CN102497232A - 一种光载无线通信系统的匹配实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种光载无线通信系统的匹配实现方法。该方法包括：将匹配网络划分为上限频段、中心频段和下限频段三个子网络，分别进行匹配；选用双短截线匹配网络，结合遗传算法对短截线参数进行优化；测量匹配网络的反射系数和转换功率增益，将反射系数和转换功率增益测量值分别与其各自的预设阈值进行比较；当反射系数和转换功率增益测量值均未满足预设条件时，重新调整匹配网络参数；当反射系数和转换功率增益测量值均满足预设条件时，将当前匹配网络参数确定为匹配网络最终参数。本发明实施例能在宽频率范围内实现光载无线通信系统的匹配，而且，匹配网络的匹配性能及鲁棒性均较强。

Description

一种光载无线通信系统的匹配实现方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种光载无线通信系统的匹配实现方法。

背景技术

随着无线接入、移动多媒体业务的迅速发展，用户对语音、图像和数据服务以及高速无线通信的容量和需求的与日俱增，未来的通信波段将延伸到毫米波段。以光毫米波为核心技术的光纤无线通信系统(RoF)可以充分利用其光纤传输段不受带宽限制的特点并结合无线通信技术的灵活性，将光纤网络的技术融入到线网络，在构造简单的基站单元的基础上增加了接入网容量和移动性。在RoF系统中，复杂的信号处理单元置于中心站(CS，centralstation)，在中心站产生光载毫米波，并通过光纤链路发送至基站单元。RoF基站(BS，base station)单元只包含简单的光电处理器件，完成光电转换，并通过天线发送出去；同时也将天线收到的上行无线信号下变频接收，进而进行电光转换后发送至中心站进行信号的处理。由于多个基站能共享中心站的信号处理单元，这样既减少了昂贵的信号处理单元数量，又简化了基站的复杂性和结构。

在设计光载无线通信系统的无线发射与接收电路时，需要设计阻抗匹配电路来实现天线与放大器之间的匹配电路，其作用是保证将天线接收到的能量最大限度的传送给后一级处理。如果阻抗匹配度不高即阻抗失配，那么在发射端，传送到天线的信号就会被反射到发射机，在馈线中就会产生反射波，严重时会烧坏放大器；在接收端，阻抗失配时会造成接收到信号能量损失，恶化整个系统的性能。

典型的RoF系统，其工作频率范围为57-64GHz，带宽达7GHz，因而不能采用传统的集总参数匹配方式，而必须采用分布参数匹配方式，并且需要采用超宽带匹配的方法。现有的方法都不同程度的存在两个问题：1.匹配网络采用集总参数元件进行匹配，但当频率达60GHz频段时，这些元件已不再具有低频时的阻抗特性，因而不能满足光载无线通信系统的匹配要求；2.采用匹配网络带宽范围很窄，频响曲线的高端与低端失配严重。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种光载无线通信系统的匹配实现方法以解决上述技术问题。

为解决上述问题，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种光载无线通信系统的匹配实现方法，其特征在于，具体匹配实现的步骤如下：

第一步骤：将匹配网络划分为上限频段、中心频段和下限频段三个子网络，分别进行匹配；

第二步骤：选用双短截线匹配网络，结合遗传算法分别对三个子网络的短截线参数进行优化；

第三步骤：测量匹配网络的反射系数和转换功率增益，将反射系数和转换功率增益测量值分别与其各自的预设阈值进行比较；

第四步骤：当反射系数测量值大于反射系数的预设阈值，且转换功率增益测量值小于转换功率增益的预设阈值时，重新调整匹配网络参数；

第五步骤：当反射系数测量值小于等于反射系数的预设阈值，且转换功率增益测量值大于等于转换功率的预设阈值时，将当前匹配网络参数确定为匹配网络最终参数。

优选地，所述将匹配网络划分为上限频段、中心频段和下限频段三个子网络具体为：

将匹配网络的工作频段分为上限频段、中心频段和下限频段，其中，上限频段的中心频率FH为f0+Δf；中心频段的中心频率FC为f0，带宽B为2Δf；下限频段的中心频率FL为f0-Δf；所述Δf为两个相邻频段中心频率的差值。

优选地，对短截线参数进行优化具体包括如下步骤：

第一步骤：产生初始种群；

第二步骤：选取适应度函数；

第三步骤：采用基于排序和轮盘赌的选择机制进行选择；

第四步骤：采用具有自适应调整特性的交叉概率实现交叉操作；

第五步骤：采用具有自适应调整特性的变异概率实现变异操作。

优选地，当反射系数测量值大于反射系数的预设阈值，且转换功率增益测量值小于转换功率增益的预设阈值时重新调整匹配网络参数具体为：

查明需要进行匹配调整的频率区域，将查明的频率区域与上限频段、中心频段和下限频段三个频段进行比对，比对之后对所属频段及其相邻频段的中心频率和带宽进行相应调整，调整后进入权利要求1所述的第二步骤。

