一种基于滤波调制器的FSK调制系统

摘要

本发明公开了一种基于滤波调制器的FSK调制系统，其能够产生连续的FSK光信号，可以作为光学标签或光学净荷，FSK调制系统包括激光器、LiNbO3调制器、随机信号发生器、正弦信号发生器、2个反相器和滤波调制器；其中激光器产生连续激光，进入LiNbO3调制器，在正弦信号的驱动下，输出载波拟制副载波；载波拟制副载波进入滤波调制器模块，在数据信号的驱动下进行调制，得到频率不同、强度耦合对称的信号光，进而耦合得到所需的FSK信号。本发明利用一个LiNbO3调制器和滤波调制器模块实现FSK信号，相对于现有的FSK调制方式，具有信号调制稳定，外部因素影响小，各频率分量幅度差异小，因此信号传输色散影响小，集成度高等优点。

说明书

技术领域

本发明属于光电子、光通信领域，更具体地，涉及一种基于滤波调制 器的FSK调制系统。

背景技术

光通信中的主要调制格式包括：基于振幅调制的ASK(Amplitude Shift  Keying，振幅键控)调制，基于相位调制的PSK(Phase Shift keying，相位 键控)调制，基于频率调制的FSK(Frequency Shift keying，频率键控)调 制，以及基于偏振的偏振调制。其中FSK作为最近提出的一种调制模式， 由于在传输过程中具有很高的传输容忍性；对于FSK信号的解调方式仅需 要光学滤波器即可，解调方便等优势，越来越引起人们的关注。

现有的FSK调制方式有：(1)通过调节激光器的控制电流来改变激光 器的输出频率，以达到不同频率输出的目的，但是此种方式，由于控制电 流的达不到高速的变换，以及信号响应速度的限制，FSK信号速率低于 10Gb/s，无法产生高速FSK信号。(2)利用3个集成的马赫增德尔调制器 控制，分别调制上下边带的模式产生，但是这种器件限于生产技艺的水平， 很难生产出此种器件。(3)利用两个激光器或者CSRZ(Carrier Suppressed  Retune to Zero，载波拟制归零码)模式，产生两个副载波，将副载波调制 DPSK(Differential Phase Shift Keying，差分相移键控)信号，然后将信号 送入延时干涉仪对DPSK解调效果，将两个副载波分别对应于MZDI (Mach-Zehnder Delay Interferometer，马赫增德尔延迟干涉仪)的输出最大 值和最小值，进而产生FSK信号。但是这种方法结构比较复杂，要经过多 次调制和解调过程。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于滤波调制器的 FSK调制系统，旨在解决现有技术中FSK信号中载波频率幅度不相等、调 制速率低、误码率高以及系统复杂的问题。

本发明提供了一种基于滤波调制器的FSK调制系统，包括正弦信号发 生器、激光器、第一反相器、LiNbO₃调制器、数据信号发生器、第二反相 器和滤波调制器；所述第一反相器的输入端连接至所述正弦信号发生器的 输出端，所述第一反相器的输出端连接至所述LiNbO₃调制器的上臂控制端 口；所述LiNbO₃调制器的输入端连接至所述激光器的输出端，所述LiNbO₃调制器的下臂控制端口连接至所述正弦信号发生器的输出端；所述第二反 相器的输入端连接至所述数据信号发生器的输出端，所述第二反相器的输 出端连接至所述滤波调制器的上臂控制端，所述滤波调制器的输入端连接 至所述LiNbO₃调制器的输出端，所述滤波调制器的下臂控制端口连接至所 述数据信号发生器的输出端，所述滤波调制器的输出端作为FSK调制系统 的输出端。

其中，工作时，所述正弦信号发生器输出的驱动信号分为两路，一路 直接加载在所述LiNbO₃调制器的下臂控制端，另一路经过反向调制后再加 载到所述LiNbO₃调制器的上臂控制端，所述LiNbO₃调制器对激光器输出 的连续激光信号进行调制，产生载波拟制副载波信号，此信号包含两个副 载波分量，而载波分量被拟制；此后，副载波信号进入滤波调制器，此调 制器具有滤波和调制的功能，首先进入调制器的副载波信号分两路分别通 过由FBG构成的上下两路通道，完成载波分离的作用，随后在上下两臂的 强度调制器中由外部信号的作用下进行强度调制，使光信号称为强度耦合、 频率不同的光信号，在滤波调制器输出端耦合后，即为FSK信号，驱动滤 波调制器的信号为数据信号，数据信号由数据信号发生器产生，一路直接 加载到滤波调制器对光波进行调制，一路经第二反相器加载到滤波调制器 对光波进行调制，因此经过两路数据调制的上下两臂的光载波即为幅度耦 合、频率不同的信号光。

