专利名称：用于光学无线架构的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及光学无线架构，并且尤其是涉及利用简单和低成本的架构产生毫米波信号的新颖的方法和装置。背景毫米波技术是可提供在电子设备之间的高达每秒多吉比特((ibps)的无线连接的技术。毫米波应用的频率范围比用于FM无线电的频率范围明显更高。毫米波技术可使用在全世界可用的未受管制的带宽，并且具有比传统的无线LAN频率更好的效率和安全性。另外，更高的频率意味着更短的波长。作为结果，天线系统可以是毫米尺寸。但是，由于高的传输损耗，这样的毫米波带无线电频率信号在空中的电分布是受限的。部分地由于利用光纤通信的巨大的传输带宽和由光纤和高频RF载波提供的灵活的无线接入的无缝结合，毫米波光纤承载无线电(RoF)技术和系统正在吸引越来越多的研究和商业兴趣(W. Jian 等人的"Energy-Efficient Multi-Access Technologies forVery-High-Throughput Avionic Millimeter Wave, Wireless Sensor CommunicationNetworks "IEEE J. of Lightw. Technol. ,Vol. 28, No. 16，pp. 2398-2405，2010 年8 月 15 日)；(G. Chang等人的“Broadband Access Technologies for Very High Throughput WirelessSensor Communication Networks,，，IEEE Radio and Wireless Symposium' 09,2009 ^ 1月)。在毫米波系统设计中毫米波信号的光子产生和上变频起着重要的作用(A. Wiberg φ 人白勺 “Fiber-optic 40 GHz Millimeter-wave link with 2. 5Gb/sdatatransmission" IEEE Photon. Technol. Lett. ， vol.17， no.9, pp. 1938-1940,2005 ^ 9月)；(H. Song ^ 人 StJ "Error-free simultaneous all-opticalupconversion if WDMradio-over-fiber signals" IEEE Photon. Technol. Lett.，vol. 17, no. 8, pp. 1731-1733,2005 年 8 月)。产生毫米波信号的传统方案(例如双边带(DSB)和光载波抑制(OCS))经受性能衰退问题和传输距离限制。作为结果，一般DSB毫米波信号在40km单模光纤(SMF)传输后遭受严重的劣化。^t (J. Yu ^ A W "Optical Millimeter-ffave Generation or Up-ConversionUsing External Modulators，，，IEEE Photon. Technol. Lett.，vol. 18，no. 1，pp. 265-267，2006年1月)中，使用OCS调制方案产生的或者上变频的光毫米波展示高接收灵敏度、高光谱效率和小的功率损失。但是，也经受由光纤色散导致的在40km SMF传输后在40GHz处的光载波的不平均的振幅。在60km SMF传输之后，由于光纤色散和大的载波边带比(CSR)Jg图几乎闭合。另外，对通过使用DSB或者OCS的毫米波产生，采用了更多的部件。例如，对上变频需要额外的本地振荡器。毫米波信号一般利用单边带(SSB)方案来产生。但是，利用SSB的一般毫米波产生是复杂的。例如，在SSB方案中利用额外的光调制器或者交错器。