPSK調(diào)制器(1-7)置于一個恒溫槽(1-8)中。
一種射頻光纖傳輸系統(tǒng)的QPSK毫米波信號生成方法，采用上述的射頻光纖傳輸系統(tǒng)的QPSK毫米波信號生成裝置生成該毫米波信號，其特征在于QPSK毫米波信號生成的步驟如下1)在中心站(1)，采用頻率為fsw的正弦波驅(qū)動光相位調(diào)制器(1-4)，使光波的相位在一定范圍內(nèi)依正弦規(guī)律變化，光波的頻率在一定范圍內(nèi)依余弦規(guī)律變化，實現(xiàn)光波的頻率掃描；再通過光梳狀濾波器(1-5)，產(chǎn)生光波的非正弦強度變化；2)同時在中心站(1)，采用光QPSK調(diào)制器(1-7)產(chǎn)生數(shù)據(jù)調(diào)相光波，經(jīng)偏振控制器(1-9)后，在光合路器(1-10)實現(xiàn)與強度變化光波的合成；3)在基站(3)借助光探測器(3-1)，對接收的合成光波進行平方運算，將QPSK數(shù)據(jù)調(diào)相的光波轉(zhuǎn)變成QPSK數(shù)據(jù)調(diào)相的的毫米波；4)在基站(3)，用窄帶帶通濾波器(3-3)取出所需頻率的已調(diào)毫米波信號，經(jīng)功率放大器(3-4)和毫米波天線(3-5)向空間發(fā)射。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有以下突出特點和顯著優(yōu)點把光載波轉(zhuǎn)換為毫米波載波的同時，所攜帶的調(diào)制信號不變；實現(xiàn)了QPSK調(diào)制的毫米波，一個信道占用頻帶窄，為多信道復用留下了余地；所提出的毫米波生成裝置的關(guān)鍵器件(如光調(diào)相器、Mach-Zehnder光干涉儀等)是無源器件，可以保證整個RoF系統(tǒng)成本較低；系統(tǒng)具有可調(diào)性，如要改變輸出毫米波功率，只需改變調(diào)相指數(shù)β的數(shù)值以使所需的諧波分量功率變化，無需更換其它部件。此外，還有一個突出的優(yōu)點，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，故不必擔心光纖色散的影響，可以使用石英多模光纖甚至塑料光纖作為傳輸介質(zhì)，進一步降低系統(tǒng)的材料成本和敷設(shè)費用。


附圖是本發(fā)明的射頻光纖傳輸系統(tǒng)的QPSK毫米波信號生成裝置的結(jié)構(gòu)框圖。圖中標號1中心站；2光纖線路；3基站；1-1激光器；1-2光分路器；1-3偏振控制器；1-4相位調(diào)制器；1-5光梳狀濾波器；1-6偏振控制器；1-7光QPSK調(diào)制器；1-8恒溫槽；1-9偏振控制器；1-10光合路器；3-1光探測器；3-2前置放大器；3-3窄帶帶通濾波器；3-4功率放大器；3-5毫米波天線
具體實施例方式本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例子是一種應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)RoF系統(tǒng)的60GHz毫米波光學生成裝置和方法。
參見附圖，本毫米波信號生成裝置是由中心站1、光纖線路2和基站3構(gòu)成，具體是1)在中心站(1)設(shè)置半導體激光器1-1、光分路器1-2、偏振控制器1-3、光相位調(diào)制器1-4、光梳狀濾波器1-5、偏振控制器1-6、光QPSK調(diào)制器1-7、偏振控制器1-9和光合路器1-10；所述的半導體激光器1-1輸出的光波經(jīng)所述的光分路器1-2按2∶1分光比分成二路一路經(jīng)所述的偏振控制器1-3和光相位調(diào)制器1-4進入所述的光梳狀濾波器1-5，另一路經(jīng)所述的偏振控制器1-6和光QPSK調(diào)制器1-7進入所述的偏振控制器1-9，然后由所述的光合路器1-10將上述二路輸出光波合成一路注入所述的光纖線路2；2)在基站3設(shè)置光探測器3-1、前置放大器3-2、窄帶帶通濾波器3-3、功率放大器3-4、毫米波天線3-5；從所述的光纖線路2輸送來的合成光波經(jīng)所述的光探測器3-1、前置放大器3-2、窄帶帶通濾波器3-3和功率放大器3-4，最后通過所述的毫米波天線3-5向空間發(fā)射。
上述的光相位調(diào)制器1-4、光梳狀濾波器1-5和光QPSK調(diào)制器1-7置于一個恒溫槽1-8中。
本QPSK毫米波信號生成方法是采用上述裝置，在中心站1的發(fā)送端，半導體激光器1-1工作在1550nm波段，線寬選擇得盡量窄(最好的商用DFB激光器或外腔式DFB激光器的線寬可達30-50MHz)，輸出功率取10mW。
采用LiNbO3波導光相位調(diào)制器1-4，用fsw＝5GHz的正弦波驅(qū)動它。驅(qū)動電壓取得足夠高，以盡量獲得高的毫米波功率。采用保偏的Mach-Zehnder光干涉儀作梳狀光濾波器1-5，取τ＝0.1ns，即FSR＝10GHz。采用LiNbO3波導光QPSK調(diào)制器1-7。
由于這三種光器件的波長特性對環(huán)境溫度都比較敏感，故將它們安置在特別設(shè)計的溫度可調(diào)的恒溫槽1-8之中，取工作溫度范圍為40-50℃。
傳統(tǒng)光纖型Mach-Zehnder干涉儀在τ＝0.1ns時兩臂的長度差很大，由于光纖中的偏振態(tài)變化，使干涉效果不穩(wěn)定，本發(fā)明采用保偏光纖耦合器來構(gòu)造Mach-Zehnder干涉儀，保證干涉儀工作穩(wěn)定。
