專利名稱：基于雙級單邊帶調制產生光纖載太赫茲信號的系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于光纖通信和無線通信融合技術領域，具體涉及一種副載波復用方式 產生太赫茲波的技術、雙級單邊帶調制技術以及太赫茲信號的傳輸和接收組成的ToF通 信系統。
背景技術：
隨著人們對高速率通信網絡傳輸帶寬的需求日益增加，通信系統向更高頻段延 伸的要求目益迫切。目前寬帶無線通信的個域網標準已經規定了 60GHz頻段，頻段進一 步提高就進入了太赫茲波段(THz波頻率在0.1 lOTHz范圍)。因此，研究太赫茲波通 信可以拓展下一代寬帶無線移動通信的頻譜，對于搶占頻譜、有效利用資源將具有非常 大的戰略意義[1]。太赫茲波通信具有帶寬寬，定向性好，天線小，安全性好等特點[4]， 但是太赫茲波通信面臨的最嚴重問題是該頻段在大氣傳輸中衰減嚴重，因此研究光纖載 太赫茲通信技術具有非常重要的實用意義。 ToF技術是把太赫茲信號作為中頻調制到光波上然后在光纖中進行長距離傳輸， ToF技術具有高頻率、高可靠性、超高帶寬、低損耗和抗干擾能力強等優點[4]。雖然ToF 技術備受矚目，但在傳輸高頻信號時會面臨光纖信道色度色散問題，不僅會產生頻率衰 落效應，而且會造成信息碼元的時延啁啾，嚴重影響信號傳輸質量。其中，衰落效應導 致傳輸的信號產生余弦波動式衰落，這意味著在某些衰落節點信號會消失，造成誤碼率 增高，從而直接降低通信性能。據報道，有一些方案能克服色散衰落效應，例如添加 色散補償光纖、利用啁啾布拉格光柵、多節DBR半導體激光器和等幅外差后均衡發處理 信號等，但這些方法并沒有從根本上解決色散衰落效應帶來的影響。 基于以上的一些事實，本發明首次提出了雙級單邊帶(DSSB)方案組成的ToF系 統。該系統能夠有效抵抗0.1THz信號傳輸的色散致頻率衰落影響，具有良好色散容忍 度。由于采用DSSB調制，光電檢測后的電信號頻譜窄，因此可以有效利用帶寬資源， 并可以降低THz頻段帶通濾波器要求，有利于光纖載太赫茲系統的實用化。
發明內容
本發明的目的在于提供一種能夠抵抗頻率衰落影響，具有良好色散容忍度的ToF 通信系統。 本發明提出的ToF通信系統，由載波抑制調制方式產生的兩條邊帶，經濾波器 分別濾出，其中的一條邊帶作為載波以單邊帶調制方式調制數據后，與另一條邊帶拍頻 產生載有信息的太赫茲波，經光纖傳輸至天線發射。該系統的核心是在ToF通信系統中 信息數據的調制部分，選擇載波抑制雙邊帶中的一個邊帶進行一級單邊帶數據調制，在 數據調制過程中再次采用基帶單邊帶調制技術，由此產生雙級級聯單邊帶調制。
本發明提出的ToF通信系統由三部分組成(見圖1)， A為光抑制載波雙邊帶信號 產生部分、B為雙級單邊帶調制部分、C為太赫茲信號傳輸發射部分。A部分主要是采用載波抑制和光的副載波復用技術產生倍頻信號。B部分是本發明的核心部分，選擇載波抑制雙邊帶中的一個邊帶進行一級單邊帶數據調制，在數據調制過程中再次采用基帶單邊帶調制技術，由此產生雙級級聯單邊帶調制；第二級單邊帶調制技術，是基于信號的希爾伯特變換有限沖擊響應數字濾波器，利用一個雙臂的馬赫哲德調制器級聯一個相位調制器產生單邊帶信號。信號與信號的希爾伯特變換分別驅動雙臂馬赫哲德調制器和相位調制器。