集成802.11g标准OFDM芯片的双向40GHz毫米波RoF通信系统及方法

摘要

本发明涉及一种集成802.11g标准OFDM芯片的双向40GHz毫米波RoF通信系统及方法。本系统包括中心站和基站，中心站由激光器、双电极Mach－Zehnder光调制器、余弦微波信号源、π移相器、光强度调制器IM、OFDM芯片、收发开关、功率放大器、偏压控制器、EDFA光纤放大器、光探测器和低噪声放大器构成。基站由光探测器、前置低噪声放大器、三个带通滤波器、两个毫米波功率放大器、混频器、功率放大器和DFB激光器构成。本方法创新性地集成802.11g标准OFDM芯片，利用光学倍频法生成毫米波，把OFDM调制转移到生成的毫米波之上，不仅实现了下行链路中心站到基站的OFDM信号的传输，同时在上行链路把基站接收来的OFDM信号传回给中心站。本发明的系统结构简单、性能稳定，易于实现。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤通信的新领域-毫米波射频光纤(RoF，Radio over Fiber)通信系统中OFDM调制方式的应用。提出一种实用的把802.11g标准OFDM芯片集成到双向40GHz RoF通信系统中构成大范围毫米波通信网的方法。

技术背景

无线局域网(WLAN)IEEE802.11标准定义了单一的MAC层和多样的物理层，其物理层标准主要有IEEE802.11b/a/g。IEEE802.11g标准与以前的IEEE802.11协议相比有以下两个特点：它在2.4G频段使用OFDM调制技术，使数据传输速率提高到20Mbps以上，最高达108Mbps。IEEE802.11g协议标准具有很好的适应能力，即与IEEE802.11b产品兼容，使无线局域网平滑地向高速OFDM无线局域网过渡，它具有广阔的发展前景，对移动计算、移动办公和移动电子商务的早日实现起到催化的作用。

作为IEEE802.11g标准中最受关注的技术，正交频分复用OFDM是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作一种调制技术，也可以被当作一种复用技术。选择OFDM的一个主要原因在于该系统能够很好地对抗频率选择性衰落或窄带干扰。它以其抗干扰能力强、频谱利用率高、传输容量大等特点被公认为4G的核心技术。毫米波RoF作为无线信号在光纤媒介中传输的技术也被认为是4G网络的组网技术之一，因此，OFDM和RoF技术都是4G研究的热点。对于如何在单模光纤上上传输具有严格正交关系的OFDM信号，还是近几年来随着4G通信技术的发展而形成的研究方向。现有对毫米波RoF系统采用OFDM调制技术的研究还比较少，通常只讨论下行链路的实现方案，对于上行链路则没有研究，故缺乏实用性。所以需要发明一种实用性强的双向40GHz毫米波RoF系统，利用光学倍频法生成毫米波，创新性地集成802.11g标准OFDM芯片，把OFDM调制转移到生成的毫米波之上。它不仅实现了下行链路中心站到基站的OFDM信号的传输，同时也把基站接收来的OFDM信号传回给中心站，实现中心站到基站、基站到中心站环路的双向通信。

发明内容

本发明的目的在于提出一种集成802.11g标准OFDM芯片的双向40GHz毫米波RoF通信系统及方法，下行链路在基站产生扫描微波的高次谐波的同时能获得各谐波上下边频的OFDM调制，并且把需要的纯净高次谐波用作上行链路下变频的毫米波本振，将OFDM信号重新下变频到2.4GHz，然后直接调制到光波上传回中心站。系统的结构简单，性能稳定；方案易于实现，成本低廉，实用性强，适用于产品的开发和应用。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种集成802.11g标准OFDM芯片的双向40GHz毫米波RoF系统，包括中心站、基站、下行链路光纤和上行链路光纤，中心站和基站通过上下行链路光纤互连，其特征在于：

