专利名称：一种qam光矢量信号产生及远程外差探测装置的制作方法
技术领域：
本发明属于光载无线通信技术领域，更具体地，涉及一种QAM光矢量信号产生及利用远程外差探测装置产生所需要频率电磁波的装置。
背景技术：
无线通信具有高度的灵活性，光通信则具有无与伦比的高带宽。在实现下一代无线接入时有机地将无线通信和光通信的优势结合起来无疑将十分切合市场需求。因此光载无线通信技术应运而生，光载无线通信是光通信和无线通信的融合。当前5GHz以下的无线频段已经十分拥挤，光载无线通信技术主要研究利用30GHz(30GHz以上电磁波为毫米波段)以上的电磁波作为载体进行通信。因此光生毫米波是光载无线通信中的一项关键技术。传统产生毫米波的方法是在电域进行，通过二次变频把基带信号调制到射频频域，再变换到毫米波频域，最后再通过调制光波发射出去，需要用到锁相环，晶振等器件，实现起来代价昂贵，较为麻烦。`相干光通信可以利用载波的振幅、频率、相位、偏振态等变量来传送信息，其信息传送效率要高于仅采用幅度变量来传送信息的数字光通信。相干通信主要利用了相干调制和相干检测技术。QAM (Quadrature Amplitude Modulation,正交幅度调制)信号格式综合利用了载波的幅度和相位变量来传送信息，相对于单纯只采用一个变量来传送的方式，其效率得以提高。例如，相对于单纯只利用幅度变量传送信息的方式，采用16QAM调制方式的信号传送效率提高了 4倍，若采用64QAM，则信号传送效率提高了 8倍。外差检测技术属于相干检测技术的一种，在解调时需要一束相干光和信号光相互作用以恢复信号光所携带的信息。外差检测中，相干光和信号光之间有一固定频率差，经光电探测器后获得的是中频信号，还需二次解调才能被转换成基带信号。目前相干检测都需要在接收端用到本振光源，要求本振光频率与信号光的频率和相位要严格匹配。但一般不同激光器之间，即使产生的光频率可以做到严格匹配，但相位是不相关的。目前一般采用光锁相环的方法来解决本征光和信号光之间相位不匹配的问题。因此当前外差检测技术需要在接收端增加一个激光器以及光锁相环。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种实现结构简单且能耗低的QAM光矢量信号产生及远程外差探测装置。为实现上述目的，本发明提供了一种QAM光矢量信号产生及远程外差探测装置，包括通过光纤连接的发送装置和接收装置，所述发送装置包括激光器，用于出射激光；第
一MZM调制器，输入端连接至所述激光器的输出端，控制端连接微波震荡源，用于将所述激光和微波震荡源调制后输出上、下边带光信号；光纤光栅，输入端连接至所述第一 MZM调制器的输出端，用于使得所述上边带光信号通过；光带通滤波器，输入端连接至所述光纤光栅的第一输出端，用于使得所述下边带光信号通过；矢量波形发生器，输入端接收数字基带信号，用于将数字基带信号分成两路后输出；光调制装置，输入端连接至所述光纤光栅的第二输出端，所述光调制装置的第一控制端连接至所述矢量波形发生器的第一输出端，所述光调制装置的第二控制端连接至所述矢量波形发生器的第二输出端，用于对所述光纤光栅输出的上边带光信号进行调制后输出携带有数字基带信息的QAM光信号；以及第二光耦合器，第一输入端连接至所述光调制装置的输出端，第二输入端连接至所述光带通滤波器的输出端，用于将所述下边带光信号与所述携带有数字基带信息的QAM光信号耦合至光纤中。更进一步地，所述接收装置包括光电探测器，输入端连接光纤，用于将接收的光信号转换成电信号；带通滤波器，输入端连接至所述光电探测器的输出端，用于使得所述电信号中设定频率的载波信号通过；放大器，输入端连接至所述带通滤波器的输出端，用于对通过的载波信号进行功率放大；天线，连接至所述放大器的输出端，将放大器输出端的电载波信号以电磁波的形式辐射。更进一步地，放大器输出端的电载波频率为上边带光信号的频率与下边带光信号的频率之差。更进一步地，所述上边带光信号的频率与下边带光信号的频率之差为所述微波震荡源频率的2倍。