專利名稱：基于雙級單邊帶調(diào)制產(chǎn)生光纖載太赫茲信號的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖通信和無線通信融合技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種副載波復(fù)用方式 產(chǎn)生太赫茲波的技術(shù)、雙級單邊帶調(diào)制技術(shù)以及太赫茲信號的傳輸和接收組成的ToF通 信系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著人們對高速率通信網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬的需求日益增加，通信系統(tǒng)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(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)規(guī)定了 60GHz頻段，頻段進(jìn)一 步提高就進(jìn)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(zhàn)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(diǎn)[4]， 但是太赫茲波通信面臨的最嚴(yán)重問題是該頻段在大氣傳輸中衰減嚴(yán)重，因此研究光纖載 太赫茲通信技術(shù)具有非常重要的實(shí)用意義。 ToF技術(shù)是把太赫茲信號作為中頻調(diào)制到光波上然后在光纖中進(jìn)行長距離傳輸， ToF技術(shù)具有高頻率、高可靠性、超高帶寬、低損耗和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[4]。雖然ToF 技術(shù)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(chǎn)生頻率衰 落效應(yīng)，而且會造成信息碼元的時延啁啾，嚴(yán)重影響信號傳輸質(zhì)量。其中，衰落效應(yīng)導(dǎo) 致傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生余弦波動式衰落，這意味著在某些衰落節(jié)點(diǎn)信號會消失，造成誤碼率 增高，從而直接降低通信性能。據(jù)報道，有一些方案能克服色散衰落效應(yīng)，例如添加 色散補(bǔ)償光纖、利用啁啾布拉格光柵、多節(jié)DBR半導(dǎo)體激光器和等幅外差后均衡發(fā)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(yīng)帶來的影響。 基于以上的一些事實(shí)，本發(fā)明首次提出了雙級單邊帶(DSSB)方案組成的ToF系 統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠有效抵抗0.1THz信號傳輸?shù)纳⒅骂l率衰落影響，具有良好色散容忍 度。由于采用DSSB調(diào)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(tǒng)的實(shí)用化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)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(tǒng)。 本發(fā)明提出的ToF通信系統(tǒng)，由載波抑制調(diào)制方式產(chǎn)生的兩條邊帶，經(jīng)濾波器 分別濾出，其中的一條邊帶作為載波以單邊帶調(diào)制方式調(diào)制數(shù)據(jù)后，與另一條邊帶拍頻 產(chǎn)生載有信息的太赫茲波，經(jīng)光纖傳輸至天線發(fā)射。該系統(tǒng)的核心是在ToF通信系統(tǒng)中 信息數(shù)據(jù)的調(diào)制部分，選擇載波抑制雙邊帶中的一個邊帶進(jìn)行一級單邊帶數(shù)據(jù)調(diào)制，在 數(shù)據(jù)調(diào)制過程中再次采用基帶單邊帶調(diào)制技術(shù)，由此產(chǎn)生雙級級聯(lián)單邊帶調(diào)制。
本發(fā)明提出的ToF通信系統(tǒng)由三部分組成(見圖1)， A為光抑制載波雙邊帶信號 產(chǎn)生部分、B為雙級單邊帶調(diào)制部分、C為太赫茲信號傳輸發(fā)射部分。A部分主要是采用載波抑制和光的副載波復(fù)用技術(shù)產(chǎn)生倍頻信號。B部分是本發(fā)明的核心部分，選擇載波抑制雙邊帶中的一個邊帶進(jìn)行一級單邊帶數(shù)據(jù)調(diào)制，在數(shù)據(jù)調(diào)制過程中再次采用基帶單邊帶調(diào)制技術(shù)，由此產(chǎn)生雙級級聯(lián)單邊帶調(diào)制；第二級單邊帶調(diào)制技術(shù)，是基于信號的希爾伯特變換有限沖擊響應(yīng)數(shù)字濾波器，利用一個雙臂的馬赫哲德調(diào)制器級聯(lián)一個相位調(diào)制器產(chǎn)生單邊帶信號。信號與信號的希爾伯特變換分別驅(qū)動雙臂馬赫哲德調(diào)制器和相位調(diào)制器。C部分是拍頻后的太赫茲波經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)單模光纖傳輸至天線發(fā)射為無線信號。各部分具體結(jié)構(gòu)如下 光抑制載波雙邊帶信號產(chǎn)生部分，由N個DFB激光器組成的N個光源，第一波分復(fù)用器、第一雙臂平衡馬赫哲德調(diào)制器組成，其中，由N個DFB激光器組成的N個光源發(fā)出中心頻率為&，均勻相隔為fh的N路光，經(jīng)第一波分復(fù)用器合成一路后，通過第一雙臂平衡馬赫哲德調(diào)制器，在同一信號源發(fā)出的反相信號作為交流驅(qū)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(diào)制信號，Vn為反向信號幅值。由載波抑制雙邊帶調(diào)制方式的特性可知，該調(diào)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(diào)制信號帶寬，fh為光源中心頻率間隔；
