CN103346995A - 一种rof二倍频系统中16qam调制解调的预编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及ROF领域，本发明实施例公开了一种ROF二倍频系统中16QAM调制解调的预编码方法。该方法的主要过程是：先理论推导二倍频系统中矢量信号调制解调的公式表达式并确定导致星座图畸变的原因，然后根据公式中的畸变因子确定预编码的规则并计算出幅度和相位预编码的值。

Description

一种ROF二倍频系统中16QAM调制解调的预编码方法

技术领域

本发明涉及ROF领域，尤其涉及一种ROF二倍频系统中16QAM调制解调的预编码方法。

背景技术

无线通信在近几年尤其是进入3G时代后，取得了巨大的发展。伴随着无线通信的高速发展，ROF技术在诸如无限接入网、传感网络和雷达等很多方面都有很大的应用。

ROF是微波通信与光通信结合的技术，它有效地利用光纤链路低损耗、高带宽及抗电磁干扰等特点，通过光纤链路来传输无线信号。这种技术很好地提供了无线接入网的带宽，解决了移动通信系统面临的高系统容量和高传输速率的问题。并且具有传输距离长、易安装低损耗、低成本等优点，很好地解决了一般链路成本高损耗大的限制，因而是未来通信的必然选择。那么运用ROF系统的另一个关键技术就落在了如何产生高频毫米波信号上。

为减小毫米波产生的开销并提高毫米波的质量，利用光学方法产生毫米波的技术应用越来越广泛。从本质上讲，光学毫米波产生的方法有三种：光外差调制、直接强度调制和外调制。对于直接强度调制而言，由于直接激光器的带宽有限，难以产生40-60GHz的光毫米波。而光外差的方法是传输两个频率差等于所需要的毫米波频率的窄线宽光波，其中之一携带了需要传输的基带数据，在基站通过外差产生毫米波载波信号，在传输光纤中两光波的光谱都很窄，色散效应很小，但是需要两个性能很好的激光源，增加了系统成本。

外调制法产生毫米波过程中，数据信号的调制解调也是一个很受关注的研究热点。由于外调制倍频的效应，调制信号在解调后会产生严重的畸变，为了获得理想的信号，在调制过程时要对信号进行相应的预编码。

综上所述，出于系统成本及更高频率的考虑，使用外调制方法产生毫米波信号是最简单、最有效的方法，也是被认为最有前景的毫米波产生技术。在倍频系统中，调制信号要进行预编码，在解调端才能获得理想的信号。

发明内容

本发明实施例解决的技术问题是提供一种ROF二倍频系统中16QAM调制解调的预编码方法，通过单驱动MZ调制器直流偏置设置为0，使调制器偏置在奇数边带抑制点上，16QAM矢量信号调制在射频载波上输入到调制器的RF输入端，在探测器端输出的时候得到二倍频的信号。通过理论推导确定矢量信号在经过该二倍频系统后会产生的畸变，由公式表示，并利用公式确定预编码的规则。

本发明通过正确的理论推导获得16QAM信号在二倍频系统中进行预编码的等式条件，并结合仿真和实验验证，说明了预编码方法的可行性和正确性，从而让矢量信号在ROF倍频系统中也能够正常的使用，解决了数据传输畸变的问题。

本发明在实现过程中，具体包括：

根据本发明，二倍频毫米波产生方案的结构主要是连续激光器产生光信号当载波注入单驱动MZ调制器中，矢量信号发生器产生带预编码的调制在射频载波上的16QAM信号注入到调制器的射频输入端，直流偏置为0，使得调制器偏置在奇数边带抑制点上，再经PD拍频得到二倍于射频载波频率的二倍频理想16QAM信号。

根据本发明，预编码方法的原理是通过理论推导矢量信号在经过二倍频系统后由于倍频效应，相位会产生2倍因子，从而相位预编码是将理想16QAM星座点的相位都做1/2处理；而幅度项有另一个乘法因子J₀(mv_m)J₂(mv_m)，预编码的规则是16QAM的三个预编码幅度v₁、v₂、v₃在经二倍频系统后必须满足：

$J_0\left({\mathrm{mv}}_2\right)J_2\left({\mathrm{mv}}_2\right)=\sqrt{5}{J}_0\left({\mathrm{mv}}_1\right)J_2\left({\mathrm{mv}}_1\right)---\left(1\right)$

