专利名称：射频光纤传输系统的上、下行链路结构及为上行链路提供光载波方法
技术领域：
本发明涉及射频光纤传输系统的上、下行链路结构、 一种中心波长和载波波长自动匹配 的光载波滤波器和利用受激布里渊散射(SBS)为上行链路提供光载波的方法。在此提出一种新 的射频光纤传输系统的上、下行链路结构，在中心站中通过马赫-贞德尔调制器产生带有光载 波的双边带信号，利用权利要求3所述的光载波滤波器对其光载波进行抑制，从而提高信号 的调制度。同时利用SBS产生的低于输入光载波频率llGHz的光信号为上行链路提供光载波。
背景技术：
RoF (Radio over Fiber)是当今世界的研究热点之一。RoF是光纤射频通信或射频光纤链 路的简称，它涉及了固定无线通信(无线接入网和无线局域网)和移动无线通信。在学术上 RoF属于副载波复用光纤通信技术，是把携带信息的射频调制到光波上进行传输，因此是典 型的射频与光波结合的技术，它涉及用光波方法产生射频，用射频调制光波，通过光纤传输 已调光波，把射频从光波上解调下来等一系列变换。其中，在下行链路中如何产生携带有调 制信息的射频是一个研究重点，同时也是研究的难点，到目前为止，国际十.已经有了多种方 案，主要有以下几种
1) 光自外差技术
一般使用锁模激光二极管产生几个相干的波长，经波导阵列光栅，取出其中两个频差为 所需射频频率的光波。 一个光波被数据调制，与另一个一起经光纤传输到达基站，在光探测 器上差拍出已调射频信号。
2) 外调制技术
外调制技术方案是在中心站中生成已调射频并把它再调制到光波上。其主要问题是光纤 色散问题。由于已调光波的上下边带相距较远，受到的光纤延迟不同，两个边带电场沿着光 纤会发生局部的相消干涉从而出现光波强度的衰落现象，导致光探测器转化出的射频幅度减 小。
3) 光学上/下变频技术
考虑到中频信号(l-3GHz)在光纤中传输时，光纤色散的影响可以忽略，有人提出在中 心站中只产生和接收频率较低的中频信号(1 3GHz)。这样，在RoF系统的光纤中光波只携 带中频信号，但在基站中就必须进行中频到射频的变换和逆变换。电域的上/下变频需要射频 振荡器和射频混频器，这些都会增加基站的成本。
各种技术都有自己的应用场合和优点，但大多系统复杂，成本高，难以推广。
发明内容
本发明的目的在于解决现有射频光纤传输系统下行链路结构复杂，成本高的问题，提出 一种射频光纤传输系统上、下行链路结构及为上行链路提供光载波方法。该方案结构简单， 易于实现，性能稳定，成本低廉，适于应用和推广。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案-
1. 一种射频光纤传输系统的下行链路结构
下行结构中， 一个激光器1-1和一个偏振控制器l-2通过尾纤相连，所述的偏振控制器 -2通过光纤与一个马赫-贞德尔调制器1-3的输入端相连。射频本振1-13和数字基带信号1-16 分别输入到调制器1-5，调制器1-5输出到马赫-贞德尔调制器1-3的射频输入端，直流电压 1-4从马赫-贞德尔调制器1-3的电输入端输入，马赫-贞德尔调制器1-3的输出端同一个光载 波滤波器进口相连，所述光载波滤波器的两路输出到光合波器(1-17)的两个输入口。光合波 器(1-17)通过光纤(3)连接到基站(2)中光环形器(2-l)的1号口。在所述的基站2中，光环 形器2-l的2号口连接光栅2-2, 3号口连接到F-P激光器2-11。光栅2-2连接光探测器2-3。 光探测器2-3的电输出端与一个带通滤波器2-4的输入端相连，带通滤波器2-4的输出与一个 射频放大器2-5的输入端连接，射频放大器2-5的输出端与一个射频发射天线2-6相连。如图 l所示。
2. —种射频光纤传输系统的上行链路结构
