专利名称：光纤通信中层次多维频率的传输方法
技术领域：
本发明是一种利用层次多维频率在光纤中传输多路信号的方法，即将经过重复的层次调制将多个待调制的数据(信号频率)分别调制到指定的频率轴、频率层次和指定频率上，经过线性叠加，构成层次多维频率调制波，经过光纤双向传输，再经过线性分支，选放、检波滤波，将各个数据分离出来。
光纤通信系统的发展已经经历了几个时代，速率从1976年的44Mbps，传输距离约10km，发展到目前的数十到数百Gbps，传输距离达数千km。光纤传输业已成为当前通信，特别是干线通信的主要手段。目前，世界各国都十分重视这一领域的发展，我国正在启动武汉和广州的光纤通信系统的研发基地，准备投资数十亿到数百亿元建设我国的光谷。
光纤具有巨大的有效带宽，有着低损耗、低色散和宽导波等特性，他有两个损耗极小值，一个在1.3μm附近，一个在1.5μm附近。在1.5μm波段，他大约提供了25THz的带宽。然而，当前的光器件的比特率还比较低，激光器、外调制器、开关和检测器的带宽充其量不超过100GHz，事实上当前实际数据链路的比特率对每个信道不超过10Gbps。为了充分利用光纤提供的有效带宽，人们设计了多种复用方法增加对光纤带宽的使用，常用的复用方法有时分复用(TDM)、波分复用(WDM)、副载波复用(SCM)、码分复用(CDM)和空分复用(SDM)等。特别是WDM和SCM与本项发明有着密切的联系，WDM是指将光纤损耗较低的波段再进行分段，成为多个基带调制的信道，N个不同波长的激光器均工作在较低的Gb/s速率上，整个系统的传输速率则是单个激光器传输速率的N倍，列于单个的基带调制信道还可以包括一组更低的时分复用的信道。波分复用对解决数字光通信有着很好的前景。对模拟光通信也具有非常良好的前景，特别是对解决CATV信息传输、视频分配和每路信道速率远大于1Gb/s的局域网(LAN)以及个人通信系统的接口。SCM的本质就是将原来用光来实现的所有调制(解调)、复用(解复用)和路由选择功能，改为用电来实现。他不是将每秒百兆比特的基带数据直接调制到大约THz的光载波上，而是将基带信号首先调制到GHz副载波上，再把副载波调制到THz的光载波上。副载波复用的强大优势是用激光器传输多路信道，每个信道在各自的副载波频率上传输，即频分复用(FDM)。这种频分复用方式的优点是一个昂贵的光学器件能够让多信道同时使用。而缺点是共享激光器的所有信道必须很接近，另外，由于激光器发射机和接收机的带宽有限，单个信道的传输速率和总信道数目存在很大的限制。目前，价格适中的光电子器件带宽还没有超过100MHz的，因此很难有许多100MHz信道共享一个激光器，对每个信道实施GHz的传输是不现实的。虽然，我们在100MHz带宽上可以划分出若干个信道，但是信道划分得越多，信道带宽就越窄，传输速率越低。
本发明的目的就是提供一种对单信道而言利用层次多维频率(信道)技术，在保持高带宽和高传输速率的前提下，大幅度提高信息的传输能力，充分利用光纤的带宽的光纤通信中层次多维频率的传输方法。
本发明的方案是采用层次调制的方法将多个待传输的信号频率经过重复的逐层调制，分别调制到指定的频率轴、指定的频率层次和指定的频率上，再将被调制的副载波直接或经过模/数转换后通过激光器调制到光载波上进行传输，在接收端直接或经过数/模转换后通过线性分支器，再经与调制相对的逐层次选频放大和检波滤波还原出原信号。采用层次调制方法将许多待调制的频率分别调制到指定的调制层次和指定的频率上形成(f1→f2→f3……fn)，即将若干个待调制的频率f1(1)至f1(k1)用调制器将它们逐个调制在分别对应指定的任一个频率上，形成第一层调制的f2(1)至f2(k2)，再将分别调制后的频率f2(1)至f2(k2)经过调制器将它们再次逐个调制在分别对应指定的任一个频率上，形成第二层调制的f3(1)至f3(k3)，以此类推经过n次的层次调制形成第n层调制的fn(1)至fn(kn)。