其中，所述LiNbO₃调制器对激光器输出的连续激光进行调制，其传输 函数为：

$r=(1-1/\sqrt{ϵ})/2,ϵ={10}^{\mathrm{ER}/10}$

其中，L为插入损耗，r为LiNbO₃调制器(4)的上、下两臂的分光比， 分别为上、下臂的相位，V₁(t)、V₂(t)分别为上、下两 臂的驱动电压，V_πRF、V_πDC为LiNbO₃调制器的半波电压，V_B1、V_B2分别为 上、下两臂的偏置电压。

其中，所述滤波调制器包括第一耦合器、第一布拉格光栅光纤、第一 强度调制器、第二布拉格光栅光纤、第二强度调制器和第二耦合器；所述 第一耦合器的输入端连接至所述LiNbO₃调制器的输出端，所述第一布拉格 光栅光纤的一端与所述第一耦合器的第一输出端连接，所述第二布拉格光 栅光纤的一端与所述第一耦合器的第二输出端连接；所述第一强度调制器 的输入端连接至所述第一布拉格光栅光纤的另一端，所述第一强度调制器 的控制端作为所述滤波调制器的上臂控制端与所述第二反相器的输出端连 接；所述第二强度调制器的输入端连接至所述第二布拉格光栅光纤的另一 端，所述第二强度调制器的控制端作为所述滤波调制器的下臂控制端与所 述数据发生器的输出端连接；所述第二耦合器的第一输入端连接至所述第 一强度调制器的输出端，所述第二耦合器的第二输入端连接至所述第二强 度调制器的输出端，所述第二耦合器的输出端作为所述滤波调制器的输出 端。

其中，所述第一布拉格光栅光纤的中心滤波波长与LiNbO₃调制器输出 的副载波的波长匹配，带宽相等。

与现有技术相比，本发明采用一个激光器，利用LiNbO₃调制器的调制 作用产生两个副载波分量作为承载信号的频率，减少不同频率分量的振幅 的大小差异，提高信号的稳定性，提高信号传输的色散对FSK信号的影响， 降低了误码率。同时，本发明提出了一种新型调制器——即滤波调制器， 输入波导为FBG光纤，能完成分波、滤波的作用，更好的保证频率分量的 等幅，减少外部因数对调制频率和振幅影响，进一步保证信号的稳定性以 及色散对信号的影响。另外，本发明还利用滤波强度调制器进行信号信息 的加载和FSK信号的产生，调制方式简单，结构简便。

附图说明

图1为本发明实施例提供的FSK调制系统的原理框图；

图2为本发明实施例提供的激光器与LiNbO3调制器工作模块的结构示 意图；

图3为本发明实施例提供的滤波强度调制器工作模块的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种FSK调制结构。此 种结构能够产生高速的FSK信号，并且结构简单。

在本发明实施例中，来自于激光器的连续光经过LiNbO₃调制器的调制 作用产生载波拟制信号，此信号包含两个副载波，副载波信号进入滤波调 制器，在此器件的输入接口采用FBG光纤，不仅可以起到滤波的作用，也 可以对保证输入光波在进入上、下两臂进行调制时的振幅相等，输入光波 在FBG滤波作用下，上、下两臂产生单频率副载波频率信号、振幅相等， 分别进入上、下两臂的强度调制器，强度调制器在外部驱动信号的信号作 用下分别对两个频率分量进行调制，产生强度互补的信号光，耦合后就是 FSK信号。

本发明实施例提供的FSK调制系统的结构如图1所示，FSK调制系统 包括：正弦信号发生器1、激光器2、第一反相器3、LiNbO₃调制器4、数 据信号发生器5、第二反相器6和滤波调制器7；激光器2的输出端与LiNbO₃调制器4的输入端相连接；正弦信号发生器1的输出经分路后，一路与第 一反相器3的输入端连接，另一路与LiNbO₃调制器4的下臂控制端口连接； 第一反相器3的输出端与LiNbO₃调制器4的下臂控制端口连接；数据信号 发生器5的输出端分两路数据信号，一路与第二反相器6的输入端连接， 另一路与滤波调制器7的下臂控制端口连接；第二反相器6的输出端与滤 波调制器7的上臂控制端口连接，滤波调制器7的输入端与LiNbO₃调制器 4的输出端连接，滤波调制器7的输出端作为FSK调制系统的输出端。

其中，LiNbO₃调制器4具有4个接口，分别为1个输入接口，2个控 制接口，1个输出接口，输入接口与激光器2输出连接，输出接口与滤波调 制器7的输入接口连接，上臂控制接口与第一反相器3的输出接口连接， 下臂控制接口与正弦信号发生器1连接。

