專利名稱：光QPSK調(diào)制方式的光學(xué)倍頻毫米波RoF系統(tǒng)及其生成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖通信的新領(lǐng)域-毫米波射頻光纖(RoF，Radio over Fiber)系統(tǒng)中光QPSK調(diào)制方式的應(yīng)用。提出一種新的光QPSK實(shí)現(xiàn)方式及在進(jìn)行光QPSK調(diào)制的同時(shí)又從光波產(chǎn)生毫米波的方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
正交相移鍵控是一種頻譜有效的載波數(shù)字通信調(diào)制方式。對(duì)于如何將光QPSK調(diào)制方式應(yīng)用到毫米波RoF系統(tǒng)中，現(xiàn)有光QPSK技術(shù)通常是用兩條獨(dú)立光支路分別傳輸QPSK信號(hào)的I路和Q路信息。雖然這種方法可以實(shí)現(xiàn)16-QAM或更高進(jìn)制的相位調(diào)制，但是兩條光支路需要兩套獨(dú)立的電光調(diào)制設(shè)備，從系統(tǒng)成本和復(fù)雜度的角度看這種方法沒有優(yōu)勢(shì)，而且支路光時(shí)延差造成的光相位噪聲會(huì)對(duì)調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生干擾。所以需要發(fā)明一種QPSK調(diào)制毫米波的光學(xué)生成方法，它利用一條光路就能獲得光波的QPSK調(diào)制，又把這種QPSK調(diào)制轉(zhuǎn)移到生成的毫米波之上，并且調(diào)制信號(hào)不受光相位噪聲的干擾。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種光QPSK調(diào)制方式的光學(xué)倍頻毫米波RoF系統(tǒng)及其生成方法，它利用一條光纖鏈路在產(chǎn)生掃描微波的高次諧波的同時(shí)能獲得諧波的QPSK調(diào)制，并且調(diào)制信號(hào)不受光源相位噪聲的干擾。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定；方法易于實(shí)現(xiàn)，成本低廉，適用于實(shí)用產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用推廣。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種光QPSK調(diào)制方式的光學(xué)倍頻毫米波RoF系統(tǒng)，包括中心站、基站和下行鏈路光纖，中心站和基站通過下行鏈路光纖互連，其特征在于 所述中心站的結(jié)構(gòu)如下一個(gè)激光器通過保偏尾纖與一個(gè)3dB保偏耦合器的輸入端相連。該3dB保偏耦合器的兩個(gè)輸出端通過兩根長(zhǎng)度相等的保偏尾纖與兩個(gè)雙電極Mach-Zehnder光調(diào)制器的輸入端相連，所述兩個(gè)雙電極Mach-Zehnder光調(diào)制器的輸出端再通過兩根長(zhǎng)度相等的保偏尾纖與另一個(gè)3dB保偏耦合器的兩個(gè)輸入端相連。在一個(gè)雙電極Mach-Zehnder光調(diào)制器的一條臂上的RF電極輸入由余弦微波信號(hào)源輸出的余弦微波信號(hào)，直流電極加上Vπ/2的偏壓；另一條臂上的RF電極輸入由余弦微波信號(hào)源產(chǎn)生再經(jīng)π/2移相器移相的正弦微波信號(hào)，直流電極接地?；鶐?shù)據(jù)信號(hào)通過一個(gè)2/4電平轉(zhuǎn)換器后加到另一個(gè)雙電極Mach-Zehnder光調(diào)制器的兩個(gè)RF電極，兩個(gè)直流電極相連，加上適當(dāng)?shù)钠珘?。所述的第二個(gè)3dB保偏耦合器的輸出端與一個(gè)EDFA光纖放大器的輸入端相連接，該EDFA光纖放大器的輸出端通過下行鏈路光纖連接到所述基站的光探測(cè)器的光輸入端。所述基站的結(jié)構(gòu)如下光探測(cè)器的電輸出端與一個(gè)前置低噪聲放大器的輸入端相連，所述前置低噪聲放大器的輸出端與一個(gè)帶通濾波器的輸入端相連，所述帶通濾波器的輸出端與一個(gè)毫米波放大器的輸入端連接，所述毫米波放大器的輸出端再與一個(gè)毫米波發(fā)射天線相連。
