基于光載無線技術(shù)的毫米波軌道角動量通信裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于光載無線技術(shù)的毫米波軌道角動量通信裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]毫米波，尤其是高頻毫米波以其高帶寬、受雜波影響小、電屏蔽性好等優(yōu)點，近年來在通信領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展。高頻毫米波在大氣中傳輸時，由于大氣中水蒸氣、氧分子的吸收作用，能量受到巨大衰減。對毫米波波段，總帶寬達(dá)到上百GHz以上，60GHz，75-1 1GHz，120GHz以及大于300GHz的頻段由于對應(yīng)大氣吸收峰，不需要申請無線電執(zhí)照屬于開放頻段。與60GHz以及120GHz相比，10GHz頻段的毫米波擁有相對較低的傳輸損耗以及更寬的傳輸窗口，在許多國家已經(jīng)被定義為戶外“千兆比特”無線數(shù)據(jù)傳輸頻段。而傳統(tǒng)電域產(chǎn)生毫米波信號需要高頻電子設(shè)備，價格昂貴、系統(tǒng)復(fù)雜。
[0003]為解決毫米波在大氣中傳輸時受到的嚴(yán)重大氣衰減以及電域產(chǎn)生高頻信號的高額成本，光載無線技術(shù)將毫米波的生成以及信號處理從電域搬移至光域，融合了光纖通信高帶寬、低損耗、抗電磁干擾以及無線通信的靈活性等優(yōu)點，成為業(yè)界研究的重點。而隨著以高清電視、IPTV、云計算等高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以及智能終端的普及，通信速率迅猛提升?，F(xiàn)有無線通信中，帶寬資源的開發(fā)已趨于極限，資源不足限制了通信帶寬的進(jìn)一步提升。而單純通過提高無線載波頻率來進(jìn)行擴(kuò)容非常困難，即使采用了高階編碼以及信道共享技術(shù)等，迅速發(fā)展的現(xiàn)代通信系統(tǒng)仍然面臨著傳輸速率提升困難的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
[0004]發(fā)展新的通信技術(shù)變的越來越重要。眾所周知，作為信息載體的電磁波具有線動量以及角動量。而目前廣泛研究的無線通信系統(tǒng)主要采用平面波，調(diào)制以及復(fù)用通?；诰€動量來實現(xiàn)，其實現(xiàn)方式成熟、結(jié)構(gòu)簡單，但進(jìn)一步提升信息傳輸容量非常困難。渦旋電磁波是指在傳播方向上強(qiáng)度對稱，但相位螺旋變化的電磁波束，是能夠攜帶軌道角動量(Orbital Angular Momentum，軌道角動量)的結(jié)構(gòu)化電磁波。因此在傳統(tǒng)平面波攜帶信息的動量，相位、幅度、頻率以及偏振態(tài)四個維度的基礎(chǔ)上增加了一個新的維度一軌道角動量。不同的渦旋態(tài)用拓?fù)浜芍礗來表示，且理論上I來說具有無窮的正交區(qū)間。利用渦旋波束來搭載多級幅度/相位調(diào)制信息，能通過復(fù)用渦旋波束來實現(xiàn)容量以及頻譜效率的倍增。同時，利用渦旋波束來搭載不同的數(shù)據(jù)信息，有望實現(xiàn)渦旋波束間數(shù)據(jù)信號的靈活交換以及高速信息處理。因此，軌道角動量正是可以用來進(jìn)行高效信息傳輸?shù)男碌奈锢砭S度。
[0005]目前，利用軌道角動量這一新的維度在通信領(lǐng)域中的應(yīng)用還處于起步階段，一系列問題還有待進(jìn)一步解決。在光通信中，由于單模光纖對軌道角動量模式的損傷，傳輸信道局限于空間以及特定的Vortex光纖。同時，不論是在光域還是無線領(lǐng)域，軌道角動量態(tài)調(diào)制速度慢，無法實現(xiàn)信號的高速加載，軌道角動量基本用于信號的復(fù)用。