例如，在(JJu等人的“A Novel Scheme to Generate Single-Sideband Millimeter—Wave Signals by UsingLow-Frequency Local Oscillator Signal,，，IEEE Photonics Technology Letters,vol. 20，no. 7，pp. 478-480，2008年4月1日)中，通过使用利用低频本地振荡器的SSB调制来产生毫米波。而且，额外的外部光纤或者交错器被利用来过滤出一阶模，这使产生方案更加昂贵。发明概述简要地，本发明说明了一种毫米波信号产生的方法，其包括通过数据信号和调制器驱动连续光波，导致数据边带信号，并且然后通过光耦合器合并该数据边带信号和另一个连续光波以产生具有两个非锁相边带的毫米波信号。该数据信号是可选地实现非归零二进制脉冲调制格式或者正交移相键控调制格式以及其它格式的电子数据信号。优选地，第一连续光波具有X1的波长，第二连续光波具有λ 2的波长，并且光电二极管具有大于&。的带宽，其中flQ = 0(1/^^1/^》以及C = 3.8xl08。该方法还包括通过实现光电转换的光电二极管来检测所产生的毫米波信号并且然后传输对应的高频无线电信号。本发明还说明了一种毫米波信号接收的方法，其包括接收与具有两个非锁相边带的毫米波信号对应的高频无线电信号并且然后通过本地振荡器将该无线电频率信号下变频到它的基带形式。可选地，本地振荡器具有自混频功能。本发明的实施方式还说明毫米波信号发生器，其包括用于驱动连续光波以导致边带数据信号的装置，以及用于光学地合并该边带数据信号和另一个连续光波以导致具有两个非锁相边带的毫米波信号的装置。数据信号是可选地实现非归零二进制脉冲调制格式或者正交移相键控调制格式以及其它格式的电子数据信号。优选地，第一连续光波具有入工的波长，第二连续光波具有λ 2的波长，并且用于检测的装置具有大于、的带宽，其中f1()= C(IZA1-IZA2)以及C = 3.8xl08。该方法还包括用于检测所产生的毫米波信号的实现光电转换的装置和用于发射与所产生的毫米波信号对应的无线电频率信号的装置。本发明还说明毫米波信号接收器，其包括用于接收与具有两个非锁相边带的毫米波信号对应的无线电频率信号的装置和用于将该无线电频率信号下变频到它的基带形式的装置。可选地，用于下变频的装置具有自混频功能。本发明的实施方式还说明了毫米波信号发生器，其包括配置成通过数据信号驱动连续光波并且然后输出数据边带信号的调制器以及配置成合并数据边带信号和另一个连续光波并且然后输出具有两个非锁相边带的毫米波信号的光耦合器。数据信号是可选地实现非归零二进制脉冲调制格式或者正交移相键控调制格式以及其它格式的电子数据信号。优选地，第一连续光波具有X1的波长，第二连续光波具有λ 2的波长，并且光电二极管具有大于 \。的带宽，其中 \。= C (1/ λ Γ1/ λ 2)以及C = 3. 8xl08。信号发生器还包括配置成检测毫米波信号并且实现光电转换的光电二极管和用于发射对应的无线电信号的高频天线。本发明还说明一种毫米波信号接收器，其包括用于接收与具有两个非锁相边带的毫米波信号对应的无线电信号的高频天线以及配置成将无线电信号下变频到它的基带形式的本地振荡器。可选地，本地振荡器具有自混频功能。附图的简要说明通过参考附图可以实现对本发明的更彻底的理解
图1示意性地示出了用于自由运行(free-rim)毫米波信号产生的系统和过程。图2示意性地示出了用于自由运行毫米波信号传输的评估平台的系统和过程。
