基于光学相控的波束可调太赫兹无线通信系统及通信方法

摘要

本发明实施例提供了一种基于光学相控的波束可调太赫兹无线通信系统及方法，其中系统包括：光分路器、光相移组件、N个保偏光耦合器、N个光混频器和N个天线单元；方法包括：光分路器接收光调制信号，将光调制信号分路为N路光调制信号；光相移组件对经分路后的光调制信号进行相位调整；N个保偏光耦合器对应将经相位调整后的光调制信号与参考光信号进行耦合；N个光混频器对应将光信号转换为太赫兹频段的调制信号；N个天线单元对应接收并发射太赫兹频段的调制信号。本发明实施例的基于光学相控的波束可调太赫兹无线通信系统，能够降低传输至天线的信号的损耗，还能够支持更改数据通信速率。

权利要求

1.一种基于光学相控的波束可调太赫兹无线通信系统，其特征在于，所述系统包括：光分路器、光相移组件、N个保偏光耦合器、N个光混频器和N个天线单元；所述N为大于1的整数；

所述光分路器，用于接收光调制信号，并将所述光调制信号分路为N路光调制信号；

所述光相移组件，用于接收N路光调制信号，并对经分路后的光调制信号进行相位调整；

所述N个保偏光耦合器，用于对应接收N路经相位调整后的光调制信号，并将所述经相位调整后的光调制信号与参考光信号进行耦合；

所述N个光混频器，用于对应接收N路经耦合后的光信号，并将所述光信号转换为太赫兹频段的调制信号；

所述N个天线单元，用于对应接收所述太赫兹频段的调制信号，并发射所述太赫兹频段的调制信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光相移组件包括N个光移相器，所述N个光移相器用于对应接收N路光调制信号，并对对应线路光调制信号进行相位调整。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：相位控制模块，用于将控制信号输入至所述光相移组件，对所述光相移组件中的N个光移相器进行控制。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述相位控制模块具体用于：通过开环控制方式或者闭环控制方式，将控制信号输入至所述光相移组件，对所述光相移组件中的N个光移相器进行控制。

5.一种基于光学相控的波束可调太赫兹无线通信方法，其特征在于，所述方法包括：光分路器接收光调制信号，并将所述光调制信号分路为N路光调制信号；

光相移组件接收N路光调制信号，并对经分路后的光调制信号进行相位调整；

N个保偏光耦合器对应接收N路经相位调整后的光调制信号，并将所述经相位调整后的光调制信号与参考光信号进行耦合；

N个光混频器对应接收N路经耦合后的光信号，并将所述光信号转换为太赫兹频段的调制信号；

N个天线单元对应接收所述太赫兹频段的调制信号，并发射所述太赫兹频段的调制信号，所述N为大于1的整数。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述光相移组件包括N个光移相器，所述光相移组件接收N路光调制信号，并对经分路后的光调制信号进行相位调整，具体包括：所述光相移组件中的N个光移相器对应接收N路光调制信号，并对对应线路光调制信号进行相位调整。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述光相移组件接收N路光调制信号，并对经分路后的光调制信号进行相位调整之前，所述方法还包括：相位控制模块将控制信号输入至所述光相移组件，对所述光相移组件中的N个光移相器进行控制。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述相位控制模块将控制信号输入至所述光相移组件，对所述光相移组件中的N个光移相器进行控制，具体包括：所述相位控制模块通过开环控制方式或者闭环控制方式，将控制信号输入至所述光相移组件，对所述光相移组件中的N个光移相器进行控制。

说明书

基于光学相控的波束可调太赫兹无线通信系统及通信方法

技术领域

[0001] 本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种基于光学相控的波束可调太赫兹无线通信系统及通信方法。

背景技术

[0002] 随着4G移动通信技术的成熟和移动通信系统的不断发展，低频段频谱资源愈加紧缺，现有的通信频段和技术越来越难以满足日益增长的业务需求。而在太赫兹频段，目前仍然存在大量的空闲频谱资源，这些频谱资源使得提供数十吉比特，甚至上百吉比特的无线通信速率服务成为可能。

[0003] THz波(太赫兹波)是指包含频率为0.1～10THz的电磁波。太赫兹频段通常具备数十GHz的可用带宽，这意味着可以提供数十至上百吉比特的超高传输速率，可以利用THz波的特点，制造基于THz波的无线通信系统。

