用于产生中频信号的具有鉴频器的通信装置和相关方法
【专利摘要】一种通信装置包含发射器装置和光学波导，所述发射器装置具有：光源，其产生光学载波信号；和第一调制器，其耦合到所述光源且用以使用射频RF输入信号调制所述光学载波信号；所述光学波导耦合到所述发射器装置。所述通信装置包含接收器装置，所述接收器装置耦合到所述光学波导且包含：第二调制器，其用以使用本机振荡器LO信号进一步调制所述经调制的光学载波信号；调频调相FM-PM鉴频器，其耦合到所述第二调制器且用以基于所述LO信号将所述经调制的光学载波信号转换到强度调制光学载波信号；和光学到电气转换器，其耦合到所述FM-PM鉴频器且用以基于所述强度调制光学载波信号产生中频IF信号。
【专利说明】用于产生中频信号的具有鉴频器的通信装置和相关方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及通信领域，且更特定来说涉及光学频率转换和相关方法。
【背景技术】
[0002] 典型无线通信系统包括彼此交换数据的多个无线通信装置。在一些无线通信系统 中（举例来说，基础架构网络），系统可进一步包括用于管理无线通信装置之间的通信的无 线基站。换句话说，各系统内通信将通过无线基站进行交换。在其它无线通信系统（举例 来说，网状网络（mesh network)和特用（ad hoc)无线网络）中，可省略无线基站，即，无线 通信装置可彼此直接通信。
[0003] 在特定高频率（例如极高频率（EHF)频带，S卩，30GHz到300GHz)中，在此频带下操 作的通信系统可具有一些缺点。举例来说，通过同轴电缆发射信号可招致大的衰减效应。在 这些应用中，可需要线内（inline)放大器以补偿此衰减。此外，在使用RF装置的应用中， 组件的大小、重量和功率（SWaP)可增加到非所要水平。此外，下游接收器处理（例如下变 频转换和信号寻址）可为困难的。特定来说，下游处理的线性可变差。
[0004] 解决EHF通信系统中的这些缺点的一个方法可包括使用光学组件来用于处理组 件。这些系统的优点可包括在无RF应用中的信号降级的情况下从远程位置发射高频率信 号的能力。
[0005] 举例来说，如在小罗根（Logan，Jr.)的美国专利第5, 710, 651号中所揭示，EHF 通信系统包括远程天线站、发射器/接收器站和将所述站耦合在一起的光纤。这些站包括 用于将所发射的光学信号转换到电信号的光二极管和与光学调制器成对以将所接收的EHF 信号转换到光学信号的激光器。
[0006] 然而，例如此的光学应用可具有特定缺点。举例来说，系统可遭受色散引发的信号 衰落。特定来说，光学外差方法可受限于激光源的相位噪声。
【发明内容】
[0007] 鉴于前述背景，因此本发明的目的是提供一种提供稳健频率转换的通信装置。
[0008] 根据本发明的此和其它目的、特征和优点通过包括发射器装置的通信装置提供， 所述发射器装置包括：光源，其经配置以产生光学载波信号；和第一调制器，其耦合到光源 且经配置以使用射频（RF)输入信号调制所述光学载波信号。通信装置包含耦合到发射 器装置的光学波导和耦合到所述光学波导的接收器装置。接收器装置包含：第二调制器， 其经配置以使用本机振荡器（L0)信号进一步调制所述经调制的光学载波信号；调频调相 (FM-PM)鉴频器，其耦合到第二调制器且经配置以基于所述L0信号而将经调制的光学载波 信号转换到强度调制光学载波信号；和光学到电气转换器，其耦合到FM-PM鉴频器且经配 置以基于强度调制光学载波信号而产生中频（IF)信号。有利地，RF输入信号可以大于典 型装置中的线性度进行转换。
