基于本振广播的W波段宽带毫米波全双工接入方法和系统

摘要

本发明公开一种基于本振广播的W波段宽带毫米波全双工接入方法和系统。在中心站，N个下行数据产生模块产生N个SSB信号，共用本振产生模块产生W波段光本振，N个SSB信号与光本振波分复用后传输至远端节点。在远端节点解复用后，每路信号重组为光本振与一个SSB信号，实现本振广播。各路信号用SOA进行非线性相互作用产生多个闲频光，将SSB信号中的载波和与其频率间隔为75-110GHz范围内的某一携带信号的闲频光耦合后传输至基站，进行拍频，产生W波段射频电信号。在基站，通过光纤布拉格光栅提取下行链路中的部分载波作为上行信号的载波。调制后的上行信号在远端节点进行波分复用，传至中心站，完成全双工RoF链路。

说明书

技术领域

本发明涉及光通信和毫米波通信领域，尤其涉及利用基于WDM-PON的RoF技术以及本振广播技术实现W波段毫米波信号的光域处理和通过光纤进行长距离传输的全双工网络体系架构。 

背景技术

近年来，随着通信技术的迅速发展，通信的业务范围不断拓展，人们对通信网的传输容量要求不断提高，这使得传输网向基于光纤的全光交换的波分复用传输方向发展。 

波分复用无源光网络（WDM-PON）用波长标识用户端ONU，具有协议透明、带宽大、安全、方便部署等优点，是实现40Gb/s甚至更高速率PON光纤接入的有效方案，但有线接入的灵活便捷性受限。无线通信部分或全部的信道采用无线电波作为传输媒质，能够实现用户终端灵活方便的接入，这一优点使无线通信倍受青睐。但目前能够提供无线接入的WiMAX和LTE的理论速率在10Mb/s量级，WiFi的理论速率在100Mb/s量级，点到点微波链路速率也在100Mb/s量级，无法满足未来宽带通信的需要，而且这些窄带无线通信所用的低频无线电频谱已非常拥挤。相比之下，W波段（75-110GHz）毫米波能够提供35GHz的频谱资源，并且处于大气衰 减的窗口，实现40Gb/s甚至100Gb/s的超宽带无线接入相对容易，且有望解决光纤和无线接入的速率失配。 

RoF技术能够解决高频宽带无线接入的传输损耗和设备带宽受限等问题，有望大幅降低毫米波宽带无线接入的实现难度和成本，使光纤和无线接入网络实现无缝融合。虽然，从原理上讲RoF技术也适用于W波段（75-110GHz），但是随着信号带宽的增加和毫米波频率增加到W波段，高频毫米波RoF技术也表现出一些新问题，不能直接将RoF技术推广到W波段。首先是光纤色散的影响更加严重，由光纤色散引起的幅度衰落和脉冲走离更加严重。其次是毫米波产生的问题，虽然通过SSB调制可以克服色散的影响，但是没有速率超过70GHz的直调激光器，外调制所需要的70GHz带宽光调制器和毫米波源还没有商业化。目前报道的毫米波产生的方法主要有两种：（1）通过非线性射频调制的倍频效应产生频率间隔等于所需毫米波频率的两个光波，即双频光载毫米波载波，然后将二者分离，将数据调制在其中一个载波光波上，该方法频漂较小，但是会有明显的相位噪声；（2）两个输出频率间隔等于所需毫米波频率的独立激光器产生这两个光波，在光波合路之前将数据加载到其中一个光波上，该方法虽然简单，但二者频率和相位无关，频漂和相位噪声严重。并且波特率超过10Gb/s的光载毫米波信号，带内色散的影响也需要考虑。其次，随着SSB光载毫米波频率的增加，两光频成分之间的闲置频谱也随之增加，光纤频谱资源的利用效率降低。再次，W波段光载毫米信号转换为电信号的器件都是利用高速的光 电探测器，如PIN-PD、UTC-PD、NBUTC-PD，其带宽至少需要大于毫米波频率，光电转换效率尽可能的高。丹麦技术大学I.T.Monroy组、DTU、日本的A.Hirata、台湾J.W.Shi组都对W波段毫米波的产生做了相关研究，但其所用速率大于10Gb/s的高频宽带无线链路的发射机都不是基于单纯电子器件的。 

