基于光真延时的对射频信号整形的系统和方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于光真延时的对射频信号整形的系统和方法。所述系统包括：用射频信号调制特定波长的光波，相同波长的经过调制的光波经过光真延时单元产生符合OAM态要求的螺旋形相位，然后由天线发送；在无线空间中传输的具有不同OAM态的射频信号彼此正交；天线接收具有OAM态的射频信号，用接收后的射频信号调制光波，再由光真延时单元对该光波做相位补偿以使相同波长的光波相位相同，解调所述光波恢复射频信号。本发明可以有效的提高无线通信系统的容量和效率。
【专利说明】基于光真延时的对射频信号整形的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线通信领域，尤其涉及基于光真延时的对射频信号整形的系统和方 法。
【背景技术】
[0002] 量子光学中，角动量作为一个基本物理量可以分为自旋角动量（SAM)和轨道角动 量（0ΑΜ)。1992年，Allen提出螺旋形相位波束的方位角项包含有垂直于光的传播方向的 0ΑΜ态分量。螺旋形波振面的光束已经经过了数十年的研究，至今0ΑΜ的应用主要涉及光域 处理、光学捕获、光镊、光涡旋等领域。无限的0ΑΜ本征态可以使得一个单一的光子承载无 限量的信息，所以其为光通信提供了广阔的前景。
[0003] 2004年，在自由空间信息传送与通信中使用0ΑΜ的概念被首次提出，同时也成为 一个研究热点。2011年，一种在自由空间光通信中利用光涡旋进行复用解复用的大容量通 信方式被提出。
[0004] 近期，一种利用0ΑΜ复用实现T比特自由空间数据传输的方案被提出，并表明0ΑΜ 对于增加自由空间通信容量可能是一个有用的自由度。其工作的关键技术是通过四块昂贵 的反射式向列型液晶空间光调制器来实现螺旋形波前和平面波前的转换。光波的电磁场基 本物理性质可以转移到射频信号上，而对应产生的电磁涡旋也具有良好的应用前景。电磁 涡旋可模拟实现，其中0ΑΜ是通过电相移器形成螺旋形相位分布的圆形天线阵列产生的。 该技术虽然产生了 0ΑΜ态的RF信号即电磁涡旋，但类似电相移器的电气元件的指向精度有 误差，并且在较大的传输带宽下因电相移器指向不准而导致性能急剧恶化，所以会限制频 谱带宽和相移分辨率。
【发明内容】
[0005] 为了克服电相移器的分辨率误差以及对带宽的限制，本发明公开了基于光真延时 (Optical True Time Delay，简称0TTD)来产生和消除射频信号的0ΑΜ的方法和系统。用射 频信号调制特定波长的光波，调制后的相同波长的光波经过0TTD单元产生符合0ΑΜ态要求 的螺旋形相位，然后由天线发送；在无线空间中传输的具有所述相位的射频信号具有0ΑΜ， 不同的0ΑΜ彼此正交；天线接收具有0ΑΜ态的射频信号，接收后的射频信号被调制成具有螺 旋形相位的光波，由0TTD单元对所述光波做相位补偿后使相同波长的相位相同，解调所述 光波恢复射频信号。本发明同时公开了支持相同频率上多个射频信号的0ΑΜ的复用和解复 用的方法和系统。所述0ΑΜ态垂直于射频信号在自由空间的传播方向。
[0006] 为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种基于光真延时的对射频 信号整形的发送系统，所述发送系统包括：光源，用于产生特定波长的光波；电光调制 器（Ε0Μ)，所述电光调制器用第一射频信号调制所述光源产生的光波；分光器（Optical Spliter)和光真延时链路，所述分光器把经电光调制器调制后的光波送至所述光真延时链 路，相同波长的所述光波通过所述光真延时链路后的时延差呈符合对应0ΑΜ的要求；光电 探测器（PD)，所述光电探测器把通过所述光真延时链路的所述光波解调恢复为第二射频信 号；天线，以及用于发送第二射频信号的天线。
[0007] 进一步的，由于具有不同轨道量子数的0ΑΜ态的射频信号具有正交性，并且具有 上述正交性的射频信号在空间内长距离传输的物理可行性已经被试验证实，所以根据本发 明可实现基于0TTD的频率复用系统。
[0008] 在前述公布的发送系统基础上，所述频率复用系统可具有多个光源、多个Ε0Μ、光 放大器以及耦合器等。所述频率复用系统的每个光源发出波长不同的光波，每个电光调制 器用频率相同携带信息不同的RF信号调制对应的光源发出的光，其中每种波长对应一种 0ΑΜ态的轨道量子数，所述耦合器把各路光波耦合成一路并经光放大器放大后送给分光器， 再经过光真延时链路和光电探测器，最后被天线发送。