[0009] 另一方面涉及一种对无线电RF输入信号进行频率转换的方法。所述方法包括：使 用第一调制器运用RF输入信号调制光学载波信号；使用第二调制器运用L0信号进一步调 制所述经调制的光学载波信号；基于L0信号且使用耦合到所述第二调制器的FM-PM鉴频器 将经调制的光学载波信号转换为强度调制光学载波信号；和将所述强度调制光学载波信号 转换为IF电信号。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 图1是根据本发明的通信装置的示意图。
[0011] 图2是图1的通信装置的更详细示意图。
[0012] 图3是根据本发明的通信装置的另一实施例的示意图。
[0013] 图4是根据本发明的通信装置的示意图。
[0014] 图5是图4的通信装置的更详细示意图。
【具体实施方式】
[0015] 现将参考附图（其中展示本发明的优选实施例）在下文中更全面地描述本发明。 然而，本发明可以许多不同形式体现且不应理解为限制于本文阐述的实施例。更确切的说， 提供这些实施例使得本发明将是透彻且完整的，且将本发明的范围完整地传达给所属领域 的技术人员。贯穿全文，相同数字指代相同元件，且使用单引号和双引号来指示替代实施例 中的相似元件。
[0016] 最初参考图1到2,现描述根据本发明的通信装置10。通信装置10包含发射器装 置11、接收器装置12和将所述两个装置耦合在一起的光学波导15。举例来说，光学波导15 可包括光纤（单模），且应在很大程度上独立于频率。在特定实施例中，归因于光学波导15 的有利低损耗，光学波导长度可为几英里长，借此使得通信装置10可适用于远程应用中。
[0017] 发射器装置11包含经配置以产生光学载波信号的光源13。举例来说，光源13可 包括CW激光。发射器装置11包含第一调制器14,所述第一调制器14耦合到光源13且经 配置以使用RF输入信号调制光学载波信号。举例来说，取决于应用，RF输入信号可通过RF 天线在发射器装置11处局部地产生，且可包括多种较高频率信号，例如μ m波信号、_波 ?目号等等。
[0018] 接收器装置12包含第二调制器16,所述第二调制器16经配置以使用L0信号进一 步调制经调制的光学载波信号。举例来说，第一调制器14和第二调制器16可各包括Ε0相 位调制器。接收器装置12包含FM-PM鉴频器17,所述FM-PM鉴频器17耦合到所述第二调 制器16且经配置以基于L0信号（特定来说，L0信号的旁频带）将经调制的光学载波信号 转换到强度调制光学载波信号。举例来说，FM-PM鉴频器17可具有包括IIR滤波器的转移 函数。
[0019] FM-PM鉴频器17是基于IIR滤波器加以线性化且经配置以使用L0旁频带作为光 学载波以将相位调制光学信号转换到线性化强度调制光学信号。在一些实施例中，FM-PM 鉴频器17可经热补偿，如2010年《光学快讯（Optics Express)》第18卷，第26期，马尔邦 (Marpaung)等人的"用于高性能微波光子链路的基于光子芯片的鉴频器（A photonic chip based frequency discriminator for a high performance microwave photonic link)，' 中所描述，其全文以引用的方式并入本文中。
[0020] 接收器装置12包含光学到电气转换器18,光学到电气转换器18耦合到FM-PM鉴 频器17且经配置以基于强度调制光学载波信号产生IF信号。举例来说，光学到电气转换 器18可包括光二极管装置。
[0021] 接收器装置12阐释性地包含耦合于光学波导15与第二调制器16之间的偏光稳 定化模块20。在替代例中，光学波导15可包括偏光维持光纤。偏光稳定化模块20经配置 以对准经调制光学载波信号的偏光状态。另外，接收器装置12阐释性地包含耦合于第二调 制器16与FM-PM鉴频器17之间的光学带通滤波器21。举例来说，光学带通滤波器21和 FM-PM鉴频器17可包括块状光学组件或平面光波电路（PLC)。