发明内容

为解决以上问题，本发明提供一种基于本振广播的W波段宽带毫米波全双工接入方法和系统。 

本发明提供一种基于本振广播的W波段宽带毫米波全双工接入方法，用于提高光纤链路的频谱利用效率，降低光纤色散引起的数据信号损伤，简化网络结构，实现W波段毫米波超宽带无线接入，其包括：在中心站的下行链路发射模块，包括N个下行信号产生模块以及一个共用光本振产生模块；在下行信号产生模块，以第i路为例，由频率为f_i的激光器发出光波，入射至铌酸锂马赫-曾德调制器，由携带下行数据信号a_i的频率为f_RFi的本振信号驱动，产生频率为f_i的中心载波C_i以及承载下行数据信号a_i的频率为f_i＋f_RFi的一阶边带A_i；在共用光本振产生模块，频率为f_L1的激光器发出光波，入射至两个级联的铌酸锂马赫-曾德调制器，由频率为f_L2的射频信号驱动其产生频率间隔为8f_L2的两个相干边带，即为系统共用的光本振OLO，利用掺饵光纤放大器对其进行功率放大；N路下行SSB信号B₁，B₂，…，B_i，…，B_N及光本振OLO通过波分复用器合路为下行光信号，通过光 纤传输至远端交换节点；在远端交换节点的下行链路处理模块，波分解复用器将波分复用的下行光信号解复用为N路信号，光本振OLO经放大之后由1×N光耦合器分为等功率的N路，重组为每一路均包含SSB信号和光本振OLO的下行信号，利用半导体光放大器的四波混频效应使SSB信号和光本振OLO的各频率成分发生非线性相互作用，以第i路信号为例，产生与SSB光信号载波C_i频率间隔为8f_L2+3f_RFi的闲频光X_i，C_i与X_i组合成为频率间隔为8f_L2+3f_RFi的W波段毫米波光信号，通过光纤传输至基站；在基站的下行链路处理模块，各基站中进行光电转换产生射频电信号，以第i路信号为例，光电探测器将由C_i和X_i组成的毫米波光信号转换为频率为8f_L2+3f_RFi的W波段毫米波电信号R_i，由天线发射至无线用户端，完成下行信号的传输；在用户端的下行链路接收模块，通过包络检波将天线接收到的毫米波信号解调为基带信号；在用户端的上行链路发射模块，第i个用户发射频率为f_Ei的W波段毫米波无线信号E_i至基站；在基站的上行链路处理模块，通过包络检波将天线接收的上行毫米波信号解调为基带信号，并通过光调制器调制于光波上，以第i路上行信号为例，将接收到的射频信号E_i通过包络检波下变换为基带信号e_i，利用光纤布拉格光栅，将下行链路中的部分光载波C_i环回利用，作为上行信号的载波，利用铌酸锂马赫-曾德调制器将e_i加载到C_i上，形成信号F_i，经过光纤传输至远端节点；在远端节点上行链路处理模块，来自N个基站的N路上行光信号F₁，F₂，...，F_i，...，F_N经由波分复用器复用为上行链路光信号，通过光纤传回中心站；在中心站的上行链路接收模块，一个波分解复 用器将上行的N路光信号解复用；各路光信号通过光电探测器下变换为N路上行基带信号e₁，e₂，...，e_i，...，e_N；上述上行链路和下行链路能够实现信号的全双工传输，构成了全双工链路。 

作为一种优选方法，在中心站的下行链路发射模块：在下行信号产生模块，以第i路为例，由频率为f_i的激光器发出光波，入射至调制电压为2.3V、半波电压为4V的铌酸锂马赫-曾德调制器，由携带下行数据信号a_i的频率为f_RFi的本振信号驱动，使其产生SSB信号B_i，其包括频率为f_i的中心载波C_i以及承载下行数据信号a_i的频率为f_i＋f_RFi的一阶边带A_i；加载在一阶边带上的下行信号a_i可以是不同速率的二进制强度调制信号；在共用光本振产生模块，频率为f_L1的激光器发出光波，入射至两个偏置于最大偏置点的级联铌酸锂马赫-曾德调制器，由频率为f_L2的射频信号驱动其产生频率间隔为8f_L2的两个相干边带，即为系统共用的光本振OLO；产生的光本振频率间隔8f_L2在W波段范围内，当利用本振和SSB信号产生W波段毫米波信号时，由于光本振带宽较宽，所以降低了对SSB信号带宽的要求，同时提高了光纤链路的频谱利用效率。 