[0004] 对于太赫兹通信系统，高频率的电磁波在自由空间中的路径损耗较大，为了克服较大的路径损耗，往往需要高增益天线，而高增益天线将会导致波束变得很窄。极窄的波束使得发射机和接收机之间的对准变得困难，因此，实用的太赫兹通信系统必须具备波束扫描能力。可以通过调整天线之间的馈电相位差，改变波束方向，从而实现波束扫描。

[0005] 目前的太赫兹通信系统中，通常采用电子移相器对天线的馈电相位进行调整。但是，电子移相器需设置在系统的光混频器之后、天线之前，光混频器通常基于光电二极管制造，光电转换时损耗很大，再加上电子移相器的损耗，使得传输至天线的信号损耗更大。

发明内容

[0006] 本发明实施例的目的在于提供一种基于光学相控的波束可调太赫兹无线通信系统及通信方法，以实现太赫兹通信系统中，降低传输至天线的信号的损耗。具体技术方案如下：

[0007] 第一方面，本发明实施例提供了一种基于光学相控的波束可调太赫兹无线通信系统，所述系统包括：光分路器、光相移组件、N个保偏光耦合器、N个光混频器和N个天线单元；所述N为大于1的整数；

[0008] 所述光分路器，用于接收光调制信号，并将所述光调制信号分路为N路光调制信号；

[0009] 所述光相移组件，用于接收N路光调制信号，并对经分路后的光调制信号进行相位调整；

[0010] 所述N个保偏光耦合器，用于对应接收N路经相位调整后的光调制信号，并将所述经相位调整后的光调制信号与参考光信号进行耦合；

[0011] 所述N个光混频器，用于对应接收N路经耦合后的光信号，并将所述光信号转换为太赫兹频段的调制信号；

[0012] 所述N个天线单元，用于对应接收所述太赫兹频段的调制信号，并发射所述太赫兹频段的调制信号。

[0013] 可选地，所述光相移组件包括N个光移相器，所述N个光移相器用于对应接收N路光调制信号，并对对应线路光调制信号进行相位调整。

[0014] 可选地，所述光调制信号为经光合路器或光复用器复用在一条光纤中传输的调制信号。

[0015] 可选地，所述装置还包括：相位控制模块，用于将控制信号输入至所述光相移组件，对所述光相移组件中的N个光移相器进行控制。

[0016] 可选地，所述相位控制模块具体用于：通过开环控制方式或者闭环控制方式，将控制信号输入至所述光相移组件，对所述光相移组件中的N个光移相器进行控制。

[0017] 第二方面，本发明实施例提供了一种基于光学相控的波束可调太赫兹无线通信方法，所述方法包括：

[0018] 光分路器接收光调制信号，并将所述光调制信号分路为N路光调制信号；

[0019] 光相移组件接收N路光调制信号，并对经分路后的光调制信号进行相位调整；

[0020] N个保偏光耦合器对应接收N路经相位调整后的光调制信号，并将所述经相位调整后的光调制信号与参考光信号进行耦合；

[0021] N个光混频器对应接收N路经耦合后的光信号，并将所述光信号转换为太赫兹频段的调制信号；

[0022] N个天线单元对应接收所述太赫兹频段的调制信号，并发射所述太赫兹频段的调制信号，所述N为大于1的整数。

[0023] 可选地，所述光相移组件包括N个光移相器，所述光相移组件接收N路光调制信号，并对经分路后的光调制信号进行相位调整，具体包括：

[0024] 所述光相移组件中的N个光移相器对应接收N路光调制信号，并对对应线路光调制信号进行相位调整。

[0025] 可选地，所述光调制信号为经光合路器或光复用器复用在一条光纤中传输的调制信号。

[0026] 可选地，所述光相移组件接收N路光调制信号，并对经分路后的光调制信号进行相位调整之前，所述方法还包括：

[0027] 相位控制模块将控制信号输入至所述光相移组件，对所述光相移组件中的N个光移相器进行控制。

[0028] 可选地，所述相位控制模块将控制信号输入至所述光相移组件，对所述光相移组件中的N个光移相器进行控制，具体包括：

[0029] 所述相位控制模块通过开环控制方式或者闭环控制方式，将控制信号输入至所述光相移组件，对所述光相移组件中的N个光移相器进行控制。

[0030] 本发明实施例提供的一种基于光学相控的波束可调太赫兹无线通信系统及通信方法，光分路器将复用的光调制信号分路为多路光调制信号，将光相移组件布设于各路光混频器之前，从而在光混频器将光信号转换为太赫兹频段的调制信号之前，即能够对光信号的相位进行调整，无需在光混频器将光信号转换为太赫兹频段的调制信号之后，对太赫兹频段的调制信号的相位进行调整，从而避免电子移相器在相位调整时对电信号造成的损耗，进而降低传输至天线的信号的损耗。当然，实施本发明的任一产品或方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