[0009] 根据本发明的第二方面，提供了一种基于光真延时的接收具有0ΑΜ态的射频信号 的接收系统，所述接收系统包括：天线，用于接收射频信号，接收后的射频信号是第二射频 信号；光源，用于产生特定波长的光波；电光调制器（Ε0Μ)，把所述第二射频信号调制成光 波信号；光真延时链路和第一耦合器（first Combiner)，所述光真延时链路用于补偿通过 所述光真延时链路的光波的相位差，所述第一耦合器耦合经过所述光真延时链路的光波； 光电探测器（PD)，所述光电探测器解调所述耦合器输出的光波，将其恢复为第一射频信号。 [0010] 在前述公布的根据本发明的接收系统基础上，可实现基于0TTD的频率解复用系 统。所述频率解复用系统可具有多个光源、第二耦合器、分光器、波分解复用器和多个ro。 所述频率解复用系统的每个光源发出波长不同的光波，各路光波经过第二耦合器耦合后由 分光器输出到各个Ε0Μ，第二射频信号在Ε0Μ中调制来自分光器的光波，调制后的光波经过 光真延时链路以及第一耦合器，再经波分解复用器分为不同波长的光信号并各自经过ro， 还原成第一射频信号。
[0011] 优选的，本发明所采用的光源可以是可调谐（TLS )光源。
[0012] 优选的，本发明所采用的光真延时链路可以是高色散光纤和普通均匀光纤级联所 构成的链路。
[0013] 可替换的，本发明所采用的光真延时链路可由光纤光栅级联、啁啾光纤光栅、高色 散光纤和光开关等构成。
[0014] 根据本发明的一个方面，提供了一种基于光真延时的使射频信号产生0ΑΜ态的方 法。所述方法包括：用第一射频信号调制选定波长的光波，调制输出后的光波经分光器被送 至0TTD链路；所述0TTD延时链路使通过其上的相同波长的光波的延时符合对应0ΑΜ态的 要求；所述光波又被解调成第二射频信号，并通过天线发送。
[0015] 进一步的，根据本发明的一个方面，提供了在通信通信系统中的一种基于0TTD的 频率复用方法。
[0016] 在上述使射频信号产生0ΑΜ态的方法中，用多个承载不同信息的射频信号调制不 同波长的光波，使调制后的所述光波经由耦合器耦合后再由分光器送至0TTD链路；使相同 波长的所述光波经过所述0TTD链路后的相位符合产生0ΑΜ态的螺旋形相位要求，并且使不 同波长的所述光波对应的0ΑΜ态的轨道量子数不同；经过所述0TTD链路的光波由天线发 送。
[0017] 根据本发明的另一个方面，提供了一种基于光真延时的消除射频信号的0ΑΜ态的 方法。所述方法包括：由天线接收射频信号，调制后的射频信号是第二射频信号；用每路所 述第二射频信号调制光波，所述光波要根据对应OAM态的轨道量子数来选择；被调制的所 述光波经过OTTD链路实现相位补偿，使得OTTD链路末端输出的相同波长的光波相位相同； 所述光波经过耦合后再被解调成第一射频信号。
[0018] 进一步的，根据本发明的一个方面，提供了在通信通信系统中的一种基于0TTD的 频率解复用方法。
[0019] 在上述消除射频信号的0ΑΜ态的方法中，用每路所述第二射频信号调制由多路光 波耦合而成的光波；调制后的光波被送入0TTD链路，使得在所述0TTD链路末端相同波长的 光波具有相同的相位；所述光波经耦合后再被分解为不同波长的光波；每种波长的光波经 解调恢复为第一射频信号。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图中相同的标记代表相同或相似的部件。
[0021] 图1示出了根据本发明的一个优选实施方式的基于0TTD的对射频信号整形的发 送和接收系统，其中，图1(a)示出了根据本发明的一个优选实施方式的基于0TTD的使射频 信号产生0ΑΜ态的发送系统；图1 (b)不出了根据本发明的一个优选实施方式的基于0TTD 的消除射频信号0ΑΜ态的接收系统；
[0022] 图2示出了根据本发明的一个优选实施方式的不同量子数0ΑΜ态复用系统的结构 图；
[0023] 图3示出了根据本发明的一个优选实施方式的不同量子数0ΑΜ态解复用系统的结 构图；
[0024] 图4是根据本发明的一个优选实施方式的不同量子数0ΑΜ态的复用和解复用流程 图。
[0025] 附图标记说明
[0026] 1光源 2电光探测器（Ε0Μ)