图3示意性地示出了用于自由运行毫米波信号传输的实验设置的系统和过程。图4示出了用于时钟提取的两个配置。图5示出了利用OCS的毫米波产生的光谱和眼图。图6示出了眼图和误码率曲线。图7是说明用于毫米波信号产生的过程的图。现在将在下文中参考附图更加完全地说明本发明的实施方式，在附图中示出本发明的实施方式的一些例子。事实上，这些发明可以体现在许多不同的形式中，并且不应当被解释为限制于本文阐述的实施方式；更确切地说，这些实施方式作为例子被提供以满足可适用的法律要求。相似的数字始终表示相似的元件。优选的实施方式的详细说明图1示出根据本发明的实施方式的毫米波信号产生。两个自由运行光波的外差混频被利用。例如，采用具有IOOkHz的窄线宽的两个连续光波(CW1和CW2)来产生毫米波信号的两个边带，而不是通过额外的调制器(MOD)或者光交错器使用光载波抑制(OCS)的传统方法。具有λ工的波长的CW1IOl作为毫米波信号的边带之一利用MOD通过电子数据102来驱动。具有λ 2的波长的CW2103是作为毫米波信号的另一个边带的没有任何调制的纯连续光波。Cff1和CW2通过光耦合器(OC) 104组合在一起来实现毫米波信号产生。因此，在大频率范围内产生任何毫米波是更加灵活的和可行的。毫米波信号的两个边带是完全非锁相的，在它们之间有随机相差。在本发明的某些实施方式中，在两个光波之间的相对频移将改变毫米波的频率。因而，自混频被用于以平稳的操作实现毫米波下变频。在无线发射侧，毫米波信号被光电二极管(PIN) 105检测以实现光电(0/E)转换。在PIN后，毫米波由高频天线通过空中链路发射。在接收侧，使用具有自混频架构106的本地振荡器(LO)来将无线电频率(RF)下变频到它的基带形式。在本发明的某些实施方式中，例如通过自混频，在RF信号和LO之间的频移可实质上被消除。图2示出如本文公开的自由运行毫米波信号产生的评估平台。来自伪随机比特序列(PRBQ模式发生器的数据的比特率是5(ib/s。光谱如插图(i)所示，并且RF信号的频率可被计算为、=〇(1/人「1/人2)，其中0 = 3.8叉108。在图2的示范中，f1() = 62. 5GHz。因为该信号是二进制非归零(NRZ)信号，被加宽后的携带PRBS数据的右边带被示为插图(i)，而不是左边带。插图(ii)示出在80km SMF传输后所接收的PRBS数据的眼图。类似地，图3示出本发明的实施方式的实验设置。在62. 5GHz光毫米波上携带的5Gb/s 二进制信号通过80km SMF-28发射。例如，具有IOOkHz的窄线宽的波长稳定的连续波光波(CW1)由例如可调谐激光器在1557.3nm处产生，并且然后由5(ib/S NRZ 二进制信号所驱动的马赫曾德尔(Mach-khnder)调制器(MZM)调制。5(ib/S NRZ信号由PRBS模式发生器产生，具有211的长度。另一个纯连续波光波(CW2)也由波长稳定激光器在1557. 8nm处产生，具有IOOkHz的窄线宽。在CW1和CW2之间没有使用锁相。这些光波具有相等的光功率和在它们之间的随机相位噪声。激光器的频率稳定性在IOOMHz内。在OC之后，具有两个边带的毫米波RoF信号由CW1 (右边带)和CW2 (左边带)构
7成。毫米波RoF信号的光谱在图3中被示为插图(ii)。在80km SMF传输后，毫米波RoF信号由具有70GHz带宽的PIN检测到并且然后实现0/E转换。因为基于5(ib/S的信号被携带在右边带上，因此如在插图(i)中所示的，右边带更宽，而不是左边带。如以前一样，RF信号的频率可被计算为fl0 = C(1A「1A2)，其中C = 3. SxlO80在图3中示出的示范中， \。= 62GHz。毫米波RF信号由具有IOGHz的带宽的电子放大器(EA)放大。具有自混频功能的LO在接收器处被用于下变频。在电子混频器中实现时钟提取。提取时钟被用作L0。该LO用于使毫米波信号下变频。LO提取具有如图4中所示的两种配置。在方案A中，在电子混频器中的LO端口没有终接器。RF从这个端口被反射，并且时钟在电子混频器中被提取。在方案B中，毫米波被划分为两个部分。第一部分连接到在电子混频器中的RF端口，并且第二部分连接到在电子混频器中的LO端口。到LO和RF端口的RF电缆应当匹配以获得最佳的输出中频(IF)信号。最后，下变频的PRBS信号由以40GS/s的采样速率操作的高带宽(16. 5GHz)示波器采样并记录。