一种基于相干光频梳的光载射频波束赋形系统的制作方法

本发明涉及一种基于相干光频梳的光载射频波束形成系统，主要涉及微波光子和通信领域，具体来说涉及一种通过相干光频梳光源作为光载射频载波信号实现信号远距离传输，并在射频前段通过密集波分复用结合光学阵列真延时技术，实现高精度移相功能，并最终实现数模混合波束赋形的系统。

背景技术：

为了增加无线传输的传输速率和覆盖范围，第五代移动通信系统（5thgenerationmobilenetworks，简称5g）离正式商用越来越接近。5g在传输速率上应当实现比4g快十倍以上，即5g的传输速率可实现1gb/s。现在常用的5ghz以下的频段已经非常拥挤，毫米波由于其波长短、频带宽，可以有效地解决高速宽带无线接入面临的许多问题，受到了移动通信运营商的极大关注。因为毫米波的波长比较短，所以可以在基站应用大量的天线，使得基于大规模多入多出（massivemimo）系统的波束赋形和空间复用技术变得更加灵活。在现有的massivemimo系统中，一般常用的是单纯基于数字的波束赋形系统中，射频链的数量和天线数目相同。但是，当天线数目很大的时候，实际中利用相同数量的射频链路是不太实际的。

解决这个问题的方法是利用数模混合波束赋形。所谓数模混合波束赋形，是指在传统的数字域波束赋形基础上，在靠近天线系统的前端，在射频信号上增加一级模拟赋形，即利用低成本的移相器来控制每个天线发射信号的相位，也就是说每个波束赋形系数拥有恒定的模。相对于全数字赋形而言，数模混合波束赋形是性能与复杂度的一种折中方案，在高频段大带宽或天线数量很大的系统中具有较高的实用前景。

在现有的混合波束技术中，模拟波束赋形的实现方式一般是每一个天线单元连接一个收发模块以及移相器，来实现多个通道的相位独立控制，但这种设计由于有源射频通道器件数目多，存在硬件复杂度高，校准复杂，散热困难，成本高等问题，并且随着天线单元数目的增多，复杂程度问题越发显著。基于现有的相干光和波分复用技术，如果可以在基于不同频率的多个相干信号上实现相位的精确控制，则可以大大节省波束赋形系统的成本和体积。

技术实现要素：

本发明目的是为了结合现有的rof技术、相干光频梳和阵列光学真延时技术，实现可用于模拟或混合波束赋形发信机的一种低成本、小体积的基于相干光频梳的光载射频波束赋形系统。

为了达到上述目的，本发明提出了一种基于相干光频梳的光载射频波束赋形系统，该系统包含了光频梳发射模块和光频梳接收模块；其中光频梳发射模块包含了连续光光源、频梳产生单元、光滤波器、射频调制单元、光放大器，用于产生相干的光频梳信号并加载射频通信信号，该光频梳发射模块通过光纤与光频梳接收单元相连，并通过光纤实现光载波信号的长距离传输；光频梳接收模块包含了光滤波器、波分复用单元、阵列光延时单元、阵列光探测器；用于对接收到的光载波信号分频，并在不同频率的光信号上加载不同延时，然后转换回射频载波信号；该射频载波信号可以传送给射频前端及天线单元，并通过阵列天线实现波束赋形功能。

进一步地，本发明提出了可以实现上述射频光传输系统的实现方法，其中所述光频梳发射模块中的连续光光源，其光源实现方法可以是但不限于dfb、vcsel、fp等半导体激光器芯片，也可以是固体激光器或光纤激光器等，用于为频梳产生单元提供窄线宽、频率稳定的连续光信号；所述光频梳发射模块中的频梳产生单元，其实现方法可以是但不限于基于高非线性光纤或者高q值微环谐振器的频梳产生装置，用于产生等频率间距、相干的光频梳信号，该信号应至少包含8个功率等级相差小于1db的梳齿；所述光频梳发射模块中的射频调制单元，其实现方法可以是但不限于马赫-曾德尔、电吸收、微环等调制器，其3db带宽应不低于所处理的射频信号频率，用于把射频载波信号加载到光频梳信号上，转换为光载射频载波信号；所述连续光光源和频梳产生单元可以通过异质集成或者封装集成等方法，实现小型化；所述光频梳发射模块中的光滤波器，可以是但不限于微环、光学滤波片等类型光学滤波器，用于滤掉其他光频段的杂散信号；所述光频梳发射模块中的光放大器，其实现方法可以是但不限于edfa、osa等半导体光放大器；用于放大光载射频载波信号。