调制后的频率fn(jn)大于等于调制前被调制频率fn-1(jn-1)的3倍即fn(jn)≥3fn-1(jn-1)。采用的调制器为调幅波调制器或调频波调制器或调相调制器或频率幅度兼调调制器。其中待调制的频率有“k”个，即f1(1)至f1(k)，在1至k个频率中的j个频率是f1(j)。相对原频率第n层调制的频率即为fn(1)至fn(k)，第j个频率在n层的调制结果fn(j)。其优点在于这一方法使层次多维频率(信道)可同时使用一个昂贵的光学器件，节省了多路传输时需要多个昂贵的光学器件的成本。
使用这一方法可以在保持高带宽和高传输速率的前提下，极大地提高信息的传输能力，特别是在解决单信道极大地提高信息传输能力的前提下，再使用WDM/SCM混合系统，就会更充分利用光纤的带宽。理论上讲采用该技术后光纤的信息传输可以接近无限的能力。
经过多层次调制的副载波不是一个信道的概念，而是层次多维信道的概念，即一个副载波可以对应有很多层次的信道，他在带宽一定的情况下，传输的信息量将是十分巨大的。
这一方法既可以用于数字光传输，又可以用于模拟光传输，特别是采用模拟光传输系统，用电来调制(解调)、复用(解复用)和路由选择，在目前的条件下，电器件比光器件便宜，而且可靠，电滤波器可以设计为高效的、近乎理想的多点滤波器，而光滤波器仅仅是单极点滤波器。
这一方法可以大大简化现有光纤通信设备和设施的复杂化程度，大大降低通信领域基础设施建设的强度和资金的投入，形成全新的光纤通信系统，对加速信息化进程和推进信息产业的发展将是一个重大的突破。
图1为用多车道、立体交通和多层次车辆来说明多波长、层次多维频率光传输的示意图。
图1a为在没有掺铒光纤放大器(EDFA)情况下光纤的单信道传输示意图。
图1b为EDFA实现的单信道无中继高速传输示意图。
图1c为光纤传输的波分复用的示意图。
图1d为多个光数据包叠在一起在一个信道上传输的示意图。
图1e为多束光纤、多个光数据包叠在一起多信道立体上传输的示意图。
图2为多信道频分复用系统的示意图。
图2a为光纤通信中频分复用(FDM)的副载波复用(SCM)系统示意图(图中的虚线方框为本发明需要解决的重点)。
图2b为发送FDM系统的频谱。
图3层次多维频率构造示意图。
图4为m条频率轴中第k一条频率轴上的副载波fsc,1、fsc,2、……fsc,n同时对data1、data2、……datan进行处理和模拟传输的示意图之1。
图5为m条频率轴中第k一条频率轴上的副载波fsc,1、fsc,2、……、fsc,n同时对data1、data2、……datan进行处理和传输的示意图之2。
图6为m条频率轴中第k一条频率轴上的副载波fsc,1、fsc,2、……fsc,n同时对data1、ata2、……datan进行处理和数字传输的示意图。
以下实施例结合附图对本发明作进一步的阐述。
如果我们将光纤看作是一条高速公路，将数Gbps单个信道看成是高速公路上的一条快车道，把光数据包看成汽车，而光纤则是高速公路。则本发明则是(1)将很多个汽车叠置在一起在一条快车道上行驶(图1d)，将光纤变成立体的、多条快车道的高速公路。
如图2所示，fsc,1、fsc,2、……fsc,n为n个在单一信道上的副载频，数据1、数据2、……数据n分别对应调制fsc,1、fsc,2、……fsc,n，被调制的fsc,1、fsc,2、……fsc,n与单个信道混频，共享一个激光器。然而，一个副载波只能对应一个数据，他是线性一维频道轴上，仅仅是单频的使用，导致频率资源的极大浪费。
