專利名稱：射頻光纖傳輸系統(tǒng)的上、下行鏈路結(jié)構(gòu)及為上行鏈路提供光載波方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及射頻光纖傳輸系統(tǒng)的上、下行鏈路結(jié)構(gòu)、 一種中心波長和載波波長自動匹配 的光載波濾波器和利用受激布里淵散射(SBS)為上行鏈路提供光載波的方法。在此提出一種新 的射頻光纖傳輸系統(tǒng)的上、下行鏈路結(jié)構(gòu)，在中心站中通過馬赫-貞德爾調(diào)制器產(chǎn)生帶有光載 波的雙邊帶信號，利用權(quán)利要求3所述的光載波濾波器對其光載波進行抑制，從而提高信號 的調(diào)制度。同時利用SBS產(chǎn)生的低于輸入光載波頻率llGHz的光信號為上行鏈路提供光載波。
背景技術(shù)：
RoF (Radio over Fiber)是當今世界的研究熱點之一。RoF是光纖射頻通信或射頻光纖鏈 路的簡稱，它涉及了固定無線通信(無線接入網(wǎng)和無線局域網(wǎng))和移動無線通信。在學(xué)術(shù)上 RoF屬于副載波復(fù)用光纖通信技術(shù)，是把攜帶信息的射頻調(diào)制到光波上進行傳輸，因此是典 型的射頻與光波結(jié)合的技術(shù)，它涉及用光波方法產(chǎn)生射頻，用射頻調(diào)制光波，通過光纖傳輸 已調(diào)光波，把射頻從光波上解調(diào)下來等一系列變換。其中，在下行鏈路中如何產(chǎn)生攜帶有調(diào) 制信息的射頻是一個研究重點，同時也是研究的難點，到目前為止，國際十.已經(jīng)有了多種方 案，主要有以下幾種
1) 光自外差技術(shù)
一般使用鎖模激光二極管產(chǎn)生幾個相干的波長，經(jīng)波導(dǎo)陣列光柵，取出其中兩個頻差為 所需射頻頻率的光波。 一個光波被數(shù)據(jù)調(diào)制，與另一個一起經(jīng)光纖傳輸?shù)竭_基站，在光探測 器上差拍出已調(diào)射頻信號。
2) 外調(diào)制技術(shù)
外調(diào)制技術(shù)方案是在中心站中生成已調(diào)射頻并把它再調(diào)制到光波上。其主要問題是光纖 色散問題。由于已調(diào)光波的上下邊帶相距較遠，受到的光纖延遲不同，兩個邊帶電場沿著光 纖會發(fā)生局部的相消干涉從而出現(xiàn)光波強度的衰落現(xiàn)象，導(dǎo)致光探測器轉(zhuǎn)化出的射頻幅度減 小。
3) 光學(xué)上/下變頻技術(shù)
考慮到中頻信號(l-3GHz)在光纖中傳輸時，光纖色散的影響可以忽略，有人提出在中 心站中只產(chǎn)生和接收頻率較低的中頻信號(1 3GHz)。這樣，在RoF系統(tǒng)的光纖中光波只攜 帶中頻信號，但在基站中就必須進行中頻到射頻的變換和逆變換。電域的上/下變頻需要射頻 振蕩器和射頻混頻器，這些都會增加基站的成本。
各種技術(shù)都有自己的應(yīng)用場合和優(yōu)點，但大多系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，難以推廣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有射頻光纖傳輸系統(tǒng)下行鏈路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高的問題，提出 一種射頻光纖傳輸系統(tǒng)上、下行鏈路結(jié)構(gòu)及為上行鏈路提供光載波方法。該方案結(jié)構(gòu)簡單， 易于實現(xiàn)，性能穩(wěn)定，成本低廉，適于應(yīng)用和推廣。
為達到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案-