滤波调制器7具有4个接口，分别为1个输入接口，1个输出接口，2 个控制接口，输入接口与LiNbO₃调制器4的输出接口连接，上臂控制接口 与第二反相器6的输出接口连接，下臂控制接口与数据信号发生器5输出 端口连接，输出端口为整体系统的输出端。

在本发明实施例中，正弦信号发生器1产生正弦波信号，频率可调， 此正弦波信号可以对光波进行调制，使光波频率产生副载波，用于FSK调 制的载波频率；激光器2可以为连续光激光器，产生系统所用的窄带光波， 作为调制和承载数据信号的载波信号；第一反相器3是为了让正弦信号的 正负电平反转，产生共轭信号，用于调制LiNbO₃调制器4，使LiNbO₃调制 器4工作在推挽状态，从LiNbO₃调制器4中输出的光波为CSRZ光波，仅 含有副载波分量；LiNbO₃调制器4是产生CSRZ信号的主要器件，此器件 在外部控制信号的调制下完成对输入光波的调制，产生载波拟制副载波， 以备后用，因为FSK信号的两个频率信号完全由此器件产生，相比于两个 激光器输出两个频率作为FSK载频的系统，该系统能够严格保证两路FSK 频率信号的稳定性、以及两路激光频率、相位、幅度匹配性；数据信号发 生器5为传输信号的信号发生器，作为调制信号；第二反相器6作为数据 信号发生器5的反相器，利用此反相器可以将数据信号的电平反转，即将‘0’、 ‘1’信号反转，因此数据信号发生器5的两路信号经过第二反相器6加载到 滤波调制器7后的信号为‘0’、‘1’耦合信号；滤波调制器7为该系统的主要 器件，此器件可以完成FSK信号的产生，此器件可以直接完成滤波和调制 的作用，因为上、下两臂的完全对称性，可以使两路频率信号的幅度差异， 保证FSK信号的幅度稳定，减少FSK信号传输的色散等因素影响。

在本发明实施例中，滤波调制器7的内部结构如图3所示，滤波调制 器7包括第一耦合器71、第一布拉格光栅光纤72、第一强度调制器73、第 二布拉格光栅光纤74、第二强度调制器75和第二耦合器76；第一耦合器 71有一个输入端两个输出端，一个输入端口为外部输入端口，两个输出端 口分别接第一布拉格光栅光纤72和第二布拉格光栅光纤74的输入端口； 第一布拉格光栅光纤72输出接口与第一强度调制器73的输入接口连接； 第二布拉格光栅光纤74的输出接口与第二强度调制器75的输入接口连接； 第一强度调制器73和第二强度调制器75的输出接口与第二耦合器76的输 入接口连接；第二耦合器76的输出接口为滤波调制器7的输出接口。第一 耦合器71的作用为分波，将光波1:1的进入两个布拉格光栅光纤；布拉格 光栅光纤完成对输入的副载波的滤波效果，布拉格光栅光纤的中心滤波波 长与副载波的波长匹配，带宽相等，可以使输出的光载波除了在中心频率 上不同，其它光信息完全相同，因此可以保证FSK的两个频率分量的匹配 性、等同性，即保证FSK信号的稳定和传输性能的良好；第一强度调制器 73和第二强度调制器75是完成信号的调制，将数据信号加载到光波上；第 二耦合器76是完成两路光载波的耦合为恒一功率的光波，此光波在幅度上 保证完全的恒定，进而提高了FSK信号的传输性能，提高拟制色散的能力。

滤波调制器7相比于其他强度调制器而言，此调制器在输入波导上采 用了布拉格光栅光纤，由于光栅光纤的良好的熔接性能，可以作为输入强 度调制器的输入波导，不仅完成光通路的作用，并且完成滤波的作用，因 FSK调制的一个重要因素就是保证FSK信号的两个承载频率幅度的恒定性， 因此相比于外部滤波的器件而言，此滤波调制器中传输波导采用布拉格光 栅光纤，所以可以保证光波传输中的光路的恒定与稳定，保证两路信号中 的器件保证一致，因此很好了保证了外部因数对信号光波的影响，以及上 下两路中光信号的对成性，并且使两个光载波频率的幅度的一致，因此产 生的FSK信号的幅度更加的稳定，减少光信号传输过程中光纤中色散的影 响，提高信号的传输质量。

