一种产生八倍频光载毫米波QPSK信号的装置及方法与流程

本发明涉及光电信号处理技术领域，尤其涉及一种产生八倍频光载毫米波qpsk信号的装置及方法。

背景技术：

随着信息社会的快速发展，用户对无线通信接入的带宽和速率提出了更高的要求，毫米波通信因其高带宽和高速率成为宽带无线通信的有力竞争者。60ghz及以上频率波段将成为无线局域网的首选频段，光纤无线通信技术结合了光纤通信的高带宽和无线通信接入灵活的优点，提高了毫米波通信的传输距离，然而，受限于铌酸锂马赫-曾德尔调制器(mzm)较低的频率响应，直接将毫米波信号调制到光频上存在困难，同时高频射频器件的成本较高，这些都需要采用多倍频技术产生高频光载毫米波。普通多倍频方案产生的光载毫米波的两个边带上都携带有数据信号，接收端光电探测时会产生相位失真，因而只适用于幅移键控ask等强度信号的调制，而不能产生适合无线通信的正交相移键控qpsk等矢量信号。因此如何产生高频光载毫米波qpsk信号就成为了实现高效光纤无线通信系统的关键问题。

八倍频毫米波产生方案可以生成60ghz及以上频率的高频毫米波信号，并且能降低对mzm调制器带宽和射频器件的频率响应的要求。已知的产生多倍频光载毫米波qpsk信号的方法有预编码+波长选择开关+相位调制器法(七倍频)[opticscommunications,2019,435:232-238]，还有预编码+波长选择开关+马赫曾德尔调制器法(八倍频)[ieeephotonictechnologyletters,2015,27(12):1257-1260]，还有光滤波器+马赫曾德尔调制器法(四倍频)[中国激光,2018,45(10):1006005-1-7]。

然而，上述产生多倍频光载毫米波qpsk信号的方法存在一些不足。前两种方法中的预先编码大大增加了调制器驱动电路的复杂度并降低了系统的稳定性，而三种方法都需要使用额外的波长选择开关或光滤波器来滤掉不需要的光边带，这样又会妨碍其在波分复用系统wdm-rof和上变频系统中的应用，也增加了系统的复杂程度并限制了其在整个毫米波段的可调谐性。

技术实现要素：

本发明提供的一种产生八倍频光载毫米波qpsk信号的装置及方法，解决了现有产生八倍频光载毫米波qpsk信号需要使用光滤波器或者预编码导致系统复杂且稳定性差的问题，使得产生八倍频光载毫米波qpsk信号的装置和方法具有可调谐性且系统稳定容易实现。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

本发明一方面公开一种产生八倍频光载毫米波qpsk信号的装置，包括激光器、射频信号发生器、电增益器、电相位调制器、移相器、并行调制器、单模光纤和光电探测器。

激光器发出的光波经过并行调制器调制，并行调制器由两个并行的mzm调制器构成，这两个mzm子调制器都偏置在最大输出点，由移相器实现两个子调制器的射频驱动信号之间的相位差为π/2，每个子调制器两臂射频驱动信号之间的相位差都为π，两个子调制器上下两臂输出的两路信号相加会生成4k阶边带，主要包括载波k＝0和±4阶边带，载波的幅度正比于零阶贝塞尔函数j0(m)，m为调制指数，设置调制指数以使j0(m)＝0，当载波分量为零时，经过光纤传输后正4阶边带和负4阶边带在光电探测器拍频产生八倍频毫米波信号；外部数据信号通过电相位调制器对射频信号发生器产生的射频信号进行相位调制，同时外部数据信号也经电增益器进行信号增益，经相位调制后的射频信号和经增益的数据信号相加后驱动两个子调制器，设置电相位调制器的相位调制参数和电增益器的增益系数，使产生的八倍频光载毫米波仅有正4阶边带携带数据，且正4阶边带的初始相位系数为π/2，即qpsk信号。