[0027] 3 稱合器（Combiner) 4 分光器（Optical Splitter)
[0028] 5光真延时链路 6光电探测器（PD)
[0029] 7天线阵元 8 EDFA
[0030] 9波分解复用器
[0031] RF1第一射频信号 RF2第二射频信号
[0032] RF3自由空间的射频信号
[0033] S01用携带不同信息的同频射频信号调制不同波长的光波
[0034] S02耦合经过调制的光波
[0035] S03耦合后的光波经过分光器被送到光真延时链路
[0036] S04光真延时链路使不同波长的光波产生对应不同轨道量子数QAM态的时延差
[0037] S05 对通过光真延时链路的光波做光电探测，使不同波长的光波转化为相位差 不同的射频信号
[0038] S06 射频信号由天线发送，相位差不同的射频信号在自由空间生成不同轨道量 子数的0ΑΜ态
[0039] S07天线接收具有不同轨道量子数0ΑΜ态的射频信号
[0040] S08用接收的射频信号调制耦合了多个波长的光波的光波
[0041] S09调制后的光波经过0TTD链路补偿相位差，使相同波长的光波经过0TTD链路 后的相位差相等
[0042] S10所有通过0TTD链路的光波经耦合后由波分解复用器分为不同波长的光波
[0043] S11不同波长的光波经过不同的光电探测器解调，恢复成携带不同信息的同频射 频信号
【具体实施方式】
[0044] 图1 (a)示出了根据本发明的一个优选实施方式的基于0TTD的使射频信号产生 0ΑΜ态的发送系统。
[0045] 图1 (a)中，从可调谐光源（TLS) 1发出的波长为λ的光波在电光探测器2中被 RF1调制并由（1 :Ν)的分光器4发送至0TTD链路。
[0046] 图1 (a)中所示的0TTD链路5由Ν条高色散光纤和单模光纤级联构成，Ν是大于 3的整数，在本实施例中N=8。每条延时线包含不同长度的高色散光纤和单模光纤。设第j 条延时线中高色散光纤的长度为j Λ L，其中j=l，2,... N。高色散光纤使通过的光波产生延 时。可知相同波长的光波通过相邻延时线的高色散光纤部分时，高色散光纤的长度差造成 所述的相邻同频光波间的延时差非常大，给应用带来诸多困难。又因为不同波长的光波通 过同一段长为L的高色散光纤会产生延时差，设两个波的波长分别是\ 1和λ2，其产生的 延时差满足等式（1):
[0047]
【权利要求】
1. 一种基于光真延时的对射频信号整形的发送系统，其特征在于所述发送系统使射频 信号产生轨道角动量，所述发送系统包括： 光源，用于产生特定波长的光波； 电光调制器，所述电光调制器用第一射频信号调制所述特定波长的光波； 分光器和光真延时链路，所述分光器把经电光调制器调制后的光波送至所述光真延时 链路，相同波长的所述光波通过所述光真延时链路后的时延差符合对应所述轨道角动量要 求； 光电探测器，所述光电探测器解调所述光真延时链路输出的光波，将其恢复为第二射 频信号；以及 天线，用于发送所述第二射频信号。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于： 所述的光源是多个，每个光源发出不同波长的光波； 所述的第一射频信号是多个，每个第一射频信号是携带不同信息的同频信号； 所述的电光调制器是多个，每个电光调制器用所述第一射频信号其中之一调制多个所 述光源其中之一产生的所述光波，所述第一射频信号和所述光源一一对应；以及 所述系统还包括耦合器，所述耦合器把多个经过所述电光调制器的所述光波耦合成一 路，进入所述分光器和所述光真延时链路。
3. -种基于光真延时的对射频信号整形的接收系统，其特征在于所述接收系统用于接 收具有轨道角动量的射频信号，所述接收系统包括： 天线，被所述天线接收后的射频信号是第二射频信号； 光源，用于产生特定波长的光波； 电光调制器，所述电光调制器利用所述第二射频信号调制所述光波； 光真延时链路和第一耦合器，所述光真延时链路用于补偿通过所述光真延时链路的光 波的相位差并使相同波长的光波的相位相同，所述第一耦合器耦合经过所述光真延时链路 的所述光波；以及 光电探测器，所述光电探测器解调所述耦合器输出的光波，将其恢复为第一射频信号。