接收到的PRBS信号的眼图在图3中被示为插图(ii)。如所示，通过使用自由运行产生方案实现了超过80km SMF的毫米波无误传输。通过与利用DSB和OCS的传统产生方案比较来说明自由运行方案的显著进步。例如，通过使用DSB或OCS产生的一般毫米波信号示出由于光纤色散导致的在光纤传输距离处的不可逾越的限制。在图5(a)和5(b)中分别示出使用OCS的背靠背(B_t_B)和80km传输的光谱。载波通过使用光交错器被抑制了超过30dB。由两个边带携带的数据格式也是用于在自由运行方案和其它方案之间的精确比较的NRZ 二进制脉冲。图5(c)示出了 RoF信号B-t-B传输的眼图。在80km SMF传输之后，由于由光纤色散导致的两个边带的走离效应，在图5(d)中示出的眼图几乎闭合。在RoF系统上的通过使用自由运行产生的毫米波的误码率(BER)性能被测量并且显示在图6中。B-t-B传输和80km SMF传输的无误(BER = 2xlO"10)光传输功率是+4. 2dBm和+4. 5dBm,这指示光功率损失只有大约0. 3dB。在+4. 5dBm的光传输功率处的B_t_B和80km SMF传输的眼图在图6中被示为插图⑴和(ii)。因此，根据本发明的某些实施方式，通过成功地展示在RoF系统内5(ib/S PRBS数据通过80km SMF的特定的无误传输，毫米波产生使用两个自由运行连续波的光学外差混频和自混频下变频而没有任何锁频。所提出的简单和低成本的自由运行产生方案显著提高了在RoF系统上的毫米波信号的色散容限。在特定的毫米波信号的BER = 210-10处的光接收器的灵敏度是 +4. 2dBm(B-t-B)和 +4. 5dBm(80km SMF)。图7大体上提供了根据本发明的某些实施方式说明毫米波信号产生的图。上述说明示出并且说明了本发明的某些实施方式。应当理解，本发明能够在多种其它的组合、修改和环境中使用；并且能够有在如本文陈述的发明性概念的范围内的与相关领域中的以上教导和/或技能或知识相当的改变或者修改。在上文说明的实施方式进一步旨在解释实践本发明的已知的最佳模式，并且使本领域技术人员能够在这样或者其他的实施方式中并且以本发明的特定应用或者使用所需的多种修改来利用本发明。另外，应当理解，本发明的方法和系统仅仅利用包括简单和复杂的计算机的机器和装置来执行。
基于本文包含的发明的描述对本领域技术人员明显的已知的系统和方法的修改在权利要求的范围内。而且，实现在权利要求中阐述的方法和/或组合元件的以后发明或者发展的装置在本发明的范围内。因此，本描述不是用来将本发明限制到本文公开的形式或应用。本文引用的所有出版物通过引用被全部合并在本申请中。
权利要求
1.一种毫米波信号产生的方法，包括通过数据信号和调制器驱动第一连续光波，导致数据边带信号；以及通过光耦合器合并因而导致的数据边带信号和第二连续光波，导致毫米波信号，所述毫米波信号具有第一边带和第二边带。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一边带和所述第二边带是非锁相的。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述数据信号是实现非归零二进制脉冲调制格式和正交移相键控调制格式之一的电子数据信号。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述第一连续光波和所述第二连续光波都具有大约IOOkHz的线宽。
5.如权利要求1所述的方法，还包括通过光电二极管检测所述毫米波信号，其中所述光电二极管实现光电转换；以及通过高频天线发射与所述毫米波信号对应的无线电频率信号。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述第一连续光波具有X1的波长，所述第二连续光波具有λ 2的波长，并且所述光电二极管具有大于f\。的带宽，其中f\。= C (1/ λ Γ1/ λ 2)以及 C = 3. 8χ108。