所述中心站的结构如下：一个激光器通过保偏尾纤连接到一个双电极Mach-Zehnder光调制器的输入端，在所述双电极Mach-Zehnder光调制器的一条臂上的RF电极输入由一个余弦微波信号源输出的余弦微波信号，偏压电极加上有效的直流电压；另一条臂上的RF电极输入由所述余弦微波信号源产生再经一个π移相器移相的负余弦微波信号，偏压电极接地。所述双电极Mach-Zehnder光调制器的输出端再通过保偏尾纤与一个光强度调制器IM的输入端相连。一个802.11g标准OFDM芯片与一个收发开关的合端相连，所述收发开关的Tx分端连接到一个功率放大器的输入端，所述功率放大器的输出端连接到所述光强度调制器IM的RF电极，一个偏压控制器的输出端连接到所述光强度调制器IM的偏压电极。所述光强度调制器IM的输出端与一个EDFA光纤放大器的输入端相连接，所述EDFA光纤放大器的输出端通过下行链路光纤连接到所述基站的一个光探测器的光输入端。同时，所述中心站的一个光探测器的电输出端连接到一个前置低噪声放大器的输入端，所述前置低噪声放大器的输出端与所述收发开关的Rx分端相连。

所述基站的结构如下：所述光探测器的电输出端与一个前置低噪声放大器的输入端相连，所述前置低噪声放大器的第一个输出端与第一个带通滤波器的输入端相连，所述第一个带通滤波器的输出端与一个毫米波功率放大器的输入端连接，所述毫米波功率放大器的输出端连接到一个环行器的输入端，所述环行器的一个输出端与一个天线相连。所述环行器的另一个输出端与一个前置低噪声放大器的输入端相连，所述前置低噪声放大器的输出端与一个混频器的输入端相连。同时，之前所述前置低噪声放大器的第二个输出端与第二个带通滤波器的输入端相连，所述第二个带通滤波器的输出端与另一个毫米波功率放大器的输入端相连，所述毫米波功率放大器的输出端连接到所述混频器的本振端相连，所述混频器的输出端与第三个带通滤波器的输入端相连，所述第二个带通滤波器的输出端与一个功率放大器的输入端相连，所述功率放大器的输出端连接到一个DFB激光器的电输入端，所述DFB激光器的光输出端通过上行链路光纤连接到所述中心站的光探测器的光输入端。

以下说明本发明的集成802.11g标准OFDM芯片的双向40GHz毫米波RoF系统的原理：

如附图1所示，在中心站(1)中，一个激光器(1-1)通过保偏尾纤连接到双电极Mach-Zehnder光调制器(1-2)的输入端，所述双电极Mach-Zehnder光调制器(1-2)的输出端再通过保偏尾纤与一个光强度调制器IM(1-6)的输入端相连，这样可以克服光偏振方向变化对调制器的影响。在双电极Mach-Zehnder光调制器(1-2)的一条臂上的RF电极输入由余弦微波信号源(1-3)输出的余弦微波信号；另一条臂上的RF电极输入由余弦微波信号源(1-3)产生再经π移相器(1-5)移相的负余弦微波信号，控制余弦微波信号源(1-3)的输出幅度以获得最佳的调相指数，这样对光波进行大指数调相之后，在基站(2)的光探测器(2-1)的电输出端就含有两同频反相微波的高次谐波。双电极Mach-Zehnder光调制器(1-2)的一个偏压电极加上适当的直流偏压(1-4)，并可微调，另一个偏压电极接地，这是为了补偿支路时延差异所引起的初始电场相位差。

把一个无线AP中包含的802.11g标准OFDM芯片(1-7)，与一个收发开关(1-8)的合端相连，收发开关中的开关芯片的各控制引脚与AP中RF输出端的开关芯片的各控制引脚互连，通过AP本身的802.11g协议来控制OFDM信号的收发状态。所述收发开关(1-8)的Tx分端连接到一个功率放大器(1-9)的输入端，所述功率放大器(1-9)的输出端连接到光强度调制器IM(1-6)的RF电极，所述功率放大器(1-9)输出OFDM信号的电平要符合光强度调制器IM(1-6)工作在线性区的要求，这样，2.4GHz的OFDM信号将被调制到光波上。一个偏压控制器(1-10)的输出端连接到光强度调制器IM(1-6)的偏压电极，来补偿外界环境造成的光强度调制器IM(1-6)线性工作点的变化。所述光强度调制器IM(1-6)的输出端与一个EDFA光纤放大器(1-11)的输入端相连接，所述EDFA光纤放大器(1-11)的输出端通过下行链路光纤(3)连接到所述基站(2)的光探测器(2-1)的光输入端。

