一种光纤无线一体化系统的制作方法
【专利摘要】本发明提出一种光纤无线一体化系统。光基带信号生成模块，位于发射端中心站，将OFDM信号调制到第一本振光信号之上并执行偏振复用(PM)操作，以形成PM-OFDM的第一光基带信号；毫米波无线信号生成模块，对PM-OFDM的第一光基带信号和第二本振光信号执行外差拍频相干检测，以得到毫米波无线信号，并通过无线方式发送毫米波无线信号；电光转换模块，将接收到的毫米波无线信号调制到第三本振光信号之上，以形成PM-OFDM的第二光基带信号；光信号检测模块，对PM-OFDM的第二光基带信号和第四本振光信号进行零差相干检测，以获取OFDM信号。
【专利说明】一种光纤无线一体化系统
【技术领域】
[0001]本发明实施方式属于光纤通信【技术领域】，特别是一种光纤无线一体化系统。
【背景技术】
[0002]光纤通信系统可以提供超大容量、超长距离、超高速率的数据传输。当遇到自然灾难(如地震、海嘯)时，光纤的一部分会断掉。由于条件的限制，很难立即重新铺设光纤，因此如何提供应急服务是一个很重要的问题。为了实现高速光纤无线系统，无线链路需要支持几吉比特甚至几十吉比特的数据传输速率。幸运地，由于采用了很宽的带宽和很高的频率，毫米波频段无线投递可以支持几吉比特的数据传输速率。
[0003]一些光纤无线一体系统的方案已经被提出，并且通过采取相干检测和数学信号处理技术展现了良好的性能。然而，由于毫米波信号在接收机中是在电域完成解调的。一方面，在如此高的频率，RF传输距离受限，另一方面，由于电子瓶颈的存在，随着比特率和毫米波频率的提高，在电域检测这些调制的几十吉比特的信号变得更加复杂。光在光纤中传输时，会受到色散(CD)和偏振模色散(PMD)的影响，而且光纤无线一体化系统中，当信号经过MIMO无线链路时衰减很快，还会受到多径效应的影响，转换到光域后会导致CD和PMD更加严重。
【发明内容】
[0004]本发明实施方式提出一种光纤无线一体化系统，引入OFDM技术,实现一种基于PM-OFDM的光纤无线一体化的应急通信解决方案，对CD和PMD具有更强的抵抗能力。
[0005]—种光纤无线一体化系统,该系统包括:
[0006]光基带信号生成模块，位于发射端中心站，用于生成第一本振光信号，接收正交频分复用(OFDM)信号，将OFDM信号调制到第一本振光信号之上并执行偏振复用(PM)操作，以形成PM-OFDM的第一光基带信号，通过光纤将所述PM-OFDM的第一光基带信号发送到毫米波无线信号生成模块；
[0007]毫米波无线信号生成模块，位于发射端基站，用于生成第二本振光信号，并对所述PM-OFDM的第一光基带信号和所述第二本振光信号执行外差拍频相干检测，以得到毫米波无线信号，并通过无线方式发送所述毫米波无线信号；
[0008]电光转换模块，位于接收端基站，用于生成第三本振光信号，并将接收到的所述毫米波无线信号调制到第三本振光信号之上，以形成PM-OFDM的第二光基带信号，并通过光纤将所述PM-OFDM的第二光基带信号发送到光信号检测模块；
[0009]光信号检测模块，位于接收端中心站，用于生成第四本振光信号，对所述PM-OFDM的第二光基带信号和第四本振光信号进行零差相干检测，以获取所述OFDM信号。
[0010]优选地，光基带信号生成模块包括:
[0011]用于生成第一本振光信号的外腔激光器(ECL)；
[0012]I/Q 调制器；
[0013]掺铒光纤放大器；
[0014]偏振复用器。
[0015]优选地，所述I/Q调制器由OFDM信号发射端产生的两路电信号驱动，而且所述I/Q调制器包括两个马赫增德尔调制器(MZM)和一个90度相移器。
[0016]优选地，所述偏振复用器包括光耦合器和光延迟线(DL)。
[0017]优选地，所述毫米波无线信号生成模块包括:
[0018]两个偏振分束器(PBS)；
[0019]两个光耦合器(OC)；
[0020]两个光电探测器(PD)；
[0021]用于生成第二本振光信号的外腔激光器；
[0022]两根发射天线。
[0023]优选地，所述电光转换模块包括:
[0024]两根接收天线；
[0025]用于生成第三本振光信号的外腔激光器；
[0026]光稱合器；
[0027]两个强度调制器；
[0028]可调谐光滤波器。
[0029]优选地，所述光信号检测模块包括:
[0030]用于生成第四本振光信号的外腔激光器；
[0031]偏振分集90度混合器；
[0032]四个平衡光电探测器；