C部分是拍頻后的太赫茲波經標準單模光纖傳輸至天線發射為無線信號。各部分具體結構如下 光抑制載波雙邊帶信號產生部分，由N個DFB激光器組成的N個光源，第一波分復用器、第一雙臂平衡馬赫哲德調制器組成，其中，由N個DFB激光器組成的N個光源發出中心頻率為&，均勻相隔為fh的N路光，經第一波分復用器合成一路后，通過第一雙臂平衡馬赫哲德調制器，在同一信號源發出的反相信號作為交流驅動，交流幅度值Vm和雙臂DC3ais，均取VJ2的情況下生成N路合成載波抑制雙邊帶調制信號，Vn為反向信號幅值。由載波抑制雙邊帶調制方式的特性可知，該調制信號的主要能量集中在第一邊帶上，此處信號的第一邊帶共有2N個，頻率分別為f;士fg+(n-i;)fh，其中6為第1個光源的中心頻率，n為光源排號，1《n《N， fg為調制信號帶寬，fh為光源中心頻率間隔；
雙級單邊帶調制部分，由第一解波分復器、希爾伯特變換器、第二雙臂平衡馬赫哲德調制器、相位調制器、下邊帶傳輸鏈路、第二波分復用器組成，其中，先由第一解波分復用器以中心頻率分別為f;士fg+(n-i;)fh，濾出上一部分產生的2N個第一邊帶，分別記為上邊帶fN1和下邊帶fN2 ;下邊帶fN2直接進入下邊帶光纖傳輸鏈路傳輸；上邊帶fN1則進入第二雙臂平衡馬赫哲德調制器，進行單邊帶調制；對于上邊帶&，下邊帶&2被抑制掉，僅在Q進行調制，此處為第一級單邊帶調制。第二級單邊帶調制是由第二雙臂平衡馬赫哲德調制器與相位調制器級聯組成，基帶信號與其經希爾伯特變換器后的信號分別驅動第二雙臂馬赫哲德調制器和相位調制器；最后再由第二波分復用器將經過單邊帶調制的上邊帶和下邊帶拍頻產生太赫茲波，進入下一部分； 太赫茲波的傳輸與接收部分，由單模光纖、摻餌光纖放大器、衰減器、光纖探測器、帶通濾波器、第二解波分復用器、第一天線、第二天線、信號源、解調器、低通濾波器和誤碼儀組成，帶有信息的太赫茲信號進入該部分，經由標準單模光纖C-1，摻餌光纖放大器C-2，衰減器C-3，光電探測器C-4轉化為電信號，再經以100GHz為中心頻率，10GHz帶寬的四階貝塞爾帶通濾波器C-5濾波，然后由第二解波分復用器C-6分開各路信號，由第一天線C-7和第二天線C-8發射接收，對接收到的低通信號采用截至頻率5GHz的四階貝塞爾低通濾波器C-11以濾掉高頻噪聲，誤碼儀C-12直接測出誤碼率。信號源C-9和解調器C-10是用于解調信號。 本發明所采用的基于雙級單邊帶調制產生光纖載太赫茲信號的系統能夠有效的抵抗色散造成的頻率衰落影響，其具體有如下的優勢 1.本發明采用載波抑制和光的副載波復用技術產生太赫茲波， 一方面提高了副載波的能量，有效利用資源；另一方面，避免使用高頻信號發生器，節約成本。
2.本發明所提出的雙級單邊帶調制技術，能夠有效的抵抗高頻傳輸中色散造成的頻率衰落影響，提高系統的色散容忍度，相對于傳統的色散補償方式(添加色散補償光纖、利用啁啾布拉格光柵、多節DBR半導體激光器和等幅外差后均衡發處理信號等)，該技術是從根本上解決色散衰落效應帶來的影響。 3.本發明所提出的雙級單邊帶調制技術，光電檢測后的電信號頻譜窄，因此可 以有效利用帶寬資源，并可以降低THz頻段帶通濾波器要求。 4.本發明的第二級單邊帶調制，其信號產生簡單，不需要額外的濾波器抑制邊 帶，而一般的濾波法產生單邊帶需要非常精確的濾波器同時還會使傳輸功率減半。