与上述下行链路结构相连应用，上行结构为，在基站2中，射频接收天线2-7同带通滤 波器2-8相连，带通滤波器2-8输出到驱动器2-10，通过驱动器2-10驱动F-P激光器2-11。 下行链路中的光环形器2-1的3号口输出低于输入光载波频率llGHz的光信号，注入到F-P 激光器2-11并锁定，使F-P激光器2-11输出单模光信号。F-P激光器2-11的输出口通过光纤 4连接到中心站1的光探测器l-10。在所述的中心站1中，光探测器l-10连接射频放大器1-11， 射频放大器1-11通过乘法器1-12同射频本振1-13连接。乘法器1-12的输出口输出信号到解 调器1-14，解调器输出解调的数字基带信号1-15。如图1所示。
3. —种中心波长和载波波长自动匹配的光载波滤波器
上述的光载波滤波器包括光环型器1-6、光子晶体光纤l-7、可变光滤波器l-8和3dB光 耦合器l-9。环形器l-6的2号端口连接光子晶体光纤l-7， 3号端口连接可变光衰减器1-8, 光子晶体光纤1-7和可变光衰减器1-8通过一个3dB光耦合器1-9相连。如图1所示。
图1中，马赫-贞德尔调制器1-3的输出光波电场表示为 ￡"(0 二 ￡c cos[d. — +附.一cos(^m/ + 0)]. cos必/ (1) 其中，A为输入光波电场振幅，d = 4， ^为直流偏置电压，m = ^， ^;为调制电压 振幅，^为光波角频率，《 为调制信号角鉍率，^为由数字基带信号1-16驱动调制器1-5 产生的相位变化，^为0代表数字信号0， ^为;r代表数字信号l。
将上式展开成贝塞尔函数为
<formula>formula see original document page 6</formula> (2)
<formula>formula see original document page 6</formula>
当rf:^^l且W较小时，可忽略高次项，(2)式变为
五")入(附，)①<formula>formula see original document page 6</formula>(3)
这时调制的效果是产生了不抑制载波的双边带信号，每个边带为携带有数字基带信息的
DPSK信号。不抑制载波的双边带信号的调制度为
AO 5
似。=-(4)
人(附y)
通过(4)式计算可知， 一般情况下，调制度似。只有15% 30%，调制度较小。因此，调制 后的微波光子信号的光载波功率相对较大，这就造成了直流分量很大，而其携带信息的边带 功率很小。在接收端，光电探测器输出的RF信号就过小，而如果进行光放大，直流分量也 得到放大，这会使光电探测器进行饱和区，带来非线性等现象，过大的光功率甚至有可能烧 坏探测器。
在SBS过程屮，当频率为^的泵浦光源射入长度为L的光纤后，会产生声波光栅，声波
光栅产生同输入的泵浦光反向的，比泵浦光频率小一个声波频率n的斯托克斯波。如果一个 频率为的vy vA窄带种子光从同泵浦反向的光纤另一端输入，种子光和泵浦光的相互作用会很 大地增加声波光栅，使更多的泵浦光的能量转移到种子光，从而提高种子光的能量，相应的， 泵浦光的能量减少了。由于反向光波能量的增加可以很大稃度上减小产牛SBS所需要的泵浦 光功率，所以布里渊的门限值可以得到降低。
本光载波滤波器中光纤环把斯托克斯波作为种子光，反方向注入到光纤中，同正向输入 泵浦光发生相互作用，从而降低布里渊的门限值。由于受激布里渊散射本身的特性，光载波 滤波器的中心波长可以和需要抑制的光载波自动匹配。
本光载波滤波器使用了 PCF光纤作为产生SBS的非线性媒介。
长度为L的光纤产生SBS的门限值光功率为-<formula>formula see original document page 7</formula>
其中，A^为布里渊线宽，AVp为泵浦光谱宽。丄^为光纤有效长度， =[1-exp(-al)]/"， ff为光纤衰减系数。