[0033]低通滤波器；
[0034]数字存储示波器；
[0035]离线数字信号处理器。
[0036]由此可见，本发明将OFDM技术引入光纤无线一体化系统中，提出一种基于PM-OFDM的光纤无线一体化的应急通信解决方案。本发明可以显著降低色散和偏振模色散的影响，尤其适用于应急通信系统。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1为本发明光纤无线一体化系统的模块结构图；
[0038]图2为本发明光纤无线一体化系统的示范性结构图；
[0039]图3为OFDM发射端示意图；
[0040]图4为离线DSP处理的示意图。
【具体实施方式】
[0041]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
[0042]首先对本发明涉及的相关术语进行说明。
[0043]光载无线(RoF,Rad1 over Fiber)；
[0044]数字信号处理(DSP，DigitalSignal Processing)；
[0045]射频(RF，Rad1Frequency)；
[0046]偏振复用(PM，Polarizat1nMultiplexing)；
[0047]正交幅度调制(QAM，QuadratureAmplitude Modulat1n)；
[0048]连续波(CW，ContinuousWave)；
[0049]外腔激光器(ECL，ExternalCavity Lasers)；
[0050]同相/ 正交(I/Q，In-phase/Quadrature)；
[0051]渗辑光纤放大器(EDFA，Erbium-DopedFiber Amplifier)；
[0052]偏振分束器(PBS，Polarizat1nBeam Splitter)；
[0053]偏振合束器(PBC，Polarizat1nBeam Combiner)；
[0054]光賴合器(0C，OpticalCoupler)；
[0055]强度调制器(IM，IntensityModulator)；
[0056]光载波抑制(0CS，OpticalCarrier Suppress1n)；
[0057]可调谐光滤波器(T0F，TunableOptical Filter)；
[0058]放大自发福射(ASE，AmplifiedSpontaneous Emiss1n)；
[0059]本振(L0，LocalOscillator)；
[0060]光电探测器(PD，Photodetector)；
[0061]色散(CD，ChromaticDispers1n)；
[0062]偏振模色散(PMD，Polarizat1nMode Dispers1n)；
[0063]多输入多输出(MIMO，MultipleInput Multiple Output)；
[0064]正交频分复用(0FDM，OrthogonalFrequency Divis1n Multiplexing)；
[0065]快速傅里叶逆变换(IFFT，InverseFast Fourier Transform)；
[0066]循环前缀(CP，CyclicPrefix)；
[0067]低通滤波器(LPF，LowPass Filter)；
[0068]电放大器(EA，ElectricalAmplifier)；
[0069]中心站(CO，CentralOffice)；
[0070]基站(BS，BaseStat1n)；
[0071]连续波(CW，Continuous-Wavelength)；
[0072]马赫增德尔调制器(MZM，Mach- Zehnder interferometer)；
[0073]光衰减器(0A，OpticalAttenuator)。
[0074]OFDM对CD和PMD具有更强的抵抗能力，并且可以实现很高的频谱效率，本发明将OFDM技术引入光纤无线一体化系统中，提出一种基于PM-OFDM的光纤无线一体化的应急通解决方案。
[0075]图1为本发明光纤无线一体化系统的模块结构图。基于本发明，可以为光纤通信系统提供一种应急通信的解决方案，以应对实际中的突发问题。
[0076]如图1所示，该系统包括:
[0077]光基带信号生成模块，位于发射端中心站，用于生成第一本振光信号，接收正交频分复用(OFDM)信号，将OFDM信号调制到第一本振光信号之上并执行偏振复用(PM)操作，以形成PM-OFDM的第一光基带信号，通过光纤将所述PM-OFDM的第一光基带信号发送到毫米波无线信号生成模块；