J₀(mv₃)J₂(mv₃)＝3J₀(mv₁)J₂(mv₁)           （2）

根据本发明，通过改变单驱动MZ调制器的直流偏置，我们可以得到载波抑制产生二倍频的方法，按照上述的方法同样可以得到在这种二倍频系统下的预编码规则。

附图说明

结合描述了本发明的各种实施例的附图，根据以下对本发明的各发明的详细描述，将更易于理解本发明的这些和其它特征，其中：

图1示意性示出了ROF二倍频链路实现的基本结构；

图2示意性示出了16QAM预编码前后星座图的对比；

图3描述了在仿真中只使用相位预编码而没有幅度预编码产生的畸变以及全部预编码后得到的理想星座图；

图4示意性示出了实验得出的奇数边带抑制的MZ输出光谱；

图5示意性示出了实验得出的二倍频信号频谱；

图6给出了实验中只有相位预编码的16QAM经二倍频系统后产生的畸变；

图7给出了实验中全部预编码的16QAM经二倍频系统后得到的理想星座图；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

图1示意性示出了ROF链路实现的基本结构。主要由激光器、单驱动MZ调制器、PD等组成。调制器直流偏置为0，使调制器偏置在奇数边带抑制点上。设微波载波频率为ω_RF，幅度为V_RF，则预编码矢量信号表示为v＝V_RF*v_mcos(ω_RFt+θ(t))，其中v_m、θ(t)分别是基带矢量信号的幅度和相位信息，MZ调制器的光场输出可以表示为：

$E_{\mathrm{out}}=j\frac{1}{2}{E}_{\mathrm{in}}\left(t\right)\{e^{j\left[\mathrm{\π}\frac{{V_{\mathrm{RF}}}^{*}{v}_m\cos ({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{RF}}t+\mathrm{\θ}\left(t\right))}{{2V}_{\mathrm{\π}}}\right]}+e^{j\left[\mathrm{\π}\frac{{V_{\mathrm{RF}}}^{*}{v}_m\cos ({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{RF}}t+\mathrm{\θ}\left(t\right)+\mathrm{\π})}{{2V}_{\mathrm{\π}}}\right]}\}---\left(3\right)$

$=j\frac{1}{2}{E}_{\mathrm{in}}\left(t\right)\{e^{j\left[{\mathrm{mv}}_m\cos ({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{RF}}t+\mathrm{\θ}\left(t\right))\right]}+e^{j\left[{\mathrm{mv}}_m\cos ({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{RF}}t+\mathrm{\θ}\left(t\right)+\mathrm{\π})\right]}\}$

其中

V_π是单驱动MZ调制器的半波电压，只取实数部分并忽略高阶项，（3）式可化简为：

$E_{\mathrm{main}}=E_0\left\{\begin{array}{c}{J}_0\left({\mathrm{mv}}_m\right)\cos \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)+\\ j_2\left({\mathrm{mv}}_m\right)\left[\cos \right[({\mathrm{\ω}}_0-2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{RF}})t-2\mathrm{\θ}\left(t\right)]+\cos [({\mathrm{\ω}}_0+2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{RF}})t+2\mathrm{\θ}\left(t\right)\left]\right]\end{array}\right\}---\left(4\right)$

图1中OSA的插图说明了输出光谱的情况，虚线表示被抑制，可见通过直流偏置的设置达到了奇数边带抑制的效果。经过平方率PD拍频后的输出表示为：

$i=E_0^{2}4{\mathrm{RJ}}_0\left({\mathrm{mv}}_m\right)J_2\left({\mathrm{mv}}_m\right)\cos ({2\mathrm{\ω}}_{\mathrm{RF}}t+2\mathrm{\θ}\left(t\right))---\left(5\right)$

由（6）、（7）、（8）式可得知v₂、v₃与v₁的关系必需满足（1）和（2）所描述的条件等式。图1中ESA的插图说明了PD输出频谱为射频载波的二倍频。由(5)式可知，对于16QAM这样既有相位调制和幅度调制的矢量信号，由于有倍频的作用，因此必须做相位预编码；由于J₀(mv_m)J₂(mv_m)是非线性的，对不同的幅度v_m有不同的值，因此必须做幅度的预编码，才能解调出标准星座图的16QAM信号。从(5)式看出，相位有个二倍的关系2θ(t)，因此相位预编码为原相位的1/2。而16QAM信号幅度有三个幅度v₁、v₂、v₃，假设v₁已知，则理论上解调后的星座点对应的幅度为：

$v_1^{\′}={4\mathrm{RE}}_0^2{J}_0\left({\mathrm{mv}}_1\right)J_2\left({\mathrm{mv}}_1\right)---\left(6\right)$

由解调后理想星座点的欧氏距离相等，则：

$v_3^{\′}={3v}_1^{\′}=3*{4\mathrm{RE}}_0^2{J}_0\left({\mathrm{mv}}_1\right)J_2\left({\mathrm{mv}}_1\right)={4\mathrm{RE}}_0^2{J}_0\left({\mathrm{mv}}_3\right)J_2\left({\mathrm{mv}}_3\right)---\left(8\right)$