1. 一種射頻光纖傳輸系統(tǒng)的下行鏈路結(jié)構(gòu)
下行結(jié)構(gòu)中， 一個激光器1-1和一個偏振控制器l-2通過尾纖相連，所述的偏振控制器 -2通過光纖與一個馬赫-貞德爾調(diào)制器1-3的輸入端相連。射頻本振1-13和數(shù)字基帶信號1-16 分別輸入到調(diào)制器1-5，調(diào)制器1-5輸出到馬赫-貞德爾調(diào)制器1-3的射頻輸入端，直流電壓 1-4從馬赫-貞德爾調(diào)制器1-3的電輸入端輸入，馬赫-貞德爾調(diào)制器1-3的輸出端同一個光載 波濾波器進口相連，所述光載波濾波器的兩路輸出到光合波器(1-17)的兩個輸入口。光合波 器(1-17)通過光纖(3)連接到基站(2)中光環(huán)形器(2-l)的1號口。在所述的基站2中，光環(huán) 形器2-l的2號口連接光柵2-2, 3號口連接到F-P激光器2-11。光柵2-2連接光探測器2-3。 光探測器2-3的電輸出端與一個帶通濾波器2-4的輸入端相連，帶通濾波器2-4的輸出與一個 射頻放大器2-5的輸入端連接，射頻放大器2-5的輸出端與一個射頻發(fā)射天線2-6相連。如圖 l所示。
2. —種射頻光纖傳輸系統(tǒng)的上行鏈路結(jié)構(gòu)
與上述下行鏈路結(jié)構(gòu)相連應(yīng)用，上行結(jié)構(gòu)為，在基站2中，射頻接收天線2-7同帶通濾 波器2-8相連，帶通濾波器2-8輸出到驅(qū)動器2-10，通過驅(qū)動器2-10驅(qū)動F-P激光器2-11。 下行鏈路中的光環(huán)形器2-1的3號口輸出低于輸入光載波頻率llGHz的光信號，注入到F-P 激光器2-11并鎖定，使F-P激光器2-11輸出單模光信號。F-P激光器2-11的輸出口通過光纖 4連接到中心站1的光探測器l-10。在所述的中心站1中，光探測器l-10連接射頻放大器1-11， 射頻放大器1-11通過乘法器1-12同射頻本振1-13連接。乘法器1-12的輸出口輸出信號到解 調(diào)器1-14，解調(diào)器輸出解調(diào)的數(shù)字基帶信號1-15。如圖1所示。
3. —種中心波長和載波波長自動匹配的光載波濾波器
上述的光載波濾波器包括光環(huán)型器1-6、光子晶體光纖l-7、可變光濾波器l-8和3dB光 耦合器l-9。環(huán)形器l-6的2號端口連接光子晶體光纖l-7， 3號端口連接可變光衰減器1-8, 光子晶體光纖1-7和可變光衰減器1-8通過一個3dB光耦合器1-9相連。如圖1所示。
圖1中，馬赫-貞德爾調(diào)制器1-3的輸出光波電場表示為 ￡"(0 二 ￡c cos[d. — +附.一cos(^m/ + 0)]. cos必/ (1) 其中，A為輸入光波電場振幅，d = 4， ^為直流偏置電壓，m = ^， ^;為調(diào)制電壓 振幅，^為光波角頻率，《 為調(diào)制信號角鉍率，^為由數(shù)字基帶信號1-16驅(qū)動調(diào)制器1-5 產(chǎn)生的相位變化，^為0代表數(shù)字信號0， ^為;r代表數(shù)字信號l。
將上式展開成貝塞爾函數(shù)為
<formula>formula see original document page 6</formula> (2)
<formula>formula see original document page 6</formula>
當rf:^^l且W較小時，可忽略高次項，(2)式變?yōu)?br> 五")入(附，)①<formula>formula see original document page 6</formula>(3)
這時調(diào)制的效果是產(chǎn)生了不抑制載波的雙邊帶信號，每個邊帶為攜帶有數(shù)字基帶信息的
DPSK信號。不抑制載波的雙邊帶信號的調(diào)制度為
AO 5
似。=-(4)
人(附y(tǒng))