这样，所述基站(2)的光探测器(2-1)的电输出端不但包含了下行链路需要的调制在扫描微波各高次谐波的±2.4GHz边频分量之上的OFDM信号，同时也包含了上行链路下变频需要的用作毫米波本振的扫描微波各高次谐波分量。

所述基站(2)的光探测器(2-1)的电输出端与一个前置低噪声放大器(2-2)的输入端相连，所述前置低噪声放大器(2-2)的两个输出端分别与两个带通滤波器(2-3、2-9)的输入端相连，所述带通滤波器(2-3)的中心频率选为需要的高次谐波边频分量频率，这样所述带通滤波器(2-3)将输出被OFDM调制的毫米波信号。所述带通滤波器(2-3)的输出端与一个毫米波功率放大器(2-4)的输入端连接，所述毫米波功率放大器(2-4)的输出端连接到一个环行器(2-5)的输入端；所述环行器(2-5)的一个输出端连接天线(2-6)，另一个输出端连接低噪声放大器LNA(2-7)的输入端，所述低噪声放大器LNA(2-7)的输出端连接混频器(2-8)的输入端。同时，所述带通滤波器(2-9)的中心频率选为扫描微波某高次谐波的频率，这样所述带通滤波器(2-9)将输出上行链路下变频所需的毫米波本振。所述带通滤波器(2-9)的输出端与另一个毫米波功率放大器(2-10)的输入端连接，所述毫米波功率放大器(2-10)的输出端连接到所述混频器(2-8)的另一个输入端，所述混频器(2-8)的输出端与第三个带通滤波器(2-11)的输入端相连，所述带通滤波器(2-11)的中心频率选为2.4GHz，这样，OFDM信号又被重新下变频到原来的频段上。所述带通滤波器(2-11)的输出端与一个功率放大器(2-12)的输入端相连，所述功率放大器(2-12)的输出端连接到DFB激光器(2-13)的电输入端，这样，2.4GHz OFDM信号将被直接调制到所述DFB激光器(2-13)的输出光波上，通过上行链路光纤(4)送回所述中心站(1)的光探测器(1-12)的光输入端。

所述中心站(1)的光探测器(1-12)的电输出端连接到一个前置低噪声放大器(1-13)的输入端，所述前置低噪声放大器(1-13)与所述收发开关(1-8)的Rx分端相连，这样，2.4GHz OFDM信号又传回到无线AP中，实现了中心站到基站、基站到中心站环路的双向通信。

本发明与现有技术相比较，具有以下突出特点和显著优点：

(1)本发明采用双电极Mach-Zehnder光调制器，用光学倍频法生成毫米波，激光器的相位噪声在双电极Mach-Zehnder光调制器中抵消，使生成的毫米波频谱纯净。

(2)本发明的40GHz毫米波RoF系统集成了WLAN的OFDM芯片，具有广阔的发展前景。

(3)本发明的40GHz毫米波RoF系统不仅完成了下行链路毫米波的OFDM调制，同时也在上行链路把OFDM信号送回中心站。

(4)本发明结构简单、成本低廉，能实现毫米波RoF系统的商用化。

附图说明

图1：本发明的集成802.11g标准OFDM芯片的双向40GHz毫米波RoF系统结构框图。

图2：802.11g标准16QAMOFDM信号的星座图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施范例结合附图说明如下：