可以看出，采用本发明实施例的方法，将匹配网络划分为上限频段、中心频段和下限频段三个并联子网络，分别进行匹配，这样可以利用三个子网络匹配特性的互补性来扩展匹配网络的频率覆盖范围；选用双短截线匹配网络，结合遗传算法对短截线参数进行优化，由于采用了分布参数进行匹配，所以能够达到光载无线通信系统的匹配目标；此外，遗传算法具有较好的全局收索性能和鲁棒性强，所以经遗传算法优化后的匹配网络的匹配性能及鲁棒性都很强。

附图说明

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的一个实施例流程图；

图2是本发明实施例的效果示意图。

具体实施方式

本发明的基本思想将匹配网络划分为上限频段、中心频段和下限频段三个并联子网络，分别进行匹配，这样可以扩展匹配网络的频率覆盖范围；选用双短截线匹配网络，结合遗传算法对短截线参数进行优化，由于采用了分布参数进行匹配，所以能够达到光载无线通信系统的匹配目标；此外，遗传算法具有较好的全局收索性能和鲁棒性强，所以经遗传算法优化后的匹配网络的匹配性能及鲁棒性都很强。

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。

本发明实施例提供了一种实现光载无线通信系统匹配的方法，如图1所示，该方法包括：

步骤S101：将匹配网络划分为上限频段、中心频段和下限频段三个并联子网络，分别进行匹配；其中，上限频段的中心频率FH为f0+Δf；中心频段的中心频率FC为f0，带宽B为2Δf；下限频段的中心频率FL为f0-Δf；上限频段和下限频段的带宽不必为2Δf，可以根据实际情况调整。

步骤S102：选用双短截线匹配网络，结合遗传算法对短截线参数进行优化；适应度函数为

$\mathrm{Fitness}=1/\max [{(K1\·\underset{j=1}{\overset{M/N}{\mathrm{\Σ}}}{\left\{\right|{\mathrm{\Γ}}_0-{\mathrm{\Γ}}_j\left(\mathrm{\ω}\right)\left|\right\}}^p)}^{-1}+K2\·\underset{j=1}{\overset{M/N}{\mathrm{\Σ}}}{(T_0-\frac{P_R}{P_T})}^q]$

上述函数中的Γ_j(ω)＝[Z_in，j(ω)-Z₀]/[Z_in，j(ω)+Z₀]代表匹配网络与馈线连接处的电压反射系数，K1，K2为加权系数，p和q为常数，Z₀代表馈线特性阻抗，

Z_in，j(ω)＝Zs//Zmatch(L₁，L₂)代表匹配网络与馈线连接处的系统的输入阻抗，表达式中Zs代表天线输入阻抗，Zmatch(L1，L2)代表与两个短截线L1、L2相关的匹配网络阻抗；j代表样值变量，M代表预设的匹配网络带宽，N代表选取的频点间隔，M/N代表工作频带内采样点的个数，T₀代表期望转换功率增益阈值，Γ₀代表期望反射系数阈值，P_R代表天线得到的有效功率；P_T代表信号源资用功率；

步骤S103：测量匹配网络的反射系数和转换功率增益，将反射系数和转换功率增益测量值分别与其各自的预设阈值进行比较；

步骤S104：当反射系数测量值大于反射系数的预设阈值，且转换功率增益测量值小于转换功率增益的预设阈值时，重新调整匹配网络参数；

重新调整匹配网络参数具体为：先查明需要进行匹配调整的频率区域，然后将查明的频率区域与匹配网络的三个频段进行比对，比对之后对所属频段及其相邻频段的中心频率和带宽进行相应调整，调整后需要重复权利要求1所述的第二步骤，调整时应保证三个频段能有效覆盖有用信号的频率范围。

步骤S105：当反射系数测量值小于等于反射系数的预设阈值，且转换功率增益测量值大于等于转换功率的预设阈值时，将当前匹配网络参数确定为匹配网络最终参数。

可以看出，采用本实施例的方法，将匹配网络划分为上限频段、中心频段和下限频段三个并联子网络，分别进行匹配，这样可以利用三个子网络匹配特性的互补性来扩展匹配网络的频率覆盖范围；选用双短截线匹配网络，结合遗传算法对短截线参数进行优化，由于采用了分布参数进行匹配，所以能够达到光载无线通信系统的匹配目标；此外，遗传算法具有较好的全局收索性能和鲁棒性强，所以经遗传算法优化后的匹配网络的匹配性能及鲁棒性都很强。

上述实施例中对短截线参数进行优化有多种方法，本发明优选按照如下步骤进行优化：

第一步骤：产生初始种群，对待优化的变量L1和L2，我们采用传统的二进制编码方式，变量编码位长由参数的精度决定，创建实任意随机种群，根据预先设定的优化范围，对编码矩阵的每一阵元进行赋值，从而形成初始化种群；