[0031] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0032] 图1为本发明实施例提供的基于光学相控的波束可调太赫兹无线通信系统的一种结构示意图；

[0033] 图2为本发明实施例提供的基于光学相控的波束可调太赫兹无线通信系统的一种结构示意图；

[0034] 图3为本发明实施例提供的基于光学相控的波束可调太赫兹无线通信方法的一种流程示意图。

具体实施方式

[0035] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0036] 对于频率更高的太赫兹频段，具备更大的可用带宽。在太赫兹频率下，为了产生超高速的信号，目前主流的做法之一，是首先使用成熟的光纤通信的调制方式产生高速率光信号，然后通过特殊的光电二极管将光信号转成太赫兹波发射出去。但是，由于太赫兹波的自由空间路径损耗更大，为达到更高的增益，其波束会更窄，因此实用的太赫兹通信系统必然要求其波束可调。这就要求系统能够对每个天线单元的馈电相位进行控制。

[0037] 目前的太赫兹无线通信系统中，波束扫描一般通过相控阵天线实现。对于线性相控阵，每个相邻天线单元之间的馈电相位差Δφ，和天线阵所形成的波束的方向θ之间存在如下关系：

[0038]

[0039] 其中，d是天线单元间距，λ为波长。由此可见，通过调整天线之间的馈电相位差Δφ，就能改变波束方向，实现波束扫描。而每个天线单元的馈电相位可以通过在基带数字信号处理时给定的方式控制，也可以通过射频模拟移相器来控制。

[0040] 本发明实施例提供了一种基于光学相控的波束可调太赫兹无线通信系统，如图1所示，包括光分路器1、光相移组件2、N个保偏光耦合器3、N个光混频器4和N个天线单元5。其中，N为大于1的整数。

[0041] 光分路器1，用于接收光调制信号，并将光调制信号分路为N路光调制信号，。在一种具体的实施方式中，上述光调制信号可以为经光合路器或光复用器复用在一条光纤中传输的调制信号。

[0042] 光相移组件2，用于接收N路光调制信号，并对经分路后的光调制信号进行相位调整。其中，上述N路光调制信号的波长可以相同。

[0043] 作为本发明实施例一种具体的实施方式，光相移组件2可以包括N个光移相器6，N个光移相器6用于对应接收N路光调制信号，并对对应线路光调制信号进行相位调整。本发明实施例中，光相移组件2可以通过现有的热调谐光移相器或者其他类型的光移相器件构成，其中，光移相器6可以包括一个真时延电路，因此上述光相移组件2可以认为是由多个真时延电路组成的光移相网络。

[0044] N个保偏光耦合器3，每个保偏光耦合器3用于对应接收N路经相位调整后的光调制信号，并将经相位调整后的光调制信号与参考光信号进行耦合，从而得到希望得到的太赫兹频率。

[0045] N个光混频器4，每个光混频器4用于对应接收N路经耦合后的光信号，并将光信号转换为太赫兹频段的调制信号。光混频器4，具体可以为UTC-PD(Uni-Traveling-Carrier Photodiode，单行载流子光电二极管)。

[0046] N个天线单元5，每个天线单元5用于对应接收太赫兹频段的调制信号，并发射太赫兹频段的调制信号。

[0047] 作为本发明实施例一种具体的实施方式，如图2所示，上述系统还可以包括相位控制模块7，用于将控制信号输入至光相移组件，对光相移组件中的N个光移相器进行控制。相位控制模块7可以通过可编程控制器经编程后得到，例如，DSP(digital singnal processor，数字信号处理器)或FPGA(Field Programmable Gate Array现场可编程门阵列)得到。

[0048] 可选地，相位控制模块7可以通过开环控制方式，控制各光移相器的相位，从而指定各发射单元的波束方向；也可以通过闭环控制方式，根据例如信号到达角等反馈信息，控制各N个光移相器的相位，从而指定各发射单元的波束方向。

