专利名称：射频光纤传输系统的qpsk毫米波的产生装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种射频光纤传输系统(RoF，Radio on Fiber)的QPSK调制60GHz毫米波信号的产生装置和方法，技术领域属于副载波复用光纤通信系统。该方法的特色是QPSK毫米波的光学生成方法。在中心站既按QPSK体制用高速数据完成光波的相位调制，又用正弦调相光波激励光梳状滤波器产生光波的强度变化，在基站通过平方律光电转换和窄带滤波把QPSK光波直接转换为QPSK毫米波。
背景技术：
作为超高速无线通信网(下一代高速移动通信和宽带无线接入网)的极具竞争力的一个发展方向，毫米波光纤传输系统融合了毫米波和光纤的优势，解决了宽带无线通信网基站与中心站的连接问题。它能向大量的用户提供无线局域网、宽带接入和移动多媒体等各种业务，具有通信容量大、便携、通信安全性强等诸多优点。
超高速无线通信网的毫米波光纤传输系统由三大部分组成，一部分是中心站，它集成了信号处理的各项功能，如高速基带信号的调制、解调、驱动、放大，光波的发送和探测等。第二部分是光纤传输链路，完成中心站与基站之间光波的双向传输。第三部分是基站，完成光波与毫米波的转换，对基带信号透明。
由于毫米波的传输距离有限，在一个超高速无线通信网络中要求将一个基站的覆盖范围取得很小，称为微微蜂窝。由于基站数目的急剧增多，每一个基站的设备必须十分简单和价廉才有推广应用的价值。因而在毫米波通信系统中，作为通信系统的心脏起发射源和本振源作用的毫米波发生器，它所涉及的毫米波生成技术和毫米波光纤传输技术在成本和系统性能两个方面对于通信系统的实现起至关重要的作用。
经文献检索发现，Ken-Ichi Kitayama在A Taylor & Francis JournalFiber andIntegrated Optics，19P167-P186，2000上发表的Architectural Considerations ofFiber-Radio Millimeter-Wave Wireless Access Systems中介绍了RoF系统中产生毫米波的四种方法外调制法、光自外差法、光上下变频法和电吸收收发器法。但是这些方法要么需要精密偏置的电光调制器或者精密的相干激光器或者毫米波本振源和混频器，导致基站结构庞杂，成本很高；要么基站结构简化了，但光纤色散的影响较严重，调制深度不高，有非线性效应，或有较强的射频反射，对双工工作有串扰。Koonen.T.等人在Photonic Network Communications，Netherlands，Kluwer Academic Publisher，52，pp.177～187，2003上发表的In-House Network Using Multi-mode Polymer Optical Fiberfor Broadband Wireless Services中给出了一种光学倍乘法的5.4GHz下行链路的结构，但是文中提到的结构只适合产生较低频率的射频载波，不适合产生毫米波。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光学生成毫米波信号的装置和方法，该装置和方法能把中心站的QPSK已调光波变换成基站的QPSK已调毫米波，保证基站有很低的成本，以满足高速数据毫米波射频光纤传输系统的需要。
为达到上述目的，本发明的构思是参见附图，在中心站1，采用半导体激光器(1-1)作光源，把它的输出光波用光分路器(1-2)按2∶1分光比分成两路。其一路经偏振控制器(1-3)进入光相位调制器(1-4)。选择角频率为ωsw的正弦电压Vsw(t)驱动光相位调制器(1-4)，对光波相位在一定波长范围Δλ(对应频率范围Δf)内作周期性扫描。光相位调制器(1-4)的输出光波再激励光梳状滤波器(1-5)，使光波的正弦形相位调制转化为非正弦形强度变化，其中包含着扫描信号的高次谐波。另一路经偏振控制器(1-6)进入铌酸锂波导光QPSK调制器(1-7)，把高速数据串并变换后的I/Q信号和适当的直流偏置电压加到光QPSK调制器(1-7)，产生QPSK调制光波。然后用光合路器(1-10)把正弦调相支路输出光波和经过偏振控制器(1-9)的QPSK调制支路输出光波合成一路注入光纤线路(2)。