我们层次调制方法，即采用层次调制方法将许多待调制的频率分别调制到指定的调制层次和指定的频率上形成(f1→f2→f3→……fn)，即将若干个待调制的频率f1(1)至f1(k1)用调制器将它们逐个调制在分别对应指定的任一个频率上，形成第一层调制的f2(1)至f2(k2)，再将分别调制后的频率f2(1)至f2(k2)经过调制器将它们再次逐个调制在分别对应指定的任一个频率上，形成第二层调制的f3(1)至f3(k3)，以此类推经过n-1次的层次调制形成第n层调制的fn(1)至fn(kn)。调制后的频率fn(jn)大于等于调制前被调制频率fn-1(jn-1)的3倍即fn(jn)≥3fn-1(jn-1)。其中待调制的频率有“k”个，即f1(1)至f1(k)，在1至k个频率中的第j个频率是f1(j)。相对原频率第n层调制的频率即为fn(1)至fn(k)，第j个频率在n层的调制结果fn(j)(图3)。
图4为我们方案的构架示意1，其步骤如下(1)振荡器A与隔离器1、隔离器2、……隔离器n组成了副载波fsc,1。
(2)振荡器1与data1组成了调制器1，调制器1的输出与振荡器A又组成了调制器2，振荡器2与data2组成了调制器3，调制器3的输出与振荡器A又组成了调制器4，……。
(3)将调制器2、调制器4、……，调制器n的输出频率进行线性叠加。
需要满足的条件为振荡器A的振荡频率应大于等于3倍的调制器1、调制器2、……、调制器n中输出的最高频率。
(4)将fsc,1、fsc,2、……fsc,n、经过线性叠加的频率，再经过合路器、激光器和星形偶合器，进入与线性叠加相对应的线性分支器，将线性叠加的信号分路处理。
(5)选频放大器1、选频放大器3、……、选频放大器m，进行第一次选频，选频放大器2、选频放大器4、……选频放大器n进行第二次选频，……，多次选频放大的目的就是增加选频放大的效果。
(6)经过检波滤波器还原出data1、data2、……、datan。
本发明的接收系统的关键点是在接收端利用“剥离器”，对层次多维频率调制波采用线性接收，带通滤波器(如选频放大器)，逐层将层次多维频率剥离出来，最后经检波滤波取出数据(信息)。
图5为我们方案的构架之示意2，表示了在m条频率轴中的某一频率轴上的某一个频率上的n个层次的频率资源层次的的复用方法。这样我们可以形象化地认为是利用一个副载波fsc,1同时传输data1、data2、……datan，也可以利用副载波fsc,2同时传输data1、data2、……datan。
上述副载波复用方案，是采用了模拟光传输技术，用电来调制(解调)、复用(解复用)和路由选择，也可以将此技术与频分复用方法组合使用，扩大信息的传输量，以及充分利用光纤的带宽资源。然而数字传输有其独有的优势，层次多维频率方法也同样可以使用。
如图6所示，对于data1、data2、……、datan既可以是模拟信息，也可以是数字数据。如果data1、data2、……、datan是模拟信息，可以经过模数转换转换成数字数据。图示的虚框第一部分增加层次多维频率形成部分，将副载波fsc,1、fsc,2……fsc,n数字化，即经过模数转换，送入各自的激光器进行传输。在虚框的第二部分，经过数模变换，再进行信息还原。当然，也可以对搭载多层信息(模拟/数字信息)的各层次的载波进行数字化、传输、数/模转换，到信息还原。
对于双向的上行与下行传输，只是将光纤带宽上的部分频段用于上行，部分频段用于下行，发射端也是接收端，如果我们将上述方案视为上行方案，而下行的方案则是与上行方案是一致的。
为了证明上述的设计方案，我们进行了m条频率轴中第k一条频率轴上的副载波fsc,1同时对data1、data2、……datan进行处理和传输样机研制。
振荡器产生的振荡频率为1.4MHz，振荡器1、振荡器2、振荡器3、振荡器4产生的振荡频率分别为100KHz、150KHz、200KHz、250KHz。data1、data2、data3、data4为音频信号。