通過(4)式計算可知， 一般情況下，調(diào)制度似。只有15% 30%，調(diào)制度較小。因此，調(diào)制 后的微波光子信號的光載波功率相對較大，這就造成了直流分量很大，而其攜帶信息的邊帶 功率很小。在接收端，光電探測器輸出的RF信號就過小，而如果進行光放大，直流分量也 得到放大，這會使光電探測器進行飽和區(qū)，帶來非線性等現(xiàn)象，過大的光功率甚至有可能燒 壞探測器。
在SBS過程屮，當頻率為^的泵浦光源射入長度為L的光纖后，會產(chǎn)生聲波光柵，聲波
光柵產(chǎn)生同輸入的泵浦光反向的，比泵浦光頻率小一個聲波頻率n的斯托克斯波。如果一個 頻率為的vy vA窄帶種子光從同泵浦反向的光纖另一端輸入，種子光和泵浦光的相互作用會很 大地增加聲波光柵，使更多的泵浦光的能量轉(zhuǎn)移到種子光，從而提高種子光的能量，相應(yīng)的， 泵浦光的能量減少了。由于反向光波能量的增加可以很大稃度上減小產(chǎn)牛SBS所需要的泵浦 光功率，所以布里淵的門限值可以得到降低。
本光載波濾波器中光纖環(huán)把斯托克斯波作為種子光，反方向注入到光纖中，同正向輸入 泵浦光發(fā)生相互作用，從而降低布里淵的門限值。由于受激布里淵散射本身的特性，光載波 濾波器的中心波長可以和需要抑制的光載波自動匹配。
本光載波濾波器使用了 PCF光纖作為產(chǎn)生SBS的非線性媒介。
長度為L的光纖產(chǎn)生SBS的門限值光功率為-<formula>formula see original document page 7</formula>
其中，A^為布里淵線寬，AVp為泵浦光譜寬。丄^為光纖有效長度， =[1-exp(-al)]/"， ff為光纖衰減系數(shù)。
一般情況下，Ave》A ，且忽略偏振的隨機性，貝USBS的門限值光功率可表示為
<formula>formula see original document page 7</formula>若使用常規(guī)光纖，光纖各參數(shù)分別為a44.5dB/km， L=5000m， gfi 二2.25xl0—11,則 。,，=18mW。在使用光纖環(huán)的情況下，SBS的門限值i^ 4.3mW?？梢?，在沒有形成 和形成環(huán)路的兩種情況下，門限值相差很大。在沒有形成環(huán)路的情況下，門限值較大，若要 產(chǎn)生SBS，就要求光載波的功率大于18mW，需對光信號進行放大。在形成環(huán)路的情況下， 門限值較小，兩個邊帶的光信號很容易達到門限值，從而產(chǎn)生SBS。在本發(fā)明使用了光子晶 體光纖(PCF)，其參數(shù)分別為"-14.5dB/km， L=400m, gfl =2.25x10—1'，在形成環(huán)路的情況 下，,，=8mW，很容易滿足光載波功率大于SBS門限值，而兩邊帶功率小于SBS門限值 的要求。并且光纖的長度可以大為縮短。
4. 一種為上行鏈路提供光載波的方法
用于上述的射頻光纖傳輸系統(tǒng)的上行鏈路為其提供光載波。利用上述的光載波濾波器， 由于SBS產(chǎn)生的低于輸入光載波頻率11GHz的光信號。通過基站2中的光環(huán)形器2-1和光柵 2-2的反射，提取該光信號注入鎖定F-P激光器2-11，為上行鏈路提供光載波。
F-P激光器-般為多模輸出。但對F-P激光器輸入窄帶信號時，可以使其單模輸出。這 時，離輸入窄帶信號波峰最近的模式會被輸入信號鎖定，其余的模式則受到壓縮。F-P激光 器的模式間隔一般為0. 6nm，當F-P激光器的模式間隔大于光柵3dB帶寬所對應(yīng)的波長間隔 時，F(xiàn)-P激光器可以顯現(xiàn)出很好的注入鎖定特性。