以下說明本發(fā)明的光QPSK調(diào)制方式的光學(xué)倍頻毫米波生成方法的原理 如附圖所示，在中心站(1)中，激光器(1-1)通過保偏尾纖與一個(gè)3dB保偏耦合器(1-2)的輸入端相連。3dB保偏耦合器(1-2)的兩個(gè)輸出端通過兩根長(zhǎng)度相等的保偏尾纖與兩個(gè)雙電極Mach-Zehnder光調(diào)制器(1-3、1-4)的輸入端相連，兩個(gè)雙電極Mach-Zehnder光調(diào)制器(1-3、1-4)的輸出端再通過兩根長(zhǎng)度相等的保偏尾纖與另一個(gè)3dB保偏耦合器(1-11)的兩個(gè)輸入端相連。在雙電極Mach-Zehnder調(diào)制器(1-3)的一條臂上的RF電極加上由余弦微波信號(hào)源(1-5)輸出的余弦微波信號(hào)，在另一條臂上的RF電極加上由余弦微波信號(hào)源(1-5)產(chǎn)生并經(jīng)π/2移相器(1-6)移相的正弦微波信號(hào)?；鶐?shù)據(jù)信號(hào)(1-9)通過一個(gè)2/4電平轉(zhuǎn)換器(1-10)后，加到雙電極Mach-Zehnder光調(diào)制器(1-4)的兩個(gè)RF電極上。在雙電極Mach-Zehnder光調(diào)制器(1-3)加余弦微波信號(hào)的那條臂上的直流電極加上Vπ/2電壓(1-4)，另一個(gè)直流電極接地。將雙電極Mach-Zehnder光調(diào)制器(1-4)的直流電極相連，加上適當(dāng)?shù)钠珘?1-8)。
中心站的輸出光波電場(chǎng)為
式中Ec為激光器輸出電場(chǎng)的振幅，ωc為激光器的中心角頻率，β為調(diào)相指數(shù)，ωs為掃描微波信號(hào)的角頻率，ΦPN(t)為激光器相位噪聲，τ為兩個(gè)雙電極Mach-Zehnder光調(diào)制器之間的光時(shí)延差，φQ表示QPSK調(diào)制信號(hào)的四種隨機(jī)相位狀態(tài)。
在基站產(chǎn)生的光電流為



式中R為由光探測(cè)器響應(yīng)度決定的比例常數(shù)。設(shè)為QPSK 調(diào)制信號(hào)受相位噪聲影響的四種隨機(jī)相位狀態(tài)，則

















觀察上式可知，偶次諧波項(xiàng)都是余弦波，不含與其正交的正弦載波；奇次諧波項(xiàng)包含有正弦波和余弦波。可見當(dāng)

(k為整數(shù))時(shí)，可得到QPSK信號(hào)。
由于系統(tǒng)所采用的結(jié)構(gòu)，時(shí)延τ可趨于0，此時(shí)使加載的偏壓為0，即使

為0，可得到QPSK信號(hào)，并且由于此時(shí)τ為0，式可簡(jiǎn)化為表示QPSK調(diào)制信號(hào)不受激光器相位噪聲的影響。此時(shí)光電流可簡(jiǎn)化為 提取奇次諧波得 可見在第二項(xiàng)得到了標(biāo)準(zhǔn)的QPSK調(diào)制信號(hào)，且無(wú)激光器相位噪聲的干擾。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有以下突出特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明利用一條光纖鏈路在產(chǎn)生掃描微波的高次諧波的同時(shí)完成數(shù)據(jù)對(duì)高次諧波的QPSK調(diào)制，避免了以往需要用兩條獨(dú)立光路分別傳輸QPSK信號(hào)的I路和Q路信息。