一种基于开关键控可调谐光滤波器的可重构RoF系统及其工作方法与应用

摘要

本发明涉及本发明涉及一种基于开关键控可调谐光滤波器的可重构RoF系统及其工作方法与应用。可重构RoF系统,其特征在于，包括依次连接的直调激光器、电光调制器和调谐单元；电光调制器连接有本振源；调谐单元包括两路并联设置的开关键控可调谐光滤波器，开关键控可调谐光滤波器包括串联设置的可调谐光滤波器和MZI光开关。该系统采用直调加外调的方式产生光载毫米波并调制；在光载毫米波的上变频方案中，直调加外调的方式避免了利用两个MZM实现上变频或利用光纤或半导体器件中的非线性实现上变频，在实现倍频效果的同时降低了成本、减少复杂度、提高稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于开关键控可调谐光滤波器的可重构RoF系统及其工作方法与应用，属于光纤通信的技术领域。

背景技术

随着智能终端设备的流行，可视电话高清视频等多媒体业务的普及，以及对安全监控远程医疗等高品质服务的追求，个人家庭网络得到了飞速发展，以图像、视频等多媒体业务为主的室内通信量骤然增加。另外，以高舒适度为目标的家庭网络，要求在室内提供无线的高速多媒体接入服务来满足用户灵活便捷的通信和娱乐需求。除了家庭网络，在其它场合，如办公大楼、工业园区、机场大厅以及大型商场等，也有像视频会议、视频监控、高速多媒体接入等高数据量的无线通信需求。虽然光网络传输速率能到达10Gbit/s,但是末端无线传输，例如WiFi、WIMAX、3G/4G都不能到达Gbit/s传输量级。可见未来个人、企业及公共场所对无线通信容量需求的急剧增加，会对目前现有无线接入技术提出严峻挑战。接入网要承载多种多样的业务，需要区别用户和业务，实施不同的策略，为不同的用户提供差异化的业务。同时，在能耗方面，电信运营商部署建设的通信基站数目骤增，且基站所占的功耗通常高达70％以上，这将导致蜂窝移动通信面临巨大的能耗危机。

RoF光载无线接入系统，是以光纤作为有线链路的传输介质，可以实现高带宽信号的传输，这就要求对应的无线链路能够完成高带宽信号的传输。RoF可以与各种网络(2G、3G、4G、WiFi、WIMAX)融合，以达到集中控制、共享昂贵器件、动态分配网络、降低成本的目的。与现有的2G/3G移动通信系统的融合中，RoF主要应用于微小区和室内覆盖，作为现有移动通信网络的补充。面对低频的电磁波频段大多已被划分且可用频带窄的现状，更多的研究目光开始投向高频的毫米波频段。在毫米波通信中，60GHz的毫米波通信具有诸多优点：波长短、带宽宽、传输速率高很容易实现Gbit/s的传输速率、免许可性和国际通用性、解决频率复用问题等优点；随着微波频段的不断提高，对相应的如放大器、滤波器、数模转换器等一系列微波处理器件的带宽要求也随之升高，有的甚至已经到达毫米波段。在传统电域上对信号处理，由于基于电子结构的微波处理存在响应频率等电子瓶颈，高频器件成本将变得非常昂贵。所以高频毫米波通信一直以来就成为研究热点，在光载毫米波的上变频方案中，包括利用两个马赫曾得尔调制器实现上变频，利用光纤或半导体器件中的非线性实现上变频等，但这些技术仍然面临高成本、结构复杂、稳定性不够等问题，严重阻碍了其商业应用。

现有技术中还没有一种将开关键控可调谐光滤波器应用到RoF系统的装置和方法。关于可调谐滤波器，中国专利CN105629523A公开了一种基于铌酸锂的可调谐光滤波器及其应用。本发明所述基于铌酸锂的可调谐光滤波器，巧妙利用铌酸锂晶体的特性，基于电光效应改变折射率，从而可动态调节相邻波导的光程差，实现改变器件的可调谐范围；另外，本发明所述基于铌酸锂的可调谐光滤波器，基于电光效应通过在电极加适当电压改变晶体折射率从而改变光程，即改变了相邻波导内不同波长光的相位差，经输出通道波导输出后，不同波长完成解复用，拓展了阵列波导光栅可调谐能力。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于开关键控可调谐光滤波器的可重构RoF系统。