本發明所提出的基于雙級單邊帶調制產生光纖載太赫茲信號的系統，成本低、 器件可獲得，系統搭建后傳輸性能良好，有利于光纖載太赫茲系統的實用化。
圖1為本發明系統結構圖示。
圖2為本發明實施方案系統結構圖示。
圖3為雙邊帶調制系統結構圖示。
圖4光抑制載波雙邊帶信號產生原理圖。
圖5SSB調制信號產生原理圖。 圖6(a)SSB信號光譜圖，(b)SSB信號電譜圖(c)DSB信號光譜圖，(d)DSB信號電譜圖。 圖7SSB和DSB調制信號經過10km單模光纖傳輸后的功率衰落特性(a)非ToF 系統中，(b)ToF系統中。 圖8DSB調制5Gb/s信號傳輸40-100km后的BER曲線族和眼圖，(a)back to back, (b)傳輸40km， (c)傳輸80km， (d)傳輸100km。 圖9DSSB5Gb/s信號傳輸40-100km后的BER曲線族和眼圖，(a)back to back， (b)傳輸40km， (c)傳輸80km， (d)傳輸100km。 圖中標號A-l分布反饋激光器，A-2第一波分復用器，A-3第一雙臂平衡馬赫 哲德調制器，B-l第一解波分復用器，B-2希爾伯特變換器，B-3第二雙臂平衡馬赫哲德 調制器，B-4相位調制器，B-5下邊帶傳輸鏈路，B-6第二波分復用器，C-l標準單模光 纖，C-2摻餌光纖放大器，C-3衰減器，C-4光電探測器，C-5帶通濾波器，C-6第二解 波分復用器，C-7第一天線，C-8第二天線，C-9信號源，C-10解調器，C-ll低通濾波 器，C-12誤碼儀。
具體實施例方式
下面將根據本發明提出的基于雙級單邊帶調制產生的光纖載太赫茲信號的系 統，提供一種具體的實施方式。同時為了體現本方案抵抗色散衰落的效果，與同樣傳輸 條件的雙邊帶傳輸系統進行對比。 圖2為本發明的具體實施方式
的系統結構圖，圖3為雙邊帶傳輸系統結構圖。
A光抑制載波雙邊帶信號產生，原理圖如圖4所示。激光光源為DFB激光器 產生的連續光源，中心頻率為193.1*1012Hz，即波長為1553.6nm。為雙臂平衡馬赫哲德 調制器(MZM)，上下臂的交流驅動為同一信號源發出的50Gb/s的反相信號，即相位相差 Ji ;且交流驅動幅度值Vm和雙臂DC3ais，均取VJ2，故輸出信號
￡OCSM,(l)=￡ecos《7r
I7 F.,
F …… F3 用貝塞爾函數表示
灼4 從上式可清楚看到，該部分輸出信號只有奇次邊帶，沒有偶次邊帶，基帶信號 被抑制，兩個第一邊帶相差100GHz。 信號從A部分輸出后，進入B雙級單邊帶調制部分。由計算可知，A部分的輸 出信號能量主要集中在兩個一階邊帶上，進入B部分后，首先由解波分復用器B-1(光濾 波器)，濾出這兩個邊帶。該濾波器選用中心頻率分別為193.15xl(^Hz和193.05xl012Hz 為中心頻率，帶寬為10GHz的3階高斯帶通濾波器。下邊帶進入光纖鏈路B-5傳輸；上 邊帶則要進行單邊帶調制。基帶碼元為PRBS的NRZ碼信，同時觀察區間取為29個碼 元，碼元速率為5Gb/s。所使用的光纖為標準單模光纖，其中色散系數為D = 16ps/nm/ km。調制后的上邊帶與下邊帶共同進入波分復用器B-6，拍頻產生0.1Thz波，進入下一 部分。 第二級單邊帶調制原理如圖4所示。此處是由雙臂平衡邁爾增德調制器B-3與 相位調制器B-4級聯組成，基帶信號與其經希爾伯特變換器B-2后的信號分別驅動雙臂馬 赫哲德調制器和相位調制器。經雙臂平衡邁爾增德調制器B-3后的交流驅動信號為反向 關系，直流驅動為0v。此處的輸出信號為
