光纖通信中層次多維頻率的傳輸方法

專利名稱：光纖通信中層次多維頻率的傳輸方法
技術領域：
本發明是一種利用層次多維頻率在光纖中傳輸多路信號的方法，即將經過重復的層次調制將多個待調制的數據(信號頻率)分別調制到指定的頻率軸、頻率層次和指定頻率上，經過線性疊加，構成層次多維頻率調制波，經過光纖雙向傳輸，再經過線性分支，選放、檢波濾波，將各個數據分離出來。
光纖通信系統的發展已經經歷了幾個時代，速率從1976年的44Mbps，傳輸距離約10km，發展到目前的數十到數百Gbps，傳輸距離達數千km。光纖傳輸業已成為當前通信，特別是干線通信的主要手段。目前，世界各國都十分重視這一領域的發展，我國正在啟動武漢和廣州的光纖通信系統的研發基地，準備投資數十億到數百億元建設我國的光谷。
光纖具有巨大的有效帶寬，有著低損耗、低色散和寬導波等特性，他有兩個損耗極小值，一個在1.3μm附近，一個在1.5μm附近。在1.5μm波段，他大約提供了25THz的帶寬。然而，當前的光器件的比特率還比較低，激光器、外調制器、開關和檢測器的帶寬充其量不超過100GHz，事實上當前實際數據鏈路的比特率對每個信道不超過10Gbps。為了充分利用光纖提供的有效帶寬，人們設計了多種復用方法增加對光纖帶寬的使用，常用的復用方法有時分復用(TDM)、波分復用(WDM)、副載波復用(SCM)、碼分復用(CDM)和空分復用(SDM)等。特別是WDM和SCM與本項發明有著密切的聯系，WDM是指將光纖損耗較低的波段再進行分段，成為多個基帶調制的信道，N個不同波長的激光器均工作在較低的Gb/s速率上，整個系統的傳輸速率則是單個激光器傳輸速率的N倍，列于單個的基帶調制信道還可以包括一組更低的時分復用的信道。波分復用對解決數字光通信有著很好的前景。對模擬光通信也具有非常良好的前景，特別是對解決CATV信息傳輸、視頻分配和每路信道速率遠大于1Gb/s的局域網(LAN)以及個人通信系統的接口。SCM的本質就是將原來用光來實現的所有調制(解調)、復用(解復用)和路由選擇功能，改為用電來實現。他不是將每秒百兆比特的基帶數據直接調制到大約THz的光載波上，而是將基帶信號首先調制到GHz副載波上，再把副載波調制到THz的光載波上。副載波復用的強大優勢是用激光器傳輸多路信道，每個信道在各自的副載波頻率上傳輸，即頻分復用(FDM)。這種頻分復用方式的優點是一個昂貴的光學器件能夠讓多信道同時使用。而缺點是共享激光器的所有信道必須很接近，另外，由于激光器發射機和接收機的帶寬有限，單個信道的傳輸速率和總信道數目存在很大的限制。目前，價格適中的光電子器件帶寬還沒有超過100MHz的，因此很難有許多100MHz信道共享一個激光器，對每個信道實施GHz的傳輸是不現實的。雖然，我們在100MHz帶寬上可以劃分出若干個信道，但是信道劃分得越多，信道帶寬就越窄，傳輸速率越低。
本發明的目的就是提供一種對單信道而言利用層次多維頻率(信道)技術，在保持高帶寬和高傳輸速率的前提下，大幅度提高信息的傳輸能力，充分利用光纖的帶寬的光纖通信中層次多維頻率的傳輸方法。
本發明的方案是采用層次調制的方法將多個待傳輸的信號頻率經過重復的逐層調制，分別調制到指定的頻率軸、指定的頻率層次和指定的頻率上，再將被調制的副載波直接或經過模/數轉換后通過激光器調制到光載波上進行傳輸，在接收端直接或經過數/模轉換后通過線性分支器，再經與調制相對的逐層次選頻放大和檢波濾波還原出原信號。采用層次調制方法將許多待調制的頻率分別調制到指定的調制層次和指定的頻率上形成(f1→f2→f3……fn)，即將若干個待調制的頻率f1(1)至f1(k1)用調制器將它們逐個調制在分別對應指定的任一個頻率上，形成第一層調制的f2(1)至f2(k2)，再將分別調制后的頻率f2(1)至f2(k2)經過調制器將它們再次逐個調制在分別對應指定的任一個頻率上，形成第二層調制的f3(1)至f3(k3)，以此類推經過n次的層次調制形成第n層調制的fn(1)至fn(kn)。