更进一步地，所述光调制装置包括第一分光器，其输入端作为所述光调制装置的输入端，用于将所述上边带光信号以等功率分成两路；第二 MZM调制器，输入端连接至所述第一分光器的第一输出端，所述第二 MZM调制器的控制端作为所述光调制装置的第一控制端，用于将所述第一分光器输出的一路光信号进行调制；第三MZM调制器，输入端连接至所述第一分光器的第二输出端，所述第三MZM调制器的控制端作为所述光调制装置的第二控制端，用于将所述第一分光器输出的另一路光信号进行调制；移相器，输入端连接至所述第三MZM调制器的输出端,用于将调制后的另一路光信号进行n/2移相处理；第一光稱合器，第一输入端连接至所述第二 MZM调制器的输出端，所述第一光耦合器的第二输入端连接至所述移相器的输出端，所述第一光耦合器的输出端作为所述光调制装置的输出端，用于将经过调制的一路光信号与移相n/2的另一路光信号进行耦合后输出所述携带有数字基带信息的QAM光信号。更进一步地，所述第一分光器、第二 MZM调制器、第三MZM调制器、移相器和第一光耦合器集成一体形成所述光调制装置。更进一步地，所述光矢量信号为M进制的正交振幅调制光矢量信号，M=22N，N为比特数目，N为大于等于1的正整数。本发明提供了一种可应用于光载无线通信系统，包括发送端上下边带光波的产生，M进制QAM光矢量信号产生，以及在接收端通过远程外差探测装置产生携带有发送端原始M进制QAM信号，其频率为所述上下边带光波频率之差的电磁波信号。本发明将数字基带信号直接在光域里变换成为QAM格式信号，避免了电域里的复杂处理，并利用相关光器件在发送端使得一个激光器产生两束具有固定频率差和相位严格匹配的光波，在经过接收端的光电探测器之后，由于差拍效应，可以产生所需要的频率的电磁波信号，譬如光载无线通信系统中的毫米波信号。
图1是本发明实施例提供的QAM光矢量信号产生及远程外差探测装置的模块结构示意图；(a)为QAM光矢量信号产生及远程外差探测装置中发送装置的模块结构示意图；(b)为QAM光矢量信号产生及远程外差探测装置中接收装置的模块结构示意图；图2是本发明实施例提供的QAM光矢量信号产生及远程外差探测装置中光波频谱分布示意图；(a)光波经激光器之后的频谱分布；(b)光波经第一 MZM调制器之后的频谱分布；(C)光波经光纤光栅之后的频谱分布；(d)光波经光带通滤波器之后的频谱分布；图3是本发明实施例提供的QAM光矢量信号产生及远程外差探测装置应用实例的解调星座图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明提供了一种在光频域范围内产生QAM格式光信号，并通过远程外差方法将光频域范围内的QAM格式光信号变换到所需要电磁波频域，包括毫米波频域；该远程外差探测装置可以产生直接产生所需要频率的电信号并以此驱动天线产生相同频率的电磁波。譬如产生30GHz以上毫米波，可应用于光载无线通信。实现结构简单，能耗低。可应用于光载无线通信系统或QAM光矢量信号产生及远程外差探测装置。传统电域里产生毫米波主要依靠多次变频处理将低频射频变换到毫米波频域，需要用到许多电子元器件，实现起来复杂。本发明将数字基带信号直接在光域里变换成为QAM格式信号，避免了电域里的复杂处理，并利用相关光器件在发送端使得一个激光器产生两束具有固定频率差和相位严格匹配的光波，在经过接收端的光电探测器之后，由于差拍效应，可以产生所需要的频率的电磁波信号，譬如产生光载无线通信系统中所需要的毫米波信号。远程外差技术的使用，使得光载无线通信的接收装置可以直接利用两束相干光波在毫米波频域恢复出原始的QAM信号，无需再使用本征光源和光锁相环，从而降低了接收装置的复杂度。图1示出了本发明实施例提供的QAM光矢量信号产生及远程外差探测装置的模块结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下QAM光矢量信号产生及远程外差探测装置包括通过光纤连接的发送装置和接收装置，如图1中(a)所示，发送装置包括激光器1、第一 MZM调制器3、光纤光栅4、光带通滤波器5、矢量波形发生器6、光调制装置7和第二光稱合器8,激光器I用于出射激光；第一MZM调制器3的输入端连接至激光器I的输出端，第一 MZM调制器3的控制端连接微波震荡源，第一 MZM调制器3的用于将 激光和微波震荡源调制后输出上、下边带光信号；光纤光栅4的输入端连接至第一 