(2)與以往毫米波RoF系統(tǒng)中的光QPSK調(diào)制方式需要一個(gè)光QPSK調(diào)制器和一個(gè)光相位調(diào)制器相比，本發(fā)明只需要兩個(gè)相同的雙電極光調(diào)制器，從六條LiNbO3介質(zhì)光波導(dǎo)簡(jiǎn)化成四條介質(zhì)光波導(dǎo)，降低了系統(tǒng)成本和復(fù)雜度。(3)本發(fā)明克服了由支路光時(shí)延差造成的光相位噪聲對(duì)已調(diào)信號(hào)的干擾，大大降低了系統(tǒng)的誤碼率。(4)總之，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，能在毫米波RoF中實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的高效的QPSK調(diào)制。



圖1本發(fā)明的光QPSK調(diào)制方式的光學(xué)倍頻毫米波RoF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合

如下 參見圖1，本光QPSK調(diào)制方式的光學(xué)倍頻毫米波RoF系統(tǒng)包括包括中心站1、基站2和下行鏈路光纖3，中心站1和基站2通過下行鏈路光纖3連接，其特征在于所述的中心站1的結(jié)構(gòu)一個(gè)激光器1-1輸出的光波經(jīng)一個(gè)3dB保偏耦合器1-2分成兩路，通過兩根長(zhǎng)度相等的保偏光纖輸入到并聯(lián)的兩個(gè)雙電極Mach-Zehnder光調(diào)制器1-3、1-4中；將其中一個(gè)雙電極Mach-Zehnder光調(diào)制器1-4的兩個(gè)RF電極相連，施加經(jīng)一個(gè)2/4電平轉(zhuǎn)換器1-10轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制基帶信號(hào)1-9，兩個(gè)直流電極也相連，加上適當(dāng)?shù)钠珘?-8；另一個(gè)雙電極Mach-Zehnder光調(diào)制器1-3的兩個(gè)RF電極上分別加上由一個(gè)余弦微波信號(hào)發(fā)生器1-5及其經(jīng)一個(gè)π/2移相器1-6移相的兩個(gè)相互正交的掃描微波信號(hào)，同時(shí)在一個(gè)直流電極加上Vπ/2的偏壓1-7，另一個(gè)直流電極接地；兩個(gè)雙電極Mach-Zehnder調(diào)制器1-3、1-4的輸出光波分別經(jīng)過相同長(zhǎng)度的保偏光纖，由另一個(gè)3dB保偏耦合器1-11耦合輸出，再通過一個(gè)EDFA光纖放大器1-12放大；所述EDFA光纖放大器1-12的輸出端通過所述下行鏈路光纖3連接到基站2的光探測(cè)器2-1的光輸入端；所述的基站2的結(jié)構(gòu)所述光探測(cè)器2-1的電輸出端與一個(gè)前置低噪聲放大器2-2的輸入端相連，所述前置低噪聲放大器2-2的輸出端與一個(gè)帶通濾波器2-3的輸入端相連，所述帶通濾波器2-3的輸出端與一個(gè)毫米波放大器2-4的輸入端連接，所述毫米波放大器2-4的輸出端與一個(gè)毫米波發(fā)射天線2-5相連。
本光學(xué)倍頻毫米波的生成方法是采用圖1所示構(gòu)造的毫米波RoF系統(tǒng)進(jìn)行操作。取余弦微波信號(hào)源的頻率為6GHz?；鶐?shù)據(jù)信號(hào)為1.25Gbit/s以太信號(hào)。之所以激光器1-1輸出的激光由一個(gè)保偏的3dB光耦合器1-2分成兩路，通過兩根長(zhǎng)度相等的保偏尾纖分別輸入到雙電極Mach-Zehnder光調(diào)制器1-3、1-4中，并聯(lián)的兩個(gè)雙電極Mach-Zehnder光調(diào)制器1-3、1-4的輸出也要通過兩根長(zhǎng)度相等的保偏尾纖輸入到另一個(gè)3dB保偏耦合器1-11的兩個(gè)輸入端，是因?yàn)檫@樣可以防止兩支路光偏振失配的影響以及光支路時(shí)延差造成的光相位噪聲的干擾。此時(shí)中心站的輸出光波為