一般情况下，Ave》A ，且忽略偏振的随机性，贝USBS的门限值光功率可表示为
<formula>formula see original document page 7</formula>若使用常规光纤，光纤各参数分别为a44.5dB/km， L=5000m， gfi 二2.25xl0—11,则 。,，=18mW。在使用光纤环的情况下，SBS的门限值i^ 4.3mW。可见，在没有形成 和形成环路的两种情况下，门限值相差很大。在没有形成环路的情况下，门限值较大，若要 产生SBS，就要求光载波的功率大于18mW，需对光信号进行放大。在形成环路的情况下， 门限值较小，两个边带的光信号很容易达到门限值，从而产生SBS。在本发明使用了光子晶 体光纤(PCF)，其参数分别为"-14.5dB/km， L=400m, gfl =2.25x10—1'，在形成环路的情况 下，,，=8mW，很容易满足光载波功率大于SBS门限值，而两边带功率小于SBS门限值 的要求。并且光纤的长度可以大为縮短。
4. 一种为上行链路提供光载波的方法
用于上述的射频光纤传输系统的上行链路为其提供光载波。利用上述的光载波滤波器， 由于SBS产生的低于输入光载波频率11GHz的光信号。通过基站2中的光环形器2-1和光栅 2-2的反射，提取该光信号注入锁定F-P激光器2-11，为上行链路提供光载波。
F-P激光器-般为多模输出。但对F-P激光器输入窄带信号时，可以使其单模输出。这 时，离输入窄带信号波峰最近的模式会被输入信号锁定，其余的模式则受到压縮。F-P激光 器的模式间隔一般为0. 6nm，当F-P激光器的模式间隔大于光栅3dB带宽所对应的波长间隔 时，F-P激光器可以显现出很好的注入锁定特性。
在下行链路为上行链路提供光载波的过程中，输入到F-P激光器的光功率至关重要，以 下对由于SBS产生、注入到F-P激光器的光信号功率进行估算。设中心站中偏振控制器、马 赫-贞德尔调制器、环形器、3dB光耦合器、光合波器、连接中心站和基站的lOkm单模光纤、 基站中环形器和光栅的损耗分别为0. 5dB、 5dB、 0. 5dB、 3dB、 3dB 、 2dB、 0. 5dB和0. 5dB。 假设激光器l-l输出的光功率为16dBra，经过马赫-贞德尔调制器，从环形器2号口输出的光 载波功率为10dBm，注入光纤晶体光纤，产生SBS，假设低于光载波llGHz处的光噪声功率为 -38dBm，根据SBS的特性，放大的增益可达到35dB。放大后，低于光载波llGHz处的光功率
为-3dBm，经过3dB光耦合器、光合波器、10kra单模光纤、基站中环形器和光栅传输后，输 出功率为-lldBm。注入锁定F-P激光器所需最小的光功率为-16dBm，可见，本系统仍有5dB 的功率储备。
图1是射频光纤传输系统的上、下行链路结构示意图。 图2是3dB耦合器输出的光谱图。 图3是通过光栅的光信号。
图4是光栅反射的用于锁定FP激光器2-11的光信号。 图5是FP激光器没有输入锁定光信号时的多模输出。 图6是FP激光器注入锁定后输出的单模光信号。 图7是光探测处得到的10GHzBPSK信号。
具体实施例方式
本发明的优先实施例结合
如下
考虑到工作在10GHz频段的系统日渐增多，包括WiMAX和UWB，但现在对10GHz射频光 线传输系统研究，所以本发明的一个优先实施范例是10GHz射频光线传输系统。系统双向结 构参见图1。本10GHz射频光线传输的下行链路结构在中心站1中， 一个激光器1-1和一 个偏振控制器1-2通过尾纤相连，所述的偏振控制器1-2通过光纤与一个马赫-贞德尔调制器 l-3的输入端相连。射频本振1-13和数字基带信号1-16分别输入到调制器1-5，调制器l-5 输出到马赫-贞德尔调制器1-3的射频输入端，直流电压1-4从马赫-贞德尔调制器1-3的电 输入端输入，马赫-贞德尔调制器1-3的输出端同环形器1-6的1号端口相连。