第二步骤：适应度函数选取，适应度函数为：

$\mathrm{Fitness}=1/\max [{(K1\·\underset{j=1}{\overset{M/N}{\mathrm{\Σ}}}{\left\{\right|{\mathrm{\Γ}}_0-{\mathrm{\Γ}}_j\left(\mathrm{\ω}\right)\left|\right\}}^p)}^{-1}+K2\·\underset{j=1}{\overset{M/N}{\mathrm{\Σ}}}{(T_0-\frac{P_R}{P_T})}^q]$

第三步骤：选择，采用基于排序和轮盘赌的选择机制，序号为i的个体被选中的概率为

$\mathrm{Pi}=\frac{1}{\mathrm{Popsize}}+\mathrm{\α}\·\frac{\mathrm{Popsize}+1-i}{\mathrm{Popsize}(\mathrm{Popsize}+1)},$ 因子α具有压扩特性，在代数较低时，该因子值较大；在代数较高时，该因子值较小；

第四步骤：采用具有自适应调整特性的交叉概率来实现交叉操作，其表达式为：

$P_c^{\left(\mathrm{gen}\right)}=P_c^{(\mathrm{gen}-1)}-(P_c^{\left(0\right)}-0.25)/\max \mathrm{gen},$ 对每个个体按变异概率进行交叉操作；

第五步骤：采用具有自适应调整特性的变异概率来实现变异操作，其表达式为：

$P_m^{\left(\mathrm{gen}\right)}=P_m^{(\mathrm{gen}-1)}+(P_m^{\left(0\right)}-0.5)/\max \mathrm{gen},$ 对每个个体按变异概率进行变异操作；

第六步骤：重复第二到第五步骤，直到满足反射系数和转换功率增益阈值条件。为了得到较好的优化结果，本发明优选多次执行前述第二至第五的步骤。

附图2示出了本发明实施例提供的实现光载无线通信系统匹配的效果示意图，图中频率轴可以分为三个频段：下限频段[57，59]，中心频段[59，61]，上限频段[61，63]；三个频段对应的中心频率分别为58GHz，60GHz，62GHz。图中Γ₀代表期望的反射系数阈值，从图2可以看出，三个频段组合后的曲线在Γ₀以下的范围可以覆盖57GHz至63GHz；当我们采用现有的匹配方法匹配后，在Γ₀以下的覆盖范围将仅有3GHz。

本领域技术人员可以理解，可以使用许多不同的工艺和技术中的任意一种来表示信息、消息和信号。例如，上述说明中提到过的消息、信息都可以表示为电压、电流、电磁波、磁场或磁性粒子、光场或以上任意组合。

专业人员还可以进一步应能意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种光载无线通信系统的匹配实现方法，其特征在于，该方法的步骤如下：

第一步骤：将匹配网络划分为上限频段、中心频段和下限频段三个子网络，分别进行匹配；

第二步骤：选用双短截线匹配网络，结合遗传算法分别对三个子网络的短截线参数进行优化；

第三步骤：测量匹配网络的反射系数和转换功率增益，将反射系数和转换功率增益测量值分别与其各自的预设阈值进行比较；

第四步骤：当反射系数测量值大于反射系数的预设阈值，且转换功率增益测量值小于转换功率增益的预设阈值时，重新调整匹配网络参数；

第五步骤：当反射系数测量值小于等于反射系数的预设阈值，且转换功率增益测量值大于等于转换功率的预设阈值时，将当前匹配网络参数确定为匹配网络最终参数。

2.根据权利要求1所述的光载无线通信系统的匹配实现方法，其特征在于，所述将匹配网络划分为上限频段、中心频段和下限频段三个子网络具体为：

将匹配网络的工作频段分为上限频段、中心频段和下限频段，其中，上限频段的中心频率F_H为f₀+Δf；中心频段的中心频率F_C为f₀，带宽B为2Δf；下限频段的中心频率F_L为f₀-Δf；所述Δf为两个相邻频段中心频率的差值。

3.根据权利要求1所述的光载无线通信系统的匹配实现方法，其特征在于，对短截线参数进行优化具体包括如下步骤：

第一步骤：产生初始种群；

第二步骤：选取适应度函数；

第三步骤：采用基于排序和轮盘赌的选择机制进行选择；

第四步骤：采用具有自适应调整特性的交叉概率进行交叉操作；

第五步骤：采用具有自适应调整特性的变异概率进行变异操作。

4.根据权利要求1所述的光载无线通信系统的匹配实现方法，其特征在于，当反射系数测量值大于反射系数的预设阈值且转换功率增益测量值小于转换功率增益的预设阈值时重新调整匹配网络参数具体为：

查明需要进行匹配调整的频率区域，将查明的频率区域与上限频段、中心频段和下限频段三个频段进行比对，比对之后对所属频段及其相邻频段的中心频率和带宽进行相应调整，调整后进入权利要求1所述的第二步骤。

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