data1调制在100KHz上形成的调制波再调制在1.4MHz上；data2调制在150KHz上形成的调制波再调制在1.4MHz上；data3调制在200KHz上形成的调制波再调制在1.4MHz上；data4调制在250KHz上形成的调制波再调制在1.4MHz上；1.4MHz调制波都满足100KHz、150KHz、200KHz、250KHz调制波中的最大值的3倍。
再将data1调制在100KHz上形成的调制波再调制在1.4MHz上形成的调制波与data2调制在150KHz上形成的调制波再调制在1.4MHz上形成的调制波，data3调制在200KHz上形成的调制波再调制在1.4MHz上形成的调制波，以及data4调制在250KHz上形成的调制波再调制在1.4MHz上形成的调制波进行线性叠加。
将1.4MHz副载波(1)直接通过激光器调制到光载波上进行传输；(2)将副载波数字化，再通过激光器调制到光载波上进行传输。
选频放大器1和选频放大器2分别进行两次选频选出100KHz的频率；选频放大器3和选频放大器4分别进行两次选频选出150KHz的频率，选频放大器5和选频放大器6分别进行两次选频选出200KHz的频率；选频放大器7和选频放大器8分别进行两次选频选出250KHz的频率。(6)100KHz的频率、150KHz的频率、200KHz的频率和250KHz的频率的调幅波检波滤波分别还原出data1、data2、data3和data4。这样就完成了层次多维频率在光纤中的传输过程。
权利要求
1．一种光纤通信中层次多维频率的传输方法，其特征在于采用层次调制的方法将多个待传输的信号频率经过重复的逐层调制，分别调制到指定的频率轴、指定的频率层次和指定的频率上，再将被调制的副载波直接或经过模/数转换后通过激光器调制到光载波上进行传输，在接收端直接或经过数/模转换后通过线性分支器，再经与调制相对的逐层次选频放大和检波滤波还原出原信号。
2．根据权利要求1所述的光纤通信中层次多维频率的传输方法，其特征在于层次调制方法是采用层次调制方法将许多待调制的频率分别调制到指定的调制层次和指定的频率上形成(f1→f2→f3→……fn)，即将若干个待调制的频率f1(1)至f1(k1)用调制器将它们逐个调制在分别对应指定的任一个频率上，形成第一层调制的f2(1)至f2(k2)，再将分别调制后的频率f2(1)至f2(k2)经过调制器将它们再次逐个调制在分别对应指定的任一个频率上，形成第二层调制的f3(1)至f3(k3)，以此类推经过n-1次的层次调制形成第n层调制的fn(1)至fn(kn)，调制后的频率fn(jn)大于等于调制前被调制频率fn-1(jn-1)的3倍即fn(jn)≥3fn-1(jn-1)。
3．根据权利要求1所述的光纤通信中层次多维频率的传输方法，其特征在于层次解调方法是采用线性接收，带通滤波，检波滤波，分层剥离。
4．根据权利1或2所述的光纤通信中层次多维频率的传输方法，其特征在于所采用的调制器为调幅波调制器或调频波调制器或调相调制器或频率幅度兼调调制器。
全文摘要
光纤通信中层次多维频率的传输方法是一种多重频率叠加传输的方法,其方案是采用层次调制的方法将多个待传输的信号频率经过重复的逐层调制,分别调制到指定的频率轴、指定的频率层次和指定的频率上,再将被调制的副载波直接或经过模/数转换后通过激光器调制到光载波上进行传输,在接收端直接或经过数/模转换后通过线性分支器,再经与调制相对的逐层次选频放大和检波滤波还原出原信号。该方法极大地开拓了频率资源,提高了传输效率。
文档编号H04B10/12GK1305276SQ0110801
公开日2001年7月25日 申请日期2001年1月5日 优先权日2001年1月5日
发明者闾国年, 朱灿生, 袁惠仁, 叶春, 吴平生 申请人:南京师范大学, 朱灿生, 袁惠仁, 吴平生