在下行鏈路為上行鏈路提供光載波的過程中，輸入到F-P激光器的光功率至關(guān)重要，以 下對由于SBS產(chǎn)生、注入到F-P激光器的光信號功率進行估算。設(shè)中心站中偏振控制器、馬 赫-貞德爾調(diào)制器、環(huán)形器、3dB光耦合器、光合波器、連接中心站和基站的lOkm單模光纖、 基站中環(huán)形器和光柵的損耗分別為0. 5dB、 5dB、 0. 5dB、 3dB、 3dB 、 2dB、 0. 5dB和0. 5dB。 假設(shè)激光器l-l輸出的光功率為16dBra，經(jīng)過馬赫-貞德爾調(diào)制器，從環(huán)形器2號口輸出的光 載波功率為10dBm，注入光纖晶體光纖，產(chǎn)生SBS，假設(shè)低于光載波llGHz處的光噪聲功率為 -38dBm，根據(jù)SBS的特性，放大的增益可達到35dB。放大后，低于光載波llGHz處的光功率
為-3dBm，經(jīng)過3dB光耦合器、光合波器、10kra單模光纖、基站中環(huán)形器和光柵傳輸后，輸 出功率為-lldBm。注入鎖定F-P激光器所需最小的光功率為-16dBm，可見，本系統(tǒng)仍有5dB 的功率儲備。


圖1是射頻光纖傳輸系統(tǒng)的上、下行鏈路結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是3dB耦合器輸出的光譜圖。 圖3是通過光柵的光信號。
圖4是光柵反射的用于鎖定FP激光器2-11的光信號。 圖5是FP激光器沒有輸入鎖定光信號時的多模輸出。 圖6是FP激光器注入鎖定后輸出的單模光信號。 圖7是光探測處得到的10GHzBPSK信號。
具體實施例方式
本發(fā)明的優(yōu)先實施例結(jié)合

如下
考慮到工作在10GHz頻段的系統(tǒng)日漸增多，包括WiMAX和UWB，但現(xiàn)在對10GHz射頻光 線傳輸系統(tǒng)研究，所以本發(fā)明的一個優(yōu)先實施范例是10GHz射頻光線傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)雙向結(jié) 構(gòu)參見圖1。本10GHz射頻光線傳輸?shù)南滦墟溌方Y(jié)構(gòu)在中心站1中， 一個激光器1-1和一 個偏振控制器1-2通過尾纖相連，所述的偏振控制器1-2通過光纖與一個馬赫-貞德爾調(diào)制器 l-3的輸入端相連。射頻本振1-13和數(shù)字基帶信號1-16分別輸入到調(diào)制器1-5，調(diào)制器l-5 輸出到馬赫-貞德爾調(diào)制器1-3的射頻輸入端，直流電壓1-4從馬赫-貞德爾調(diào)制器1-3的電 輸入端輸入，馬赫-貞德爾調(diào)制器1-3的輸出端同環(huán)形器1-6的1號端口相連。環(huán)形器1-6的 2號端口連接光子晶體光纖1-7， 3號端口連接可變光衰減器l-8。光子晶體光纖l-7和可變 光衰減器1-8通過一個3dB光耦合器1-9相連。3dB光耦合器(l-9)的兩路輸出兩個光合波器 (l-17)的兩個輸入口，構(gòu)成一個光載波濾波器。光合波器(1-17)通過光纖(3)連接到基站(2) 中光環(huán)形器(2-l)的1號口。在所述的基站2中，光環(huán)形器2-1的2號口連接光柵2-2， 3號 口連接到F-P激光器2-11。光柵2-2連接光探測器2-3。光探測器2-3的電輸出端與一個帶 通濾波器2-4的輸入端相連，帶通濾波器2-4的輸出與一個射頻放大器2-5的輸入端連接， 射頻放大器2-5的輸出端與一個射頻發(fā)射天線2-6相連。
上行鏈路結(jié)構(gòu)在基站2中，射頻接收天線2-7同帶通濾波器2-8相連，帶通濾波器2-8 輸出到驅(qū)動器2-10，通過驅(qū)動器2-10驅(qū)動F-P激光器2-11。下行鏈路中的光環(huán)形器2-1的 3號口輸出低于輸入光載波頻率llGHz的光信號，注入到F-P激光器2-ll并鎖定，使F-P激 光器2-11輸出單模光信號。F-P激光器2-11的輸出口通過光纖4連接到中心站1的光探測 器1-10。在所述的中心站1中，光探測器l-10連接射頻放大器1-11,射頻放大器1-11通過
