用于產生中頻信號的具有鑒頻器和波分多路復用的通信裝置和相關方法
【專利摘要】一種通信裝置包含發射器裝置，所述發射器裝置包含：第一光源和第二光源；第一光學耦合器，其耦合到所述第一光源和所述第二光源；和第一調制器，其耦合到所述第一光學耦合器且用以使用RF輸入信號調制包含第一光學載波信號和第二光學載波信號的組合載波信號。所述通信裝置包含接收器裝置，所述接收器裝置具有：第二調制器，其用以使用LO信號進一步調制所述經調制的組合載波信號；FM-PM鑒頻器，其耦合到所述第二調制器且用以基于所述LO信號將所述經調制的組合載波信號轉換到強度調制組合載波信號；第二光學耦合器，其耦合到所述FM-PM鑒頻器且用以產生第一強度調制載波信號和第二強度調制載波信號；和光學到電氣轉換器，其耦合到所述第二光學耦合器且用以產生IF信號。
【專利說明】用于產生中頻信號的具有鑒頻器和波分多路復用的通信裝 置和相關方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及通信領域，且更特定來說涉及光學頻率轉換和相關方法。
【背景技術】
[0002] 典型無線通信系統包括彼此交換數據的多個無線通信裝置。在一些無線通信系統 中（舉例來說，基礎架構網絡），系統可進一步包括用于管理無線通信裝置之間的通信的無 線基站。換句話說，各系統內通信將通過無線基站進行交換。在其它無線通信系統（舉例 來說，網狀網絡（mesh network)和特用（ad hoc)無線網絡）中，可省略無線基站，即，無線 通信裝置可彼此直接通信。
[0003] 在特定高頻率（例如極高頻率（EHF)頻帶，S卩，30GHz到300GHz)中，在此頻帶下操 作的通信系統可具有一些缺點。舉例來說，通過同軸電纜發射信號可招致大的衰減效應。在 這些應用中，可需要線內（inline)放大器以補償此衰減。此外，在使用RF裝置的應用中， 組件的大小、重量和功率（SWaP)可增加到非所要水平。此外，下游接收器處理（例如下變 頻轉換和信號尋址）可為困難的。特定來說，下游處理的線性可變差。
[0004] 解決EHF通信系統中的這些缺點的一個方法可包括使用光學組件來用于處理組 件。這些系統的優點可包括在無 RF應用中的信號降級的情況下從遠程位置發射高頻率信 號的能力。
[0005] 舉例來說，如在小羅根（Logan，Jr.)的美國專利第5, 710, 651號中所揭示，EHF 通信系統包括遠程天線站、發射器/接收器站和將所述站耦合在一起的光纖。這些站包括 用于將所發射的光學信號轉換到電信號的光二極管和與光學調制器成對以將所接收的EHF 信號轉換到光學信號的激光器。
[0006] 然而，例如此的光學應用可具有特定缺點。舉例來說，系統可遭受色散引發的信號 衰落。特定來說，光學外差方法可受限于激光源的相位噪聲。
【發明內容】
[0007] 鑒于前述背景，因此本發明的目的是提供一種提供穩健頻率轉換的通信裝置。
[0008] 根據本發明的此目的和其它目的、特征和優點通過包括發射器裝置的通信裝置提 供，所述發射器裝置包括：第一光源和第二光源，其經配置以產生在相應不同第一光學波長 和第二光學波長的第一光學載波信號和第二光學載波信號；第一光學耦合器（例如，波分 多路復用器），其耦合到所述第一光源和所述第二光源；和第一調制器，其耦合到所述第一 光學耦合器且經配置以使用射頻（RF)輸入信號調制包括所述第一光學載波信號和所述第 二光學載波信號的組合載波信號。通信裝置也包含耦合到發射器裝置的光學波導和耦合到 所述光學波導的接收器裝置。接收器裝置包含：第二調制器，其經配置以使用本機振蕩器 (L0)信號進一步調制經調制的組合載波信號；和調頻調相（FM-PM)鑒頻器，其耦合到第二 調制器且經配置以基于L0信號將經調制的組合載波信號轉換到強度調制組合載波信號。 接收器裝置包含：第二光學耦合器（例如，波分多路復用器），其耦合到所述FM-PM鑒頻器 且經配置以產生第一強度調制載波信號和第二強度調制載波信號；和光學到電氣轉換器， 其耦合到第二光學耦合器且經配置以基于第一強度調制載波信號和第二強度調制載波信 號而產生中頻（IF)信號。有利地，RF輸入信號可以大于典型裝置中的線性度進行轉換。