环形器1-6的 2号端口连接光子晶体光纤1-7， 3号端口连接可变光衰减器l-8。光子晶体光纤l-7和可变 光衰减器1-8通过一个3dB光耦合器1-9相连。3dB光耦合器(l-9)的两路输出两个光合波器 (l-17)的两个输入口，构成一个光载波滤波器。光合波器(1-17)通过光纤(3)连接到基站(2) 中光环形器(2-l)的1号口。在所述的基站2中，光环形器2-1的2号口连接光栅2-2， 3号 口连接到F-P激光器2-11。光栅2-2连接光探测器2-3。光探测器2-3的电输出端与一个带 通滤波器2-4的输入端相连，带通滤波器2-4的输出与一个射频放大器2-5的输入端连接， 射频放大器2-5的输出端与一个射频发射天线2-6相连。
上行链路结构在基站2中，射频接收天线2-7同带通滤波器2-8相连，带通滤波器2-8 输出到驱动器2-10，通过驱动器2-10驱动F-P激光器2-11。下行链路中的光环形器2-1的 3号口输出低于输入光载波频率llGHz的光信号，注入到F-P激光器2-ll并锁定，使F-P激 光器2-11输出单模光信号。F-P激光器2-11的输出口通过光纤4连接到中心站1的光探测 器1-10。在所述的中心站1中，光探测器l-10连接射频放大器1-11,射频放大器1-11通过
乘法器1-12同射频本振1-13连接。乘法器1-12的输出口输出信号到解调器1-14，解调器 输出解调的数字基带信号1-15。如图1所示。
在中心站1中，激光源1-1产生1550. 12咖(193. 5334THz)波长的信号光波，线宽为lMHz， 功率为16dBm。马赫-贞德尔光调制器1-3的半波电压P;设为4. 5V，射频本振1-13的频率为 10GHz，数字基带信号1-16的频率为625MHz，经过马赫-贞德尔光调制器1-3调制后产生不 抑制载波的双边带信号。此时，马赫-贞德尔光调制器l-3输出的信号，由于调制器调制方式 的原因，信号的调制度较小，通过光载波滤波器后，调制度得到了提高。由于在光载波滤波 器中发生了 SBS,产生了低于光载波频率llGHz的光信号，频率为193.5224THz。 3dB耦合器 l-9输出的光谱如图2所示。
在基站2中，使用中心频率为193. 5224THz， 3dB带宽为0. 12nm的光栅2_2，其3dB带
宽内的反射率大于90%，通过光栅2-2的光信号如图3所示；被光栅2-2反射的信号通过环 行器2-1注入F-P激光器2-11锁定激光器，使其单模输出。光栅2-2反射的用于锁定F-P激 光器2-11的光信号如图4所示，F-P激光器2-11没有输入锁定光信号时的多模输出如图5 所示，F-P激光器2-11注入锁定后输出单模光信号如图6所示。不抑制载波的双边带信号通 过在光探测器2-3处产生差频，得到10GHz信号，频谱如图7所示，经过天线2-7向空间发 射。
权利要求
1. 一种射频光纤传输系统的下行链路结构，包括中心站(1)、基站(2)和光纤(3)。中心站(1)和基站(2)通过光纤(3)连接，其特征在于在所述的中心站(1)中，一个激光器(1-1)和一个偏振控制器(1-2)通过尾纤相连，所述的偏振控制器(1-2)通过光纤与一个马赫-贞德尔调制器(1-3)的输入端相连。射频本振(1-13)和数字基带信号(1-16)分别输入到一个调制器(1-5)，所述调制器(1-5)输出到马赫-贞德尔调制器(1-3)的射频输入端，直流电压(1-4)从马赫-贞德尔调制器(1-3)的电输入端输入，马赫-贞德尔调制器(1-3)的输出端同一个光载波滤波器进口相连，所述光载波滤波器的两路输出口连接一个光合波器(1-17)的两个输入口；所述光合波器(1-17)通过所述光纤(3)连接到所述基站(2)中一个光环形器(2-1)的1号口；在所述的基站(2)中，所述光环形器(2-1)的2号口连接一个光栅(2-2)，3号口连接到下行链路中的一个F-P激光器(2-11)；所述光栅(2-2)连接一个光探测器(2-3)；所述光探测器(2-3)的电输出端与一个带通滤波器(2-4)的输入端相连，带通滤波器(2-4)的输出与一个射频放大器(2-5)的输入端连接，射频放大器(2-5)的输出端与一个射频发射天线(2-6)相连。