調制后的頻率fn(jn)大于等于調制前被調制頻率fn-1(jn-1)的3倍即fn(jn)≥3fn-1(jn-1)。采用的調制器為調幅波調制器或調頻波調制器或調相調制器或頻率幅度兼調調制器。其中待調制的頻率有“k”個，即f1(1)至f1(k)，在1至k個頻率中的j個頻率是f1(j)。相對原頻率第n層調制的頻率即為fn(1)至fn(k)，第j個頻率在n層的調制結果fn(j)。其優點在于這一方法使層次多維頻率(信道)可同時使用一個昂貴的光學器件，節省了多路傳輸時需要多個昂貴的光學器件的成本。
使用這一方法可以在保持高帶寬和高傳輸速率的前提下，極大地提高信息的傳輸能力，特別是在解決單信道極大地提高信息傳輸能力的前提下，再使用WDM/SCM混合系統，就會更充分利用光纖的帶寬。理論上講采用該技術后光纖的信息傳輸可以接近無限的能力。
經過多層次調制的副載波不是一個信道的概念，而是層次多維信道的概念，即一個副載波可以對應有很多層次的信道，他在帶寬一定的情況下，傳輸的信息量將是十分巨大的。
這一方法既可以用于數字光傳輸，又可以用于模擬光傳輸，特別是采用模擬光傳輸系統，用電來調制(解調)、復用(解復用)和路由選擇，在目前的條件下，電器件比光器件便宜，而且可靠，電濾波器可以設計為高效的、近乎理想的多點濾波器，而光濾波器僅僅是單極點濾波器。
這一方法可以大大簡化現有光纖通信設備和設施的復雜化程度，大大降低通信領域基礎設施建設的強度和資金的投入，形成全新的光纖通信系統，對加速信息化進程和推進信息產業的發展將是一個重大的突破。


圖1為用多車道、立體交通和多層次車輛來說明多波長、層次多維頻率光傳輸的示意圖。
圖1a為在沒有摻鉺光纖放大器(EDFA)情況下光纖的單信道傳輸示意圖。
圖1b為EDFA實現的單信道無中繼高速傳輸示意圖。
圖1c為光纖傳輸的波分復用的示意圖。
圖1d為多個光數據包疊在一起在一個信道上傳輸的示意圖。
圖1e為多束光纖、多個光數據包疊在一起多信道立體上傳輸的示意圖。
圖2為多信道頻分復用系統的示意圖。
圖2a為光纖通信中頻分復用(FDM)的副載波復用(SCM)系統示意圖(圖中的虛線方框為本發明需要解決的重點)。
圖2b為發送FDM系統的頻譜。
圖3層次多維頻率構造示意圖。
圖4為m條頻率軸中第k一條頻率軸上的副載波fsc,1、fsc,2、……fsc,n同時對data1、data2、……datan進行處理和模擬傳輸的示意圖之1。
圖5為m條頻率軸中第k一條頻率軸上的副載波fsc,1、fsc,2、……、fsc,n同時對data1、data2、……datan進行處理和傳輸的示意圖之2。
圖6為m條頻率軸中第k一條頻率軸上的副載波fsc,1、fsc,2、……fsc,n同時對data1、ata2、……datan進行處理和數字傳輸的示意圖。
以下實施例結合附圖對本發明作進一步的闡述。
如果我們將光纖看作是一條高速公路，將數Gbps單個信道看成是高速公路上的一條快車道，把光數據包看成汽車，而光纖則是高速公路。則本發明則是(1)將很多個汽車疊置在一起在一條快車道上行駛(圖1d)，將光纖變成立體的、多條快車道的高速公路。
如圖2所示，fsc,1、fsc,2、……fsc,n為n個在單一信道上的副載頻，數據1、數據2、……數據n分別對應調制fsc,1、fsc,2、……fsc,n，被調制的fsc,1、fsc,2、……fsc,n與單個信道混頻，共享一個激光器。然而，一個副載波只能對應一個數據，他是線性一維頻道軸上，僅僅是單頻的使用，導致頻率資源的極大浪費。