雙級單邊帶調(diào)制部分，由第一解波分復(fù)器、希爾伯特變換器、第二雙臂平衡馬赫哲德調(diào)制器、相位調(diào)制器、下邊帶傳輸鏈路、第二波分復(fù)用器組成，其中，先由第一解波分復(fù)用器以中心頻率分別為f;士fg+(n-i;)fh，濾出上一部分產(chǎn)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(jìn)入下邊帶光纖傳輸鏈路傳輸；上邊帶fN1則進(jìn)入第二雙臂平衡馬赫哲德調(diào)制器，進(jìn)行單邊帶調(diào)制；對于上邊帶&，下邊帶&2被抑制掉，僅在Q進(jìn)行調(diào)制，此處為第一級單邊帶調(diào)制。第二級單邊帶調(diào)制是由第二雙臂平衡馬赫哲德調(diào)制器與相位調(diào)制器級聯(lián)組成，基帶信號與其經(jīng)希爾伯特變換器后的信號分別驅(qū)動第二雙臂馬赫哲德調(diào)制器和相位調(diào)制器；最后再由第二波分復(fù)用器將經(jīng)過單邊帶調(diào)制的上邊帶和下邊帶拍頻產(chǎn)生太赫茲波，進(jìn)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(fù)用器、第一天線、第二天線、信號源、解調(diào)器、低通濾波器和誤碼儀組成，帶有信息的太赫茲信號進(jìn)入該部分，經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)化為電信號，再經(jīng)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(fù)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(fā)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(diào)器C-10是用于解調(diào)信號。 本發(fā)明所采用的基于雙級單邊帶調(diào)制產(chǎn)生光纖載太赫茲信號的系統(tǒng)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(yōu)勢 1.本發(fā)明采用載波抑制和光的副載波復(fù)用技術(shù)產(chǎn)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(fā)生器，節(jié)約成本。
2.本發(fā)明所提出的雙級單邊帶調(diào)制技術(shù)，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(tǒng)的色散容忍度，相對于傳統(tǒng)的色散補(bǔ)償方式(添加色散補(bǔ)償光纖、利用啁啾布拉格光柵、多節(jié)DBR半導(dǎo)體激光器和等幅外差后均衡發(fā)處理信號等)，該技術(shù)是從根本上解決色散衰落效應(yīng)帶來的影響。 3.本發(fā)明所提出的雙級單邊帶調(diào)制技術(shù)，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(fā)明的第二級單邊帶調(diào)制，其信號產(chǎn)生簡單，不需要額外的濾波器抑制邊 帶，而一般的濾波法產(chǎn)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(fā)明所提出的基于雙級單邊帶調(diào)制產(chǎn)生光纖載太赫茲信號的系統(tǒng)，成本低、 器件可獲得，系統(tǒng)搭建后傳輸性能良好，有利于光纖載太赫茲系統(tǒng)的實(shí)用化。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示。
圖2為本發(fā)明實(shí)施方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示。
圖3為雙邊帶調(diào)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示。
圖4光抑制載波雙邊帶信號產(chǎn)生原理圖。
圖5SSB調(diào)制信號產(chǎn)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(diào)制信號經(jīng)過10km單模光纖傳輸后的功率衰落特性(a)非ToF 系統(tǒng)中，(b)ToF系統(tǒng)中。 圖8DSB調(diào)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(biāo)號A-l分布反饋激光器，A-2第一波分復(fù)用器，A-3第一雙臂平衡馬赫 哲德調(diào)制器，B-l第一解波分復(fù)用器，B-2希爾伯特變換器，B-3第二雙臂平衡馬赫哲德 調(diào)制器，B-4相位調(diào)制器，B-5下邊帶傳輸鏈路，B-6第二波分復(fù)用器，C-l標(biāo)準(zhǔn)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(fù)用器，C-7第一天線，C-8第二天線，C-9信號源，C-10解調(diào)器，C-ll低通濾波 器，C-12誤碼儀。