本发明还提供一种上述可重构RoF系统的工作方法。

本发明还提供一种利用上述可重构RoF系统进行射频载波多种频率重构和信号调制格式转换的方法。

术语说明：

MZM：Mach-Zehnder Modulator的缩写，马赫增德尔调制器，是将输入光分成两路相等的信号分别进入调制器的两个光支路。

本发明的技术方案为：

一种基于开关键控可调谐光滤波器的可重构RoF系统,包括依次连接的直调激光器、电光调制器和调谐单元；电光调制器连接有本振源；调谐单元包括两路并联设置的开关键控可调谐光滤波器，开关键控可调谐光滤波器包括串联设置的可调谐光滤波器和MZI光开关。

优选的，调谐单元的输出端连接有远端天线单元。

优选的，电光调制器的输出端通过掺铒光纤放大器与调谐单元的输入端连接。

优选的，所述电光调制器为MZM；可调谐光滤波器为AWG可调谐光滤波器。AWG可调谐滤波器是一种基于铌酸锂的可调谐光滤波器，包括自上而下依次叠加设置的上限制层、铌酸锂波导层和下限制层；上限制层的上表面设置有上电极，下限制层的下表面设置有下电极。所述铌酸锂波导层为上表面设置有阵列波导光栅的铌酸锂薄膜；所述上电极包括相互插接的偶数波导电极和奇数波导电极；当奇偶波导加载同相电压时，实现中心波长可调；当波导加载有反向电极电压时实现通带宽度可调。MZI光开关通过加载电极电压控制两臂的相位差，使得两路光在干涉后出现功率极值，实现开关通断(具体结构可见中国专利公开号CN105629523A公开的一种基于铌酸锂的可调谐光滤波器及其应用)。

一种上述可重构RoF系统的工作方法，包括步骤如下，基带信号通过直调激光器调制到光载波上，直调激光器输出的光载波进入MZM，本振源产生的正弦波信号加载到MZM上，调整加载在MZM上、下两臂上正弦波信号的相位以及直流偏置电压，MZM输出双边带调制信号DSB；双边带调制信号DSB进入调谐单元；上下两路可调谐滤波器分别滤出任意阶边带；控制加载在MZI光开关上的电极电压，MZI光开关动态有序通断,两路可调谐光滤波器滤出的边带信号同步传输或时分复用传输。

优选的，双边带调制信号DSB经过掺铒光纤放大器放大后，进入调谐单元。

优选的，所述基带信号为吉比特量级的基带信号。

一种利用上述可重构RoF系统进行射频载波多种频率重构和信号调制格式转换的方法，包括步骤如下：

1)射频载波频率的可重构模式

A1、通过加载在MZI光开关上的控制序列控制两个MZI光开关上的电极电压使MZI光开关全通；

A2、调整加载在两路可调谐光滤波器上的驱动电压，进行滤波器中心波长和通带宽度调谐，滤出一阶单边带、二阶单边带或中心载波；

A3、携带有任意两个边带的信号复用后经过光纤传输，在远端接收端进行光外差接收实现信号的多种倍频。

微波信号经过功放等处理供用户使用。

2)信号调制格式转换模式

B1、调整可调谐光滤波器上的电极电压，改变通带宽度，每路可调谐光滤波器只滤出一阶的单边带信号和中心载波；例如调整上路滤波器使其只能通过一阶上边带和中心载波，下路滤波器通过一阶下边带和中心载波。这样边带经过有序通断的光开关后，时域上的上阶边带和下阶边带信号波形不再是连续的。