[0078]毫米波无线信号生成模块，位于发射端基站，用于生成第二本振光信号，并对所述PM-OFDM的第一光基带信号和所述第二本振光信号执行外差拍频相干检测，以得到毫米波无线信号，并通过无线方式发送所述毫米波无线信号；
[0079]电光转换模块，位于接收端基站，用于生成第三本振光信号，并将接收到的所述毫米波无线信号调制到第三本振光信号之上，以形成PM-OFDM的第二光基带信号，并通过光纤将所述PM-OFDM的第二光基带信号发送到光信号检测模块；
[0080]光信号检测模块，位于接收端中心站，用于生成第四本振光信号，对所述PM-OFDM的第二光基带信号和第四本振光信号进行零差相干检测，以获取所述OFDM信号。
[0081]具体地，光基带信号生成模块可以包括:用于生成第一本振光信号的外腔激光器(ECL) ;I/Q调制器；掺铒光纤放大器；偏振复用器。其中，I/Q调制器由OFDM信号发射端产生的两路电信号驱动，而且I/Q调制器包括两个马赫增德尔调制器(MZM)和一个90度相移器。具体地，偏振复用器可以包括光耦合器和光延迟线(DL)。
[0082]在一个实施方式中，毫米波无线信号生成模块包括:两个偏振分束器(PBS);两个光耦合器(OC);两个光电探测器(PD);用于生成第二本振光信号的外腔激光器；两根发射天线。
[0083]在一个实施方式中，电光转换模块包括:两根接收天线；用于生成第三本振光信号的外腔激光器；光耦合器；两个强度调制器；可调谐光滤波器。
[0084]在一个实施方式中，光信号检测模块包括:用于生成第四本振光信号的外腔激光器；偏振分集90度混合器；四个平衡光电探测器；低通滤波器；数字存储示波器；离线数字信号处理器。
[0085]图2为本发明光纤无线一体化系统的示范性结构图。
[0086]如图2所示:
[0087]在发射端中心站:ECL1发出的波长为λ i的连续波光信号首先被I/Q调制器调制。I/Q调制器由OFDM发射端产生的两路电信号驱动，其中图3为OFDM发射端示意图。如图3所示，首先，二进制数据经过QAM调制(4-QAM、16-QAM等)，插入导频用于接收端信道估计，然后执行IFFT操作，将信号从频域变换到时域。为了消除CD以及PMD造成的符号间干扰，还需要加入CP，然后将信号分成两路(一路是信号的实部，一路是信号的虚部)，每路经过数模转换(D/A)后变为模拟信号，并各自通过低通滤波器(LPF)滤除高频成分，即得到OFDM发射端的两路输出电信号。
[0088]I/Q调制器由两个MZM和一个90°相移器组成。每个MZM均工作在push-pull模式，并且偏振在null点，即对输入信号实现强度调制；90°相移器是为了使两路光信号具有90°的相位差。经过I/Q调制器所产生的OFDM光信号依次经过EDFA和偏振复用器，偏振复用器包含:一个用于将信号分成两路的光稱合器(OC), —个提供若干个符号延迟的光延迟线(DL);由于DL可能会导致光功率损失，可以使用一个光衰减器(0A，OpticalAttenuator)平衡两路信号的功率；偏振复用器还包含一个偏振合束器(Polarizat1nBeam Combiner, PBC)将两路信号合到一起，而且将产生的PM-OFDM光信号注入到单模光纤(SMF)，并发送到发射端基站。
[0089]在发射端基站:
[0090]ECL2被用作L0,发出的光信号波长为入2，ECLl和ECL2的频差fEF = c | I/λ「I/λ 21为40GHz (或50GHz等)。在对接收到的光信号和ECL2发出的光信号进行外差拍频相干检测前，先用两个PBS和两个OC进行偏振分集处理，之后再用两个H)将两路光OFDM信号转换为两路电OFDM信号，并对每一路电OFDM信号进行放大，然后通过两根天线将两路电OFDM信号投递到2 X 2MIM0无线链路。
[0091]在接收端基站:
[0092]两根接收天线接收无线发送来的电OFDM信号，而且电OFDM信号分别被电放大器放大，然后分别驱动一个强度调制器(頂)，ECL3发出的波长为λ 3的连续波光信号被保偏光耦合器(OC)分为两路，分别输入到两个ΙΜ，通过设置强度调制器的参数实现光载波抑制调制(OCS)，从而产生OCS调制的PM-OFDM信号。然后，可以用可调谐光滤波器(TOF)抑制两个边带中的一个边带以及ASE噪声。最后，将产生的PM-OFDM光信号投入单模光纤传输到接收端中心站。
[0093]在接收端中心站:
[0094]接收端中心站具有和接收到的PM-OFDM光信号相同频率的ECL4，以用作L0，偏振分集90度混合器用于对该LO和接收到的PM-OFDM光信号进行偏振和相位分集相干检测，然后用四个平衡H)进行零差相干检测，再分别通过低通滤波器滤除高频成分，并通过数字存储示波器进行模数转换以及数据存储，再通过离线DSP对存储的信号进行处理。
[0095]具体地，离线DSP处理的示意图如图4所示:输入的四路实值信号分别为Ix, Qx, Iy, Qy,先将它们组成两路复值OFDM信号Ix+jQx，Iy+jQy,对每一路OFDM信号去除循环前缀，并进行FFT操作，然后从中提取导频信息，完成信道估计和信道均衡，实现对色散和偏振模色散的补偿，最后计算误码率。
[0096]总之，在本发明中，在发射端中心站，OFDM发射机产生电OFDM信号，并对波长为A1的光信号进行调制，经过光纤传输到发射端基站，然后在发射端基站与波长为λ2的光信号进行外差拍频，产生频率为fKF = c 11/ λ「I/ λ 2 I的电毫米波信号，并被投递到MIMO无线链路。在接收端基站，接收到的两路电信号分别通过一个强度调制器对波长为λ3的光信号进行光载波抑制调制，得到PM-OFDM信号，然后用可调谐光滤波器滤除两个边带中的一个边带以及ASE噪声,经过光纤传输到接收端中心站，与该光信号具有相同波长的光信号进行偏振分集接收和零差拍频，然后通过低通滤波器滤除高频成分，并通过数字存储示波器进行模数转换以及数据存储，再通过离线DSP对存储的信号进行处理，从而恢复出发送的二进制数据信号。
[0097]以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种光纤无线一体化系统，其特征在于，该系统包括: 光基带信号生成模块，位于发射端中心站，用于生成第一本振光信号，接收正交频分复用(OFDM)信号，将OFDM信号调制到第一本振光信号之上并执行偏振复用(PM)操作，以形成PM-OFDM的第一光基带信号，通过光纤将所述PM-OFDM的第一光基带信号发送到毫米波无线信号生成模块； 毫米波无线信号生成模块，位于发射端基站，用于生成第二本振光信号，并对所述PM-OFDM的第一光基带信号和所述第二本振光信号执行外差拍频相干检测，以得到毫米波无线信号，并通过无线方式发送所述毫米波无线信号； 电光转换模块，位于接收端基站，用于生成第三本振光信号，并将接收到的所述毫米波无线信号调制到第三本振光信号之上，以形成PM-OFDM的第二光基带信号，并通过光纤将所述PM-OFDM的第二光基带信号发送到光信号检测模块； 光信号检测模块，位于接收端中心站，用于生成第四本振光信号，对所述PM-OFDM的第二光基带信号和第四本振光信号进行零差相干检测，以获取所述OFDM信号。
2.根据权利要求1所述的光纤无线一体化系统，其特征在于，光基带信号生成模块包括: 用于生成第一本振光信号的外腔激光器(ECL)； I/Q调制器； 掺铒光纤放大器； 偏振复用器。
3.根据权利要求2所述的光纤无线一体化系统，其特征在于，所述I/Q调制器由OFDM信号发射端产生的两路电信号驱动，而且所述I/Q调制器包括两个马赫增德尔调制器(MZM)和一个90度相移器。
4.根据权利要求2所述的光纤无线一体化系统，其特征在于，所述偏振复用器包括光耦合器和光延迟线(DL)。
5.根据权利要求2所述的光纤无线一体化系统，其特征在于，所述毫米波无线信号生成模块包括: 两个偏振分束器(PBS)； 两个光耦合器(OC)； 两个光电探测器(PD)； 用于生成第二本振光信号的外腔激光器； 两根发射天线。
6.根据权利要求2所述的光纤无线一体化系统，其特征在于，所述电光转换模块包括: 两根接收天线； 用于生成第三本振光信号的外腔激光器； 光率禹合器； 两个强度调制器； 可调谐光滤波器。
7.根据权利要求1所述的光纤无线一体化系统，其特征在于，所述光信号检测模块包括:用于生成第四本振光信号的外腔激光器；偏振分集90度混合器；四个平衡光电探测器；低通滤波器；数字存储示波器；离线数字信号处理器。
【文档编号】H04B10/25GK104363051SQ201410682364
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月24日 优先权日:2014年11月24日
【发明者】余建国, 赵伦, 陈雷, 于臻, 王鹏培, 丁雅博, 闵平, 汪钬柱 申请人:北京邮电大学