在條件ωcτ＝2kπ；ωswτ＝π成立時，正弦調(diào)相波的奇次諧波幅度為零，偶次諧波幅度最大，故選擇fsw＝5GHz，τ＝0.1ns是必要的。為滿足ωcτ＝2kπ，應(yīng)選激光器的中心頻率fc＝k/τ，即中心波長λc＝cτ/k＝3×107nm/k(c為真空光速)。當k＝19353時，λc＝1550.15nm(接近ITU-T波長1550.12nm)，所以選用λc＝1550.12nm，再通過激光器的偏置電流進行波長的微調(diào)。
為產(chǎn)生60GHz毫米波，在基站3，采用帶寬超過60GHz的光探測器3-1，后接前置放大器3-2、窄帶帶通濾波器3-3和功率放大器3-4，提取正弦調(diào)相波的第12次諧波。
權(quán)利要求
1.一種射頻光纖傳輸系統(tǒng)的QPSK毫米波信號生成裝置，由中心站(1)、光纖線路(2)和基站(3)構(gòu)成，其特征在于1)在中心站(1)設(shè)置半導體激光器(1-1)、光分路器(1-2)、偏振控制器(1-3)、光相位調(diào)制器(1-4)、光梳狀濾波器(1-5)、偏振控制器(1-6)、光QPSK調(diào)制器(1-7)、偏振控制器(1-9)和光合路器(1-10)；所述的半導體激光器(1-1)輸出的光波經(jīng)所述的光分路器(1-2)按2∶1分光比分成二路∶一路經(jīng)所述的偏振控制器(1-3)和光相位調(diào)制器(1-4)進入所述的光梳狀濾波器(1-5)，另一路經(jīng)所述的偏振控制器(1-6)和光QPSK調(diào)制器(1-7)進入所述的偏振控制器(1-9)，然后由所述的光合路器(1-10)將上述二路輸出光波合成一路注入所述的光纖線路(2)；2)在基站(3)設(shè)置光探測器(3-1)、前置放大器(3-2)、窄帶帶通濾波器(3-3)、功率放大器(3-4)、毫米波天線(3-5)；從所述的光纖線路(2)輸送來的合成光波經(jīng)所述的光探測器(3-1)、前置放大器(3-2)、窄帶帶通濾波器(3-3)和功率放大器(3-4)，最后通過所述的毫米波天線(3-5)向空間發(fā)射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻光纖傳輸系統(tǒng)的QPSK毫米波信號生成裝置，其特征在于所述的光相位調(diào)制器(1-4)、光梳狀濾波器(1-5)和光QPSK調(diào)制器(1-7)置于一個恒溫槽(1-8)中。
3.一種射頻光纖傳輸系統(tǒng)的QPSK毫米波信號生成方法，采用權(quán)利要求1所述的射頻光纖傳輸系統(tǒng)的QPSK毫米波信號生成裝置生成該毫米波信號，其特征在于QPSK毫米波信號生成的步驟如下1)在中心站(1)，采用頻率為fsw的正弦波驅(qū)動光相位調(diào)制器(1-4)，使光波的相位在一定范圍內(nèi)依正弦規(guī)律變化，光波的頻率在一定范圍內(nèi)依余弦規(guī)律變化，實現(xiàn)光波的頻率掃描；再通過光梳狀濾波器(1-5)，產(chǎn)生光波的非正弦強度變化；2)同時在中心站(1)，采用光QPSK調(diào)制器(1-7)產(chǎn)生數(shù)據(jù)調(diào)相光波，經(jīng)偏振控制器(1-9)后，在光合路器(1-10)實現(xiàn)與強度變化光波的合成；3)在基站(3)借助光探測器(3-1)，對接收的合成光波進行平方運算，將QPSK數(shù)據(jù)調(diào)相的光波轉(zhuǎn)變成QPSK數(shù)據(jù)調(diào)相的的毫米波；4)在基站(3)，用窄帶帶通濾波器(3-3)取出所需頻率的已調(diào)毫米波信號，經(jīng)功率放大器(3-4)和毫米波天線(3-5)向空間發(fā)射。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種射頻光纖傳輸系統(tǒng)的QPSK毫米波信號生成裝置與方法。該裝置由中心站的半導體激光器、偏振控制器、光相位調(diào)制器、光梳狀濾波器、光QPSK調(diào)制器、光分路/合路器和基站的光探測器、窄帶帶通濾波器和毫米波放大器、毫米波天線組成。本發(fā)明提出一種并聯(lián)—掃頻干涉/多相調(diào)制的光學方法，在中心站借助光相位調(diào)制器，采用正弦波電壓對半導體激光器輸出光波的頻率進行掃描，再利用Mach－Zehnder光干涉儀的周期性透射響應(yīng)特性，將頻率變化的光波轉(zhuǎn)變成強度變化的光波；同時經(jīng)由光QPSK調(diào)制器產(chǎn)生數(shù)據(jù)調(diào)制的光波。最后通過光探測器的平方律光電轉(zhuǎn)換和窄帶帶通濾波器的選頻功能從合成光波獲得QPSK調(diào)制的毫米波信號。本發(fā)明提出的光學方法與裝置能夠以無源的方式在基站中生成已調(diào)毫米波，保證很低的系統(tǒng)成本，同時還具有數(shù)據(jù)速率高、能靈活選擇輸出功率等優(yōu)點。
文檔編號H04B10/155GK101047448SQ20071003813
公開日2007年10月3日 申請日期2007年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月16日
發(fā)明者林如儉, 修明磊, 葉家駿, 李迎春, 宋英雄, 鄒君妮 申請人:上海大學