MZM调制器3的输出端，光纤光栅4用于使得上边带光信号f2通过；光带通滤波器5的输入端连接至光纤光栅4的第一输出端，光带通滤波器5用于使得下边带光信号通过；矢量波形发生器6的输入端接收数字基带信号，矢量波形发生器6用于将数字基带信号分成两路后输出；光调制装置7的输入端连接至光纤光栅4的第二输出端，光调制装置7的第一控制端连接至矢量波形发生器6的第一输出端，光调制装置7的第二控制端连接至矢量波形发生器6的第二输出端，光调制装置7用于对光纤光栅4输出的上边带光信号进行调制后输出携带有数字基带信息的QAM光信号；第二光耦合器8的第一输入端连接至所述光调制装置的输出端，第二光耦合器8的第二输入端连接至光带通滤波器5的输出端，第二光耦合器8用于将下边带光信号与携带有数字基带信息的QAM光信号率禹合至光纤中。在本发明实施例中，光调制装置7包括第一分光器70、第二 MZM调制器71、第三MZM调制器72、移相器73和第一光稱合器74,第一分光器70的输入端作为光调制装置7的输入端，第一分光器70用于将上边带光信号f2以等功率分成两路；第二 MZM调制器71的输入端连接至第一分光器70的第一输出端，第二 MZM调制器71的控制端作为光调制装置7的第一控制端，第二 MZM调制器71用于将第一分光器70输出的一路光信号进行调制；第三MZM调制器72的输入端连接至第一分光器70的第二输出端，第三MZM调制器72的控制端作为光调制装置7的第二控制端，第三MZM调制器72用于将第一分光器70输出的另一路光信号进行调制； 移相器73的输入端连接至第三MZM调制器72的输出端，移相器73用于将调制后的另一路光信号进行n /2移相处理；第一光耦合器74的第一输入端连接至第
二MZM调制器71的输出端，第一光耦合器74的第二输入端连接至移相器73的输出端，第一光I禹合器74的输出端作为光调制装置7的输出端,第一光I禹合器74用于将经过调制的一路光信号与移相n/2的另一路光信号进行耦合后输出所述携带有数字基带信息的QAM光信号。在本发明实施例中，光调制装置7可以为一个集成器件，即将第一分光器70、第二MZM调制器71、第三MZM调制器72、移相器73和第一光耦合器74集成一体。从原理上来说，也可以使用上述分立器件来实现所期望的功能，但各器件间需用光波导相连，从而光波的相位难以精确控制以致影响实现效果。在本发明实施例中，光调制装置7可以采用DualMZMI/Q调制器。如图1中(b)所示，接收装置包括光电探测器21、带通滤波器22、放大器23和天线，光电探测器21的输入端连接光纤，光电探测器21用于将接收的光信号转换成电信号；带通滤波器22的输入端连接至光电探测器21的输出端，带通滤波器22用于使得电信号中设定频率的载波信号通过；放大器23的输入端连接至带通滤波器22的输出端，放大器23用于对通过的载波信号进行功率放大；天线连接至放大器23的输出端，天线将设定频率的电载波信号以电磁波的形式福射。在本发明实施例中，通过远程外差探测装置后，发送端光域内的QAM光矢量信号被一次性地搬移到所设定频率的电域内，设定频率可以为上边带光信号的频率与下边带光信号的频率之差。上、下边带光信号的频率之差可由微波震荡源的频率所设定，也即在接收端所产生的电磁波频率为上、下边带光信号的频率之差。因此可以通过在发送端设置微波震荡源的频率而在接收端得到所需要频率的电磁波，包括毫米波。上下边带光信号的频率之差为微波震荡源频率的2倍。譬如微波震荡源的频率为30GHz时，在接收端就可产生60GHz的毫米波；由于上、下边带光信号在光电探测器处发生差拍，再由后续的带通滤波器等器件将60GHz的电信号滤出，用以驱动天线产生60GHz的毫米波。本发明实施例提供的QAM光矢量信号产生及远程外差探测装置可以产生M进制的QAM (正交振幅调制)光矢量信号，其中M=22N，N为比特数目，N为大于等于I的正整数。例如对于16QAM光矢量信号的生成，则矢量波形发生器将输入的数字基带信号分成2路，然后每路每2比特为一组合，即N=2，共产生2路4电平幅度信号，输入光调制装置7，从而4X4形成16QAM光矢量信号。