进一步地，所述设置调制指数以使j0(m)＝0，即m＝2.045。

进一步地，所述电相位调制器的相位调制参数设置为π/16。

进一步地，所述电增益器的增益系数设置为1/4vπ，其中vπ为mzm调制器的半波电压。

本发明另一方面公开一种产生八倍频光载毫米波qpsk信号的方法，包括以下步骤：

激光器发出的光波经过并行调制器调制，并行调制器由两个并行的mzm调制器构成，这两个mzm子调制器都偏置在最大输出点，由移相器实现两个子调制器的射频驱动信号之间的相位差为π/2，每个子调制器两臂射频驱动信号之间的相位差都为π，两个子调制器上下两臂输出的两路信号相加会生成4k阶边带，主要包括载波k＝0和±4阶边带；

载波的幅度正比于零阶贝塞尔函数j0(m)，m为调制指数，设置调制指数以使j0(m)＝0，当载波分量为零时，经过光纤传输后正4阶边带和负4阶边带在光电探测器拍频产生八倍频毫米波信号；

外部数据信号通过电相位调制器对射频信号发生器rf产生的射频信号进行相位调制，同时外部数据信号也经电增益器进行信号增益，经相位调制后的射频信号和经增益的数据信号相加后驱动两个子调制器；

设置电相位调制器的相位调制参数和电增益器的增益系数，使产生的八倍频光载毫米波仅有正4阶边带携带数据，且正4阶边带的初始相位系数为π/2，即生成qpsk信号；

输入光波eie^jωct经过并行mzm调制器被频率为ωm的射频信号调制时，两个子调制器mzm1和mzm2的驱动电压分别为：

v1(t)＝vmsin[ωmt+π/16d(t)]+1/4vπd(t)(1)

v2(t)＝vmsin[ωmt+π/16d(t)+π/2]+1/4vπd(t)(2)

则并行调制器两臂输出的上下两路信号可分别表示为：

其中，m＝πvm/vπ是mzm调制器的调制指数，vm是射频信号的振幅，vπ是mzm调制器的半波电压；

上下两路信号相加可得并行调制器的输出为：

输出为4k(k＝0,±1,±2…)阶边带，设置调制指数m使j0(m)＝0可抑制或消除载波阶边带，其它8阶及以上4k阶边带幅度小可忽略，故并行调制器的输出可以简化为：

输出频率分别为4ωm和-4ωm的±4阶边带，由于光电探测器采用平方律探测，正4阶边带和负4阶边带会拍频产生八倍频毫米波信号，进一步地产生的光载毫米波仅有正4阶边带携带数据信号d(t)，d(t)电平为0、1、2或3时正4阶边带的相位分别为0、π/2、π或3π/2，即产生qpsk信号。

进一步地，所述设置调制指数以使j0(m)＝0，即m＝2.045。

进一步地，所述电相位调制器的相位调制参数设置为π/16。

进一步地，所述电增益器的增益系数设置为1/4vπ，其中vπ为mzm调制器的半波电压。

有益技术效果：

1、本发明公开一种产生八倍频光载毫米波qpsk信号的装置及方法，包括激光器、射频信号发生器、电增益器、电相位调制器、移相器、并行调制器、单模光纤和光电探测器；激光器发出的光波经过并行调制器调制，并行调制器由两个并行的mzm调制器构成，这两个mzm子调制器都偏置在最大输出点，由移相器实现两个子调制器的射频驱动信号之间的相位差为π/2，每个子调制器两臂射频驱动信号之间的相位差都为π，两个子调制器上下两臂输出的两路信号相加会生成4k阶边带，主要包括载波k＝0和±4阶边带，载波的幅度正比于零阶贝塞尔函数j0(m)，m为调制指数，设置调制指数以使j0(m)＝0，当载波分量为零时，经过光纤传输后正4阶边带和负4阶边带在光电探测器拍频产生八倍频毫米波信号；外部数据信号通过电相位调制器对射频信号发生器产生的射频信号进行相位调制，同时外部数据信号也经电增益器进行信号增益，经相位调制后的射频信号和经增益的数据信号相加后驱动两个子调制器，设置电相位调制器的相位调制参数和电增益器的增益系数，使产生的八倍频光载毫米波仅有正4阶边带携带数据，且正4阶边带的初始相位系数为π/2，即qpsk信号，解决了现有产生八倍频光载毫米波qpsk信号需要使用光滤波器或者预编码导致系统复杂且稳定性差的问题，使得产生八倍频光载毫米波qpsk信号的装置和方法具有可调谐性且系统稳定容易实现；