7.一种毫米波信号接收的方法，包括通过高频天线接收与毫米波信号对应的无线电频率信号，所述毫米波信号具有第一边带和第二边带；以及通过本地振荡器将所述无线电频率信号下变频到其基带形式。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述第一边带和所述第二边带是非锁相的。
9.如权利要求7所述的方法，其中所述本地振荡器具有自混频功能。
10.一种毫米波信号产生和接收的方法，包括通过数据信号和调制器驱动第一连续光波，导致数据边带信号；通过光耦合器合并所述数据边带信号和第二连续光波，导致毫米波信号，所述毫米波信号具有第一边带和第二边带；通过光电二极管检测所述毫米波信号，其中所述光电二极管实现光电转换；通过第一高频天线发射与所述毫米波信号对应的无线电频率信号；通过第二高频天线接收与所述毫米波信号对应的所述无线电频率信号；以及通过本地振荡器将所述无线电频率信号下变频到其基带形式。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述第一边带和所述第二边带是非锁相的。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述数据信号是实现非归零二进制脉冲调制格式和正交移相键控调制格式之一的电子数据信号。
13.如权利要求10所述的方法，其中所述第一连续光波具有X1W波长，所述第二连续光波具有λ2的波长，并且所述光电二极管具有大于&。的带宽，其中、=ca/Xi-i/x》以及 C = 3. 8xl08。
14.如权利要求10所述的方法，其中所述本地振荡器具有自混频功能。
15.一种毫米波信号发生器，包括用于驱动第一连续光波以导致边带数据信号的装置；以及用于光学地合并所述边带数据信号和第二连续光波以导致毫米波信号的装置，所述毫米波信号具有第一边带和第二边带。
16.如权利要求15所述的毫米波信号发生器，其中所述第一边带和所述第二边带是非锁相的。
17.如权利要求15所述的毫米波信号发生器，其中所述数据信号是实现非归零二进制脉冲调制格式和正交移相键控调制格式之一的电子数据信号。
18.如权利要求15所述的毫米波信号发生器，其中所述第一连续光波和所述第二连续光波都具有大约IOOkHz的线宽。
19.如权利要求15所述的毫米波信号发生器，还包括用于检测所述毫米波信号的装置，其中用于检测的所述装置实现光电转换；以及用于发射与所述毫米波信号对应的无线电频率信号的装置。
20.如权利要求19所述的毫米波信号发生器，其中所述第一连续光波具有X1的波长，所述第二连续光波具有λ 2的波长，并且用于检测的所述装置具有大于f\。的带宽，其中f1()=C(l/λ「1/ λ 2)以及 C = 3. 8χ108。
21.一种毫米波信号接收器，包括用于接收与毫米波信号对应的无线电频率信号的装置，所述毫米波信号具有第一边带和第二边带；以及用于将所述无线电频率信号下变频到其基带形式的装置。
22.如权利要求21所述的毫米波信号接收器，其中所述第一边带和所述第二边带是非锁相的。
23.如权利要求21所述的毫米波信号接收器，其中用于下变频的所述装置具有自混频功能。
24.一种毫米波信号系统，包括用于驱动第一连续光波以导致边带数据信号的装置；用于合并所述边带数据信号和第二连续光波以导致毫米波信号的装置，所述毫米波信号具有第一边带和第二边带；用于检测所述毫米波信号的装置，其中用于检测的所述装置实现光电转换；用于发射与所述毫米波信号对应的无线电频率信号的装置；用于接收与所述毫米波信号对应的所述无线电频率信号的装置；以及用于将所述无线电频率信号下变频到其基带形式的装置。
25.如权利要求M所述的毫米波信号系统，其中所述第一边带和所述第二边带是非锁相的。