[0009] 另一方面涉及一種對RF輸入信號進行頻率轉換的方法。所述方法包含：產生在相 應不同第一光學波長和第二光學波長的第一光學載波信號和第二光學載波信號；使用第一 光學耦合器多路復用所述第一光學載波信號和所述第二光學載波信號；和使用RF輸入信 號調制包括所述第一光學載波信號和所述第二光學載波信號的組合載波信號。所述方法包 含：使用L0信號進一步調制經調制的組合載波信號；基于L0信號且使用FM-PM鑒頻器將經 調制的組合載波信號轉換到強度調制組合載波信號；使用耦合到FM-PM鑒頻器的第二光學 耦合器產生第一強度調制載波信號和第二強度調制載波信號；和將所述第一強度調制載波 信號和所述第二強度調制載波信號轉換為IF電信號。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010] 圖1是根據本發明的通信裝置的示意圖。
[0011] 圖2是圖1的通信裝置的更詳細示意圖。
[0012] 圖3是根據本發明的通信裝置的另一實施例的示意圖。
[0013] 圖4是根據本發明的通信裝置的示意圖。
[0014] 圖5是圖4的通信裝置的更詳細示意圖。
【具體實施方式】
[0015] 現將參考附圖（其中展示本發明的優選實施例）在下文中更全面地描述本發明。 然而，本發明可以許多不同形式體現且不應理解為限制于本文闡述的實施例。更確切的說， 提供這些實施例使得本發明將是透徹且完整的，且將本發明的范圍完整地傳達給熟習此項 技術者。貫穿全文，相同數字指代相同元件，且使用單引號和雙引號來指示替代實施例中的 相似元件。
[0016] 最初參考圖1到2,現描述根據本發明的通信裝置10。通信裝置10包含發射器裝 置11、接收器裝置12和將所述兩個裝置耦合在一起的光學波導15。舉例來說，光學波導15 可包括光纖（單模），且應在很大程度上為頻率獨立的。在特定實施例中，由于光學波導15 的有利低損耗，光學波導長度可為幾英里長，借此使得通信裝置10可適用于遠程應用中。
[0017] 發射器裝置11包含經配置以產生光學載波信號的光源13。舉例來說，光源13可 包括CW激光。發射器裝置11包含第一調制器14,所述第一調制器14耦合到光源13且經 配置以使用RF輸入信號調制光學載波信號。舉例來說，取決于應用，RF輸入信號可通過RF 天線在發射器裝置11處本地產生，且可包括多種較高頻率信號，例如μ m波信號、_波信 號等等。
[0018] 接收器裝置12包含第二調制器16,所述第二調制器16經配置以使用L0信號進 一步調制經調制的光學載波信號。舉例來說，第一調制器14和第二調制器16可各包括E0 相位調制器。接收器裝置12包含FM-PM鑒頻器17,所述FM-PM鑒頻器17耦合到第二調制 器16且經配置以基于L0信號（特定來說，L0信號的旁頻帶）將經調制的光學載波信號轉 換到強度調制光學載波信號。舉例來說，FM-PM鑒頻器17可具有包括IIR濾波器的轉移函 數。
[0019] FM-PM鑒頻器17是基于IIR濾波器加以線性化且經配置以使用L0旁頻帶作為光 學載波以將相位調制光學信號轉換到線性化強度調制光學信號。在一些實施例中，FM-PM 鑒頻器17可經熱補償，如2010年《光學快訊（Optics Express)》第18卷，第26期，馬爾邦 (Marpaung)等人的"用于高性能微波光子鏈路的基于光子芯片的鑒頻器（A photonic chip based frequency discriminator for a high performance microwave photonic link)，'中所 描述，其全文以引用的方式并入本文中。
[0020] 接收器裝置12包含光學到電氣轉換器18,所述光學到電氣轉換器18耦合到 FM-PM鑒頻器17且經配置以基于強度調制光學載波信號產生IF信號。舉例來說，所述光學 到電氣轉換器18可包括光二極管裝置。
[0021] 接收器裝置12闡釋性地包含耦合于光學波導15與第二調制器16之間的偏光穩 定化模塊20。在替代例中，光學波導15可包括偏光維持光纖。偏光穩定化模塊20經配置 以對準經調制光學載波信號的偏光狀態。另外，接收器裝置12闡釋性地包含耦合于第二調 制器16與FM-PM鑒頻器17之間的光學帶通濾波器21。舉例來說，光學帶通濾波器21和 FM-PM鑒頻器17可包括塊狀光學組件或平面光波電路（PLC)。