2、利用本发明产生八倍频光载毫米波qpsk信号的装置及方法产生的高频光载毫米波qpsk信号能抑制光纤色散引起的功率衰落和码元走离效应，误码率为10^-9时其传输距离可达30km；

3、利用本发明产生八倍频光载毫米波qpsk信号的装置及方法可以降低对射频器件和mzm调制器带宽的要求，如仅需10ghz的射频信号发生器和调制器即可产生80ghz的毫米波，同时产生了适合无线通信qpsk矢量信号。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明一种产生八倍频光载毫米波qpsk信号的装置的原理结构图。

其中，1-激光器，2-射频信号发生器，3-电相位调制器，4-π/2移相器，5-第一π移相器，6-第二π移相器，7-电增益器，8-mzm1调制器，9-mzm2调制器，10-单模光纤，11-光电探测器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。

本发明一方面公开一种产生八倍频光载毫米波qpsk信号的装置，参见图1，装置包括激光器1、射频信号发生器2、电增益器7、电相位调制器3、移相器、并行调制器、单模光纤10和光电探测器11，可以采用光谱分析仪测量八倍频光载毫米波的光边带抑制比，采用误码分析仪测试其传输性能。

产生八倍频光载毫米波qpsk信号的方法和步骤如下：

激光器1发出的光波经过并行调制器调制，并行调制器由两个并行的子调制器mzm1调制器8和mzm2调制器9构成，这两个mzm子调制器都偏置在最大输出点，由移相器实现两个子调制器的射频驱动信号之间的相位差为π/2，每个子调制器两臂射频驱动信号之间的相位差都为π，两个子调制器上下两臂输出的两路信号相加会生成4k阶边带，主要包括载波k＝0和±4阶边带；

载波的幅度正比于零阶贝塞尔函数j0(m)，m为调制指数，设置调制指数，优选地，调制指数设置为m＝2.045使得j0(m)＝0，当载波分量为零时，经过单模光纤10传输后正4阶边带和负4阶边带在光电探测器11拍频产生八倍频毫米波信号，其光边带抑制比为35db；

外部数据信号通过电相位调制器3对射频信号发生器2产生的射频信号进行相位调制，同时外部数据信号也经电增益器7进行信号增益，经相位调制后的射频信号和经增益的数据信号相加后驱动两个子调制器；

设置电相位调制器3的相位调制参数和电增益器7的增益系数，优选地，电相位调制器3的相位调制参数设置为π/16，电增益器7的增益系数设置为1/4vπ，其中vπ为mzm调制器的半波电压。使产生的八倍频光载毫米波仅有正4阶边带携带数据，且正4阶边带的初始相位系数为π/2，即生成qpsk信号。

本发明产生八倍频光载毫米波qpsk信号的原理：

输入光波eie^jωct经过并行mzm调制器被频率为ωm的射频信号调制时，两个子调制器mzm1和mzm2的驱动电压分别为：

v1(t)＝vmsin[ωmt+π/16d(t)]+1/4vπd(t)(1)

v2(t)＝vmsin[ωmt+π/16d(t)+π/2]+1/4vπd(t)(2)

则并行调制器两臂输出的上下两路信号可分别表示为：

其中，m＝πvm/vπ是mzm调制器的调制指数，vm是射频信号的振幅，vπ是mzm调制器的半波电压；

上下两路信号相加可得并行调制器的输出为：

输出为4k(k＝0,±1,±2…)阶边带，设置调制指数m使j0(m)＝0可抑制或消除载波阶边带，其它8阶及以上4k阶边带幅度小可忽略，故并行调制器的输出可以简化为：

输出频率分别为4ωm和-4ωm的±4阶边带，由于光电探测器采用平方律探测，正4阶边带和负4阶边带会拍频产生八倍频毫米波信号，进一步地产生的光载毫米波仅有正4阶边带携带数据信号d(t)，d(t)电平为0、1、2或3时正4阶边带的相位分别为0、π/2、π或3π/2，即产生qpsk信号，由于仅有单个边带携带数据，会消除光纤色散引起的功率衰落和码元走离效应。信息传输速率为2.5gbit/s的八倍频光载毫米波qpsk信号传输距离为30km时测得其误码率为10^-9。

以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。