4. 根据权利要求3所述的系统，其特征在于： 所述的光源是多个，每个光源发出不同波长的光波； 第二耦合器，所述第二耦合器耦合所述多个光源发出的所述光波； 所述系统还包括分光器，所述分光器把经所述第二耦合器耦合的光波送到所述的光电 探测器； 所述系统进一步包括波分解复用器，所述波分解复用器把经过所述第一耦合器的不同 波长的所述光波分开；以及 所述电光探测器是多个，不同的电光探测器用于将不同波长的所述光波解调成携带不 同信息的同频的所述第一射频信号。
5. 根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于： 所述分光器前设置有光放大器件，进入所述分光器的所述光波要先经过所述光放大器 放大，经放大后再进入分光器。
6. 根据权利要求1-4中任一权利要求所述的系统，其特征在于： 所述光真延时链路由N条延时线组成，每条所述延时线由高色散光纤和单模光纤构 成，其中N是大于3的整数； 所述轨道角动量的轨道量子数小于（N+1)/2 ;以及 所述天线是均匀排列在圆周上的圆形天线阵列。
7. 根据权利要求1-4中任一权利要求所述的系统，其特征在于： 所述光真延时链路由光纤光栅级联、啁啾光纤光栅、高色散光纤或光开关构成。
8. 根据权利要求1-4中任一权利要求所述的系统，其特征在于： 所述光源是可调谐光源。
9. 一种基于光真延时的对射频信号整形的方法，其特征在于所述方法使射频信号产生 轨道角动量，所述方法包括： 用第一射频信号调制特定波长的光波，所述波长根据所述轨道角动量对应的轨道量子 数来选择； 调制输出后的所述光波经分光器被送至光真延时链路； 所述光波通过所述光真延时链路后的时延差符合对应所述轨道角动量的要求；以及 通过所述光真延时链路的所述光波被解调成第二射频信号，然后由天线发送。
10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于： 所述第一射频信号是多个同频但携带不同信息的射频信号； 所述选定波长的光波是多个波长不同的光波，每个所述光波的波长根据不同的所述轨 道角动量对应的轨道量子数来选择，所述多个光波、所述第一射频信号以及所述轨道量子 数中任意两者一一对应；以及 调制后的多路所述光波被耦合放大后再被输入所述分光器。
11. 一种基于光真延时的对射频信号整形的方法，其特征在于所述方法用于接收具有 轨道角动量的射频信号，所述方法包括： 由天线接收具有所述轨道角动量的射频信号，接收后的射频信号是第二射频信号； 用所述第二射频信号调制特定光波，所述光波要根据所述轨道角动量对应的轨道量子 数来选择； 被调制的所述光波经过光真延时链路实现相位补偿，使得在所述光真延时链路末端输 出的相同波长的光波相位相同；以及 所述光波经耦合后再被解调成第一射频信号。
12. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于： 用所述第二射频信号调制的所述光波由多路波长不同的光波耦合而成，每路所述波长 不同的光波对应的所述轨道角动量的所述轨道量子数不同； 经过调制和耦合后的所述光波先被分解成不同波长的光波，再被解调成多个携带不同 信息的同频的所述第一射频信号。
13. 根据权利要求9或10所述的系统，其特征在于： 所述光波进入所述分光器前要先经过光放大器，经所述光放大器放大后再进入所述分 光器。
14. 根据权利要求9-12中任一权利要求所述的方法，其特征在于： 所述光真延时链路由N条延时线组成，每条所述延时线由高色散光纤和单模光纤组 成，选定的具有基础波长的光波通过所述延时线的时延差相等，根据所述轨道角动量选择 的特定波长的光波通过所述延时线产生符合对应所述轨道角动量的螺旋形相位，且其中N 是大于3的整数； 所述轨道角动量的轨道量子数小于（N+1) /2 ;以及 所述天线是均匀排列在圆周上的圆形天线阵元，所述天线阵元和所述光真延时链路的 所述延时线--对应。
15. 根据权利要求9-12中任一权利要求所述的方法，其特征在于： 所述光真延时链路由光纤光栅级联、啁啾光纤光栅、高色散光纤或光开关构成。
16. 根据权利要求9-12中任一权利要求所述的方法，其特征在于： 通过第一射频信号或第二射频信号调制的所述光波由可调谐光源产生。
【文档编号】H04B10/58GK104283616SQ201310285873
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2013年7月9日 优先权日:2013年7月9日
【发明者】黄善国, 高欣璐, 魏永峰, 汪茜, 高超, 张旭锴 申请人:北京邮电大学