作为一种优选方法，在远端交换节点的下行链路处理模块：利用半导体光放大器的四波混频效应，以光本振OLO作为泵浦光，SSB信号作为信号光，使信号光和OLO的各频率成分发生非线性相互作用；以第i路为例，OLO和B_i入射至半导体光放大器，经过四波混频非线性相互作用后，输出多组载波频率间隔为8f_L2的SSB闲频光信号以及频率间隔为f_RFi的闲频光信号，各闲频光均携带信号a_i；我 们选取与信号光B_i中的载波C_i频率间隔为8f_L2+3f_RFi的闲频光X_i，X_i与C_i组合成为射频光信号，其频率处于W波段范围内；由于C_i并不携带信号，只有X_i载有信号，所以该下行信号受光纤色散的影响较小；另外，每一路下行信号中所用光本振OLO通过广播获得。 

作为一种优选方法，在基站的下行链路处理模块：以第i路信号为例，由C_i和X_i组成的射频光信号入射至光纤布拉格光栅，通过适当调节其反射系数，使C_i的一半光功率由光纤布拉格光栅的反射口输出，其将作为上行信号的载波；C_i的另一半光功率以及X_i由光纤布拉格光栅的透射口输出，利用光电探测器转换为电信号，通过带通滤波器将拍频产生的频率为8f_L2+3f_RFi的W波段射频信号R_i滤出，由天线发射至无线用户端，完成下行信号的传输；由于每个基站对于下行链路只需要将传来的光信号进行光电转换、带通滤波以及由天线发射，简化了基站的结构。 

作为一种优选方法，在基站的上行链路处理模块：以第i路信号为例，基站通过包络检波将接收到的射频信号E_i转换为基带电信号e_i；利用光纤布拉格光栅，适当调节其反射系数，提取下行链路中载波C_i的一半光功率，作为上行信号的载波；利用铌酸锂马赫-曾德调制器将e_i加载到提取的C_i上，形成信号F_i；由于上行链路光载波可直接从下行链路中提取，基站无需额外光源，实现了基站无光源化，简化了基站结构和功能，降低了功耗、节省了成本。 

本发明提供一种基于本振广播的W波段宽带毫米波全双工接入系统，其包括： 

一个中心站，一个远端交换节点，N个基站，N个用户端，用于广播W波段光本振以及传输上、下行基带或中频光信号的全双工光纤信道； 

在中心站的下行链路发射模块：包括N个下行信号产生模块以及一个共用光本振产生模块；主要器件包括激光器、铌酸锂马赫-曾德调制器、射频本振、波分复用器、掺饵光纤放大器；在下行信号产生模块，以第i路为例，激光器产生中心频率为f_i的连续激光，入射至铌酸锂马赫-曾德调制器，携带下行数据信号a_i的频率为f_RFi的本振信号驱动，产生频率为f_i的中心载波C_i以及承载下行数据信号a_i的频率为f_i＋f_RFi的一阶边带A_i；在共用光本振产生模块，频率为f_L1的激光器发出光波，入射至两个级联的铌酸锂马赫-曾德调制器，由频率为f_L2的射频信号驱动其产生频率间隔为8f_L2的两个相干边带，即为系统共用的光本振OLO；掺饵光纤放大器对光本振进行功率放大；N路下行SSB信号B₁，B₂，...，B_i，...，B_N以及光本振OLO通过波分复用器合为一路信号通过光纤传输至远端交换节点； 

在远端交换节点的下行链路处理模块：主要器件包括波分解复用器、1×N光耦合器、半导体光放大器、带通滤波器、2×1光耦合器；波分解复用器将收到的光信号分解为N路下行信号，光本振OLO由1×N光耦合器分为等功率的N路，重组为每一路均包含SSB信号和光本振OLO的下行信号，利用半导体光放大器的四波混频效应使输入的光信号各频率成分发生非线性相互作用，以第i路信号为例，B_i和OLO入射至半导体光放大器，产生与SSB光信号载波C_i频率间隔为 8f_L2+3f_RFi的闲频光X_i，滤除其它成份，C_i与X_i组合成为频率间隔为8f_L2+3f_RFi的W波段毫米波光信号，通过光纤传输至基站； 

在基站的下行链路处理模块：主要器件包括光电探测器、带通滤波器、天线；各基站中进行光电转换产生射频电信号，以第i路信号为例，光电探测器将由C_i和X_i组成的毫米波光信号转换为频率为8f_L2+3f_RFi的W波段毫米波电信号R_i以及基带信号，利用带通滤波器滤出R_i，由天线发射至无线用户端，完成下行信号的传输； 