具體實(shí)施例方式
下面將根據(jù)本發(fā)明提出的基于雙級單邊帶調(diào)制產(chǎn)生的光纖載太赫茲信號的系 統(tǒng)，提供一種具體的實(shí)施方式。同時為了體現(xiàn)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(tǒng)進(jìn)行對比。 圖2為本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖3為雙邊帶傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
A光抑制載波雙邊帶信號產(chǎn)生，原理圖如圖4所示。激光光源為DFB激光器 產(chǎn)生的連續(xù)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(diào)制器(MZM)，上下臂的交流驅(qū)動為同一信號源發(fā)出的50Gb/s的反相信號，即相位相差 Ji ;且交流驅(qū)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(shù)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(jìn)入B雙級單邊帶調(diào)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(jìn)入B部分后，首先由解波分復(fù)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(jìn)入光纖鏈路B-5傳輸；上 邊帶則要進(jìn)行單邊帶調(diào)制。基帶碼元為PRBS的NRZ碼信，同時觀察區(qū)間取為29個碼 元，碼元速率為5Gb/s。所使用的光纖為標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，其中色散系數(shù)為D = 16ps/nm/ km。調(diào)制后的上邊帶與下邊帶共同進(jìn)入波分復(fù)用器B-6，拍頻產(chǎn)生0.1Thz波，進(jìn)入下一 部分。 第二級單邊帶調(diào)制原理如圖4所示。此處是由雙臂平衡邁爾增德調(diào)制器B-3與 相位調(diào)制器B-4級聯(lián)組成，基帶信號與其經(jīng)希爾伯特變換器B-2后的信號分別驅(qū)動雙臂馬 赫哲德調(diào)制器和相位調(diào)制器。經(jīng)雙臂平衡邁爾增德調(diào)制器B-3后的交流驅(qū)動信號為反向 關(guān)系，直流驅(qū)動為0v。此處的輸出信號為
(o二
p /#、— "^OSSB掘Mm
其中，『腦B-Mav— W =:『,辦0 — f ，『oss關(guān)脅/》雷W = —w的+ f a相位調(diào)制
器B-4，其器件本質(zhì)仍然是雙臂平衡馬赫哲德調(diào)制器，交流驅(qū)動的下臂為零，上臂為 經(jīng)過希爾伯特變換器B-2的data信號，直流驅(qū)動為0v。該部分輸出信號則表示為
7
，其中,= 用泰勒級數(shù)表示為￡0SSto, rap(j'fi%0
取一階泰勒級數(shù)，則有
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，此時取
圖6所示為雙級單邊帶和雙邊帶調(diào)制信號的光譜圖以及ToF系統(tǒng)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(fā)明提出的方案所產(chǎn)生的雙級單邊帶信號。 圖7所示單邊帶和雙邊帶調(diào)制信號經(jīng)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(tǒng)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(xiàn)中 提到的DSB調(diào)制信號色散衰落節(jié)點(diǎn)信號消失的現(xiàn)象。DSB調(diào)制信號衰落點(diǎn)的衰落比達(dá) 到-25dB，而且衰落次數(shù)也較多；而SSB調(diào)制信號曲線相對平滑，抖動在5dB范圍內(nèi)，幾 乎沒有出現(xiàn)信號消失的現(xiàn)象。圖(b)是ToF系統(tǒng)中兩種信號功率衰減性對比曲線圖，從圖 中可以發(fā)現(xiàn)，ToF系統(tǒng)中DSB調(diào)制信號穩(wěn)定性更差，最大衰落比達(dá)到-40dB，而SSB的 調(diào)制信號曲線卻仍然保持平滑。兩幅圖清晰的對比出，DSB調(diào)制方式所無法回避的色散 衰落現(xiàn)象和SSB調(diào)制方式對抗衰落現(xiàn)象的能力。 C太赫茲信號傳輸和發(fā)射部分，帶有信息的太赫茲信號進(jìn)入該部分，經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn) 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(zhuǎn)化為電信號，再經(jīng)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(fù)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(fā)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(diào)器C-10是用于解調(diào)信號。 