以此类推，本发明亦可用于产生调制效率更高的256QAM光矢量信号，即每路每4比特为一组合，N=4,产生16电平幅度信号，16 X 16形成256QAM光矢量信号。另外，在f2频率上的n /2相位移实现需要通过调整光调制装置7的控制电压来改变光调制装置7的材料折射率来实现。本发明实施例提供的QAM光矢量信号产生及远程外差探测装置也可产生其它频率的毫米波，只要改变发送端微波震荡源的频率就可以了。例如，若要产生30GHz的毫米波，我们可以采用15GHz的微波震荡源，这样在接收端，通过光电探测器的差拍作用，我们可以得到2倍于微波震荡源频率fm的30GHz毫米波。为了更进一步的说明本发明实施例提供的采用远程外差的方法来实现的QAM光矢量信号产生及远程外差探测装置，结合图1和图2并以64QAM光矢量信号产生及远程外差法产生60GHz毫米波为例详述如下如图2中(a)所示，激光器I出射激光工作频率在193. 12THz (1550nm)，记为f0 ；微波震荡源以频率fm发 出周期性的正弦震荡波，fm=30GHz ;如图2 (b)所示，激光在经过以30GHz微波震荡源调制的第一 MZM调制器3后将形成以193. 12THz为中心频率fQ，以30GHz为间隔的上下两个边带，上边带f2频率为193. 15THz，下边带频率为193. 09THz ;如图2中(c)所示，光纤光栅4只让上边带f2通过，其它频率全部反射至光带通滤波器；如图2中Cd)所示，光带通滤波器5只让下边带通过；矢量波形发生器6将数字基带信号(即需传送之信息)分成2路，分别称为I路和Q路，每路3位比特一组，每3位比特组合可形成八个不同幅度的电平；光调制装置7的作用是实现光矢量信号(此处为64QAM 64进制正交幅度调制)的调制；第一分光器70将上边带光信号f2的以等功率分成2部分。第二 MZM调制器71和第三MZM调制器72分别接收来自矢量波形发生器6的两路(I和Q)八电平幅度电信号(即需传送之信息)的控制，而第一分光器70将两束等功率的上边带光信号f2分别送入第二 MZM调制器71和第三MZM调制器72的输入端，这样在第二 MZM调制器71和第三MZM调制器72的输出端就实现了八种不同幅度的光信号和来自I路和Q路的八种不同电平幅度的电信号之间的对应调制关系。之后，其中一路经第三MZM调制器72的输出再经过/2移相器73后在f2的频率上形成/2 (90° )的相位移，之后，该路光信号和另一路经第二MZM调制器71输出的光信号在第一光稱合器74中实现光功率稱合,此时第一光稱合器74输出的光信号为携带有数字基带信息，采用64QAM调制方式的光矢量信号，仍用光波f2表示。第二光耦合器8将光带通滤波器5来的光波和光耦合器I来的光波f2共同耦合到单模光纤中。光波和光波是由同一激光器在同一相干时间内输出的，尽管由于第一 MZM调制器3和微波震荡源的作用，和f2的频率有差异，但相位是相关的。这为接收端利用远端外差产生质量良好的毫米波创造了条件。光电探测器21将接收到的光信号转换成电信号，光波和光波f2将在光电探测器处发生差拍效应。光波的电场数学描述为=E1 (t) =Acos ( J+ 0 : (t))，其中A为电场幅值，％为角频率，Q1W为的相位。光波f2的电场数学描述为E2(t)=I(t)cos ( 2t+ 0 2 (t)) +Q (t) sin (Co 2t+ 0 2 (t)，I (t)为第二 MZM 调制器 71 发出的光波电场幅值，Q(t)为第三MZM调制器72发出的光波电场幅值。和0 2(t)分别为光波f2的角频率和相位。I(t)和Q(t)的值是由矢量波形发生器6的I路和Q路的电平值决定，且成正比例关系。当光波和f2到达光电探测器21，将发生差拍效应。其数学描述为
权利要求