式中Ec為激光器輸出光波電場(chǎng)的振幅，ωc為激光器的中心角頻率，β為調(diào)相指數(shù)，ωs為掃頻微波信號(hào)的角頻率，ωs＝6×109×2π＝1.2×1010πrad/s；ΦPN(t)為激光器相位噪聲，φQ表示QPSK調(diào)制信號(hào)的四種隨機(jī)相位狀態(tài)。
由于系統(tǒng)所采用的結(jié)構(gòu)，時(shí)延τ可趨于0，此時(shí)使加到Mach-Zehnder光調(diào)制器1-4上的直流偏壓為0，即使

為0，即可得到QPSK信號(hào)。并且由于此時(shí)τ為0，式可簡(jiǎn)化為表示QPSK調(diào)制信號(hào)不受激光器相位噪聲的影響。此時(shí)光電流可簡(jiǎn)化為 取其第7次諧波得 其中第二項(xiàng)為載波頻率為42GHz的QPSK信號(hào)。雖然還疊加了第一項(xiàng)同頻的載波分量，但它的作用是同步接收解調(diào)時(shí)在解調(diào)器的I、Q端輸出的基帶信號(hào)中含有直流分量，而這些直流分量可用隔直電容去除，因此不會(huì)對(duì)傳輸系統(tǒng)造成影響。
系統(tǒng)參數(shù)取為激光器工作在1550nm波長(zhǎng)，譜寬為10MHz，功率為10mW?；鶐?shù)據(jù)速率為1.25Gbit/s，調(diào)相微波信號(hào)頻率為6GHz，取其第7次諧波，故毫米波帶通濾波器的中心頻率為42GHz，帶寬為1.25GHz。取雙電極Mach-Zehnder光調(diào)制器的半波電壓為Vπ＝1.5V；余弦微波振幅為V＝4.3V，由此算得調(diào)相指數(shù)為β＝πV/Vπ＝9，可使第7次諧波最大。6GHz余弦微波的驅(qū)動(dòng)功率為+22.67dBm。這樣就實(shí)現(xiàn)了大容量數(shù)據(jù)通過RoF系統(tǒng)的傳輸。
權(quán)利要求
1.一種光QPSK調(diào)制方式的光學(xué)倍頻毫米波RoF系統(tǒng)，包括中心站(1)、基站(2)和下行鏈路光纖(3)，中心站(1)和基站(2)通過下行鏈路光纖(3)連接，其特征在于所述的中心站(1)的結(jié)構(gòu)一個(gè)激光器(1-1)輸出的光波經(jīng)一個(gè)3dB保偏耦合器(1-2)分成兩路，通過兩根長(zhǎng)度相等的保偏光纖輸入到并聯(lián)的兩個(gè)雙電極Mach-Zehnder光調(diào)制器(1-3、1-4)中；將其中一個(gè)雙電極Mach-Zehnder光調(diào)制器(1-4)的兩個(gè)RF電極相連，施加經(jīng)一個(gè)2/4電平轉(zhuǎn)換器(1-10)轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制基帶信號(hào)(1-9)，兩個(gè)直流電極也相連，加上適當(dāng)?shù)钠珘?1-8)；另一個(gè)雙電極Mach-Zehnder光調(diào)制器(1-3)的兩個(gè)RF電極上分別加上由一個(gè)余弦微波信號(hào)發(fā)生器(1-5)及其經(jīng)一個(gè)π/2移相器(1-6)移相的兩個(gè)相互正交的掃描微波信號(hào)，同時(shí)在一個(gè)直流電極加上Vπ/2的偏壓(1-7)，另一個(gè)直流電極接地；兩個(gè)雙電極Mach-Zehnder調(diào)制器(1-3、1-4)的輸出光波分別經(jīng)過相同長(zhǎng)度的保偏光纖，由另一個(gè)3dB保偏耦合器(1-11)耦合輸出，再通過一個(gè)EDFA光纖放大器(1-12)放大；所述EDFA光纖放大器(1-12)的輸出端通過所述下行鏈路光纖(3)連接到基站(2)的光探測(cè)器(2-1)的光輸入端；所述的基站(2)的結(jié)構(gòu)所述光探測(cè)器(2-1)的電輸出端與一個(gè)前置低噪聲放大器(2-2)的輸入端相連，所述前置低噪聲放大器(2-2)的輸出端與一個(gè)帶通濾波器(2-3)的輸入端相連，所述帶通濾波器(2-3)的輸出端與一個(gè)毫米波放大器(2-4)的輸入端連接，所述毫米波放大器(2-4)的輸出端與一個(gè)毫米波發(fā)射天線(2-5)相連。
