专利名称：经改进的光纤gps链路的制作方法
技术领域：
本申请一般涉及用于通过多模光纤传输全球定位系统(GPS)信号的装置、系统以 及方法。
背景技术：
全球定位系统(GPS)接收器的某些应用要求将接收器置于离天线一千英尺或更 远。一种此类应用是将GPS定时接收器用于电话网络中的时间同步和频率控制。GPS定时 接收器的这种应用可能要求将天线放置在办公大楼顶上，并通过该大楼将同轴电缆布线至 GPS接收器所在的电话网络控制室。标准低成本同轴电缆在1. 57542GHz下每100英尺的损 耗将在IOdB与30dB之间。众所周知，同轴电缆中的损耗随着频率增大。例如，在Buchsbaum 的实用电子手册中列出的RG58C同轴电缆在IOMHz下具有每100英尺1. 6dB的损耗，在IGHz 下具有每100英尺24dB的损耗。以前已按照至少三种方法来处理同轴电缆损耗。第一种方法涉及在天线处放置具有足够增益的低噪声放大器(LNA)来解决电缆 损耗。然而在GPS频率下，这种方法仅对长达约200英尺的电缆有用。第二种方法利用低噪声区块(LNB)在天线处降频至较低频率，并将该信号以较低 频率通过同轴电缆传输至设计成接收该较低频率的接收器。这种方法不适用于设计成接收 1. 57542GHz信号的GPS接收器。重新设计GPS接收器以接受较低频率信号也不是成本高效 的解决方案。第三种方法寻求通过在天线处使用降频转换器部分和在接收器处使用升频转换 器部分以将信号转换回天线处接收的原始频率的第三种方法来处理同轴电缆损耗，如发明 人和转让情况与本发明相同的美国专利5，999，795所述，该专利通过引用整体结合于此。 概言之，本发明防止引入频率误差，基准信号沿电缆传输并在升频转换和降频转换过程中 使用。因此，所接收的频率过高而不能沿电缆长度以几乎感受不到的幅值损耗传输的信号 被降频转换至较低频率。该降频转换过程包括混合所接收的信号与本机振荡器信号以产 生中间频率。该中间频率沿电缆长度向下传输。该中间频率被选择成比所接收的信号的频 率低得多。因为沿电缆的信号衰减随着频率降低而减少，所以较低频率的中间信号相比所 接收的较高频率信号而言将经历更少损耗。在电缆的另一端，该中间信号被升频转换至较 高频率的输出信号。升频转换过程通过将中间信号与本机振荡器信号混合来完成。升频 转换器和降频转换器二者中的本机振荡器信号由同一基准信号派生。对于GPS应用，频率 为1. 57542GHz的GPS信号由天线接收并进入转换器，在该转换器中从1. 6368GHz中减去 该信号以产生61. 38MHz的中间频率。该中间频率被放大并进入双工器。该双工器是隔离 61. 38MHz中间频率和16. 368MHz基准频率、从而允许同轴电缆同时传输两个信号的双向功 率分配器和滤波器的装置。该中间频率在同轴电缆的接收端上到达双工器处，并被引导至转换器，在该转换器中其与1. 6368GHz本机振荡器(LO)信号混合以再现1. 57542GHz的信 号。该转换器的输出然后被滤波并衰减至代表具有30dB增益的有源GPS天线所接收的信号 的信号电平。连接至升频转换器的输出端的GPS接收器将该信号视为连接至标准有源GPS 天线。这是可行的解决方案，但太复杂而不允许向同一电缆或光纤中添加其它频率。此外，现在使用的射频光纤链路呈现为需要高动态范围。这些设备所基于的设想 是通用链路将经历在60dB或以上的动态范围，从而意味着从约OdBm到-60dBm的信号功率 范围。坚持这一设想使现有设备非常昂贵。该开销部分来自与极低噪声线性调制器和检测 器相关联的成本。因此，仍存在对用于在长达例如2000英尺或更长的光纤电缆长度向GPS接收器传 输Ll (1575. 42MHz)和/或L2 (1227. 6MHz)频率以及800MHz与1800MHz之间的任何频率的 GPS信号的廉价方法和装置的需求。
发明内容