在用户端的下行链路接收模块：主要器件包括接收天线、包络检波器、低通滤波器；各用户端通过包络检波器以及低通滤波器将天线接收到的毫米波信号解调为基带信号； 

在用户端的上行链路发射模块：每个用户通过无线设备发射W波段射频信号E₁，E₂，...，E_i，...，E_N至各对应基站； 

在基站的上行链路处理模块：主要器件包括包络检波器、低通滤波器、光纤布拉格光栅、铌酸锂马赫-曾德调制器；以第i路上行信号为例，通过包络检波以及低通滤波将天线接收的上行毫米波信号E_i解调为基带信号e_i，光纤布拉格光栅用于提取下行链路中的部分载波，作为上行信号的载波；利用光纤布拉格光栅，将下行链路中的部分光载波C_i环回利用，作为上行信号的光载波，利用铌酸锂马赫-曾德调制器将e_i加载到C_i上，形成信号F_i，通过光纤传输至远端节点； 

在远端交换节点的上行链路处理模块：主要器件为波分复用器；来自N个基站的上行光信号F₁，F₂，...，F_i，...，F_N经由波分复用器合为一路光信号，通过光纤传回中心站； 

在中心站的上行链路接收模块：主要器件包括波分解复用器、光电探测器；波分解复用器将上行的N路光信号解复用；各路光信号通过光电探测器转换为电信号e₁，e₂，...，e_i，...，e_N； 

用于广播W波段光本振以及传输上、下行基带或中频光信号的全双工光纤信道：主要包括标准单模光纤，实现上下行光信号的有效传输。 

采用本发明提供的技术方案后：由于加载在一阶边带上的下行信号a_i可以是不同速率的二进制强度调制信号，使系统具有灵活性；由于W波段广播毫米波光本振的引入，降低了对SSB信号带宽的要求，同时提高了光纤链路的频谱利用效率；由于下行链路信号是单边带调制，能够有效地降低光纤色散的影响，延长了光载毫米波信号的传输距离；各路信号可通过四波混频产生多个闲频光，选择不同的闲频光与载波构成不同频率的W波段射频光信号，提高了系统的灵活性；由于上行链路光载波可直接从下行链路中提取，基站无需额外光源，实现了基站无光源化，简化了基站结构和功能，降低了功耗、节省了成本。 

附图说明

图1为本发明所公布的基于WDM-PON/本振广播的宽带毫米波信号全双工接入系统的原理图。 

图2为由中心站发出的第i路下行SSB信号B_i以及光本振OLO的光谱图。 

图3为第i路下行信号在远端节点由四波混频效应产生的载波频 率间隔为8f_L2的多组SSB闲频光信号以及频率间隔为f_RFi的闲频光信号光谱图。 

图4为第i路下行光信号中载波C_i以及与其间隔为110GHz的闲频光X_i的光谱图。 

图5为在基站第i路下行射频信号R_i的电域频谱图。 

图6为第i路下行信号在BTB情况下，在用户接收端解调出来的10Gb/s的基带信号眼图。 

图7为第i路下行信号经过20km光纤传输后，在用户接收端解调出来的10Gb/s的基带信号眼图。 

图8为在基站接收到的第i路上行射频信号E_i的电域频谱图。 

图9为第i路上行信号E_i加载在载波C_i上之后，形成的信号F_i的光谱图。 

图10为第i路上行信号在BTB情况下，在中心站经包络检波解调后的3Gb/s的基带信号眼图。 

图11为第i路上行信号经过20km光纤传输后，在中心站经包络检波解调后的3Gb/s的基带信号眼图。 

具体实施方式

本发明提供一种基于WDM-PON/本振广播的宽带毫米波信号全双工接入方法，用于提高光纤链路的频谱利用效率，降低光纤色散引起的数据信号损伤，简化网络结构，实现W波段毫米波超宽带无线接入，为实现上述效果，需要采用下述步骤： 

在中心站的下行链路发射模块：包括N个下行信号产生模块以 及一个共用光本振产生模块；在下行信号产生模块，以第i路为例，由频率为f_i=193.19THz的激光器发出光波，入射至调制电压为2.3V、半波电压为4V的铌酸锂马赫-曾德调制器，由携带二进制下行数据信号a_i的频率为f_RFi=10GHz的本振信号驱动，产生频率为f_i=193.19THz的中心载波C_i以及承载下行数据信号a_i的频率为f_i＋f_RFi=193.2THz的一阶边带A_i；形成SSB信号B_i，传输至复用器。在共用光本振产生模块，频率为f_L1=193.1THz的激光器发出光波，入射至两个偏置于最大偏置点的级联铌酸锂马赫-曾德调制器，由频率为f_L2=10GHz的射频信号驱动其产生频率间隔为8f_L2=80GHz的两个相干边带，即为系统共用的光本振OLO。N路下行SSB信号B₁，B₂，…，B_i，…，B_N以及光本振OLO经波分复用通过光纤传输至远端交换节点。 