[0049] 本发明实施例提供的一种基于光学相控的波束可调太赫兹无线通信系统，分路器将复用的光调制信号分路为多路光调制信号，将包含多个光移相器的光相移组件布设于各路光混频器之前，从而在光混频器将光信号转换为太赫兹频段的调制信号之前，即能够对光信号的相位进行调整，无需在光混频器将光信号转换为太赫兹频段的调制信号之后，对太赫兹频段的调制信号的相位进行调整，从而避免电子移相器在相位调整时对电信号造成的损耗，进而降低传输至天线的信号的损耗。并且，解决了如何在太赫兹无线通信系统中控制高速宽带信号的相位，进而提供波束可调的功能，便于建立和维持无线连接。相比于目前的电子移相方式，优势在于：1、光电移相器的工作带宽更大，能够支持更高数据速率；2、使用光电集成电路技术研制的光相移组件，具有尺寸小、功耗低、抗电磁干扰的优势。

[0050] 本发明实施例还提供了一种基于光学相控的波束可调太赫兹无线通信方法，如图3所示，包括：

[0051] S201，光分路器接收光调制信号，并将光调制信号分路为N路光调制信号。

[0052] 上述光分路器接收的光调制信号，可以是经光调制器调制后的信号，例如，对光信号的强度、折射率、吸收率或振幅调制后的信号，进一步地，可以为经光合路器或光复用器复用在一条光纤中传输的调制信号。具体地，光分路器可以将所接收的光调制信号分路为N路光调制信号。

[0053] S202，光相移组件接收N路光调制信号，并对经分路后的光调制信号进行相位调整。

[0054] 光相移组件可以对所接收光信号的相位进行调整，从而调整信号的波束方向。

[0055] 作为本发明实施例一种具体的实施方式，光相移组件2可以包括N个光移相器6，N个光移相器6可以对应接收N路光调制信号，并对对应线路光调制信号进行相位调整。本发明实施例中，光相移组件2可以通过现有的热光移相器或者其他类型的光移相器件构成。光信号可以从各光移相器的输入端输入，经相位调整后，再从各移相器的输出端输出。

[0056] 作为本发明实施例一种可选的实施方式，在光相移组件对经分路后的光调制信号进行相位调整之前，还可以通过相位控制模块将控制信号输入至光相移组件，对光相移组件中的N个光移相器进行控制。

[0057] 可选地，相位控制模块7可以通过开环控制方式，控制各N个光移相器的相位，从而指定各发射单元的波束方向；也可以通过闭环控制方式，根据例如信号到达角等反馈信息，控制各N个光移相器的相位，从而指定各发射单元的波束方向。

[0058] S203，N个保偏光耦合器对应接收N路经相位调整后的光调制信号，并将经相位调整后的光调制信号与参考光信号进行耦合。

[0059] 可以通过保偏光耦合器将光调制信号与参考光载波信号进行耦合，从而得到希望得到的太赫兹频率。

[0060] S204，N个光混频器对应接收N路经耦合后的光信号，并将光信号转换为太赫兹频段的调制信号。

[0061] 本发明实施例中，每个光混频器可以将每路耦合后的光载波信号转换为太赫兹频段的单载波调制信号，光混频器例如可以为：UTC-PD。

[0062] S205，N个天线单元对应接收太赫兹频段的调制信号，并发射太赫兹频段的调制信号。

[0063] 本发明实施例中，每个天线单元可以将每路太赫兹频段的单载波调制信号发射至自由空间。

[0064] 天线单元发射太赫兹频段的单载波调制信号后，可以通过现有的接收机接收该信号，并通过接收机中的低噪音放大器、下变频器、数字信号处理芯片等器件处理该信号。

[0065] 本发明实施例提供的一种基于光学相控的波束可调太赫兹无线通信方法，分路器将复用的光调制信号分路为多路光调制信号，光相移组件对经分路后的光调制信号进行相位调整，从而在光混频器将光信号转换为太赫兹频段的调制信号之前，即能够对光信号的相位进行调整，无需在光混频器将光信号转换为太赫兹频段的调制信号之后，对太赫兹频段的调制信号的相位进行调整，从而避免电子移相器在相位调整时对电信号造成的损耗，进而降低传输至天线的信号的损耗。

[0066] 需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

[0067] 本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

[0068] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。