在基站(3)，经光纤传输后的合成光波入射到光探测器(3-1)，平方律光电转换过程产生的光电流中包含了一系列角频率为2nωsw、相位受QPSK调制的谐波。采用前置放大器(3-2)和中心角频率和带宽适当的窄带滤波器(3-3)提取出需要的已调毫米波，最后通过功率放大器(3-4)放大到mW量级，经毫米波天线(3-5向空间发射。
设中心站光正弦调相支路输出的光波电场为Eol(t)＝Ec{exp[j(ωct+βsinωswt)]+exp[j(ωc((t-τ)+βsinωsw(t-τ))]}(1)其中，ωc为光波的中心角频率；Ec为光波电场振幅；β为调相指数；τ为光梳状滤波器(Mach-Zehnder光干涉仪)两条支臂的时延差，1/τ＝FSR为该光干涉仪的梳状频率响应的周期(自由光谱范围)。
中心站光QPSK调制支路输出的光波电场为
Eo2(t)=Ecexp[j(ωct+2i+14π)]]]>(2)其中，随机数i∈
，在每一符号周期(2T)中取值一次，1/T为码速。
中心站输出的合成光波电场为Eo(t)=Ec{exp[j(ωct+βsinωswt)]+exp[j(ωc(t-τ)+βsinωsw(t-τ))]]]>+exp[j(ωct+2i+14π)]}···(3)]]>忽略了光合路器与光纤线路的衰减因子后，基站光探测器产生的光电流为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是光探测器的响应度。利用和差化积的三角公式上式可变化为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，光电流简化为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,]]>光电流进一步简化为id(t)=Io{3+2cos(2βsinωswt)+4cos(2i+14π)cos(βsinωswt)}]]>(5)
利用贝塞耳函数展开式，获得光电流的最终级数形式如下id(t)=Io{3+2Jo(2β)+4Jo(β)cos(2i+14π)]]>+Σn=1∞[4J2n(2β)+8J2n(β)cos(2i+14π)]cos(2nωswt)}]]>(6)以上论述证明本发明确实能把中心站中QPSK调制的光波用光学方法变换成基站中一系列QPSK调制的电波，这从关系式cos(2i+14π)cos(2nωswt)=12{cos(2nωswt+2i+14π)+cos(2nωswt-2i+14π)]]>就可以看出。其中频率足够高的是QPSK调制的毫米波。
生成的毫米波信号的频率是调相正弦波频率fsw的2n倍，而振幅正比于J2n(β)。只要用一个窄带带通滤波器就可以取出所需频率的已调毫米波信号。
根据上述发明构思，本发明采用的技术方案如下一种射频光纤传输系统的QPSK毫米波信号生成装置，由中心站(1)、光纤线路(2)和基站(3)构成，其特征在于1)在中心站(1)设置半导体激光器(1-1)、光分路器(1-2)、偏振控制器(1-3)、光相位调制器(1-4)、光梳状滤波器(1-5)、偏振控制器(1-6)、光QPSK调制器(1-7)、偏振控制器(1-9)和光合路器(1-10)；所述的半导体激光器(1-1)输出的光波经所述的光分路器(1-2)按2∶1分光比分成二路一路经所述的偏振控制器(1-3)和光相位调制器(1-4)进入所述的光梳状滤波器(1-5)，另一路经所述的偏振控制器(1-6)和光QPSK调制器(1-7)进入所述的偏振控制器(1-9)，然后由所述的光合路器(1-10)将上述二路输出光波合成一路注入所述的光纤线路(2)；2)在基站(3)设置光探测器(3-1)、前置放大器(3-2)、窄带带通滤波器(3-3)、功率放大器(3-4)、毫米波天线(3-5)；从所述的光纤线路(2)输送来的合成光波经所述的光探测器(3-1)、前置放大器(3-2)、窄带带通滤波器(3-3)和功率放大器(3-4)，最后通过所述的毫米波天线(3-5)向空间发射。
上述的光相位调制器(1-4)、光梳状滤波器(1-5)和光QPSK调制器(1-7)置于一个恒温槽(1-8)中。
