СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ БАЗОВОЙ СТАНЦИИ ВОЛОКОННО-ЭФИРНОЙ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СТРУКТУРЫ И МОДУЛЬ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF CONSTRUCTING BASE STATION OF FIBRE-TERRESTRIAL TELECOMMUNICATION SYSTEM WITH DISTRIBUTED STRUCTURE AND MODULE FOR REALISING SAID METHOD

Настоящее изобретение относится к области электросвязи, в частности к перспективным комбинированным системам волоконно-эфирной структуры, типичными представителями которых являются интенсивно развивающиеся локальные распределительные системы класса RoF (Radio-Over-Fiber).
Типовая функциональная схема локальной распределительной системы класса RoF содержит центральную станцию (ЦС) 1, соединенные с ней посредством оптических кабелей базовые станции (БС) 2 и связанные с соответствующей БС по радио абонентские терминалы (AT) 3 (фиг.1). Система класса RoF архитектурно представляет собой дальнейшее развитие сетей сотовой связи, и в ней каждая БС 2 имеет свою зону обслуживания с интерактивным радиотрафиком в направлении от ЦС 1 к абоненту (прямой канал) и от абонента к ЦС (обратный канал). Особенность построения систем класса RoF по сравнению с традиционной системой сотовой связи состоит в гораздо меньшей протяженности сот. Так, в настоящее время развивается два варианта систем RoF: сначала с так называемыми пикосотами радиусом до 200 м и в последнее время - с фемтосотами радиусом до 20 м (например, внутри здания).
Таким образом прослеживается четкая тенденция постоянного уменьшения зоны обслуживания. Основной причиной этого является повышение уровня и объема предоставляемых телекоммуникационных услуг. Однако одновременно повышаются требования к экономичности аппаратуры БС, по сути, представляющей собой стык оптического и радиочастотного участков системы передачи, строящийся на базе двух модулей: модуля прямого канала и модуля обратного канала.
Современный вектор развития телекоммуникационных систем направлен в сторону постоянного увеличения объемов передаваемой информации. Это приводит к необходимости повышения пропускной способности аппаратуры, что в системе класса RoF может быть реализовано путем увеличения частоты несущих радиодиапазона до миллиметровых волн. Это требование без особых технико-экономических проблем реализуется в прямом канале БС за счет непосредственного оптико-электрического преобразования по так называемой технологии фотонных антенн, однако встречает, в основном, экономические трудности при построении схемы обратного канала. Причина состоит в невозможности использовать самый экономичный вариант построения при помощи непосредственной модуляции тока инжекции полупроводникового лазера передаваемым от AT комплексным радиосигналом, поскольку верхняя частота модуляции современного лазера умеренной стоимости обычно не превышает 5 ГГц (J.Yu et al. Cost-Effective Optical Millimeter Technologies and Field Demonstrations for Very High Throughput Wireless-Over-Fiber Access Systems. IEEE Journal of Lighwave Technology, 2010, v.28, No 16, pp.2376-2397).
-6
Для решения этой проблемы предложены различные способы построения схемы модуля обратного канала базовой станции системы класса RoF. В частности, известна схема, в которой применено понижающее преобразование частоты (L.Belkin, M.E. Belkin, "Cost-Effective Millimeter Wave-to-Optical Conversion with Patch Antenna and MMIC Chipset for RoF's Uplink," 18th International Conference on Microwave, Radar and Wireless Communications MIKON-2010, - Vilnius, Lithuania, v.1, p.369-372, June 2010). В схеме реализации принятый антенной сигнал миллиметрового диапазона волн подается на вход блока понижающего преобразователя, содержащего смеситель и местный гетеродин. Сигнал промежуточной частоты 1,5 ГГц модулирует лазер, оптическое излучение которого передается на ЦС. Недостатком данного способа является использование в схеме модуля обратного канала местного СВЧ-генератора, что значительно увеличивает общую стоимость аппаратуры вследствие высоких требований к кратковременной (не более -110 дБ/Гц при отстройке от несущей 10 кГц) и долговременной (на уровне 10/°С) стабильности его частоты. Чтобы удовлетворить им, приходится применять комбинированную схему с использованием параметрической стабилизации высокодобротным резонатором, электрической стабилизации при помощи системы фазовой автоподстройки частоты с высокостабильным опорным кварцевым резонатором и температурной стабилизации (Котов А.С. Высокостабильные малошумящие транзисторные СВЧ-генераторы с комбинированной стабилизацией частоты. Радиотехника, 2007, №3, с.26-32).
