专利名称：毫米波光纤传输系统中双路光相位调制毫米波生成及提供远程本振的系统和方法
毫米波光纤传输系统中双路光相位调制毫米波生成及 提供远程本振的系统和方法技术领域-本发明涉及毫米波光纤传输(RoF)系统中双路光相位调制毫米波生成及提供远程本振 的系统和方法。其核心思想是在中心站将单模激光分成两路，由两个反相的5GHz余弦微波 信号分别对这两路光波进行大调制指数的相位调制，再把两光波叠加，于是就产生FM-IM效 应，将光波的相位变化转化为强度变化，强度变化中包含微波信号及其高次谐波分量，提取 高次谐波得到毫米波载波。然后用2GHz BPSK信号以巳调副载波的方式对光波进行强度调 制，在基站能获得40GHz的毫米波远程参考本振和38GHz的BPSK信号。技术背景人们对多媒体宽带业务的需求日益增长，而目前拥塞的微波频段已难以适应这一发展， 开发毫米波频段是未来无线通信向更大容量和更高速率发展的必然方向。将毫米波和光纤传输技术相结合的毫米波RoF (mmRoF,millimeter-wave Radio over Fiber)技术具有频带宽、容 量大、成本低和适合组成微微蜂窝(pico-cell)网等特点，正越来越受到关注，成为下一代无 线通信的候选方案之一。如何用光学方法产生毫米波是毫米波RoF的核心关键技术，到目前 为止，国际上已经提出多种方案，主要有以下几种1) 双模激光器(dual-mode laser):激光器产生两种频率的光束，它们的频率之差正好 为毫米波频率，经光纤传输后基站的光探测器完成两个光束的产拍，产生毫米波输 出。这种方法要用特种激光器，对其稳定性要求苛刻，故代价很大。2) 多光源技术(multiple optical source technique):两光源频率之差即为毫米频率，到光 探测器差拍即得毫米波。这种方法要求光源频率和偏振的锁定，难度很高。3) 光波边带调制(modulation-sideband technique):基带信号对毫米波调制，然后用该 毫米波直接对光波调制，到基站后光波两边带差拍得到毫米波。这种方法在中心站 就需要毫米波振荡器，所以毫米波是靠电的方法产生的。光纤色散对基站毫米波的 衰落影响很大。4) 光调频(调相)结合光纤色散(FM-modulated laser in conjunction with fiber dispersion):用低频微波信号对激光器调频或对光波外调相，通过色散光纤，将光波的相位变化 转化为强度变化(FM-IM效应)，强度变化中包含微波信号及其高次分量，提取高次 谐波得到毫米波信号。如果把色散光纤换成梳状光滤波器，就是光学倍频法。这种方法对激光器波长和色散光纤或梳状光滤波器参数的关系要求苛刻，输出难以稳定。 5)非线性激光器谐波上变频(harmonic upconversion in nonlinear lasers):将低频微波信号加到非线性激光器，激发出高次谐波，到光探测器差频得到所需的毫米波。这种方法要求特种激光器，成本高。 上述技术各有自己的特点，但成本很高，系统复杂，不利于大规模应用。
发明内容
本发明的目的在于解决现有毫米波生成技术系统复杂、成本高昂、维护困难的问题，提 出一种实用的毫米波光纤传输系统中双路光相位调制毫米波生成及提供远程本振的系统和方 法。该系统结构简单，该方法易于实现，性能稳定，成本低廉，适合于实用产品的开发推广。为达到上述目的，本发明采用下述技术方案-一种毫米波光纤传输系统中双路光相位调制毫米波生成及提供远程本振的系统，包括中 心站、基站和光纤，中心站和基站通过光纤互连。其特征在于中心站的结构如下 一个激 光器和一个偏振控制器通过尾纤相连，所述的偏振控制器通过尾纤与一个双电极 Mach-Zehnder调制器的光输入端连接； 一个余弦微波信号源与一个微波差分功率放大器的输 入端相连，所述的微波差分功率放大器的两个输出端分别与所述的双电极Mach-Zehnder光调 制器的两个RF输入端相连，直流偏压与所述的双电极Mach-Zehnder光调制器的直流电极相 连，所述的双电极Mach-Zehnder光调制器的光输出端与另一个偏振控制器通过尾纤相连，该 偏振控制器通过尾纤与一个光强度调制器的光输入端相连， 一个正交调制器与所述的光强度 调制器相连；所述的光强度调制器的光输出端与一个光纤放大器的光输入端相连，所述的光 纤放大器的光输出端通过光纤连接到基站的光探测器的光输入端。