[0006]因此，現(xiàn)有技術(shù)還有待于改進(jìn)和發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供基于光載無線技術(shù)的毫米波軌道角動量通信裝置及方法，其能夠解決由于單模光纖對軌道角動量模式的損傷，軌道角動量傳輸信道局限于空間以及特定的Vortex光纖，并且軌道角動量態(tài)調(diào)制速度慢，無法實現(xiàn)信號的高速加載的問題。
[0008]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
基于光載無線技術(shù)的毫米波軌道角動量通信裝置，其包括:光學(xué)毫米波相位調(diào)制鏈路、與光學(xué)毫米波相位調(diào)制鏈路相連接的環(huán)形發(fā)射天線陣和環(huán)形接收天線陣；所述光學(xué)毫米波相位調(diào)制鏈路用于將軌道角動量相位信息調(diào)制至光學(xué)毫米波信號的高階上邊帶/下邊帶，經(jīng)過高速光電探測器拍頻后產(chǎn)生毫米波信號；所述環(huán)形發(fā)射天線陣用于將毫米波信號輻射至自由空間形成渦旋毫米波；所述環(huán)形接收天線陣用于接收渦旋毫米波。
[0009]所述光學(xué)毫米波相位調(diào)制鏈路為八路光學(xué)毫米波相位調(diào)制鏈路，其具體包括:激光光源、用于耦合激光光源輸出光束的第一耦合器、用于調(diào)制光源并抑制奇數(shù)階光邊帶得到兩個二階邊帶及中心光載波的馬赫增德爾調(diào)制器、用于驅(qū)動馬赫增德爾調(diào)制器對光源進(jìn)行調(diào)制的RF射頻發(fā)生器、用于過濾中心載波的梳狀濾波器、用于濾波得到光載波二階上/下邊帶并將軌道角動量相位信號映射調(diào)制至光載波上/下邊帶上的濾波調(diào)制單元、用于將光載波耦合進(jìn)入光纖的第二耦合器、用于傳輸光載波的光纖、用于放大光載波的放大器和用于進(jìn)行濾波并拍頻產(chǎn)生攜帶軌道角動量相位信息的毫米波信號的高速濾波光電探測單
J L ο
[0010]所述毫米波信號通過25GHz的射頻發(fā)生器驅(qū)動單一馬赫增德爾調(diào)制器同時調(diào)制八路光源，在光域中實現(xiàn)射頻源信號的四倍頻產(chǎn)生10GHz的光學(xué)毫米波信號。
[0011]所述光學(xué)毫米波相位調(diào)制鏈路為八路光學(xué)毫米波相位調(diào)制鏈路，其具體包括:激光光源、用于耦合激光光源輸出光束的第一耦合器、兩個用于調(diào)制光源并抑制奇數(shù)階光邊帶以及二階邊帶得到兩個四階邊帶及中心光載波的馬赫增德爾調(diào)制器、用于產(chǎn)生兩個矢量正交的射頻信號驅(qū)動馬赫增德爾調(diào)制器對光源進(jìn)行調(diào)制的RF射頻發(fā)生器、功分器和相位延時器、用于過濾中心載波的梳狀濾波器、用于濾波得到光載波四階上/下邊帶和完整光載波，并將軌道角動量相位信號映射調(diào)制至光載波四階上/下邊帶上的濾波調(diào)制單元、用于將光載波耦合進(jìn)入光纖的第二耦合器、用于傳輸光載波的光纖、用于放大光載波的放大器和用于進(jìn)行濾波拍頻產(chǎn)生攜帶軌道角動量相位信息的毫米波信號的高速濾波光電探測單元。
[0012]所述毫米波信號通過12.5GHz的射頻發(fā)生器驅(qū)動兩個級聯(lián)馬赫增德爾調(diào)制器以及調(diào)控馬赫增德爾調(diào)制器的偏置電壓，在光域中實現(xiàn)射頻源信號的八倍頻產(chǎn)生10GHz的光學(xué)毫米波信號。