参见图1，集成802.11g标准OFDM芯片的双向40GHz毫米波RoF系统包括中心站1、基站2、下行链路光纤3和上行链路光纤4。中心站1和基站2通过下行链路光纤3和上行链路光纤4连接，其特征在于：所述的中心站1的结构如下：一个激光器1-1通过保偏尾纤连接双电极Mach-Zehnder光调制器1-2的输入端。在双电极Mach-Zehnder光调制器1-2的一条臂上的RF电极输入由余弦微波信号源1-3输出的余弦微波信号，偏压电极加上有效的直流偏压1-4；另一条臂上的RF电极输入由余弦微波信号源1-3产生再经π移相器1-5移相的负余弦微波信号，偏压电极接地。所述双电极Mach-Zehnder光调制器1-2的输出端再通过保偏尾纤与一个光强度调制器IM 1-6的输入端相连。802.11g标准OFDM芯片1-7与一个收发开关1-8的合端相连，所述收发开关1-8的Tx分端连接到一个功率放大器1-9的输入端，所述功率放大器1-9的输出端连接到光强度调制器IM 1-6的RF电极，一个偏压控制器1-10的输出端连接到光强度调制器IM 1-6的偏压电极。所述光强度调制器IM1-6的输出端与一个EDFA光纤放大器1-11的输入端相连接。所述EDFA光纤放大器1-11的输出端通过下行链路光纤3连接到所述基站2的光探测器2-1的光输入端。同时，中心站光探测器1-12的电输出端连接到一个前置低噪声放大器1-13的输入端，所述前置低噪声放大器1-13与所述收发开关1-8的Rx分端相连。所述的基站2的结构如下：光探测器2-1的电输出端与一个前置低噪声放大器2-2的输入端相连，所述前置低噪声放大器2-2的一个输出端与第一个带通滤波器2-3的输入端相连，所述带通滤波器2-3的输出端与一个毫米波功率放大器2-4的输入端连接，所述毫米波功率放大器2-4的输出端连接到一个环行器2-5的输入端，所述环行器2-5的输出端连接天线2-6，另一个输出端连接低噪声放大器LNA 2-7的输入端，所述低噪声放大器LNA 2-7的输出端连接混频器2-8的输入端。同时，之前所述前置低噪声放大器2-2的另一个输出端与第二个带通滤波器2-9的输入端相连，所述带通滤波器2-9的输出端与另一个毫米波功率放大器2-10的输入端连接，所述毫米波功率放大器2-10的输出端连接所述混频器2-8的另一个输入端，所述混频器2-8的输出端与第三个带通滤波器2-11的输入端相连，所述带通滤波器2-11的输出端与一个功率放大器2-12的输入端相连，所述功率放大器2-12的输出端连接到DFB激光器2-13的电输入端，所述DFB激光器2-13的光输出端通过上行链路光纤4连接到所述中心站1的光探测器1-12的光输入端。

本双向40GHz毫米波RoF通信方法是采用图1所示构造的双向40GHz毫米波RoF系统进行操作。在中心站1，激光器1-1输出的激光通过保偏尾纤连接到一个双电极Mach-Zehnder光调制器1-2；同样，双电极Mach-Zehnder光调制器1-2再通过保偏尾纤连接到一个光强度调制器IM1-6，这样可以克服光偏振方向变化对调制器的影响，在双电极Mach-Zehnder光调制器1-2的一个直流电极加恰当的直流偏压，并可微调，这是为了补偿支路时延差异所引起的初始电场相位差；在光强度调制器IM1-6的直流电极上连接偏压控制器1-10使OFDM信号一直工作在光强度调制器IM1-6的线性区；控制余弦微波信号源1-3的输出幅度以获得最佳调相指数；这样对光波进行大指数调相之后，就在基站2产生了调制在两同频反相微波的谐波边频分量之上的OFDM信号，同时也产生了用作上行链路下变频的毫米波本振，在基站2经过有效滤波和放大，通过一个混频器2-8，就产生了原来的OFDM信号，将所述OFDM信号直接调制到光上传回给中心站1，中心站1的光探测器1-12就能输出OFDM信号。

具体实例如下：

系统参数取为：中心站激光器工作在1550nm波长，谱宽为10MHz，功率为40mW。基站的激光器工作在1550nm波长，谱宽为10MHz，功率为2mW。两个扫描微波信号频率为5GHz，取其第8次谐波，故两个毫米波带通滤波器的中心频率分别为37.6GHz和40GHz，带宽分别为200MHz和20MHz。取双电极Mach-Zehnder光调制器的半波电压为V_π＝5V；余弦微波振幅为V＝7.6V，由此算得调相指数为β＝πV/V_π＝4.8，可使第8次谐波最大。OFDM信号中心频率为2.4GHz，基带数据比特率为100Mbit/s。光强度调制器IM的半波电压为V_π＝5V，送到光强度调制器IM之前的OFDM信号Vpp_max＝400mV，直流偏置为2.5V，得调幅指数为α＝πV/V_π＝0.13，下变频之后的带通滤波器和中心站光探测器之后的带通滤波器的中心频率都为2.4GHz，带宽为200MHz。软件仿真结果参见图2。