乘法器1-12同射頻本振1-13連接。乘法器1-12的輸出口輸出信號到解調(diào)器1-14，解調(diào)器 輸出解調(diào)的數(shù)字基帶信號1-15。如圖1所示。
在中心站1中，激光源1-1產(chǎn)生1550. 12咖(193. 5334THz)波長的信號光波，線寬為lMHz， 功率為16dBm。馬赫-貞德爾光調(diào)制器1-3的半波電壓P;設(shè)為4. 5V，射頻本振1-13的頻率為 10GHz，數(shù)字基帶信號1-16的頻率為625MHz，經(jīng)過馬赫-貞德爾光調(diào)制器1-3調(diào)制后產(chǎn)生不 抑制載波的雙邊帶信號。此時，馬赫-貞德爾光調(diào)制器l-3輸出的信號，由于調(diào)制器調(diào)制方式 的原因，信號的調(diào)制度較小，通過光載波濾波器后，調(diào)制度得到了提高。由于在光載波濾波 器中發(fā)生了 SBS,產(chǎn)生了低于光載波頻率llGHz的光信號，頻率為193.5224THz。 3dB耦合器 l-9輸出的光譜如圖2所示。
在基站2中，使用中心頻率為193. 5224THz， 3dB帶寬為0. 12nm的光柵2_2，其3dB帶
寬內(nèi)的反射率大于90%，通過光柵2-2的光信號如圖3所示；被光柵2-2反射的信號通過環(huán) 行器2-1注入F-P激光器2-11鎖定激光器，使其單模輸出。光柵2-2反射的用于鎖定F-P激 光器2-11的光信號如圖4所示，F(xiàn)-P激光器2-11沒有輸入鎖定光信號時的多模輸出如圖5 所示，F(xiàn)-P激光器2-11注入鎖定后輸出單模光信號如圖6所示。不抑制載波的雙邊帶信號通 過在光探測器2-3處產(chǎn)生差頻，得到10GHz信號，頻譜如圖7所示，經(jīng)過天線2-7向空間發(fā) 射。
權(quán)利要求
1. 一種射頻光纖傳輸系統(tǒng)的下行鏈路結(jié)構(gòu)，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)連接，其特征在于在所述的中心站(1)中，一個激光器(1-1)和一個偏振控制器(1-2)通過尾纖相連，所述的偏振控制器(1-2)通過光纖與一個馬赫-貞德爾調(diào)制器(1-3)的輸入端相連。射頻本振(1-13)和數(shù)字基帶信號(1-16)分別輸入到一個調(diào)制器(1-5)，所述調(diào)制器(1-5)輸出到馬赫-貞德爾調(diào)制器(1-3)的射頻輸入端，直流電壓(1-4)從馬赫-貞德爾調(diào)制器(1-3)的電輸入端輸入，馬赫-貞德爾調(diào)制器(1-3)的輸出端同一個光載波濾波器進口相連，所述光載波濾波器的兩路輸出口連接一個光合波器(1-17)的兩個輸入口；所述光合波器(1-17)通過所述光纖(3)連接到所述基站(2)中一個光環(huán)形器(2-1)的1號口；在所述的基站(2)中，所述光環(huán)形器(2-1)的2號口連接一個光柵(2-2)，3號口連接到下行鏈路中的一個F-P激光器(2-11)；所述光柵(2-2)連接一個光探測器(2-3)；所述光探測器(2-3)的電輸出端與一個帶通濾波器(2-4)的輸入端相連，帶通濾波器(2-4)的輸出與一個射頻放大器(2-5)的輸入端連接，射頻放大器(2-5)的輸出端與一個射頻發(fā)射天線(2-6)相連。