来自于激光器2的连续光经过LiNbO₃调制器4的调制作用产生载波拟 制信号，此信号包含两个副载波信号，载波分量受到很大的拟制效果；将 此信号送入滤波调制器7，此强度调制器的输入端口采用布拉格光栅光纤作 为输入光纤，因此光信号被1:1分波、布拉格光栅光纤滤波，产生两个单独 频率分量的光信号，这两个信号的幅度相等、相位等信息匹配；滤波调制 器7上下两臂为两个强度调制器，此模式可以严格保证信号的同步，滤波 调制器7在外部驱动信号的作用下分别对两个频率分量进行调制，因数据 信号为互补信号，因此光波在数据信号的调制下产生强度互补的信号光， 耦合后就是FSK信号，此信号中FSK分量的幅度能够保证稳定、一致，因 此可以提高信号传输过程中传输质量。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的FSK调制系统，下面进行分 块说明每一部分的工作原理：

(1)激光器与LiNbO₃调制器

如图2所示的激光器2与LiNbO₃调制器4的工作原理图。激光器2 为连续光波激光器，产生的连续激光能够保证光功率的连续性和稳定性。 LiNbO₃调制器4直接与激光器1连接，连续光波进入LiNbO₃调制器进行调 制，产生载波拟制光载波。

LiNbO₃调制器4的调制原理如下：

调制器在偏置电压和驱动电压下对连续激光进行调制，其传输函数为：

$r=(1-1/\sqrt{ϵ})/2,ϵ={10}^{\mathrm{ER}/10}$

其中，L为插入损耗，r为上下两臂的分光比，为 上、下臂的相位，V₁(t)、V₂(t)为上下两臂的驱动电压，V_πRF、V_πDC为射频、 直流半波电压，V_B1、V_B2为上下两臂的偏置电压。本例中，令r＝1/2， V_B1＝V_B2＝V_π。因此，传输函数变为：

h(t)＝10^-L/20[1/2{exp[jπ(V₁(t)+V_B1)/V_π]}

+{1/2{exp[jπ(V₂(t)+V_B2)/V_π]

令V_B1-V_B2＝V_π，V₁(t)+V₂(t)＝2V_π，则可以得到载波拟制信号，即 载波拟制的副载波信号。

本发明中，偏置信号用直流电压控制，驱动信号用正弦信号发生器产生； 正弦信号发生器产生频率为的f_m正弦信号分成两路，一路直接加载到调制 器；另一路进行反向调制，即形成余弦信号再加载到调制器上；两种信号 加载到LiNbO₃调制器，对光波信号进行调制。产生的光波信号对载波进行 了拟制，因此在频谱上只有两个副载波频率(f₀-f_m，f₀+f_m)，此时产生 的两个频段，在幅度、稳定性等因数上保证一致，便于后期FSK信号的稳 定性，此FSK调制完全采用一个激光器通过LiNbO₃调制器调制来产生两 个携带信息的光载波，因此这两个载波在除了光频率不同以外，其他的光 信息完全相同，因此将减少其他因素(如相位、偏振等光信息)对于FSK 信号传输质量的影响。

(2)滤波调制器

如图3所示的滤波调制器7的工作原理图。此器件有如下部分构成： 第一耦合器71，第一布拉格光栅光纤72，第一强度调制器73，第二布拉格 光栅光纤74，第二强度调制器75，第二耦合器76。两个强度调制器分别位 于调制器的上、下两臂处且严格对称，保证信号的耦合性，输入端口采用 布拉格光栅光纤，完成1:1分波和滤波的作用。来自于LiNbO₃调制器4的 载波拟制信号进入滤波强度调制器，输入端口将光波分离为振幅强度为1:1 的光波，在两段布拉格光栅光纤中完成频率分量的分离。这两段布拉格光 栅光纤将两个副载波频率分割成两个完全等同，频率不同的光载波，即 f₀-f_m副载波和f₀+f_m副载波，以便于在后期使用。

布拉格光栅的工作原理为：λ_B＝2n_effΛ；其中，λ_B为反射波长，n_eff为 光纤纤芯的有效折射率，Λ为布拉格光栅的周期。调节光纤纤芯的有效折射 率和布拉格光栅的周期，使得布拉格光栅的反射波长等于光副载波的波长 (f₀-f_m，f₀+f_m)。

由于布拉格光纤光栅完全由光纤可以完全在一根光纤上集合而成，因 此具有和光纤的良好的熔接性；并且制作工艺已经成熟，成本低廉；因此 布拉格光栅光纤可以很好地集成在强度调制器上作为输入光纤，并在其衬 底上加载电级，即可控制布拉格光栅的纤芯折射率，进而调节其工作波长。