(o二
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其中，『腦B-Mav— W =:『,辦0 — f ，『oss關脅/》雷W = —w的+ f a相位調制
器B-4，其器件本質仍然是雙臂平衡馬赫哲德調制器，交流驅動的下臂為零，上臂為 經過希爾伯特變換器B-2的data信號，直流驅動為0v。該部分輸出信號則表示為
7
，其中,= 用泰勒級數表示為￡0SSto, rap(j'fi%0
取一階泰勒級數，則有
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，此時取
圖6所示為雙級單邊帶和雙邊帶調制信號的光譜圖以及ToF系統拍頻后的電譜圖。其中(a)和(b)是單邊帶信號的光譜圖和電譜圖，(c)和(d)則是雙邊帶信號的。圖 中清晰可示本發明提出的方案所產生的雙級單邊帶信號。 圖7所示單邊帶和雙邊帶調制信號經過10km單模光纖傳輸后的功率衰落特性。 其中圖(a)是非ToF系統的兩種信號的功率衰減特性對比曲線圖，圖中清晰可見文獻中 提到的DSB調制信號色散衰落節點信號消失的現象。DSB調制信號衰落點的衰落比達 到-25dB，而且衰落次數也較多；而SSB調制信號曲線相對平滑，抖動在5dB范圍內，幾 乎沒有出現信號消失的現象。圖(b)是ToF系統中兩種信號功率衰減性對比曲線圖，從圖 中可以發現，ToF系統中DSB調制信號穩定性更差，最大衰落比達到-40dB，而SSB的 調制信號曲線卻仍然保持平滑。兩幅圖清晰的對比出，DSB調制方式所無法回避的色散 衰落現象和SSB調制方式對抗衰落現象的能力。 C太赫茲信號傳輸和發射部分，帶有信息的太赫茲信號進入該部分，經由標準 單模光纖C-1，摻餌光纖放大器C-2，衰減器C-3，光電探測器C-4轉化為電信號，再經以 100GHz為中心頻率，10GHz帶寬的四階貝塞爾帶通濾波器C-5濾波，然后由第二解波分 復用器C-6分開各路信號，由第一天線C-7和第一天線C-8發射接收，對接收到的低通信 號采用截至頻率5GHz的四階貝塞爾低通濾波器C-11以濾掉高頻噪聲，誤碼儀C-12直接 測出誤碼率，信號源C-9和解調器C-10是用于解調信號。 圖8、圖9分別是DSB和DSSB調制系統傳輸特性曲線圖和眼圖。從圖7、圖 8中嵌入的眼圖可以發現，對于每種調制方式，隨著傳輸距離的延長，接收到的信號均 存在時間和幅度上的抖動，但是DSB信號的時間抖動現象更為明顯，這主要是因為前面 提到的光纖信道色散引起的；相比較，DSSB解調信號的抖動便平緩很多，即便是傳輸 100km后，也有很好的穩定性。對比兩幅圖中的(e)圖，同樣可以發現，傳輸距離達到 100km時，信號解調后的BER值，在圖8(e)中的DSB調制方式中僅能達到10-9數量級， 而圖9(e)中的DSSB調制方案中卻可達到10-11數量級。這說明DSSB調制信號在長距離 傳輸中的優勢，再次驗證了在DSB調制方式中，光纖色散引起的衰落效應對傳輸距離的 限制。從圖中可以看到，光纖長度為100km時，DSSB調制接收機靈敏度為-26.6dBm。