Этот недостаток устранен в другом известном способе построения обратного канала базовой станции системы класса RoF, принятом в качестве прототипа для заявленных объектов (A.Kaszubowska, L.Hu and L.Р.Berry. Remote Downconversion with Wavelength Reuse for the Radio/Fiber Uplink Connection. IEEE Photonics Technology Letters, V.18, No.4, 2006, p.562-564). Суть данного подхода также заключается в использовании понижающего преобразования частоты, однако гетеродинный сигнал СВЧ-диапазона формируется дистанционно на ЦС и после электрооптического преобразования передается по оптическому волокну на БС, где после обратного оптико-электрического преобразования подается на гетеродинный вход смесителя понижающего преобразователя частоты обратного канала, что, по мнению авторов, упрощает схему и снижает стоимость аппаратуры базовой станции.
Известная схема реализации этого способа представлена на фиг.2. В данной схеме модулированный со скоростью 150 Мбит/с сигнал AT с несущей частотой 22 ГГц поступает на вход смесителя 4 базовой станции, выходной сигнал которого частотой 2 ГГц после усиления в усилителе промежуточной частоты 5 поступает на управляющий вход электрооптического модулятора Маха-Цандера 6. Оптический сигнал с выхода модулятора 6 передается по волокну 7 на ЦС 1, где детектируется с помощью фотодиода 8. Немодулированный гетеродинный сигнал частотой 20 ГГц формируется на ЦС 1 с помощью высокостабильного генератора 9, модулирует интенсивность излучения высокоскоростного лазера 10, усиливается с помощью оптического усилителя 11 и передается по тому же волокну 7 либо по отдельному волокну 12 на БС 2, где он еще раз усиливается с помощью оптического усилителя 13 и поступает в узел распределения, содержащий узкополосные спектральные фильтры 14 и 15 на базе брэгговских решеток и оптический циркулятор 16. Назначением фильтра 14 является устранение ослабления (фединга) СВЧ-сигнала, вызванного дисперсией в длинном оптическом волокне (в данной схеме 12 км). Оптический сигнал, отраженный от фильтра 15, с помощью циркулятора 16 поступает на вход модулятора 6. Прошедший фильтр 15 оптический сигнал преобразуется в СВЧ-диапазон с помощью фотодетектора 17 и подается на гетеродинный вход смесителя 4.
К основным недостаткам описанного выше способа формирования гетеродинного сигнала и схемы обратного канала для его осуществления относится значительное усложнение общей схемы вследствие введения дополнительных оптических элементов (волоконного усилителя, узла распределения, фотодетектора) в схему БС, новых электронных и оптических элементов (СВЧ-генератор, лазер, волоконный усилитель) в схему ЦС и дополнительного волокна, соединяющего ЦС и БС, что не должно реально привести к существенному повышению экономичности оборудования БС.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по совершенствованию способа построения и схемы модуля обратного канала базовой станции волоконно-эфирной телекоммуникационной системы распределенной структуры.