2. —種射頻光纖傳輸系統(tǒng)的上行鏈路結(jié)構(gòu)，與權(quán)利要求書1所述射頻光纖傳輸系統(tǒng)的下行鏈 路結(jié)構(gòu)相連接應(yīng)用，包括中心站(l)、基站(2)和光纖(4)?；?2)和中心站(1)通過光纖 (4)連接，其特征在于在基站2中， 一個射頻接收天線(2-7)經(jīng)一個射頻放大器(2-8)同 一個帶通濾波器(2-9)相連，帶通濾波器(2-9)輸出到一個驅(qū)動器(2-10)，通過驅(qū)動器(2-10) 驅(qū)動所述F-P激光器(2-11)。下行鏈路中的光環(huán)形器(2-l)的3號口輸出低于輸入光載波 頻率llGHz的光信號，注入到所述F-P激光器(2-ll)并鎖定，使F-P激光器(2-ll)輸出單 模光信號；所述F-P激光器(2-11)的輸出口通過所述光纖(4)連接到中心站(1)的一個光探 測器(1-10);在所述的中心站(l)中，所述光探測器(1-lO)連接一個射頻放大器(l-ll)， 射頻放大器(1-ll)通過一個乘法器(l-12)同射頻本振(1-13)連接；所述乘法器(1-12)的輸 出口輸出信號到一個解調(diào)器(1-14)，解調(diào)器(1-14)輸出解調(diào)的數(shù)字基帶信號(1-15)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻光纖傳輸系統(tǒng)的下行鏈路結(jié)構(gòu)，其特征在于所述光載波濾波器 的結(jié)構(gòu)是 一個光環(huán)型器(1-6)的1一號端口構(gòu)成光載波濾波器的進口，而其2二號端口 連接一個光子晶體光纖(l-7)， 3號端口連接一個可變光濾波器(1-8)，所述的光子晶體光 纖(1-7)和可變光衰減器(1-8)通過一個3dB光耦合器(1-9)相連。所述3dB光耦合器(1_9) 的兩個出口端構(gòu)成光載波濾波器的兩個輸出口 ；本光載波濾波器使得光調(diào)制深度得到提 高；由于受激布里淵散射SBS本身的特性，光纖環(huán)的中心波長可與需要抑制的光載波自動 匹配。
4. 一種上行鏈路提供光載波方法，用于權(quán)利要求2所述的射頻光纖傳輸系統(tǒng)的上行鏈路結(jié) 構(gòu)，為其提供光載波，其特征在于利用權(quán)利要求3所述的射頻光纖傳輸系統(tǒng)的上行鏈路 結(jié)構(gòu)中的光載波濾波器SBS產(chǎn)生的低于輸入光載波頻率11GHz的光信號。低于輸入光載波 頻率llGHz的光信號和載波受到一定抑制的雙邊帶信號同時傳輸?shù)交?2)中。光柵(2-2) 的中心頻率選在低于輸入光載波頻率llGHz的光信號的頻率點處。光柵(2-2)將低于輸 入光載波頻率1 lGHz的光信號反射到光環(huán)形器(2-1)的2號n ，從光環(huán)形器(2-1)的3號口 輸出到F-P激光器(2-11)，對F-P激光器(2-11)的輸出模式進行鎖定，使其單模輸出。將 F-P激光器(2-ll)單模輸出的光信號作為光源，為上行鏈路提供光載波。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種射頻光纖傳輸系統(tǒng)的上、下行鏈路結(jié)構(gòu)，及其為上行鏈路提供光載波方法。在此提出一種射頻光纖傳輸系統(tǒng)的上、下行鏈路結(jié)構(gòu)，在下行鏈路結(jié)構(gòu)中設(shè)有一個光載波濾波器。在中心站中通過馬赫-貞德爾調(diào)制器產(chǎn)生帶有光載波的雙邊帶信號，利用光載波濾波器對其光載波進行抑制，從而提高信號的調(diào)制度。同時利用SBS產(chǎn)生的低于輸入光載波頻率11GHz的光信號為上行鏈路提供光載波。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，性能穩(wěn)定，成本低廉，適于應(yīng)用和推廣。
文檔編號H04J14/00GK101389148SQ20081020190
公開日2009年3月18日 申請日期2008年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月29日
發(fā)明者葉家俊, 冬 張, 張旭園, 朱渝林, 林如儉, 陳昊碩 申請人:上海大學(xué)