26.如权利要求M所述的毫米波信号系统，其中所述数据信号是实现非归零二进制脉冲调制格式和正交移相键控调制格式之一的电子数据信号。
27.如权利要求M所述的毫米波信号系统，其中所述第一连续光波具有X1的波长，所述第二连续光波具有λ 2的波长，并且用于检测的所述装置具有大于f\。的带宽，其中f\。=C(l/ λ「1/ λ 2)以及 C = 3· 8χ108。
28.如权利要求M所述的毫米波信号系统，其中用于下变频的所述装置具有自混频功能。
29.—种毫米波信号发生器，包括调制器，其配置成通过数据信号驱动第一连续光波并且输出数据边带信号；以及光耦合器，其配置成合并所述数据边带信号和第二连续光波，并且输出具有第一边带和第二边带的毫米波信号。
30.如权利要求四所述的毫米波信号发生器，其中所述第一边带和所述第二边带是非锁相的。
31.如权利要求四所述的毫米波信号发生器，其中所述数据信号是实现非归零二进制脉冲调制格式和正交移相键控调制格式之一的电子数据信号。
32.如权利要求四所述的毫米波信号发生器，其中所述第一连续光波和所述第二连续光波都具有大约IOOkHz的线宽。
33.如权利要求四所述的毫米波信号发生器，还包括光电二极管，其配置成检测所述毫米波信号并且实现光电转换；以及高频天线，其用于发射与所述毫米波信号对应的无线电频率信号。
34.如权利要求33所述的毫米波信号发生器，其中所述第一连续光波具有X1的波长，所述第二连续光波具有λ 2的波长，并且所述光电二极管具有大于fl。的带宽，其中、=C(l/ λ「1/ λ 2)以及 C = 3· 8χ108。
35.一种毫米波信号接收器，包括高频天线，其用于接收与具有第一边带和第二边带的毫米波信号对应的无线电频率信号；以及本地振荡器，其配置成将所述无线电频率信号下变频到其基带形式。
36.如权利要求35所述的毫米波信号接收器，其中所述第一边带和所述第二边带是非锁相的。
37.如权利要求35所述的毫米波信号接收器，其中所述本地振荡器具有自混频功能。
38.一种毫米波信号系统，包括调制器，其配置成通过数据信号驱动第一连续光波并且输出数据边带信号；光耦合器，其配置成合并所述数据边带信号和第二连续光波，并且输出具有第一边带和第二边带的毫米波信号；光电二极管，其配置成检测所述毫米波信号并且实现光电转换；第一高频天线，其用于发射与所述毫米波信号对应的无线电频率信号；第二高频天线，其用于接收所述无线电频率信号；以及本地振荡器，其配置成将所述无线电频率信号下变频到其基带形式。
39.如权利要求38所述的毫米波信号系统，其中所述第一边带和所述第二边带是非锁相的。
40.如权利要求38所述的毫米波信号系统，其中所述数据信号是实现非归零二进制脉冲调制格式和正交移相键控调制格式之一的电子数据信号。
41.如权利要求38所述的毫米波信号系统，其中所述第一连续光波具有X1的波长，所述第二连续光波具有λ 2的波长，并且所述光电二极管具有大于 \。的带宽，其中f1() = C(l/λ「1/λ2)并且 c = 3·8χ108。
42.如权利要求38所述的毫米波信号系统，其中所述本地振荡器具有自混频功能。
全文摘要
本发明涉及用于光学无线架构的方法和装置。本发明的实施方式涉及光学无线架构。更具体地，本发明的某些实施方式涉及利用简单和/或低成本的架构产生毫米波信号的新颖的方法和装置。简单的毫米波产生和容许色散的传输基于两个自由运行光波的光子混频和自混频下变频。更具体地，实现了两个自由运行光波的外差混频，其中一个光波由电子数据所驱动的外部调制器调制，作为毫米波信号的边带之一。执行光电转换，并且通过具有本机振荡器的高频天线向接收侧广播毫米波信号，该本机振荡器具有自混频架构以将无线电频率下变频到它的基带形式。
文档编号H04B10/06GK102571207SQ20111033619
公开日2012年7月11日 申请日期2011年10月28日 优先权日2010年10月29日
发明者余建军 申请人:中兴通讯(美国)公司, 中兴通讯股份有限公司