[0013]所述高速濾波光電探測單元包括:用于濾波的濾波器和進(jìn)行拍頻產(chǎn)生攜帶相位/幅度信息的高速光電探測器。
[0014]所述濾波調(diào)制單元包括:用于濾波的濾波器和用于將軌道角動量相位信號映射調(diào)制至光載波高階上/下邊帶上的相位調(diào)制器。
[0015]基于光載無線技術(shù)的毫米波軌道角動量通信方法，其以軌道角動量為信息承載維度，具體過程如下:首先通過光學(xué)毫米波相位調(diào)制鏈路在光域?qū)④壍澜莿恿肯辔恍畔⒄{(diào)制至光學(xué)毫米波信號的高階上邊帶/下邊帶，并經(jīng)過拍頻產(chǎn)生攜帶軌道角動量相位信息的毫米波信號，所述毫米波信號通過環(huán)形發(fā)送天線陣將毫米波輻射至自由空間形成渦旋毫米波，最后所述毫米波通過環(huán)形接收天線陣進(jìn)行接收解調(diào)，并采用混頻器對接收到的毫米波信號進(jìn)行下變頻。
[0016]所述光學(xué)毫米波為八路，其波頻段為10GHz微波頻段。
[0017]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所提供的基于光載無線技術(shù)的毫米波軌道角動量通信裝置及方法，其包括光學(xué)毫米波相位調(diào)制鏈路、與光學(xué)毫米波相位調(diào)制鏈路相連接的環(huán)形發(fā)射天線陣和環(huán)形接收天線陣；所述光學(xué)毫米波相位調(diào)制鏈路用于將軌道角動量相位信息調(diào)制至八路光學(xué)毫米波信號的高階上邊帶/下邊帶，經(jīng)過高速光電探測器拍頻后產(chǎn)生毫米波信號；所述環(huán)形發(fā)射天線陣用于將毫米波信號輻射至自由空間形成渦旋毫米波；所述環(huán)形接收天線陣接收渦旋毫米波；其采用軌道角動量作為一個新的信息承載維度，大幅提高毫米波通信容量以及頻譜利用率，利用光載無線技術(shù)將毫米波的軌道角動量調(diào)制從電域搬移至光域，從而實現(xiàn)毫米波軌道角動量的高速調(diào)制，并利用天線陣將毫米波軌道角動量信號輻射至自由空間以及接收解調(diào)。本發(fā)明的毫米波軌道角動量通信裝置突破了傳統(tǒng)軌道角動量調(diào)制速度慢，解調(diào)復(fù)雜、效率低下等不足；兼具了光載無線通信的優(yōu)勢，可以利用光纖來實現(xiàn)毫米波軌道角動量信息的長距離傳輸；可拓展傳統(tǒng)無線解調(diào)技術(shù)來實現(xiàn)毫米波軌道角動量的解調(diào)，保證了系統(tǒng)的便捷性。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明基于光載無線技術(shù)的毫米波軌道角動量通信裝置示意圖。
[0019]圖2為本發(fā)明提供第一實施例的基于光載無線技術(shù)的毫米波軌道角動量通信裝置示意圖。
[0020]圖3為本發(fā)明提供第二實施例的基于光載無線技術(shù)的毫米波軌道角動量通信裝置示意圖。
[0021]圖4為本發(fā)明提供第三實施例的基于光載無線技術(shù)的毫米波軌道角動量通信裝置示意圖。
[0022]圖5為本發(fā)明提供第四實施例的基于光載無線技術(shù)的毫米波軌道角動量通信裝置示意圖。
【具體實施方式】
[0023]本發(fā)明提供的基于光載無線技術(shù)的毫米波軌道角動量通信裝置及方法，為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及效果更加清楚、明確，以下對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，