[0022] 另一方面涉及一種對無線電RF輸入信號進行頻率轉換的方法。所述方法包括：使 用第一調制器14運用RF輸入信號調制光學載波信號；使用第二調制器16運用L0信號進 一步調制經調制的光學載波信號；基于所述L0信號且使用耦合到第二調制器的FM-PM鑒頻 器17將經調制的光學載波信號轉換為強度調制光學載波信號；和將強度調制光學載波信 號光學到電氣轉換為IF信號。
[0023] 現參考圖3,現描述通信裝置10'的另一實施例。在通信裝置10'的此實施例中， 對在上文關于圖1到2論述的所述元件賦予單引號且在本文無需進一步論述所述元件的大 部分。此實施例與先前實施例的不同之處在于接收裝置12'進一步包含耦合在偏光穩定 器模塊20'上游的抗混疊濾波器22'，所述抗混疊濾波器22'經配置以避免L0輸入與RF 輸入之間的混合積。在此實施例中，FM-PM鑒頻器闡釋性地包含并聯耦合的一對FM-PM鑒 頻器17a'到17b' "FM-PM鑒頻器17a'到17b'各包含相反符號的斜率。此外，光學到電 氣轉換器18'闡釋性地包含：第一波導路徑和第二波導路徑，其分別耦合到所述對FM-PM 鑒頻器17a'到17b';第一光學檢測器23a'和第二光學檢測器23b'，其耦合到第一波導 路徑和第二波導路徑；和組合器24'，其耦合到所述第一光學檢測器和所述第二光學檢測 器，即，此實施例包含平衡光學檢測而非單端檢測（圖1到2)。
[0024] 有利地，通信裝置10可同時實現高頻率信號（例如EHF/VHF信號）的線性化和下 變頻轉換。通信裝置10可提供解決典型外差裝置中所經歷的相位噪聲的問題的方法。再 者，可更容易地實現接收器裝置12的芯片級整合。通信裝置10也可在第一調制器14和第 二調制器16處以低光學功率提供高鏈路性能，借此減小遠程應用的功率消耗且提供對更 廣范圍的調制器材料系統的存取。當然，由于基于IIR濾波器濾波器的FM-PM鑒頻器17， 通信裝置10可提供優于典型裝置的改善線性。由于第一相位調制器14和第二相位調制器 16無需主動電源，故可實現又進一步功率減小。
[0025] 現參考圖4到5,現描述通信裝置10"的另一實施例。在通信裝置10"的此實施 例中，賦予在上文關于圖1到3論述的那些元件雙引號且在本文無需進一步論述那些元件 的大部分。此實施例與先前實施例的不同之處在于發射器裝置11"闡釋性地包含：第一光 源13a 〃和第二光源13b〃，其經配置以產生在相應不同第一光學波長和第二光學波長下的 第一光學載波信號和第二光學載波信號；第一波分多路復用器（WDM) 30"，其耦合到第一 光源和第二光源；和第一調制器14 "，其耦合到第一 WDM且經配置以使用RF輸入信號調制 包括第一光學載波信號和第二光學載波信號的組合載波信號。簡而言之，第一 WDM30"將第 一光學載波信號和第二光學載波信號多路復用成組合光學載波信號。或者，為了組合兩個 光學載波信號的目的，可使用光學耦合器代替WDM組合裝置。
[0026] 接收器裝置12"闡釋性地包含：第二調制器16"，其經配置以使用L0信號進一 步調制經調制的組合載波信號；和FM-PM鑒頻器17"，其耦合到第二調制器且經配置以基 于L0信號將經調制的組合載波信號轉換到強度調制組合載波信號。接收器裝置12"闡釋 性地包含：第二WDM31"，其耦合到FM-PM鑒頻器17"且經配置以產生第一強度調制載波信 號和第二強度調制載波信號；和光學到電氣轉換器18 "，其耦合到第二WDM且經配置以基 于第一強度調制載波信號和第二強度調制載波信號而產生IF信號。在其它實施例中，第二 WDM31"也可替代性地包括另一光學耦合器類型，例如光纖布拉格光柵（FBG)。
[0027] FM-PM鑒頻器17"可具有轉移函數，再次定義IIR濾波器。第一光源13a"和第二 光源13b"經配置以將第一光學載波信號和第二光學載波信號的第一載波頻率和第二載波 頻率定位在FM-PM鑒頻器17"的轉移函數的第一部分和第二部分（即，轉移函數的具有相 反斜率的部分）上，借此模擬兩個FM-PM鑒頻器（圖3)的效果。在此實施例中，由于第二 WDM31"分離不同波長的調制信號，因此再次應用平衡光檢測。