[0022] 另一方面涉及一种对无线电RF输入信号进行频率转换的方法。所述方法包括：使 用第一调制器14用RF输入信号调制光学载波信号；使用第二调制器16用L0信号进一步调 制经调制的光学载波信号；基于所述L0信号且使用耦合到第二调制器的FM-PM鉴频器17 将经调制的光学载波信号转换为强度调制光学载波信号；和将强度调制光学载波信号光学 到电气转换为IF信号。
[0023] 现参考图3,现描述通信装置10'的另一实施例。在通信装置10'的此实施例 中，赋予在上文关于图1到2论述的元件单引号且在本文无需进一步论述大部分所述元件。 此实施例与先前实施例的不同之处在于接收装置12'进一步包含耦合在偏光稳定器模块 20'上游的抗混叠滤波器22'，抗混叠滤波器22'经配置以避免混合L0输入与RF输入之 间的产物。在此实施例中，FM-PM鉴频器阐释性地包含并联耦合的一对FM-PM鉴频器17a ^ 到17b'。FM-PM鉴频器17a'到17b'各包含相反符号的斜率。此外，光学到电气转换 器18'阐释性地包含：第一波导路径和第二波导路径，其分别耦合到所述对FM-PM鉴频器 17a'到17b';第一光学检测器23a'和第二光学检测器23b'，其耦合到第一波导路径和 第二波导路径；和组合器24'，其耦合到所述第一光学检测器和所述第二光学检测器，即， 此实施例包含平衡光学检测而非单端检测（图1到2)。
[0024] 有利地，通信装置10可同时实现高频率信号（例如EHF/VHF信号）的线性化和下 变频转换。通信装置10可提供解决典型外差装置中所经历的相位噪声的问题的方法。再 者，可更容易地实现接收器装置12的芯片级整合。通信装置10也可在第一调制器14和第 二调制器16处以低光学功率提供高链路性能，借此减小远程应用的功率消耗且提供对更 广范围的调制器材料系统的存取。当然，归因于基于IIR滤波器滤波器的FM-PM鉴频器17， 通信装置10可提供优于典型装置的改善线性。由于第一相位调制器14和第二相位调制器 16无需主动电源，故可实现又进一步功率减小。
[0025] 现参考图4到5,现描述通信装置10"的另一实施例。在通信装置10"的此实施 例中，对在上文关于图1到3论述的所述元件赋予双引号且在本文无需进一步论述所述元 件的大部分。此实施例与先前实施例的不同处在于发射器装置11"阐释性地包含：第一光 源13a"和第二光源13b"，其经配置以产生在相应不同第一光学波长和第二光学波长的 第一光学载波信号和第二光学载波信号；第一波分多路复用器（WDM) 30"，其耦合到第一 光源和第二光源；和第一调制器14 "，其耦合到第一 WDM且经配置以使用RF输入信号调制 包括第一光学载波信号和第二光学载波信号的组合载波信号。简而言之，第一WDM30"将第 一光学载波信号和第二光学载波信号多路复用成组合光学载波信号。或者，为了组合两个 光学载波信号的目的，可使用光学耦合器代替WDM组合装置。
[0026] 接收器装置12"阐释性地包含：第二调制器16"，其经配置以使用L0信号进一步 调制经调制的组合载波信号；和FM-PM鉴频器17"，其耦合到第二调制器且经配置以基于 L0信号将经调制的组合载波信号转换到强度调制组合载波信号。接收器装置12"阐释性 地包含：第二WDM 31"，其耦合到FM-PM鉴频器17"且经配置以产生第一强度调制载波信 号和第二强度调制载波信号；和光学到电气转换器18 "，其耦合到第二WDM且经配置以基 于第一强度调制载波信号和第二强度调制载波信号而产生IF信号。在其它实施例中，第二 WDM 31"也可替代性地包括另一光学耦合器类型，例如光纤布拉格光栅（FBG)。
[0027] FM-PM鉴频器17"可具有转移函数，再次定义IIR滤波器。第一光源13a"和第二 光源13b"经配置以将第一光学载波信号和第二光学载波信号的第一载波频率和第二载波 频率定位在FM-PM鉴频器17"的转移函数的第一部分和第二部分（即，转移函数的具有相 反斜率的部分）上，借此模拟两个FM-PM鉴频器（图3)的效果。在此实施例中，由于第二 WDM 31"分离不同波长的调制信号，因此再次应用平衡光检测。