在远端交换节点的下行链路处理模块：波分解复用器将波分复用的下行光信号解复用为N路信号，光本振OLO由1×N光耦合器分为等功率的N路，重组为每一路均包含对应SSB信号和光本振OLO的下行光信号，实现了毫米波光本振在整个网络的广播。利用半导体光放大器的四波混频效应，使每一路信号光和OLO发生非线性相互作用，产生多个闲频光成分，选择与信号光中的载波频率间隔为75-110GHz范围内的一个携带信号的闲频光，与载波合为一路光信号后，传输至基站。以第i路下行信号为例，其包括SSB信号B_i以及光本振OLO，其频谱如图2所示。光本振OLO作为泵浦光，B_i作为信号光，传输至注入电流为200mA的半导体光放大器，利用其四波混频效应产生如图3所示多组载波频率间隔为8f_L2=80GHz的SSB闲频光信号以及频率间 隔为f_RFi=10GHz的闲频光信号，闲频光SSB信号中载波上不携带信号，我们选取携带信号的闲频光X_i，其与信号光B_i中的载波C_i频率间隔为8f_L2+3f_RFi=110GHz，X_i与C_i组合成为射频光信号，通过光纤传输至基站。其频谱如图4所示。 

在基站的下行链路处理模块：各基站中进行光电转换产生射频电信号，以第i路信号为例，光电探测器将传来的由C_i和X_i组成的毫米波光信号转换为频率为8f_L2+3f_RFi=110GHz的W波段毫米波电信号R_i，由天线发射至无线用户端，其电域频谱如图5所示。 

在用户端的下行链路接收模块：通过包络检波将接收到的射频信号下变换为基带信号。我们以第i路信号为例，接收到的射频信号R_i经过包络检波后得到基带信号a_i。通过眼图可以观测信号质量。图6为信号a_i经过0km，5km，10km，20km光纤传输后的眼图。 

在用户端的上行链路发射模块：每个用户通过无线设备发射W波段射频信号E₁，E₂，...，E_i，...，E_N至各对应基站。第i路信号E_i为80GHz的射频信号，其电域频谱如图7所示。 

在基站的上行链路处理模块：N个基站分别将接收到的射频信号下变换为基带信号。以第i路上行信号为例，将80GHz的射频信号E_i通过包络检波下变换为基带信号e_i。利用光纤布拉格光栅，提取下行链路中载波C_i的一半光功率，作为上行信号的载波，利用马赫-曾德调制器将e_i加载到提取的C_i上，形成信号F_i，经过光纤传输至远端节点。图8为信号F_i的频谱。 

在远端交换节点的上行链路处理模块：来自N个基站的N路上行 光信号F₁，F₂，...，F_i，...，F_N经由波分复用器复用为上行链路光信号，通过光纤传回中心站。 

在中心站的上行链路接收模块：一个波分解复用器将上行的N路光信号解复用，各路光信号通过光电探测器下变换为N路上行基带电信号e₁，e₂，...，e_i，...，e_N。第i路信号F_i经过光电转换和低通滤波器得到基带信号e_i。图9为e_i经过0km、5km、10km、20km光纤传输后的眼图。 

本发明提出的基于WDM-PON/本振广播的宽带毫米波信号分布全双工方法和系统具有以下有益效果： 

(1)加载在一阶边带上的下行信号a_i可以是不同速率的二进制强度调制信号，使系统具有灵活性。 

(2)由于W波段广播毫米波光本振的引入，降低了对SSB信号带宽的要求，同时提高了光纤链路的频谱利用效率。 

(3)下行链路信号为SSB信号，能够有效地降低光纤色散的影响，延长了光载毫米波信号的传输距离。 

(4)各路信号可通过四波混频产生多个闲频光，选择不同的闲频光与载波构成不同频率的W波段射频光信号，提高了系统的灵活性。 

(5)由于上行链路光载波可直接从下行链路中提取，基站无需额外光源，实现了基站无光源化，简化了基站结构和功能，降低了功耗、节省了成本。 

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范 围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。