我們層次調制方法，即采用層次調制方法將許多待調制的頻率分別調制到指定的調制層次和指定的頻率上形成(f1→f2→f3→……fn)，即將若干個待調制的頻率f1(1)至f1(k1)用調制器將它們逐個調制在分別對應指定的任一個頻率上，形成第一層調制的f2(1)至f2(k2)，再將分別調制后的頻率f2(1)至f2(k2)經過調制器將它們再次逐個調制在分別對應指定的任一個頻率上，形成第二層調制的f3(1)至f3(k3)，以此類推經過n-1次的層次調制形成第n層調制的fn(1)至fn(kn)。調制后的頻率fn(jn)大于等于調制前被調制頻率fn-1(jn-1)的3倍即fn(jn)≥3fn-1(jn-1)。其中待調制的頻率有“k”個，即f1(1)至f1(k)，在1至k個頻率中的第j個頻率是f1(j)。相對原頻率第n層調制的頻率即為fn(1)至fn(k)，第j個頻率在n層的調制結果fn(j)(圖3)。
圖4為我們方案的構架示意1，其步驟如下(1)振蕩器A與隔離器1、隔離器2、……隔離器n組成了副載波fsc,1。
(2)振蕩器1與data1組成了調制器1，調制器1的輸出與振蕩器A又組成了調制器2，振蕩器2與data2組成了調制器3，調制器3的輸出與振蕩器A又組成了調制器4，……。
(3)將調制器2、調制器4、……，調制器n的輸出頻率進行線性疊加。
需要滿足的條件為振蕩器A的振蕩頻率應大于等于3倍的調制器1、調制器2、……、調制器n中輸出的最高頻率。
(4)將fsc,1、fsc,2、……fsc,n、經過線性疊加的頻率，再經過合路器、激光器和星形偶合器，進入與線性疊加相對應的線性分支器，將線性疊加的信號分路處理。
(5)選頻放大器1、選頻放大器3、……、選頻放大器m，進行第一次選頻，選頻放大器2、選頻放大器4、……選頻放大器n進行第二次選頻，……，多次選頻放大的目的就是增加選頻放大的效果。
(6)經過檢波濾波器還原出data1、data2、……、datan。
本發明的接收系統的關鍵點是在接收端利用“剝離器”，對層次多維頻率調制波采用線性接收，帶通濾波器(如選頻放大器)，逐層將層次多維頻率剝離出來，最后經檢波濾波取出數據(信息)。
圖5為我們方案的構架之示意2，表示了在m條頻率軸中的某一頻率軸上的某一個頻率上的n個層次的頻率資源層次的的復用方法。這樣我們可以形象化地認為是利用一個副載波fsc,1同時傳輸data1、data2、……datan，也可以利用副載波fsc,2同時傳輸data1、data2、……datan。
上述副載波復用方案，是采用了模擬光傳輸技術，用電來調制(解調)、復用(解復用)和路由選擇，也可以將此技術與頻分復用方法組合使用，擴大信息的傳輸量，以及充分利用光纖的帶寬資源。然而數字傳輸有其獨有的優勢，層次多維頻率方法也同樣可以使用。
如圖6所示，對于data1、data2、……、datan既可以是模擬信息，也可以是數字數據。如果data1、data2、……、datan是模擬信息，可以經過模數轉換轉換成數字數據。圖示的虛框第一部分增加層次多維頻率形成部分，將副載波fsc,1、fsc,2……fsc,n數字化，即經過模數轉換，送入各自的激光器進行傳輸。在虛框的第二部分，經過數模變換，再進行信息還原。當然，也可以對搭載多層信息(模擬/數字信息)的各層次的載波進行數字化、傳輸、數/模轉換，到信息還原。
對于雙向的上行與下行傳輸，只是將光纖帶寬上的部分頻段用于上行，部分頻段用于下行，發射端也是接收端，如果我們將上述方案視為上行方案，而下行的方案則是與上行方案是一致的。
為了證明上述的設計方案，我們進行了m條頻率軸中第k一條頻率軸上的副載波fsc,1同時對data1、data2、……datan進行處理和傳輸樣機研制。
振蕩器產生的振蕩頻率為1.4MHz，振蕩器1、振蕩器2、振蕩器3、振蕩器4產生的振蕩頻率分別為100KHz、150KHz、200KHz、250KHz。data1、data2、data3、data4為音頻信號。