2.一種光QPSK調(diào)制方式的光學(xué)倍頻毫米波生成方法，采用權(quán)利要求1中的光QPSK調(diào)制的光學(xué)倍頻毫米波RoF系統(tǒng)進(jìn)行操作，其特征在于兩個(gè)雙電極Mach-Zehnder調(diào)制器(1-3、1-4)并聯(lián)，在其上的四個(gè)RF電極分別輸入余弦微波信號(hào)、同頻的正弦微波信號(hào)及基帶數(shù)據(jù)信號(hào)，并在直流電極上加有效的偏壓，就產(chǎn)生了被基帶數(shù)據(jù)調(diào)制的兩同頻正交微波的諧波分量，實(shí)現(xiàn)了毫米波的QPSK調(diào)制；具體方法是在中心站(1)，激光器(1-1)輸出的激光由一個(gè)3dB的保偏光纖耦合器(1-2)分成兩路后，通過光纖熔接方法使光纖耦合器到兩個(gè)雙電極Mach-Zehnder光調(diào)制器(1-3、1-4)的兩根保偏尾纖的長(zhǎng)度相等；同樣，通過光纖熔接方法使兩個(gè)雙電極Mach-Zehnder光調(diào)制器(1-3、1-4)到另一個(gè)3dB保偏耦合器(1-11)的兩個(gè)輸入端的尾纖長(zhǎng)度相等，這樣可以克服支路光偏振方向變化的影響，確保正確的支路光波相位關(guān)系，并避免光支路時(shí)延差造成的激光器相位噪聲的干擾，在雙電極Mach-Zehnder光調(diào)制器(1-3、1-4)的四個(gè)直流電極加恰當(dāng)?shù)闹绷髌珘?，并可微調(diào)；控制余弦微波信號(hào)源(1-5)的輸出幅度以獲得最佳調(diào)相指數(shù)；這樣對(duì)光波進(jìn)行大指數(shù)調(diào)相之后，在基站(2)的光探測(cè)器(2-1)的電輸出中就含有兩同頻正交微波的高次諧波，并攜帶著基帶數(shù)據(jù)信息；通過有效的濾波和放大，就獲得可供天線發(fā)射的QPSK毫米波信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光QPSK調(diào)制方式的光學(xué)倍頻毫米波RoF系統(tǒng)及其生成方法。本系統(tǒng)包括中心站和基站，中心站由激光器、兩個(gè)3dB保偏光耦合器、兩個(gè)雙電極Mach-Zehnder光調(diào)制器、余弦微波信號(hào)源、π/2移相器、2/4電平轉(zhuǎn)換器和EDFA光纖放大器構(gòu)成。本方法是將激光器輸出的光波經(jīng)3dB保偏耦合器分成兩路，通過保偏光纖輸入到并聯(lián)的兩個(gè)雙電極Mach-Zehnder光調(diào)制器中。兩個(gè)雙電極Mach-Zehnder光調(diào)制器的輸出光波經(jīng)過保偏光纖，由另一個(gè)3dB保偏耦合器耦合輸出，再通過EDFA光纖放大器放大，經(jīng)光纖線路輸送到光探測(cè)器。在光探測(cè)器的電輸出端產(chǎn)生兩同頻正交掃描微波信號(hào)的諧波，從而獲得QPSK調(diào)制的毫米波信號(hào)。本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，易于實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)H04B10/12GK101350671SQ20081003877
公開日2009年1月21日 申請(qǐng)日期2008年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月11日
發(fā)明者周喆赟, 林如儉, 葉家駿 申請(qǐng)人:上海大學(xué)