B2、当加载在MZI光开关上的控制序列为OOK信号调制序列的NRZ序列时，规定控制序列为0或1时，上下两个MZI光开关有一路通路；

B3、每路可调谐光滤波器输出的两路信号复用在一起，产生BPSK调制格式的微波信号。两路信号复用在一起后，可以看成按照NRZ时序依次组合排列的信号，时域上成为完整的信号。由于经过MZM调制后的双边带信号上下边带信号之间相位相差为π，所以复用后的光信号出现上下两路信号交替组合时，就会出现π相位差，也就是OOK信号调制序列出现0和1交替时，复用信号出现相位差π，调制信号就相当于BPSK的调制格式。信号经过光纤复用传输，在远端天线单元进行光外差接收，就产生了BPSK调制格式的微波信号。

优选的，步骤A3后还包括远端天线单元反馈区域信道使用情况的步骤，中心局根据远端天线单元反馈的消息调整加载在可调谐光滤波器上的驱动电压，控制滤波器中心波长和通带宽度，对不同阶次的边带信号进行过滤，光边带信号复用传输后在远端天线单元进行光外差接收，形成多种频率的倍频。该步骤实现了动态多频段RoF网络的构建，实现了RoF系统中多种射频频率的动态切换。

关于中心局：RoF系统中，远端天线单元(基站)只包含光电转换功放这些简单功能，资源管理和信号处理集中于中心站，这样基站结构简单，方便部署，成本低。中心站共享能力强，便于集中管理维护、资源调度。

优选的，在信号调制格式转换模式下，当加载在MZI光开关上的控制序列为NRZ变换得到的差分编码序列时，产生DPSK调制格式的微波信号。在数字调制原理上分析，查分编码调制序列是由OOK调制序列变换而来的相对码，仍旧是‘0’和‘1’序列。所以，类比BPSK调制格式转换的方法，只要加载在开关键控可调谐光滤波器上的序列为差分编码序列，就能实现信号从OOK调制格式到DPSK调制格式转换。

本发明的有益效果为：

1、本发明所述基于开关键控可调谐光滤波器的可重构RoF系统，采用直调加外调的方式产生光载毫米波并调制；在光载毫米波的上变频方案中，直调加外调的方式避免了利用两个MZM实现上变频或利用光纤或半导体器件中的非线性实现上变频，在实现倍频效果的同时降低了成本、减少复杂度、提高稳定性；

2、本发明所述基于开关键控可调谐光滤波器的可重构RoF系统的射频载波频率的可重构模式，通过两路滤波器对双边带信号分别进行边带滤波，滤出的两路信号可以是中心载波、一阶上下边带、二阶上下边带中的任意两个；所以两路光边带信号经过复用传输后，在远端天线单元进行光外差接收，可以产生多种倍频效果；在RoF系统中这种射频切换技术可以实现RoF可重构网络的构建，完成RoF系统中射频信号多种频率动态切换；

3、本发明所述基于开关键控可调谐光滤波器的可重构RoF系统的信号调制格式转换模式，解决了直调加外调RoF系统只能产生OOK信号的缺点；依据上边带信号和下边带信号相位相差为π的原理，利用开关键控可调谐光滤波器，按NRZ序列依次滤出上边带或者下边带，复用传输后在远端天线单元进行光外差接收，射频信号即为BPSK信号；按由NRZ序列变换来的差分编码序列依次滤出上边带或者下边带，复用传输后在远端天线单元进行光外差接收，射频信号即为DPSK信号；无线传输中相位调制具有幅度恒定的特点，在抗噪声和抗非线性能力方面具有优势，因此BPSK调制和DPSK调制相对于OOK调制更有优势；

4、本发明所述基于开关键控可调谐光滤波器的可重构RoF系统，利用AWG可调谐光滤波器和MZI光开关集成对边带信号进行滤波、动态通断等处理，实现整个系统的射频信号多种频率动态切换、信号调制格式转换的动态可调功能；在中心控制指令的协调下，完全可以实现多频段、双信号调制格式的动态切换，成为承载多业务的传输网络；