研究表明，基于雙級單邊帶調制產生光載太赫茲信號系統能有效的降低傳輸信 號的色散衰落影響。隨著傳輸距離的增加，這種改善效果更加顯著，適合長距離傳輸。
權利要求
一種基于雙級單邊帶調制產生光纖載太赫茲信號的系統，其特征在于該系統包括光抑制載波雙邊帶信號產生部分、雙級單邊帶調制部分和太赫茲波的傳輸與接收部分；其中光抑制載波雙邊帶信號產生部分，由N個DFB激光器組成的N個光源，第一波分復用器、第一雙臂平衡馬赫哲德調制器組成，其中，由N個DFB激光器組成的N個光源發出中心頻率為fN，均勻相隔為fh的N路光，經第一波分復用器合成一路后，通過第一雙臂平衡馬赫哲德調制器，在同一信號源發出的反相信號作為交流驅動，交流幅度值Vm和雙臂DC_bais，均取Vπ/2的情況下生成N路合成載波抑制雙邊帶調制信號，Vπ為反向信號幅值；該調制信號的主要能量集中在第一邊帶上，此處信號的第一邊帶共有2N個，頻率分別為f1±fg+(n-1)fh，其中f1為第1個光源的中心頻率，n為光源排號，1≤n≤N，fg為調制信號帶寬，fh為光源中心頻率間隔；雙級單邊帶調制部分，由第一解波分復器、希爾伯特變換器、第二雙臂平衡馬赫哲德調制器、相位調制器、下邊帶傳輸鏈路、第二波分復用器組成，其中，先由第一解波分復用器以中心頻率分別為f1±fg+(n-1)fh，濾出上一部分產生的2N個第一邊帶，分別記為上邊帶fN1和下邊帶fN2；下邊帶fN2直接進入下邊帶光纖傳輸鏈路傳輸；上邊帶fN1則進入第二雙臂平衡馬赫哲德調制器，進行單邊帶調制；對于上邊帶fN1，下邊帶fN2被抑制掉，僅在fN1進行調制，此處為第一級單邊帶調制；第二級單邊帶調制是由第二雙臂平衡馬赫哲德調制器與相位調制器級聯組成，基帶信號與其經希爾伯特變換器后的信號分別驅動第二雙臂馬赫哲德調制器和相位調制器；最后再由第二波分復用器將經過單邊帶調制的上邊帶和下邊帶拍頻產生太赫茲波，進入下一部分；太赫茲波的傳輸與接收部分，由單模光纖、摻餌光纖放大器、衰減器、光纖探測器、帶通濾波器、第二解波分復用器、第一天線、第二天線、信號源、解調器、低通濾波器和誤碼儀組成，帶有信息的太赫茲信號進入該部分，經由標準單模光纖，摻餌光纖放大器，衰減器，光電探測器轉化為電信號，再經帶通濾波器濾波，然后由第二解波分復用器分開各路信號，由第一天線和第二天線發射接收，對接收到的低通信號采用低通濾波器以濾掉高頻噪聲，誤碼儀直接測出誤碼率；信號源和解調器用于解調信號。
全文摘要
本發明屬于光纖通信和無線通信融合技術領域，具體為一種基于雙級單邊帶調制產生光纖載太赫茲信號的系統。該系統由三部分組成光抑制載波雙邊帶信號產生部分、雙級單邊帶調制部分以及太赫茲波的傳輸與接收部分。其中雙級單邊帶調制部分是本發明系統的核心，它是選擇載波抑制雙邊帶中的一個邊帶進行一級單邊帶數據調制，在數據調制過程中再次采用基帶單邊帶調制技術，由此產生雙級級聯單邊帶調制。本發明具有結構簡單、成本低、器件要求低且與現有核心網系統兼容等優點。
文檔編號H04J14/02GK101692627SQ200910197209
公開日2010年4月7日 申請日期2009年10月15日 優先權日2009年10月15日
發明者侯春寧, 遲楠, 邵宇豐 申請人:復旦大學