基站的结构如下所述的 光探测器的电输出端与一个前置低噪声放大器的输入端相连，所述的前置低噪声放大器的输 出端与一个功分器的输入端相连，所述的功分器的一个输出端与一个带通滤波器的输入端相 连，所述的带通滤波器的输出与一个毫米波放大器的输入端连接，所述的毫米波放大器的输 出端与一个毫米波发射天线相连；所述的功分器的另一个输出端与另一个带通滤波器的输入 端相连，该带通滤波器的输出端与另一个毫米波放大器的输入端连接，所述的毫米波放大器 的输出信号作为毫米波参考本振。一种毫米波光纤传输系统中双路光相位调制毫米波生成的方法。采用上述的毫米波光纤 传输系统中双路光相位调制毫米波生成及提供远程本振的系统进行操作，其特征在于双路 同频大调制指数相位已调光波的干涉，从而产生富含谐波分量的强度调制光波，经光电转换 而生成毫米波。具体体现在在中心站，将激光器输出的激光在双电极Mach-Zehnder光调制器中分成两路光波；余弦微波信号源产生余弦波，通过差分功率放大器输出两路反相的大功 率微波信号，加到双电极Mach-Zehnder光调制器的RF电极上对两路光波进行大调制指数的 相位调制；同时直流偏压加到双电极Mach-Zehnder光调制器的直流电极，产生光波的相位 偏移以抵消双电极Mach-Zehnder光调制器两臂的不对称造成的两路光波的固有相位差；相位 调制后的两路光波叠加，由双电极Mach-Zehnder光调制器输出，通过光纤放大器放大，经由 光纤输送到光探测器，光探测器的电输出中富含微波信号的各次谐波；通过毫米波带通滤波 器，选出需要的毫米波信号，从而实现从低频微波到较高频率毫米波的光学倍频。一种毫米波光纤传输系统中提供远程本振的方法。采用上述的毫米波光纤传输系统中双 路光相位调制毫米波生成及提供远程本振的系统进行操作，及上述的毫米波生成方法，其特 征在于双电极Mach-Zehnder调制器的输出光波输入光强调制器；两路独立的基带信号输入 正交调制器的两个基带输入端口，中频微波信号与正交调制器的RF输入端相连，正交调制 器输出的BPSK调制中频微波信号进入光强度调制器的RF输入端；光强度调制器的输出光 信号经光纤输送到光探测器；光探测器的输出电信号经毫米波带通滤波器滤波得到纯净的 40GHz毫米波本振，经另一带通滤波器滤波得到携带了基带数据信息的两个相互正交的 38GHz BPSK信号。以下对本发明的原理作进一步的说明 本方案属于光学倍频技术，具体实现为如附图所示，在中心站l，激光器l-l发出单频激光到偏振控制器l-2，再输入到双电极 Mach-Zehnder光调制器1-3的光输入端。余弦微波信号源1-11通过微波差分功率放大器1-12 输出两路相位差180度的余弦波，分别加到双电极Mach-Zehnder光调制器1-3的两个RF输 入端。再把双电极Mach-Zehnder光调制器1-3的一个直流电极接地，另一个直流电极上加直 流偏压1-4。双电极Mach-Zehnder光调制器1-3可看成两个并行的相位调制器，此时其输出 光波电场表达式为<formula>formula see original document page 6</formula> (1)其中，A为光波电场振幅；^为光波的中心角频率；^.为微波信号角频率；"为调相指数，"二^^/!^ ^u是微波信号振幅，)^V,为RF半波电压；^c^7rJ^e/^&代表直流偏置电 压产生的相移，F^是直流偏置电压1-4， ^^为直流半波电压；r为光调制器两臂的不对称 所造成的光波时延差。