[0028] 另一方面涉及一種對RF輸入信號進行頻率轉換的方法。所述方法包含：產生在相 應不同第一光學波長和第二光學波長的第一光學載波信號和第二光學載波信號；使用第一 WDM30"多路復用第一光學載波信號和第二光學載波信號；和使用RF輸入信號調制包括第 一光學載波信號和第二光學載波信號的組合載波信號。所述方法進一步包含：使用L0信號 進一步調制經調制的組合載波信號；基于L0信號且使用FM-PM鑒頻器17"將經調制的組 合載波信號轉換到強度調制組合載波信號；使用耦合到FM-PM鑒頻器的第二WDM31"產生 第一強度調制載波信號和第二強度調制載波信號；和將第一強度調制載波信號和第二強度 調制載波信號光學到電氣轉換為IF信號。
[0029] 有利地，圖4到5的實施例可使功率消耗減小大約45%。再者，通過利用第一光源 13a"和第二光源13b〃的控制（與鑒頻器相比，光源的控制是更成熟、廉價和容易配置的技 術）可減小FM-PM鑒頻器17"的復雜性和控制。
【權利要求】
1. 一種通信裝置，其包括： 發射器裝置，其包括：第一光源和第二光源，其經配置以產生在相應不同第一光學波長 和第二光學波長的第一光學載波信號和第二光學載波信號；第一光學耦合器，其耦合到所 述第一光源和所述第二光源；和第一調制器，其耦合到所述第一光學耦合器且經配置以使 用射頻RF輸入信號調制包括所述第一光學載波信號和所述第二光學載波信號的組合載波 信號； 光學波導，其耦合到所述發射器裝置；以及 接收器裝置，其耦合到所述光學波導且包括： 第二調制器，其經配置以使用本機振蕩器L0信號進一步調制所述經調制的組合載波 信號， 調頻調相FM-PM鑒頻器，其耦合到所述第二調制器且經配置以基于所述L0信號將所述 經調制的組合載波信號轉換到強度調制組合載波信號， 第二光學耦合器，其耦合到所述FM-PM鑒頻器且經配置以產生第一強度調制載波信號 和第二強度調制載波信號，以及 光學到電氣轉換器，其耦合到所述第二光學耦合器且經配置以基于所述第一強度調制 載波信號和所述第二強度調制載波信號而產生中頻IF信號。
2. 根據權利要求1所述的通信裝置，其中所述FM-PM鑒頻器包括熱補償FM-PM鑒頻器。
3. 根據權利要求1所述的通信裝置，其中所述FM-PM鑒頻器具有轉移函數；且其中所 述第一光源和所述第二光源經配置以分別定義待定位于所述轉移函數的第一部分和第二 部分上的所述第一光學載波信號和所述第二光學載波信號的第一載波頻率和第二載波頻 率。
4. 根據權利要求3所述的通信裝置，其中所述轉移函數包括無限脈沖響應IIR濾波器。
5. 根據權利要求1所述的通信裝置，其中所述光學波導包括偏光維持光學波導。
6. 根據權利要求1所述的通信裝置，其中所述接收器裝置包括耦合于所述光學波導與 所述第二調制器之間的偏光穩定化模塊。
7. 根據權利要求1所述的通信裝置，其中所述光學到電氣轉換器包括： 第一波導路徑和第二波導路徑，其分別耦合到所述第二光學耦合器； 第一光學檢測器和第二光學檢測器，其耦合到所述第一波導路徑和所述第二波導路 徑；以及 組合器，其耦合到所述第一光學檢測器和所述第二光學檢測器。
8. -種對射頻RF輸入信號進行頻率轉換的方法，所述方法包括： 產生在相應不同第一光學波長和第二光學波長的第一光學載波信號和第二光學載波 信號； 使用第一光學耦合器多路復用所述第一光學載波信號和所述第二光學載波信號； 使用所述RF輸入信號調制包括所述第一光學載波信號和所述第二光學載波信號的組 合載波信號； 使用本機振蕩器L0信號進一步調制所述經調制的組合載波信號； 基于所述L0信號且使用調頻調相FM-PM鑒頻器將所述經調制的組合載波信號轉換到 強度調制組合載波信號； 使用耦合到所述FM-PM鑒頻器的第二光學耦合器產生第一強度調制載波信號和第二 強度調制載波信號；和 將所述第一強度調制載波信號和所述第二強度調制載波信號轉換為中頻IF電信號。
9. 根據權利要求8所述的方法，其中使用所述FM-PM鑒頻器包括使用熱補償FM-PM鑒 頻器。
10. 根據權利要求8所述的方法，其進一步包括： 操作所述FM-PM鑒頻器以具有轉移函數；以及 將所述第一光學載波信號和所述第二光學載波信號的第一載波頻率和第二載波頻率 定位于所述轉移函數的第一部分和第二部分上。
【文檔編號】H04B10/2575GK104067540SQ201380006236
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2013年1月23日 優先權日:2012年1月24日
【發明者】羅伯特·C·皮奇, 查爾斯·米德爾頓, 理查德·德薩爾沃, 斯科特·L·梅雷迪斯 申請人:賀利實公司