此调制器由两个强度调制器平行构成，强度调制器受到外部数据信号 的调制，外部数据信号分成两路，一路直接加载到一路强度调制器，一路 进过反相器加载到另一路强度调制器，因强度调制器的光强输出的振幅受 到外部数据信息的调制，由于有反相器的作用，两路光信号则会产生频率 不同，强度互补的光信号，在耦合器处，因两路光信号的频率不相同，因 此不会产生干涉作用，仅仅起到光信号合并为一路。

强度调制器的工作原理为：

假设光信号为：上路频率较高的副载波信号为：e_upper(t)＝ A_mcos(ω_uppert+φ_upper)；下路频率较低的副载波信号为：e_down(t)＝ A_mcos(ω_downt+φ_down)。

数据信号为矩形脉冲信号，假设为h(t),其取值为1或者0；则上路数据 信号为h′(t)，其值则为0或者1。

则调制后的光信号为：

e_upper(t)＝A_mh(t)cos(ω_uppert+φ_upper)

e_down(t)＝A_mh′(t)cos(ω_downt+φ_down)

因为两路光信号的频率不同，当耦合后，光波不产生干涉效果，即为：

e_c(t)＝A_m{h(t)cos(ω_uppert+φ_upper)+h′(t)cos(ω_downt+φ_down)}

光信号随数据信号的调制产生间断的光波信号，由于两路数据信号时 互补的，所以两路副载波频率所携带的信号也是互补的，当两路副载波信 号合波时，就会产生频率不断变化，但是强度相同的FSK信号。

滤波调制器中将两路数据输入通道上的光波导改为布拉格光纤光栅， 因此不但可以减少外部滤波时各种外部因数的影响，以及外部滤波时对两 路光波幅度影响，此时将极大的减少FSK因两个频率分量的幅度不同而导 致的FSK信号在传输过程中色散的影响，并且由于此器件上下两路的严格 对称性，也保证了信号的稳定和匹配，提高了FSK信号的质量，提高FSK 信号的传输性能。

下面结合附图及具体实例对本发明进一步说明。本文将以数据速率为 40G/s的净荷信号对本发明进行详细介绍。

激光器的工作波长为1552.5nm(即193.1THz)，带宽为10MHz，连续 激光首先进入LiNbO₃调制器进行调制，产生载波拟制信号，即载波拟制光 波，此时将输出仅含有两个副载波信号的光波。LiNbO₃调制器的为双驱动 调制器，驱动信号为40G/s的正弦波信号，由信号发生器产生的正弦波信号， 一路直接加载到LiNbO₃调制器的一个驱动端，另一路经过反向器加载到 LiNbO₃调制器的另一端；LiNbO₃调制器的半波电压为4V，则调制LiNbO₃调制器的偏置电压可以控制为上臂偏置为0，下臂偏置电压为4V，驱动电 压：上下臂分别为4V和-4V；则此时LiNbO₃调制器输出两个副载波频率为 193.14THz和193.06THz的载波拟制光信号。

由LiNbO₃调制器产生的副载波光波进入滤波调制器，滤波调制器可以 完成分波、滤波、强度调制的功能。副载波光波首先进行分波产生振幅比 1:1两个光波，两路信号进入布拉格光栅光纤，此布拉格光栅光纤分别熔接 到强度调制器输入端口，两个布拉格光栅光纤的中心滤波波长分别为两个 副载波的波长。来自于LiNbO₃调制器的输出光波，分别进入中心滤波频率 为193.06THz和193.14THz的FBG，此时通过布拉格光栅光纤后的两个光 波的频率分别为193.06THz和193.14THz，然后将这两个单独频率分量的光 波直接进入后续的强度调制器。

来自于布拉格光栅光纤的两束副载波光信号分别进入两个强度调制器， 强度调制器受驱动信号的调制，再外加驱动的作用下，使光信号的振幅随 外加信号的波动而改变。驱动信号为40G/s的数据信号，此信号代表着通信 网络中的净荷。本例中采用PRBS产生40G/s的随机信号，然后分成两路， 一路进入上路的强度调制器，一路经过反相器进入另一路强度调制器，这 两路信号要严格的保证进入两个强度调制器的时钟同步，才能保证两路光 信号受到这两路数据信号调制产生的光强度互补，在产生FSK时保证两个 频率的交替出现。

从两个强度调制器产生的调制光信号，分别在两个光频率上调制了强 度互补的数据信号，因此，在一路光频率数据为“1”时，另一路光频率所携 带的信息为“0”；一路光频率数据为“0”时，另一路光频率数据则为“1”。当 两路信息在耦合器进行耦合时，则会使两个频率随着数据信号的格式交替 出现，即所说的FSK信号。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。