将两路100Mbps基带信号l-8和2GHz中频微波信号l-9加到正交调制器1-10,输出2GHz BPSK信号，这样相当于100MHz的频带宽度传输了 200Mbps的信息速率，再加到光强度调制器1-6，对双电极Mach-Zehnder光调制器1-3输出的光波A(O进行强度调制，调制后光波 信号表达式为<formula>formula see original document page 7</formula> (2)式中A:为光调制指数，m(/)为两路正交的BPSK信号，<formula>formula see original document page 7</formula>),气为2GHz中频微波副载波的角频率，&为同相支路BPSK调制的2种随机相位状态，&2为正交支路BPSK调制的2种随机相位状态。将光强度调制器l-6输出的光信号经光纤放大器l-7放大后，由光纤3传输到基站2，光 探测器2-l检测光强度，形成光电流"0，表达式(式中R、 K是比例系数)如下<formula>formula see original document page 7</formula>得 <formula>formula see original document page 7</formula>由式(3)看到，输出光电流信号由一系列微波信号的谐波分量组成，这些分量的角频率间隔为^，包含有奇次谐波和偶次谐波<formula>formula see original document page 7</formula>是偶次分量<formula>formula see original document page 7</formula>是奇次分量只要取出适当的高次谐波分量，就可以得到需要的毫米波，比如当微波信号源卜11 ^出 频率<formula>formula see original document page 7</formula>要产生40GHz的毫米波，用带通滤波器2-9取出微波的第8次谐波，再根据第一类贝塞尔函数调节调相指数A使第8次谐波最大，由于双电极Mach-Zehnder光调制器1-3的两臂时延差r很小约为10—16秒，而微波信号频率化的数量级为10—9弧度/秒，则ftvrs10-7弧度，因此可认为cos^^， A =2/ ，当"=4.8时，可使第8 次谐波即40GHz毫米波幅度最大。另夕卜，也可以调节直流偏置电压l-4^c使A ^^3c+fty = p;r,;7 = 0,l,2，3，一，抑制奇次谐波(sinAp = 0 )，而偶次分量最大(cosAp = ±l )，使毫米波能量更为集中。假如要的是第2n次谐波，取出该项，并将2GHz两路相互正交的BPSK信号w(/) = cos(ft)'/ +) + sinOj + &2)代入'化简如下巧 (,) = 2K/2 (2^)[1 +cos[2咖/ - / 2)]=2Al/2,, (2/ )[1 + A: cos(6^/ + ^/2) + A: sin(cy.rc/ +))] cos[2"(w/ — w、r / 2)]=2K/2n(2j5){cos[2M(c;/-<^r/2)] + ^"Cos[(2"< s +<y,+ ^/2 -+鲁cos[(2柳，—— 0/2 _柳j] (4 )+鲁sin[(2腳.、.+ (y化.y + &2 -腳、,r] -5sin[(2腳，-《化),-&2 -鹏、r]}可见，里面包含了没有调制的毫米波载波COS(2"6V-^T/2)，还有两个与其角频率相差6^的两路正交BPSK信号。可以将cos(2,/-wj/2)作为毫米波参考本振2-7，用于对从基站接收 到的毫米波信号的下变频，而将cos[(2"^ - &)/ - ^2 -腳,r] 一 sin[(2腳、. 一 .)/ - & -}作为携带基带数据信息的两路相互正交的BPSK毫米波信号，经滤波放大后用毫米波天线2-6发 射出去。由此本方案实现了毫米波的产生、远程本振的提供和信息的调制传输。 本发明与现有技术相比较，具有以下突出特点和显著优点(1)本发明使用普通低频微 波源和光电了技术产生很高频率的毫米波，与直接用毫米波本振源对光波调制的RoF系统相 比，避免了使用价格昂贵的毫米波振荡器和电吸收调制器(EAM)，成本更低，更利于实现 和应用。