一种射频光纤传输系统的QPSK毫米波信号生成方法，采用上述的射频光纤传输系统的QPSK毫米波信号生成装置生成该毫米波信号，其特征在于QPSK毫米波信号生成的步骤如下1)在中心站(1)，采用频率为fsw的正弦波驱动光相位调制器(1-4)，使光波的相位在一定范围内依正弦规律变化，光波的频率在一定范围内依余弦规律变化，实现光波的频率扫描；再通过光梳状滤波器(1-5)，产生光波的非正弦强度变化；2)同时在中心站(1)，采用光QPSK调制器(1-7)产生数据调相光波，经偏振控制器(1-9)后，在光合路器(1-10)实现与强度变化光波的合成；3)在基站(3)借助光探测器(3-1)，对接收的合成光波进行平方运算，将QPSK数据调相的光波转变成QPSK数据调相的的毫米波；4)在基站(3)，用窄带带通滤波器(3-3)取出所需频率的已调毫米波信号，经功率放大器(3-4)和毫米波天线(3-5)向空间发射。
本发明与现有技术相比较，具有以下突出特点和显著优点把光载波转换为毫米波载波的同时，所携带的调制信号不变；实现了QPSK调制的毫米波，一个信道占用频带窄，为多信道复用留下了余地；所提出的毫米波生成装置的关键器件(如光调相器、Mach-Zehnder光干涉仪等)是无源器件，可以保证整个RoF系统成本较低；系统具有可调性，如要改变输出毫米波功率，只需改变调相指数β的数值以使所需的谐波分量功率变化，无需更换其它部件。此外，还有一个突出的优点，由于扫描频率较低，而微微蜂窝RoF系统的光纤链路又很短，故不必担心光纤色散的影响，可以使用石英多模光纤甚至塑料光纤作为传输介质，进一步降低系统的材料成本和敷设费用。
附图是本发明的射频光纤传输系统的QPSK毫米波信号生成装置的结构框图。图中标号1中心站；2光纤线路；3基站；1-1激光器；1-2光分路器；1-3偏振控制器；1-4相位调制器；1-5光梳状滤波器；1-6偏振控制器；1-7光QPSK调制器；1-8恒温槽；1-9偏振控制器；1-10光合路器；3-1光探测器；3-2前置放大器；3-3窄带带通滤波器；3-4功率放大器；3-5毫米波天线
具体实施例方式本发明的一个优选实施例子是一种应用于高速数据RoF系统的60GHz毫米波光学生成装置和方法。
参见附图，本毫米波信号生成装置是由中心站1、光纤线路2和基站3构成，具体是1)在中心站(1)设置半导体激光器1-1、光分路器1-2、偏振控制器1-3、光相位调制器1-4、光梳状滤波器1-5、偏振控制器1-6、光QPSK调制器1-7、偏振控制器1-9和光合路器1-10；所述的半导体激光器1-1输出的光波经所述的光分路器1-2按2∶1分光比分成二路一路经所述的偏振控制器1-3和光相位调制器1-4进入所述的光梳状滤波器1-5，另一路经所述的偏振控制器1-6和光QPSK调制器1-7进入所述的偏振控制器1-9，然后由所述的光合路器1-10将上述二路输出光波合成一路注入所述的光纤线路2；2)在基站3设置光探测器3-1、前置放大器3-2、窄带带通滤波器3-3、功率放大器3-4、毫米波天线3-5；从所述的光纤线路2输送来的合成光波经所述的光探测器3-1、前置放大器3-2、窄带带通滤波器3-3和功率放大器3-4，最后通过所述的毫米波天线3-5向空间发射。
上述的光相位调制器1-4、光梳状滤波器1-5和光QPSK调制器1-7置于一个恒温槽1-8中。
本QPSK毫米波信号生成方法是采用上述装置，在中心站1的发送端，半导体激光器1-1工作在1550nm波段，线宽选择得尽量窄(最好的商用DFB激光器或外腔式DFB激光器的线宽可达30-50MHz)，输出功率取10mW。
采用LiNbO3波导光相位调制器1-4，用fsw＝5GHz的正弦波驱动它。驱动电压取得足够高，以尽量获得高的毫米波功率。采用保偏的Mach-Zehnder光干涉仪作梳状光滤波器1-5，取τ＝0.1ns，即FSR＝10GHz。采用LiNbO3波导光QPSK调制器1-7。
由于这三种光器件的波长特性对环境温度都比较敏感，故将它们安置在特别设计的温度可调的恒温槽1-8之中，取工作温度范围为40-50℃。
传统光纤型Mach-Zehnder干涉仪在τ＝0.1ns时两臂的长度差很大，由于光纤中的偏振态变化，使干涉效果不稳定，本发明采用保偏光纤耦合器来构造Mach-Zehnder干涉仪，保证干涉仪工作稳定。