一种光纤GPS信号设备和方法包括VCSEL多模发射器，该VCSEL多模发射器的增 益与GPS天线增益一起大于VCSEL多模发射器噪声。当经由长达2000英尺或更长的多模光 纤与光纤接收器进行有效通信时，这些GPS信号以Ll和L2等频率在多模光纤的长度上以 最小降级传输。本发明可用于需要长电缆布线的多种GPS传输应用。例如，当GPS天线位 于办公大楼或蜂窝电话发射塔顶上并远离GPS接收器、且用于高容量商用电话同步(DTMF) 应用时，本发明尤其有用。当结合附图和权利要求阅读对本发明的以下详细描述时，上述发明内容对本邻域 技术人员将显而易见。在整个附图中，相同的标记指示相似或相同的部分。附图简述
图1是本发明的一个实施例的系统级示图。发明详细描述参照附图，提供了用于在长达例如2000英尺或更长的光纤电缆长度向GPS接收器 传输Ll (1575. 42MHz)和/或L2 (1227. 6MHz)频率以及800MHz与1800MHz之间的任何频率 的GPS信号的方法和装置。如上简述地，GPS信号不具有高动态范围。换言之，GPS信号小，例如为_120dBm 到-130dBm，而且不会变化超过约12dB。这部分是因为所有相关卫星都在12，500英里的 高度处绕轨道旋转，且具有相同的信号强度以及离位于地球上的GPS接收器几乎相等的距 离。这些信号强度变化主要是因为GPS链路的接收器端处的天线拍达声(patter)。良好 的GPS接收天线具有超过在10度的仰角上的半球接收拍达声约6dB的信号电平变化的拍 达声。由GPS信号通过空气传播引起的损耗导致约另一 6dB的信号损耗。因此，GPS信号 要求约12dB的动态范围。GPS信号的约12dB的这种非常小的动态范围允许引入和使用本发明中的廉价垂 直腔面发射激光器(VCSEL)光纤兼容发射器来提供诸如电话网络中的高容量时间同步和 频率控制之类的低成本GPS光纤链路应用。本发明中所采用的VCSEL多模发射器是本领域中已知的，且当前可从诸如 Honeywell和Vitesse之类的销售商处买到。这样的VCSEL多模发射器包括激光器，该激光器设计用于驱动低成本多模光纤且能在850nm波长下线性调制至2. 5GHz，即可见红光光 谱的低端。一般而言，相比于具有低至IdB噪声系数的低噪声放大器，VCSEL发射器在50dB 的噪声系数下具有糟糕的噪声性能。此外，此类VCSEL发射器包括低温工作方面的限制，即 它们必须在等于或高于9°C下才能正常工作。由于这些性能问题，VCSEL发射器不是GPS信 号发射的必然选择。此外，多模光纤包括在小于IGHz下指定的带宽。因此，多模光纤显现为不适用于 长达2000英尺或更长的长距离上的当前包括Ll (1575. 42MHz)和L2 (1227. 6MHz)频率的 GPS信号。因为多模光纤带宽针对由多个1和0组成的数字数据指定，而且该多模光纤包括 不同的调制频率，所以这些波形随着光纤长度增加可能会失真。这些因素等综合在一起致 使多模光纤不成为GPS信号传输的必然选择。然而，我们已经确定延迟失真没有使相对窄带的GPS信号降级。针对GPS卫星构 想了若干其它GPS频率，本发明能够对800MHz与1. 8GHz之间的任何频率寻址。此外，我们 已经通过增益抑制了 VCSEL发射器的约50dB噪声。具体参照图1，提供了本发明的一个实施例10。因此，如本领域所周知地，提供了 GPS天线20。这样的GPS天线20能接收极低电平的GPS信号(_120dBm到_130dBm)，且具 有26dB的标准增益。该GPS天线20被示为通过标准的50 Ω同轴电缆60有效地连接至光 纤发射器50。该光纤发射器50包括未示出但本领域公知的VCSEL多模发射器。该VCSEL 多模发射器包括便于GPS信号发射的激光器。该VCSEL多模发射器经由本领域公知的标准 电缆布线40与电源30有效连接。而包括VCSEL多模发射器的光纤发射器50经由多模光 纤电缆70有效连通至光纤接收器80，该光纤接收器80通过例如标准的50 Ω同轴电缆90 与至少一个GPS接收器100有效连通。将光纤发射器50和光纤接收器80有效连接的多模 光纤电缆70可包括长达2000英尺或更长的长度，该长度取决于所探讨的具体任务。使用这种设置，我们将来自自身包括约26dB到约32dB增益的GPS天线20的GPS 信号再放大约28dB到约32dB以产生约60dB的总增益，以克服光纤发射器50的VCSEL多 模发射器的50dB噪声系数，从而产生低成本的GPS光纤链路。