(2)与以往的光学倍频法相比，省掉了可调激光器和梳状光滤波器(Mach-Zehnder 或Fabry-Perot光滤波器等)，核心部件只需一个双电极Mach-Zehnder调制器，简化了结构， 降低了系统成本，并且提高了稳定性。(3)与采用双光源生成毫米波技术相比，本发明只需一个普通单频激光器，节约了成本，避免了光相位噪声的影响。(4)只要调整双电极 Mach-Zehnder光调制器的偏置电压，就可消除奇次谐波。由于双电极Mach-Zehnder光调制器 在制造时不可能完美地做到两臂长度相等，还有微弱的长度差(例如200nm)，即便如此，由 该光程差造成的相位差可以靠在光调制器的直流电极加偏置电压所产生的相移来抵消。而且 这个相位差对光频率不敏感，在1550nm工作条件下，波长变化lnm,相位只变化大约0.03 度，即使激光源频率不稳定，产生的毫米波幅度也不会有大的变化，因此与以往的光学倍频 法对光频率敏感的特点相比，本系统更容易维护。(5)本发明用副载波调制的方式，在基站 获得已调制了基带信息的毫米波外，还能获得一个纯净的毫米波本振可用于下变频。(6)总 之，本发明结构简单，成本低廉，能使毫米波RoF通信系统进一步走向实用化。
图1:双路光相位调制产生毫米波的RoF系统及远程本振的提供方法中心站l、基站2、光纤3，激光器l一1、偏振控制器1一2、双电极Mach-Zehnder光调 制器1一3、偏置电压1一4、偏振控制器1一5、光强度调制器1一6、光纤放大器1一7、 基带信号1一8、中频微波信号l-9、正交调制器I-IO、余弦微波信号源l-ll、微波差分 功率放大器1-12，光探测器2—1、前置低噪声放大器2-2、功分器2-3、带通滤波器2 — 4、毫米波放大器2—5、毫米波发射天线2—6、带通滤波器2 — 9、毫米波放大器2 — 8、 毫米波参考本振信号2—具体实施例方式本发明的一个优选实施例子是一个应用于38GHz RoF系统的下行传输系统及方法 参见图1,本毫米波光纤传输系统中双路光相位调制毫米波生成及提供远程本振的系统包括中心站1、基站2和连接它们的光纤3。中心站1的结构如下 一个激光器1-1和一个偏振控制器1-2通过尾纤相连，所述的偏振控制器1-2通过尾纤与一个双电极Mach-Zehnder调制器1-3的光输入端连接； 一个余弦微波信号源1-11与一个微波差分功率放大器1-12的输入端相连，所述的微波差分功率放大器1-12的两个输出端分别与所述的双电极Mach-Zehnder光调制器1-3的两个RF输入端相连，直流偏压1-4与所述的双电极Mach-Zehnder光调制器1-3的直流电极相连，所述的双电极Mach-Zehnder光调制器1-3的光输出端与另一个偏振控制器l-5通过尾纤相连，该偏振控制器l-5通过尾纤与一个光强度调制器l-6的光输入端相连，一个正交调制器1-10与所述的光强度调制器1-6相连；所述的光强度调制器1-6的光输出端与一个光纤放大器1-7的光输入端相连，所述的光纤放大器1-7的光输出端通过光纤3连接到所述的基站2的光探测器2-1的光输入端。基站2的结构如下所述的光探测器2-1的电输出端与一个前置低噪声放大器2-2的输入端相连，所述的前置低噪声放大器2-2的输出端与 一个功分器2-3的输入端相连，所述的功分器2-3的一个输出端与一个带通滤波器2-4的输入 端相连，所述的带通滤波器2-4的输出与一个毫米波放大器2-5的输入端连接，所述的毫米 波放大器2-5的输出端与一个毫米波发射天线2-6相连；所述的功分器2-3的另一个输出端与 另一个带通滤波器2-9的输入端相连，该带通滤波器2-9的输出端与另一个毫米波放大器2-8 的输入端连接，所述的毫米波放大器2-8的输出信号作为亳米波参考本振2-7。 毫米波生成和远程本振产生过程为在中心站1的发送端，用作光源的半导体激光器l一l工作在1550nm波K，线宽lOMHz， 功率55mW。经过偏振控制器1-2，再进入双电极Mach-Zehnder光调制器1-3的光输入端。 余弦微波信号源l一ll产生频率为,=5GHz的余弦波驱动5GHz差分功率放大器1-12，输出 两路相位相差180度的余弦波，它们的幅度J^为6.9V，加到双电极Mach-Zehnder光调制器 1-3的两个射频输入端口 。