其中所述的光频梳接收模块中的波分复用单元，其实现方法可以是但不限于阵列波导光栅、滤波片等，用于将多波长的相干光频梳载波信号分开为独立的光载波信号，并传送至的阵列光延时单元和阵列光探测器；所述的光频梳接收模块中的光延时单元，其实现方法可以是但不限于集成的光波导和光开关阵列，用于实现高精度电控或热控可调光学真延时；所述的光频梳接收模块中的光探测器，其实现方法可以是但不限于apd、pin等半导体高速光探测器，其3db带宽应不低于所处理的射频信号频率，用于将所述光载射频载波信号解调为射频载波信号。该信号经过射频滤波器滤除带外杂散后，可经过pa放大并发送至天线单元。

本发明涉及的一种基于相干光频梳的光载射频波束赋形系统及其形成方法，利用了光频梳信号的相干特性，结合现有的光载无线通信技术（rof），可实现相干光信号的长距离传输；同时，基于波分复用技术和光学真延时技术，可实现相干信号的分频和多路延时信号的精确控制。该系统可用于射频通信系统中，连接毫米波通信基站的基站单元和射频波束赋形单元，与现有的毫米波波束赋形发信机相比，大大降低了射频单元的链路体积和成本，提高了集成度、可扩展性和可靠性。在微波光子和光载射频领域具有重要的意义。

附图说明

以下为附图部分的说明：

图1为本发明基于相干光频梳的光载射频波束赋形系统的整体结构框图

图2为本发明中光发射单元的结构框图

图3为本发明中光接收单元的结构框图

图4是摘要附图，内容为本发明基于相干光频梳的光载射频波束赋形系统的整体结构框图

图中各附图标记的含义见下表：

具体实施方式

如图1所示，一种基于相干光频梳的光载射频波束赋形系统，该系统包括现场可编程门阵列或者特定应用集成电路（fpga/asic）1、数模转换模块（dac）2、光发射模块（otx）3、光接收模块（orx）4、和射频前段（afe）5，其中fpga/asic1、dac2、otx3位于基带单元，一般可以放置在室内的数据中心，orx4、afe5位于射频拉远基站单元，光发射模块3和光接收模块4通过光纤实现远距离连接和信号传输。

其中，如图2所示，光发射模块3中，连续光源301可以由dfb半导体激光器实现，光频梳产生系统302可以通过高q值微环谐振腔实现，并通过和连续光源301键合实现异质集成，由dfb激光器输出的波长为1550nm的光信号，可以经过光学透镜耦合至微环谐振腔，并在高q值微环谐振腔内由于非线性效应产生一系列等频率间隔的相干光频梳信号，该信号传输进电光调制器303，电光调制器303可以由硅基马赫-曾德尔调制器实现，通过电光调制器303将需要传输的射频载波信号加载到频梳信号上，射频载波频率为28ghz左右，支持的载波带宽可为100mhz~1ghz,成为光载射频载波信号，该信号通过透镜耦合进光纤，然后通过光滤波器304，滤除高频和低频的信号，只保留中间幅度相近的8个梳齿信号；光载射频载波信号经过滤波器的滤波后，通过光纤耦合进光放大器305，经过放大后通过长距离光纤拉远至网络规划所确定的站点处的基站单元。

光接收模块4集成于基站单元，与光纤相连的滤波器401用来滤掉光放大器产生的底噪，保留所需的光频梳梳齿信号，然后通过光纤连接至波分复用器402，波分复用器402可以采用阵列波导光栅实现对于梳齿信号的分路，并分别进入8路光学真延时单元（ttd）403中。在ttd403内，光信号经过可调多比特光延时器实现对输入光信号在不同通道上的不同时延量，进而达到光载射频信号相位精确调控的目的。然后经过相位调控后的光载射频信号耦合至光探测器（pd）404中，光探测器可采用高速pin光探测器，通过光电转换将光载射频信号转换为射频信号，并通过射频微带耦合出来。该射频信号耦合进入模拟前端（afe）5中，可以通过射频带通滤波器滤除带外杂散，然后通过pa放大至所需功率等级，最后再经过一次射频滤波，即可通过天线模块实现波束赋形信号的定向传输。

由于这些光载射频信号是由频梳信号分束形成，他们的相位相干，可以大大简化校准流程。

在实际应用中，还可以把上述光频梳信号发射和接收模块进行多路并联，不同的通道上用于传输不同的射频载波信号，与光学真延时所实现的相位控制相结合，即可实现混合波束赋形。

上述仅为本发明的较佳实例而已，凡依据本发明申请专利本质所做的变化及变形，均应属于本发明所附的权利要求的保护范围。