2. —种射频光纤传输系统的上行链路结构，与权利要求书1所述射频光纤传输系统的下行链 路结构相连接应用，包括中心站(l)、基站(2)和光纤(4)。基站(2)和中心站(1)通过光纤 (4)连接，其特征在于在基站2中， 一个射频接收天线(2-7)经一个射频放大器(2-8)同 一个带通滤波器(2-9)相连，带通滤波器(2-9)输出到一个驱动器(2-10)，通过驱动器(2-10) 驱动所述F-P激光器(2-11)。下行链路中的光环形器(2-l)的3号口输出低于输入光载波 频率llGHz的光信号，注入到所述F-P激光器(2-ll)并锁定，使F-P激光器(2-ll)输出单 模光信号；所述F-P激光器(2-11)的输出口通过所述光纤(4)连接到中心站(1)的一个光探 测器(1-10);在所述的中心站(l)中，所述光探测器(1-lO)连接一个射频放大器(l-ll)， 射频放大器(1-ll)通过一个乘法器(l-12)同射频本振(1-13)连接；所述乘法器(1-12)的输 出口输出信号到一个解调器(1-14)，解调器(1-14)输出解调的数字基带信号(1-15)。
3. 根据权利要求1所述的射频光纤传输系统的下行链路结构，其特征在于所述光载波滤波器 的结构是 一个光环型器(1-6)的1一号端口构成光载波滤波器的进口，而其2二号端口 连接一个光子晶体光纤(l-7)， 3号端口连接一个可变光滤波器(1-8)，所述的光子晶体光 纤(1-7)和可变光衰减器(1-8)通过一个3dB光耦合器(1-9)相连。所述3dB光耦合器(1_9) 的两个出口端构成光载波滤波器的两个输出口 ；本光载波滤波器使得光调制深度得到提 高；由于受激布里渊散射SBS本身的特性，光纤环的中心波长可与需要抑制的光载波自动 匹配。
4. 一种上行链路提供光载波方法，用于权利要求2所述的射频光纤传输系统的上行链路结 构，为其提供光载波，其特征在于利用权利要求3所述的射频光纤传输系统的上行链路 结构中的光载波滤波器SBS产生的低于输入光载波频率11GHz的光信号。低于输入光载波 频率llGHz的光信号和载波受到一定抑制的双边带信号同时传输到基站(2)中。光栅(2-2) 的中心频率选在低于输入光载波频率llGHz的光信号的频率点处。光栅(2-2)将低于输 入光载波频率1 lGHz的光信号反射到光环形器(2-1)的2号n ，从光环形器(2-1)的3号口 输出到F-P激光器(2-11)，对F-P激光器(2-11)的输出模式进行锁定，使其单模输出。将 F-P激光器(2-ll)单模输出的光信号作为光源，为上行链路提供光载波。
全文摘要
本发明涉及一种射频光纤传输系统的上、下行链路结构，及其为上行链路提供光载波方法。在此提出一种射频光纤传输系统的上、下行链路结构，在下行链路结构中设有一个光载波滤波器。在中心站中通过马赫-贞德尔调制器产生带有光载波的双边带信号，利用光载波滤波器对其光载波进行抑制，从而提高信号的调制度。同时利用SBS产生的低于输入光载波频率11GHz的光信号为上行链路提供光载波。本发明的结构简单，易于实现，性能稳定，成本低廉，适于应用和推广。
文档编号H04J14/00GK101389148SQ20081020190
公开日2009年3月18日 申请日期2008年10月29日 优先权日2008年10月29日
发明者叶家俊, 冬 张, 张旭园, 朱渝林, 林如俭, 陈昊硕 申请人:上海大学