1.一种QAM光矢量信号产生及远程外差探测装置，包括通过光纤连接的发送装置和接收装置，其特征在于，所述发送装置包括 激光器，用于出射激光； 第一 MZM调制器，输入端连接至所述激光器的输出端，控制端连接微波震荡源，用于将所述激光和微波震荡源调制后输出上、下边带光信号； 光纤光栅，输入端连接至所述第一 MZM调制器的输出端，用于使得所述上边带光信号通过； 光带通滤波器，输入端连接至所述光纤光栅的第一输出端，用于使得所述下边带光信号通过； 矢量波形发生器，输入端接收数字基带信号，用于将数字基带信号分成两路后输出； 光调制装置，输入端连接至所述光纤光栅的第二输出端，所述光调制装置的第一控制端连接至所述矢量波形发生器的第一输出端，所述光调制装置的第二控制端连接至所述矢量波形发生器的第二输出端，用于对所述光纤光栅输出的上边带光信号进行调制后输出携带有数字基带信息的QAM光信号；以及 第二光耦合器，第一输入端连接至所述光调制装置的输出端，第二输入端连接至所述光带通滤波器的输出端，用于将所述下边带光信号与所述携带有数字基带信息的QAM光信号率禹合至光纤中。
2.如权利要求1所述的QAM光矢量信号产生及远程外差探测装置，其特征在于，所述接收装置包括 光电探测器，输入端连接光纤，用于将接收的光信号转换成电信号； 带通滤波器，输入端连接至所述光电探测器的输出端，用于使得所述电信号中设定频率的载波信号通过； 放大器，输入端连接至所述带通滤波器的输出端，用于对通过的载波信号进行功率放大； 天线，连接至所述放大器的输出端，将设定频率的电载波信号以电磁波的形式辐射。
3.如权利要求2所述的QAM光矢量信号产生及远程外差探测装置，其特征在于，所述设定频率为发送端上边带光信号的频率与下边带光信号的频率之差。
4.如权利要求2或3所述的QAM光矢量信号产生及远程外差探测装置，其特征在于，所述上边带光信号的频率与下边带光信号的频率之差为所述微波震荡源频率的2倍。
5.如权利要求1所述的QAM光矢量信号产生及远程外差探测装置，其特征在于，所述光调制装置包括 第一分光器，其输入端作为所述光调制装置的输入端，用于将所述上边带光信号以等功率分成两路； 第二 MZM调制器，输入端连接至所述第一分光器的第一输出端，所述第二 MZM调制器的控制端作为所述光调制装置的第一控制端，用于将所述第一分光器输出的一路光信号进行调制； 第三MZM调制器，输入端连接至所述第一分光器的第二输出端，所述第三MZM调制器的控制端作为所述光调制装置的第二控制端，用于将所述第一分光器输出的另一路光信号进行调制；移相器，输入端连接至所述第三MZM调制器的输出端，用于将调制后的另一路光信号进行n /2移相处理； 第一光耦合器，第一输入端连接至所述第二 MZM调制器的输出端，所述第一光耦合器的第二输入端连接至所述移相器的输出端，所述第一光耦合器的输出端作为所述光调制装置的输出端，用于将经过调制的一路光信号与移相n/2的另一路光信号进行耦合后输出所述携带有数字基带信息的QAM光信号。
6.如权利要求5所述的QAM光矢量信号产生及远程外差探测装置，其特征在于，所述第一分光器、第二 MZM调制器、第三MZM调制器、移相器和第一光耦合器集成一体形成所述光调制装置。
7.如权利要求1所述的QAM光矢量信号产生及远程外差探测装置，其特征在于，所述光矢量信号为M进制正交振幅调制光矢量信号，M=22N，N为比特数目，N为大于等于I的正整数。
8.一种光载无线通信系统，包括QAM光矢量信号产生及远程外差探测装置，其特征在于，所述QAM光矢量信号产生及远程外差探测装置为权利要求1-7任一项所述的QAM光矢量信号产生及远程外差探测装置。
全文摘要
本发明公开了一种QAM光矢量信号产生及远程外差探测装置，包括发送装置和接收装置，在发送侧，第一MZM调制器将激光和微波震荡源调制后输出上、下边带光信号；光纤光栅使得上边带光信号通过；光带通滤波器使得下边带光信号通过；矢量波形发生器将数字基带信号分成两路输出；光调制装置对光纤光栅输出的上边带光信号进行调制后输出携带有数字基带信息的QAM光信号；第二光耦合器将下边带光信号与上述QAM光信号耦合至光纤中。本发明通过远程外差方法将光频域范围内的QAM光信号变换到所期望的电子频域内，并驱动天线产生携带有原始QAM信号的电磁波，可用于产生高频毫米波，实现结构简单，能耗低。
文档编号H04L27/36GK103067331SQ201210536040
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月12日 优先权日2012年12月12日
发明者单广军, 刘德明, 李劲, 朱光喜, 余宇, 马洪, 张伟, 谭力 申请人:华中科技大学