双电极Mach-Zehnder光调制器1-3的调相半波电压r,为4.5V， 产生的调相指数为P = /r^, = 4.8 ，此时双电极Mach-Zehnder光调制器1-3输出光波为<formula>formula see original document page 10</formula>其中，A为光波电场振幅，^为光波的中心角频率；7为两路光波的延时差；《^=;2^^/^^ 代表直流偏置电压产生的相移，F^是直流偏置电压l-4， ^&为直流半波电压，调整直流偏 压1-4使^^， ，以抵消由光调制器两臂不对称造成的固有相位差。将两路100Mbps基带信号1-8和2GHz中频微波信号1-9加到正交调制器1-10，输出两 路相互正交的2GHz BPSK信号，再加到光强度调制器1-6，对双电极Mach-Zehnder调制器i-3的输出光波《o;i进行强度调制，调制后光波信号表达式<formula>formula see original document page 10</formula>
为2GHz中频微波副载波的角频率，0/2为一路BPSK调制的2种随机相位状态，&2为正交支路BPSK调制的2种随机相位状态。经过光纤放大器1-7、光纤3传送到基站2，光探测器2-1得到光电流为<formula>formula see original document page 10</formula>l，所以奇次谐波消失，而偶次谐波最大。若需要得到40GHz毫米波本振和38GHz的BPSK信号，可用中心频率为40 GHz、通带 为40MHz的带通滤波器2-9取出第8次谐波，得到信号如下Klt/8 (9.6) cos[8化(卜W 2)] = 0.3244& cos[2 r x 40 x 109 (f - W 2)]获得的就是纯净的40GHz毫米波本振。再通过中心频率为38 GHz、通带为400MHZ的带通滤波器2-4滤波，得到信号如下K2>/s(9.6){cos[(8(y、. — 《iC)f —— 4fi^T] — sin[(8 s - - #e2 — 4 ^〗} =0.3244AT2[cos(2;z: x 3 8 x 109 f —— 4化r) — sin(27T x 3 8 x 10々一 &2 — 4c^r)] 可见，38GHz的两个正交载波分别携带了 0/2和&2的随机相位信息，为两路100Mbps的正交BPSK调制，在lOOMHz的频带宽度上总共传输了 200Mbps的数据信息。可将38GHz 毫米波PSK信号经过毫米波放大器2-5用毫米波发射天线2-6发射!li去，而将纯净的40GHz 毫米波载波作为参考本振2-7，用在基站2对来自接收天线的毫米波信号进行下变频。
权利要求
1、毫米波光纤传输系统中双路光相位调制毫米波生成及提供远程本振的系统，包括中心站(1)、基站(2)和光纤(3)，中心站(1)和基站(2)通过光纤(3)互连。其特征在于所述的中心站(1)的结构一个激光器(1-1)和一个偏振控制器(1-2)通过尾纤相连，所述的偏振控制器(1-2)通过尾纤与一个双电极Mach-Zehnder调制器(1-3)的光输入端连接；一个余弦微波信号源(1-11)与一个微波差分功率放大器(1-12)的输入端相连，所述的微波差分功率放大器(1-12)的两个输出端分别与所述的双电极Mach-Zehnder光调制器(1-3)的两个RF输入端相连，直流偏压(1-4)与所述的双电极Mach-Zehnder光调制器(1-3)的直流电极相连，所述的双电极Mach-Zehnder光调制器(1-3)的光输出端与另一个偏振控制器(1-5)通过尾纤相连，该偏振控制器(1-5)通过尾纤与一个光强度调制器(1-6)的光输入端相连，一个正交调制器(1-10)与所述的光强度调制器(1-6)相连；所述的光强度调制器(1-6)的光输出端与一个光纤放大器(1-7)的光输入端相连，所述的光纤放大器(1-7)的光输出端通过光纤(3)连接到所述的基站(2)的光探测器(2-1)的光输入端。