5、本发明所述基于开关键控可调谐光滤波器的可重构RoF系统，使用AWG可调谐光滤波器，该滤波器具有中心波长，通带宽度精确可调并且通带宽度窄的优点，所以在滤出边带信号的过程中，有用信号比较干净，不会在传输过程产生大的噪声和冗余信号，提高了信号传输质量。

附图说明

图1为本发明所述基于开关键控可调谐光滤波器的可重构RoF系统的结构示意图；

图2为本发明所述开关键控可调谐光滤波器的结构示意图；

图3为OOK信号转换为BPSK信号和DPSK信号的波形原理图；

图4为本发明所述MZM的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1

如图1-2所示。

一种基于开关键控可调谐光滤波器的可重构RoF系统,包括依次连接的直调激光器、电光调制器和调谐单元；电光调制器连接有本振源；调谐单元包括两路并联设置的开关键控可调谐光滤波器，开关键控可调谐光滤波器包括串联设置的可调谐光滤波器和MZI光开关。

实施例2

如实施例1所述的基于开关键控可调谐光滤波器的可重构RoF系统，其区别在于，调谐单元的输出端连接有远端天线单元。

实施例3

如实施例1所述的基于开关键控可调谐光滤波器的可重构RoF系统，其区别在于，电光调制器的输出端通过掺铒光纤放大器(即图1中的EDFA)与调谐单元的输入端连接。

实施例4

如图4所示。

如实施例1所述的基于开关键控可调谐光滤波器的可重构RoF系统，其区别在于，所述电光调制器为MZM；可调谐光滤波器为AWG可调谐光滤波器。AWG可调谐滤波器是一种基于铌酸锂的可调谐光滤波器，包括自上而下依次叠加设置的上限制层、铌酸锂波导层和下限制层；上限制层的上表面设置有上电极，下限制层的下表面设置有下电极。所述铌酸锂波导层为上表面设置有阵列波导光栅的铌酸锂薄膜；所述上电极包括相互插接的偶数波导电极和奇数波导电极；当奇偶波导加载同相电压时，实现中心波长可调；当波导加载有反向电极电压时实现通带宽度可调。MZI光开关通过加载电极电压控制两臂的相位差，使得两路光在干涉后出现功率极值，实现开关通断。

实施例5

如实施例1-4所述可重构RoF系统的工作方法，包括步骤如下，速率为2.5Gbit/s的OOK信号通过直调激光器调制到光载波上，直调激光器输出的光载波进入MZM，本振源产生15GHz的正弦波信号加载到MZM上，调整加载在MZM上、下两臂上正弦波信号的相位以及直流偏置电压，加载在MZM上、下两臂的射频信号的相位差为π，直流偏置电压为V_π//2的(V_π是MZM的半波电压)，MZM输出双边带调制信号DSB；双边带调制信号DSB进入调谐单元；上下两路可调谐滤波器分别滤出任意阶边带；控制加载在MZI光开关上的电极电压，MZI光开关动态有序通断,两路可调谐光滤波器滤出的边带信号同步传输或时分复用传输。

实施例6

如实施例5所述的可重构RoF系统的工作方法，其区别在于，双边带调制信号DSB经过掺铒光纤放大器放大后，进入调谐单元。

实施例7

一种利用实施例1-4所述可重构RoF系统进行射频载波多种频率重构和信号调制格式转换的方法，包括步骤如下：

1)射频载波频率的可重构模式

A1、通过加载在MZI光开关上的控制序列控制两个MZI光开关上的电极电压使MZI光开关全通；

基带信号加载到直调激光器，激光器输出信号设为AE₀e^jωt。光载毫米波信号进入MZM进行调制，MZM上下两臂加载幅度相同、频率为Ω，初始相位相差为θ的正弦本振信号V₁(t)＝cos(Ωt)，V₂(t)＝cos(Ωt+θ)；MZM输出双边带调制信号当正弦本振信号相位差θ＝π，直流偏置电压为V_π/2时，对输出信号按贝塞尔函数展开为：