data1調制在100KHz上形成的調制波再調制在1.4MHz上；data2調制在150KHz上形成的調制波再調制在1.4MHz上；data3調制在200KHz上形成的調制波再調制在1.4MHz上；data4調制在250KHz上形成的調制波再調制在1.4MHz上；1.4MHz調制波都滿足100KHz、150KHz、200KHz、250KHz調制波中的最大值的3倍。
再將data1調制在100KHz上形成的調制波再調制在1.4MHz上形成的調制波與data2調制在150KHz上形成的調制波再調制在1.4MHz上形成的調制波，data3調制在200KHz上形成的調制波再調制在1.4MHz上形成的調制波，以及data4調制在250KHz上形成的調制波再調制在1.4MHz上形成的調制波進行線性疊加。
將1.4MHz副載波(1)直接通過激光器調制到光載波上進行傳輸；(2)將副載波數字化，再通過激光器調制到光載波上進行傳輸。
選頻放大器1和選頻放大器2分別進行兩次選頻選出100KHz的頻率；選頻放大器3和選頻放大器4分別進行兩次選頻選出150KHz的頻率，選頻放大器5和選頻放大器6分別進行兩次選頻選出200KHz的頻率；選頻放大器7和選頻放大器8分別進行兩次選頻選出250KHz的頻率。(6)100KHz的頻率、150KHz的頻率、200KHz的頻率和250KHz的頻率的調幅波檢波濾波分別還原出data1、data2、data3和data4。這樣就完成了層次多維頻率在光纖中的傳輸過程。
權利要求
1．一種光纖通信中層次多維頻率的傳輸方法，其特征在于采用層次調制的方法將多個待傳輸的信號頻率經過重復的逐層調制，分別調制到指定的頻率軸、指定的頻率層次和指定的頻率上，再將被調制的副載波直接或經過模/數轉換后通過激光器調制到光載波上進行傳輸，在接收端直接或經過數/模轉換后通過線性分支器，再經與調制相對的逐層次選頻放大和檢波濾波還原出原信號。
2．根據權利要求1所述的光纖通信中層次多維頻率的傳輸方法，其特征在于層次調制方法是采用層次調制方法將許多待調制的頻率分別調制到指定的調制層次和指定的頻率上形成(f1→f2→f3→……fn)，即將若干個待調制的頻率f1(1)至f1(k1)用調制器將它們逐個調制在分別對應指定的任一個頻率上，形成第一層調制的f2(1)至f2(k2)，再將分別調制后的頻率f2(1)至f2(k2)經過調制器將它們再次逐個調制在分別對應指定的任一個頻率上，形成第二層調制的f3(1)至f3(k3)，以此類推經過n-1次的層次調制形成第n層調制的fn(1)至fn(kn)，調制后的頻率fn(jn)大于等于調制前被調制頻率fn-1(jn-1)的3倍即fn(jn)≥3fn-1(jn-1)。
3．根據權利要求1所述的光纖通信中層次多維頻率的傳輸方法，其特征在于層次解調方法是采用線性接收，帶通濾波，檢波濾波，分層剝離。
4．根據權利1或2所述的光纖通信中層次多維頻率的傳輸方法，其特征在于所采用的調制器為調幅波調制器或調頻波調制器或調相調制器或頻率幅度兼調調制器。
全文摘要
光纖通信中層次多維頻率的傳輸方法是一種多重頻率疊加傳輸的方法,其方案是采用層次調制的方法將多個待傳輸的信號頻率經過重復的逐層調制,分別調制到指定的頻率軸、指定的頻率層次和指定的頻率上,再將被調制的副載波直接或經過模/數轉換后通過激光器調制到光載波上進行傳輸,在接收端直接或經過數/模轉換后通過線性分支器,再經與調制相對的逐層次選頻放大和檢波濾波還原出原信號。該方法極大地開拓了頻率資源,提高了傳輸效率。
文檔編號H04B10/12GK1305276SQ0110801
公開日2001年7月25日 申請日期2001年1月5日 優先權日2001年1月5日
發明者閭國年, 朱燦生, 袁惠仁, 葉春, 吳平生 申請人:南京師范大學, 朱燦生, 袁惠仁, 吳平生