[0028] 另一方面涉及一种对RF输入信号进行频率转换的方法。所述方法包含：产生在相 应不同第一光学波长和第二光学波长下的第一光学载波信号和第二光学载波信号；使用第 一 WDM 3(V多路复用第一光学载波信号和第二光学载波信号；和使用RF输入信号调制包 括第一光学载波信号和第二光学载波信号的组合载波信号。所述方法进一步包含：使用L0 信号进一步调制经调制的组合载波信号；基于L0信号且使用FM-PM鉴频器17"将经调制 的组合载波信号转换到强度调制组合载波信号；使用耦合到FM-PM鉴频器的第二WDM 31" 产生第一强度调制载波信号和第二强度调制载波信号；和将第一强度调制载波信号和第二 强度调制载波信号光学到电气转换为IF信号。
[0029] 有利地，图4到5的实施例可使功率消耗减小大约45%。再者，通过利用第一光 源13a"和第二光源13b"的控制（与鉴频器相比，光源的控制是更成熟、廉价和容易配置 的技术）可减小FM-PM鉴频器17"的复杂性和控制。
【权利要求】
1. 一种通信装置，其包括： 发射器装置，其包括：光源，其经配置以产生光学载波信号；和第一调制器，其耦合到 所述光源且经配置以使用射频RF输入信号调制所述光学载波信号； 光学波导，其耦合到所述发射器装置；以及 接收器装置，其耦合到所述光学波导且包括 第二调制器，其经配置以使用本机振荡器L0信号进一步调制所述经调制的光学载波 信号， 调频调相FM-PM鉴频器，其耦合到所述第二调制器且经配置以基于所述L0信号将所述 经调制的光学载波信号转换到强度调制光学载波信号，以及 光学到电气转换器，其耦合到所述FM-PM鉴频器且经配置以基于所述强度调制光学载 波信号而产生中频IF信号。
2. 根据权利要求1所述的通信装置，其中所述FM-PM鉴频器包括热补偿FM-PM鉴频器。
3. 根据权利要求1所述的通信装置，其中所述FM-PM鉴频器具有包括无限脉冲响应 IIR滤波器的转移函数。
4. 根据权利要求1所述的通信装置，其中所述接收器装置包括耦合于所述光学波导与 所述第二调制器之间的偏光稳定化模块。
5. 根据权利要求1所述的通信装置，其中所述FM-PM鉴频器包括一对FM-PM鉴频器。
6. 根据权利要求5所述的通信装置，其中所述光学到电气转换器包括： 第一波导路径和第二波导路径，其分别耦合到所述对FM-PM鉴频器； 第一光学检测器和第二光学检测器，其耦合到所述第一波导路径和所述第二波导路 径；以及 组合器，其耦合到所述第一光学检测器和所述第二光学检测器。
7. 根据权利要求1所述的通信装置，其中所述第一调制器和所述第二调制器各包括电 光E0相位调制器。
8. -种对射频RF输入信号进行频率转换的方法，所述方法包括： 使用第一调制器用所述RF输入信号调制光学载波信号； 使用第二调制器用本机振荡器L0信号进一步调制所述经调制的光学载波信号； 基于所述L0信号且使用耦合到所述第二调制器的调频调相FM-PM鉴频器将所述经调 制的光学载波信号转换为强度调制光学载波信号；以及 将所述强度调制光学载波信号转换为中频IF电信号。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中使用所述FM-PM鉴频器包括使用热补偿FM-PM鉴 频器。
10. 根据权利要求8所述的方法，其进一步包括操作所述FM-PM鉴频器以具有包括无限 脉冲响应IIR滤波器的转移函数。
【文档编号】H04B10/2575GK104094538SQ201380006167
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2013年1月23日 优先权日:2012年1月24日
【发明者】查尔斯·米德尔顿, 理查德·德萨尔沃, 斯科特·L·梅雷迪斯, 罗伯特·C·皮奇 申请人:贺利实公司