只考虑一阶、二阶信号，同时把E_in＝E₀e^jωt带入公式得E_out≈AE₀[J₀(βπ)e^jωt-J₁(βπ)e^j(ω+Ω)t+π-J₁(βπ)e^j(ω-Ω)t-J₂(βπ)e^{j(ω+2Ω)t+π}-J₂(βπ)e^j(ω-2Ω)t],其中信号包含角频率为ω的中心载波、角频率为ω±Ω的一阶上下边带、角频率为ω±2Ω二阶上下边带，其他高阶边带忽略；

A2、调整加载在两路可调谐光滤波器上的驱动电压，进行滤波器中心波长和通带宽度调谐，滤出一阶单边带、二阶单边带或中心载波；

A3、携带有任意两个边带的信号复用后经过光纤传输，在远端接收端进行光外差接收实现信号的多种倍频；

二阶边带与中心载波或者一阶上边带与一阶下边带拍频实现二倍频，产生30GHz微波信号；一阶上边带与二阶下边带拍频或者一阶下边带与二阶上边带拍频实现三倍频效果，产生45GHz微波信号；二阶上边带与二阶下边带拍频实现四倍频效果，产生60GHz微波信号。

微波信号经过功放等处理供用户使用。

2)信号调制格式转换模式

B1、调整可调谐光滤波器上的电极电压，改变通带宽度，每路可调谐光滤波器只滤出一阶的单边带信号和中心载波；

B2、当加载在MZI光开关上的控制序列为OOK信号调制序列的NRZ序列时，规定控制序列为0或1时，上下两个MZI光开关有一路通路；当控制序列出现0时，上路MZI光开关通路，下路MZI光开关断路；当控制序列出现1时，上路MZI光开关断路，下路MZI光开关通路。在时序上，当控制序列出现0时一阶上边带和中心载波被滤出，当控制序列出现1时一阶下边带和中心载波被滤出。

B3、每路可调谐光滤波器输出的两路信号复用在一起，按照NRZ序列的上下阶边带信号的时域上交替排列；由贝塞尔展开式可得，双边带调制信号的上下边带的相位差为π，上下阶信号交替就出现π相位差，可以看成BPSK信号，经过远端天线单元接收后得到的信号为2A²J₀(β)J₁(β)cos(ω_mt)和2A²J₀(β)J₁(β)cos(ω_mt+π),调制后射频信号就相当于15GHz的BPSK调制格式的信号。两路信号复用在一起后，可以看成按照NRZ时序依次组合排列的信号，时域成为完整的信号。由于经过MZM调制后的双边带信号上下边带信号之间相位相差为π，所以复用后的光信号出现上下两路信号交替组合时，就会出现π相位差，也就是OOK信号调制序列出现0和1交替时，复用信号出现相位差π，调制信号就相当于BPSK的调制格式。信号经过光纤复用传输，在远端天线单元进行光外差接收，就产生了BPSK调制格式的微波信号。

实施例8

如实施例7所述可重构RoF系统进行射频载波多种频率重构的方法，其区别在于，步骤A3后还包括远端天线单元反馈区域信道使用情况的步骤，中心局根据远端天线单元反馈的消息调整加载在可调谐光滤波器上的驱动电压，控制滤波器中心波长和通带宽度，对不同阶次的边带信号进行过滤，光边带信号复用传输后在远端天线单元进行光外差接收，形成多种频率的倍频。该步骤实现了动态多频段RoF网络的构建，实现了RoF系统中多种射频频率的动态切换。

实施例9

如实施例7所述可重构RoF系统进行信号调制格式转换的方法，其区别在于，在信号调制格式转换模式下，当加载在MZI光开关上的控制序列为NRZ变换得到的差分编码序列时，产生DPSK调制格式的微波信号。在数字调制原理上分析，查分编码调制序列是由OOK调制序列变换而来的相对码，仍旧是‘0’和‘1’序列。所以，类比BPSK调制格式转换的方法，只要加载在开关键控可调谐光滤波器上的序列为差分编码序列，就能实现信号从OOK调制格式到DPSK调制格式转换。如图3所示为OOK调制格式的信号到BPSK调制格式和DPSK调制格式的转换示意图。