如本领域技术人员所公知地， VCSEL多模发射器内的放大通过指定超过VCSEL发射器的噪声系数的增益来实现。因此， 该VCSEL多模发射器包括可指定增益的放大器(未示出，但本领域均能理解)。对VCSEL发 射器放大器的增益指定可包括不同的水平，这取决于克服VCSEL发射器噪声所需的实际增 益，且根据在约26dB到约32dB之间变化的GPS天线的实际增益。优选在GPS天线与VCSEL 增益之间实现的总增益超过VCSEL多模发射器噪声水平10dB，不过超过VCSEL多模发射器 噪声的包括大于或小于IOdB的其它总增益增大也在本发明的范围内。作为示例而非限制，GPS信号总体放大60dB意味着来自天线20的噪声超过了来 自光纤发射器50的VCSEL发射器激光器的噪声功率10dB。这又意味着来自GPS天线20 的噪声超过了激光器噪声10倍。因此，GPS信号通过本发明的光纤链路无降级地传输至至 少一个GPS接收器100。此外，因为包括VCSEL多模发射器的光纤发射器50的工作波长是 850nm且位于可见红光光谱的低端，所以可使用长度达2000英尺或更长的低成本多模光缆 70而没有性能降级。因为光纤发射器50的VCSEL发射器具有低于9°C的低温工作限制，所以该VCSEL 多模发射器，尤其是VCSEL多模发射器的激光器主体与本领域已知的导热板有效连接。该激光器主体与VCSEL多模发射器的放大器有效连接。导热板的温度被监测并不允许低于 9°C。根据本发明的一种方法可包括—种用于通过多模光纤传输GPS信号的方法，包括提供具有指定增益的GPS天线；提供包括VCSEL多模发射器的光纤发射器，该VCSEL多模发射器具有指定噪声水平，且将GPS天线与光纤发射器有效连接。在光纤发射器中设置包括可指定增益的放大器；确保包括GPS天线增益加上指定放大器增益的总增益大于VCSEL多模发射器的噪 声水平；利用一段多模光纤将光纤发射器与光纤接收器连接；将光纤接收器与至少一个GPS接收器有效连接；利用GPS天线接收GPS信号；将GPS信号从GPS天线传输至光纤发射器；放大GPS信号至指定增益；将经放大的GPS信号传输至光纤接收器；以及将经放大的GPS信号传输至至少一个GPS接收器。附加的方法步骤可包括将多模VCSEL发射器激光器保持于至少9°C的温度。上述说明书描述了本发明的某些优选实施例。该说明书决不旨在限制权利要求的 范围。本领域技术人员现在能想到在本发明的精神和范围内的其它修改、变化或替换。因 此本发明旨在仅受所附权利要求的范围限制。
权利要求
一种用于通过多模光纤传输L1(1575.42MHz)和/或L2(1227.6MHz)频率的GPS信号的装置，所述GPS信号从具有增益的GPS天线接收，所述装置包括光纤发射器，所述光纤发射器与所述GPS天线有效连通且包括VCSEL多模发射器，所述VCSEL多模发射器包括噪声水平、激光器主体以及与所述激光器主体有效连接的具有可指定增益的放大器；与所述光纤发射器有效连通且具有一长度的多模光缆；与所述多模光缆有效连通的光纤接收器；以及与所述光纤接收器有效连通的至少一个GPS接收器。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括由所述放大器的可指定增益和所述 GPS天线增益组成的总增益。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括所述总增益大于所述VCSEL多模发射 器的所述噪声水平。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多模光缆的长度长达2，OOO英尺。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述多模光缆的长度大于2，000英尺。
6.如权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括所述总增益比所述VCSEL多模发射器 的所述噪声水平大IOdB。
7.如权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括所述总增益比所述VCSEL多模发射器 的所述噪声水平大不到IOdB。