圖8、圖9分別是DSB和DSSB調(diào)制系統(tǒng)傳輸特性曲線圖和眼圖。從圖7、圖 8中嵌入的眼圖可以發(fā)現(xiàn)，對于每種調(diào)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(xiàn)象更為明顯，這主要是因?yàn)榍懊?提到的光纖信道色散引起的；相比較，DSSB解調(diào)信號的抖動便平緩很多，即便是傳輸 100km后，也有很好的穩(wěn)定性。對比兩幅圖中的(e)圖，同樣可以發(fā)現(xiàn)，傳輸距離達(dá)到 100km時，信號解調(diào)后的BER值，在圖8(e)中的DSB調(diào)制方式中僅能達(dá)到10-9數(shù)量級， 而圖9(e)中的DSSB調(diào)制方案中卻可達(dá)到10-11數(shù)量級。這說明DSSB調(diào)制信號在長距離 傳輸中的優(yōu)勢，再次驗(yàn)證了在DSB調(diào)制方式中，光纖色散引起的衰落效應(yīng)對傳輸距離的 限制。從圖中可以看到，光纖長度為100km時，DSSB調(diào)制接收機(jī)靈敏度為-26.6dBm。
研究表明，基于雙級單邊帶調(diào)制產(chǎn)生光載太赫茲信號系統(tǒng)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(quán)利要求
一種基于雙級單邊帶調(diào)制產(chǎn)生光纖載太赫茲信號的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括光抑制載波雙邊帶信號產(chǎn)生部分、雙級單邊帶調(diào)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(chǎn)生部分，由N個DFB激光器組成的N個光源，第一波分復(fù)用器、第一雙臂平衡馬赫哲德調(diào)制器組成，其中，由N個DFB激光器組成的N個光源發(fā)出中心頻率為fN，均勻相隔為fh的N路光，經(jīng)第一波分復(fù)用器合成一路后，通過第一雙臂平衡馬赫哲德調(diào)制器，在同一信號源發(fā)出的反相信號作為交流驅(qū)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(diào)制信號，Vπ為反向信號幅值；該調(diào)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(diào)制信號帶寬，fh為光源中心頻率間隔；雙級單邊帶調(diào)制部分，由第一解波分復(fù)器、希爾伯特變換器、第二雙臂平衡馬赫哲德調(diào)制器、相位調(diào)制器、下邊帶傳輸鏈路、第二波分復(fù)用器組成，其中，先由第一解波分復(fù)用器以中心頻率分別為f1±fg+(n-1)fh，濾出上一部分產(chǎn)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(jìn)入下邊帶光纖傳輸鏈路傳輸；上邊帶fN1則進(jìn)入第二雙臂平衡馬赫哲德調(diào)制器，進(jìn)行單邊帶調(diào)制；對于上邊帶fN1，下邊帶fN2被抑制掉，僅在fN1進(jìn)行調(diào)制，此處為第一級單邊帶調(diào)制；第二級單邊帶調(diào)制是由第二雙臂平衡馬赫哲德調(diào)制器與相位調(diào)制器級聯(lián)組成，基帶信號與其經(jīng)希爾伯特變換器后的信號分別驅(qū)動第二雙臂馬赫哲德調(diào)制器和相位調(diào)制器；最后再由第二波分復(fù)用器將經(jīng)過單邊帶調(diào)制的上邊帶和下邊帶拍頻產(chǎn)生太赫茲波，進(jìn)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(fù)用器、第一天線、第二天線、信號源、解調(diào)器、低通濾波器和誤碼儀組成，帶有信息的太赫茲信號進(jìn)入該部分，經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，摻餌光纖放大器，衰減器，光電探測器轉(zhuǎn)化為電信號，再經(jīng)帶通濾波器濾波，然后由第二解波分復(fù)用器分開各路信號，由第一天線和第二天線發(fā)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(diào)器用于解調(diào)信號。
全文摘要
本發(fā)明屬于光纖通信和無線通信融合技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于雙級單邊帶調(diào)制產(chǎn)生光纖載太赫茲信號的系統(tǒng)。該系統(tǒng)由三部分組成光抑制載波雙邊帶信號產(chǎn)生部分、雙級單邊帶調(diào)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(diào)制部分是本發(fā)明系統(tǒng)的核心，它是選擇載波抑制雙邊帶中的一個邊帶進(jìn)行一級單邊帶數(shù)據(jù)調(diào)制，在數(shù)據(jù)調(diào)制過程中再次采用基帶單邊帶調(diào)制技術(shù)，由此產(chǎn)生雙級級聯(lián)單邊帶調(diào)制。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、器件要求低且與現(xiàn)有核心網(wǎng)系統(tǒng)兼容等優(yōu)點(diǎn)。
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(yōu)先權(quán)日2009年10月15日
發(fā)明者侯春寧, 遲楠, 邵宇豐 申請人:復(fù)旦大學(xué)