При этом технический результат заключается:
- в реальном упрощении схемы базовой станции при отсутствии необходимости усложнения схемы центральной станции и создания отдельного оптического тракта для подачи гетеродинного сигнала;
- в улучшении экономических характеристик оборудования базовой станции;
- в упрощении требований к стабильности частоты местного гетеродинного сигнала.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе построения базовой станции волоконно-эфирной телекоммуникационной системы распределенной структуры, содержащей прямой канал с непосредственным оптико-электрическим преобразованием и обратный канал с электрооптическим преобразованием и предварительным понижающим преобразованием частоты СВЧ-диапазона, гетеродинный сигнал для которого подается дистанционно с центральной станции вместе с передаваемым оптическим сигналом при помощи спектрального мультиплексирования либо по отдельному оптическому волокну и выделяется на базовой станции, с целью упрощения схемы базовой станции и повышения стабильности ее работы гетеродинный сигнал формируется на месте из принимаемого базовой станцией сигнала обратного канала с использованием эффекта размножения частот модуляции инжекционного лазера в схеме модуля, содержащей антенну, принимающую модулированный СВЧ-сигнал с несущей частотой F, смеситель с субгармонической накачкой, подключенные к его выходу промежуточной частоты полосовой фильтр, усилитель и направленный ответвитель, к отводу которого подключен первый лазер, предназначенный для ретрансляции сигнала в оптическом диапазоне на центральную станцию, а к выходу - предназначенный для преобразования частоты СВЧ-сигнала второй лазер, соединенный с ним с помощью короткого отрезка волокна фотодиод, в выходном спектре которого присутствует модулированный сигнал с частотой 1,5 F, электронный усилитель и устраняющая модуляцию схема восстановления несущей частоты 1,5 F, выходной сигнал которой используется в качестве гетеродинного сигнала для смесителя с субгармонической накачкой.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.1 представлена типовая функциональная схема волоконно-эфирной системы распределенной структуры (системы класса RoF);
фиг.2 поясняет известный способ построения базовой станции с дистанционным формированием гетеродинного сигнала и схему его осуществления - прототип;
фиг.3 поясняет способ построения базовой станции с местным формированием гетеродинного сигнала и схему модуля для его осуществления согласно изобретению;
фиг.4 иллюстрирует использованный в настоящем изобретении эффект удвоения периода модуляции лазера.
Настоящее изобретение рассматривает способ формирования гетеродинного сигнала и схему построения модуля обратного канала базовой станции волоконно-эфирной телекоммуникационной системы, сущность которого состоит на том, что гетеродинный сигнал формируется на месте из принимаемого базовой станцией сигнала обратного канала с использованием эффекта размножения частот модуляции инжекционного лазера в схеме, содержащей антенну, принимающую модулированный СВЧ-сигнал с несущей частотой F, смеситель с субгармонической накачкой, подключенные к его выходу промежуточной частоты полосовой фильтр, усилитель и направленный ответвитель, к отводу которого подключен первый лазер, предназначенный для ретрансляции сигнала в оптическом диапазоне на центральную станцию, а к выходу - предназначенный для преобразования частоты СВЧ-сигнала второй лазер, соединенный с ним с помощью короткого отрезка волокна фотодиод, в выходном спектре которого присутствует модулированный сигнал с частотой 1,5 F, электронный усилитель и устраняющая модуляцию схема восстановления несущей частоты 1,5 F, выходной сигнал которой используется в качестве гетеродинного сигнала для смесителя с субгармонической накачкой.
Суть предложенного изобретения заключается в использовании для формирования гетеродинного сигнала известного в лазерной физике эффекта удвоения периода (например, Е.Hemery, L.Chusseau and J.-M. Lourtioz, "Dynamic Behaviors of Semiconductor Lasers under Strong Sinusoidal Current Modulation: Modeling and Experiments at 1.3 µm," IEEE J of Quantum Electron., vol.26, no.4, pp.633-641, Apr. 1990) при модуляции мощным синусоидальным сигналом. При этом в спектре его излучения помимо основной частоты модуляции и ее высших гармоник появляются субгармоники и продукты их смешения с основной частотой и гармониками. Данный эффект иллюстрируется экспериментальными результатами, показанными на фиг.4. Как видно, можно подобрать такой режим работы лазера, чтобы уровни сигналов основной модулирующей частоты F, субгармоники 0.5 F и продукта на частоте 1,5 F (используется в настоящем изобретении) получились примерно одинаковые и достаточной величины (порядка нескольких мкВт на фиг.2), чтобы обеспечить требуемое отношение сигнал/шум. Еще одним принципиальным элементом схемы реализации настоящего изобретения является СВЧ-смеситель с субгармонической накачкой, в котором требуется вдвое меньшая частота гетеродинного сигнала по сравнению с традиционным вариантом (М.Е.Белкин, Л.М.Белкин «Особенности построения резистивных смесителей диапазона крайне высоких частот. Электронная техника». Сер 2. Полупроводниковые приборы, 2010, вып.1(224), с.98-104).