所述的基站(2)的结构所述的光探测器(2-1)的电输出端与一个前置低噪声放大器(2-2)的输入端相连，所述的前置低噪声放大器(2-2)的输出端与一个功分器(2-3)的输入端相连，所述的功分器(2-3)的一个输出端与一个带通滤波器(2-4)的输入端连接，所述的带通滤波器(2-4)的输出与一个毫米波放大器(2-5)的输入端连接，所述的毫米波放大器(2-5)的输出端与一个毫米波发射天线(2-6)相连；所述的功分器(2-3)的另一个输出端与另一个带通滤波器(2-9)的输入端相连，该带通滤波器(2-9)的输出端与另一个毫米波放大器(2-8)的输入端连接，所述的毫米波放大器(2-8)的输出信号作为毫米波参考本振(2-7)。
2、 一种毫米波光纤传输系统中双路光相位调制毫米波生成的方法。采用权利要求1所述的毫 米波光纤传输系统中双路光相位调制毫米波生成及提供远程本振的系统进行操作，其特征 在于双路同频大调制指数相位已调光波的干涉，从而产生富含谐波分量的强度调制光波， 经光电转换而生成毫米波。具体体现在在中心站(1)，将激光器(1-1)输出的激光在 双电极Mach-Zehnder光调制器(1-3)屮分成两路光波；余弦微波信号源(1-11)产生余 弦波，通过差分功率放大器(1-12)输出两路反相的大功率微波信号，加到双电极 Mach-Zehnder光调制器(1_3)的RF电极上对两路光波进行大调制指数的相位调制；同 时直流偏压(1-4)加到双电极Mach-Zehnder光调制器(1-3)的直流电极，产生光波的 相位偏移以抵消双电极Mach-Zehnder光调制器G-3)两臂的不对称造成的两路光波的固 有相位差；相位调制后的两路光波叠加，由双电极Mach-Zehnder光调制器(1-3)输出，通过光纤放大器(1-7)放大，经由光纤(3)输送到光探测器(2-1)，光探测器2-l的电 输出中富含微波信号的各次谐波；通过毫米波带通滤波器(2-9)，选出需要的毫米波信号， 从而实现从低频微波到较高频率毫米波的光学倍频。 3、 一种毫米波光纤传输系统中提供远程本振的方法。采用权利要求1所述的毫米波光纤传输 系统中双路光相位调制毫米波生成及提供远程本振的系统进行操作，及权利要求2所述的 毫米波生成方法，其特征在于双电极Mach-Zehnder调制器(卜3)的输出光波输入光强 调制器(1-7);两路独立的基带信号(1-8)输入正交调制器(1-10)的两基带输入端口， 中频微波信号(l-9)与正交调制器(1-10)的RF输入端相连，帀交调制器(1-10)输出 的BPSK调制中频微波信号进入光强度调制器(1-6)的RF输入端；光强度调制器(l-6) 的输出光信号经光纤(3)输送到光探测器(2-1);光探测器(2-1)的输出电信号经亳米 波带通滤波器(2-9)滤波得到纯净的40GHz毫米波本振，经带通滤波器(2-4)滤波得到 携带了基带数据信息的两个相互正交的38GHz BPSK信号。
全文摘要
本发明涉及毫米波光纤传输系统中双路光相位调制毫米波生成及提供远程本振的系统和方法。本系统包括中心站和基站，中心站由激光器、两个偏振控制器、双电极Mach-Zehnder调制器、微波差分功率放大器、光强度调制器和光纤放大器等构成，基站由光探测器、前置低噪声放大器、功分器、两个带通滤波器、两个毫米波放大器和毫米波发射天线构成。本方法是在中心站将单模激光分成两路，由两个反相的5GHz余弦微波信号分别对这两路光波进行大调制指数的相位调制，再把两路光波叠加，通过FM-IM效应将光波的相位变化转化为强度变化，强度变化中包含微波信号及其高次分量，提取高次谐波得到毫米波信号。然后用2GHzBPSK信号通过光强度调制器，以已调副载波的方式对光波进行强度调制，在基站获得40GHz的毫米波远程参考本振和38GHz的BPSK信号。光学倍频次数达到8，基带数据传输速率达到200Mbps。
文档编号H04B10/10GK101267255SQ200810033710
公开日2008年9月17日 申请日期2008年2月20日 优先权日2008年2月20日
发明者叶家骏, 周喆赟, 朱美伟, 林如俭 申请人:上海大学