8.如权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括所述总增益比所述VCSEL多模发射器 的所述噪声水平大超过IOdB。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括所述GPS信号具有800MHz与1800MHz 之间的频率。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括与所述VCSEL多模发射器激光器主 体有效连接的导热板。
11.一种用于通过多模光纤传输Ll (1575. 42MHz)和/或L2 (1227. 6MHz)频率的GPS信 号的装置，所述GPS信号从具有增益的GPS天线接收，所述装置包括光纤发射器，所述光纤发射器与所述GPS天线有效连通且包括VCSEL多模发射器，所述 VCSEL多模发射器包括噪声水平、激光器主体以及与所述激光器主体有效连通的具有可指 定增益的放大器；与所述光纤发射器有效连通且具有一长度的多模光缆；与所述多模光缆有效连通的光纤接收器；与所述光纤接收器有效连通的至少一个GPS接收器；由所述放大器的所述可指定增益和所述GPS天线增益组成的总增益；以及与所述VCSEL多模发射器激光器主体有效连接的导热板。
12.如权利要求10所述的装置，其特征在于，还包括所述GPS信号具有800MHz与 1800MHz之间的频率。
13.一种用于通过多模光纤传输GPS信号的方法，包括 提供具有指定增益的GPS天线；提供包括VCSEL多模发射器的光纤发射器，所述VCSEL多模发射器具有激光器和指定噪声水平，且将所述GPS天线与所述光纤发射器有效地连接； 在所述光纤发射器中设置包括可指定增益的放大器；确保包括所述GPS天线增益加上所述指定放大器增益的总增益大于所述VCSEL多模发 射器的噪声水平；利用一段多模光纤将所述光纤发射器与光纤接收器连接； 将所述光纤接收器与至少一个GPS接收器有效地连接；利用所述GPS天线接收Ll (1575. 42MHz)和/或L2 (1227. 6MHz)频率的GPS信号； 将所述GPS信号从所述GPS天线传输至所述光纤发射器； 将所述GPS信号放大至所述指定增益； 将所述经放大的GPS信号传输至所述光纤接收器；以及 将所述经放大的GPS信号传输至所述至少一个GPS接收器。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括确保所述总增益超过所述VCSEL多 模发射器的噪声水平至少10dB。
15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括确保所述总增益超过所述VCSEL多 模发射器的噪声水平至多10dB。
16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括将所述多模VCSEL发射器的激光器 保持于至少9°C的温度。
17.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括利用所述GPS天线接收800MHz与 1800MHz之间的任何频率的GPS信号。
全文摘要
一种光纤GPS信号设备和方法包括VCSEL多模发射器，该VCSEL多模发射器的增益与GPS天线增益一起大于VCSEL多模发射器噪声。当经由长达2000英尺或更长的多模光纤与光纤接收器进行有效通信时，这些GPS信号以L1和L2等频率在多模光纤的长度上以最小衰减传输。本发明可用于需要长电缆布线的多种GPS传输应用。例如，当GPS天线位于办公大楼或蜂窝电话发射塔顶上并远离GPS接收器、且用于高容量商用电话同步(DTMF)应用时，本发明尤其有用。
文档编号H04B10/12GK101809899SQ200880109144
公开日2010年8月18日 申请日期2008年9月25日 优先权日2007年9月25日
发明者C·W·福勒, D·W·哈克尔, J·J·高巴茨, K·J·克林, M·L·希尔曼 申请人:雷文工业股份有限公司