Основными элементами модуля для осуществления предложенного способа построения БС (фиг.3) являются: принимающая от абонентского терминала модулированный СВЧ-сигнал с несущей частотой F антенна 18, смеситель с субгармонической накачкой 19, выходной сигнал промежуточной частоты которого фильтруется с помощью полосно-пропускающего фильтра 20, усиливается в усилителе промежуточных частот (ПЧ) 21 и поступает на вход направленного ответвителя 22. Сигнал с отвода ответвителя 22 поступает на модулирующий вход служащего для ретрансляции оптического сигнала в направлении ЦС 1 первого лазера 23, рабочая точка которого для уменьшения нелинейных искажений устанавливается в середине линейного участка его ватт-амперной характеристики. Сигнал с выхода ответвителя 22 поступает на модулирующий вход служащего для формирования гетеродинного сигнала второго лазера 24, рабочая точка которого для увеличения нелинейных искажений устанавливается несколько выше порога его ватт-амперной характеристики. Излучение лазера 24 через короткий отрезок оптического волокна, являющийся необязательным элементом схемы, поступает на фотодетектор 25, спектр электрических сигналов на выходе которого соответствует спектру, показанному на фиг.4. Выходные сигналы фотодетектора 25 усиливаются в электронном усилителе 26 и поступают на вход настроенного на частоту 1,5 F блока восстановления несущей 27, который представляет собой стандартный элемент приемного тракта цифровой радиосистемы и обычно строится на базе схемы фазовой автоподстройки (ФАП). Восстановленный в блоке 27 сигнал несущей подается на гетеродинный вход смесителя 19.
Для конкретного пояснения на фиг.3 также приведен пример обработки с помощью предложенного способа СВЧ-сигнала в широко используемом в телекоммуникационных системах Х-диапазоне (12 ГГц), модулированного с помощью широко используемого в цифровых радиосистемах метода двухпозиционной фазовой модуляции (BPSK). Для того чтобы получить ПЧ 3 ГГц, обеспечивающую применение экономичных лазеров 23 и 24, на гетеродинный вход смесителя 19 должен быть подан сигнал частотой 4,5 ГГц. С этой целью сигнал ПЧ обрабатывается с помощью оптоэлектронной пары лазер 24 - фотодетектор 25, и немодулированный сигнал требуемой частоты формируется на выходе блока 27.
Первый технический результат достигается за счет предложенного простого оптоэлектронного способа формирования гетеродинного сигнала и использования смесителя с субгармонической накачкой, а также по сравнению с прототипом за счет отсутствия необходимости дистанционного формирования гетеродинного сигнала и передачи его на базовую станцию.
Второй технический результат достигается за счет применения экономичных лазеров и фотодетектора с относительно низкой полосой пропускания, стандартных схем восстановления несущей и смесителя, которые уже реализованы в монолитном исполнении, и отсутствия необходимости применения дорогостоящего местного гетеродина.
Третий технический результат достигается за счет отсутствия необходимости применения высокостабильного местного гетеродина, поскольку изменения частоты принимаемого сигнала будут отслеживаться с помощью схемы ФАП в схеме восстановления несущей.
Настоящее изобретение промышленно применимо, может быть реализовано на базе известных элементов и узлов, широко используемых в аппаратуре телекоммуникационных систем, в том числе локальных распределительных систем класса RoF.