在条件ωcτ＝2kπ；ωswτ＝π成立时，正弦调相波的奇次谐波幅度为零，偶次谐波幅度最大，故选择fsw＝5GHz，τ＝0.1ns是必要的。为满足ωcτ＝2kπ，应选激光器的中心频率fc＝k/τ，即中心波长λc＝cτ/k＝3×107nm/k(c为真空光速)。当k＝19353时，λc＝1550.15nm(接近ITU-T波长1550.12nm)，所以选用λc＝1550.12nm，再通过激光器的偏置电流进行波长的微调。
为产生60GHz毫米波，在基站3，采用带宽超过60GHz的光探测器3-1，后接前置放大器3-2、窄带带通滤波器3-3和功率放大器3-4，提取正弦调相波的第12次谐波。
权利要求
1.一种射频光纤传输系统的QPSK毫米波信号生成装置，由中心站(1)、光纤线路(2)和基站(3)构成，其特征在于1)在中心站(1)设置半导体激光器(1-1)、光分路器(1-2)、偏振控制器(1-3)、光相位调制器(1-4)、光梳状滤波器(1-5)、偏振控制器(1-6)、光QPSK调制器(1-7)、偏振控制器(1-9)和光合路器(1-10)；所述的半导体激光器(1-1)输出的光波经所述的光分路器(1-2)按2∶1分光比分成二路∶一路经所述的偏振控制器(1-3)和光相位调制器(1-4)进入所述的光梳状滤波器(1-5)，另一路经所述的偏振控制器(1-6)和光QPSK调制器(1-7)进入所述的偏振控制器(1-9)，然后由所述的光合路器(1-10)将上述二路输出光波合成一路注入所述的光纤线路(2)；2)在基站(3)设置光探测器(3-1)、前置放大器(3-2)、窄带带通滤波器(3-3)、功率放大器(3-4)、毫米波天线(3-5)；从所述的光纤线路(2)输送来的合成光波经所述的光探测器(3-1)、前置放大器(3-2)、窄带带通滤波器(3-3)和功率放大器(3-4)，最后通过所述的毫米波天线(3-5)向空间发射。
2.根据权利要求1所述的射频光纤传输系统的QPSK毫米波信号生成装置，其特征在于所述的光相位调制器(1-4)、光梳状滤波器(1-5)和光QPSK调制器(1-7)置于一个恒温槽(1-8)中。
3.一种射频光纤传输系统的QPSK毫米波信号生成方法，采用权利要求1所述的射频光纤传输系统的QPSK毫米波信号生成装置生成该毫米波信号，其特征在于QPSK毫米波信号生成的步骤如下1)在中心站(1)，采用频率为fsw的正弦波驱动光相位调制器(1-4)，使光波的相位在一定范围内依正弦规律变化，光波的频率在一定范围内依余弦规律变化，实现光波的频率扫描；再通过光梳状滤波器(1-5)，产生光波的非正弦强度变化；2)同时在中心站(1)，采用光QPSK调制器(1-7)产生数据调相光波，经偏振控制器(1-9)后，在光合路器(1-10)实现与强度变化光波的合成；3)在基站(3)借助光探测器(3-1)，对接收的合成光波进行平方运算，将QPSK数据调相的光波转变成QPSK数据调相的的毫米波；4)在基站(3)，用窄带带通滤波器(3-3)取出所需频率的已调毫米波信号，经功率放大器(3-4)和毫米波天线(3-5)向空间发射。
全文摘要
本发明涉及一种射频光纤传输系统的QPSK毫米波信号生成装置与方法。该装置由中心站的半导体激光器、偏振控制器、光相位调制器、光梳状滤波器、光QPSK调制器、光分路/合路器和基站的光探测器、窄带带通滤波器和毫米波放大器、毫米波天线组成。本发明提出一种并联—扫频干涉/多相调制的光学方法，在中心站借助光相位调制器，采用正弦波电压对半导体激光器输出光波的频率进行扫描，再利用Mach－Zehnder光干涉仪的周期性透射响应特性，将频率变化的光波转变成强度变化的光波；同时经由光QPSK调制器产生数据调制的光波。最后通过光探测器的平方律光电转换和窄带带通滤波器的选频功能从合成光波获得QPSK调制的毫米波信号。本发明提出的光学方法与装置能够以无源的方式在基站中生成已调毫米波，保证很低的系统成本，同时还具有数据速率高、能灵活选择输出功率等优点。
文档编号H04B10/155GK101047448SQ20071003813
公开日2007年10月3日 申请日期2007年3月16日 优先权日2007年3月16日
发明者林如俭, 修明磊, 叶家骏, 李迎春, 宋英雄, 邹君妮 申请人:上海大学