图2示意性示出了16QAM预编码前后星座图的对比。RF载波频率为6GHz，RF电压幅度为0.25V，MZ调制器的半波电压为4V，假设v₁=1，由（1）、（2）式计算得到两个预编码幅度值：v₂＝1.4884，v₃＝1.7329，而无预编码的三个值分别为：1、

3。无预编码和预编码的星座图如图2所示，可见经过预编码后的矢量信号幅度和相位都经过了很大的变化。

图3描述了在仿真中只使用相位预编码而没有幅度预编码产生的畸变以及全部预编码后得到的理想星座图。为比较只有相位预编码没有幅度预编码和全部预编码的矢量信号在二倍频系统中调制解调的效果，在仿真平台VPI上分别作了相应的工作。图3左图表示的是只有相位预编码而没有幅度预编码的情况，从图中可以看出，作了相位预编码后解调的信号星座点的相位是正确的，但幅度却产生了比较大的畸变；图3右图是幅度和相位都作了预编码后经二倍频系统的解调星座图，可见理论分析预编码等式条件（1）和（2）式在这个二倍频系统中是正确的。

图4示意性示出了实验得出的奇数边带抑制的MZ输出光谱。实验中，按照如图1搭建实验系统，激光器产生功率为4.5mW、波长为1549.942nm的光载波，直流偏置由稳压电源（Agilent E3640A）提供幅度为2.23V的直流电压，矢量信号发生器（Rohde&SchwarzSMU200A）产生符合速率为10MSymbol/s、RF载波频率为6GHz、RF载波功率为15.18dBm的16QAM信号，经调制器（JDS UniphaseSN-219533G最高调制频率可达10GHz，半波电压约为4V）后通过光谱仪（Ando AQ6370B）观察奇数边带抑制后的光谱图，再经PD（u²t XPDV3120，带宽20GHz）拍频得到二倍频，最后通过频谱仪（Rohde&Schwarz FSW43）观察得到的频谱以及解调后的星座图。图4是经过实验调整在光谱仪上观察到的光谱图，图中的三个峰分别代表光载波和两个二倍频分量。可见实验实现了单驱动MZ调制器抑制奇数边带的效果。

图5示意性示出了实验得出的二倍频信号频谱。从图中可以看出二倍频项2f=12GHz的功率明显比f=6GHz大，抑制比约为35dB，由于存在直流漂移，因此抑制效果不稳定。从结果看，实验系统实现了产生二倍频的目的。

图6给出了实验中只有相位预编码的16QAM经二倍频系统后产生的畸变。与仿真类似，为了体现只有相位而没有幅度预编码的矢量信号在二倍频系统中的畸变，实验先做了只有相位预编码的情况。从图6可以看出，与仿真效果一样，只做了相位预编码的矢量信号经二倍频系统后相位与理想16QAM是一致的，但幅度却产生了比较大的畸变。

图7给出了实验中全部预编码的16QAM经二倍频系统后得到的理想星座图。与仿真类似，在做完只有相位预编码的实验后又做了一组具有相位和幅度全部预编码的实验，实验效果如图7所示，可见满足（1）和（2）式以及相位1/2关系的预编码矢量信号在本发明二倍频系统中能够解调得到理想的16QAM星座图。从而在实验上验证了理论的正确性。

本发明不限于上述实施例，在脱离本发明范围的情况下，可以进行各种变形和修改。

Claims (5)

1.一种ROF二倍频系统中16QAM调制解调的预编码方法，其特征在于包括以下内容：

奇数边带抑制法产生二倍频的设备结构；

矢量信号在二倍频系统中调制解调过程的理论推导结论；

16QAM相位预编码理论推导的方法及结论；

16QAM幅度预编码理论推导的方法及结论。

2.根据权利要求1所述的一种ROF二倍频系统中16QAM调制解调的预编码方法，其特征在于所述奇数边带抑制法产生二倍频的设备结构，具体包括：

单驱动MZ调制器的直流偏置设置在奇数边带抑制点。

3.根据权利要求1所述的一种ROF二倍频系统中16QAM调制解调的预编码方法，其特征在于所述矢量信号在二倍频系统中调制解调过程的理论推导的结论，具体包括：

矢量信号调制在射频载波上的表示，即v＝V_RF*v_mcos(ω_RFt+θ(t))，其中v_m、θ(t)分别表示基带矢量信号的幅度和相位信息，V_RF、ω_RF分别表示射频载波的幅度和频率；

矢量信号经二倍频系统后的表示：

其中

V_π是单驱动MZ调制器的半波电压。

4.根据权利要求1所述的一种ROF二倍频系统中16QAM调制解调的预编码方法，其特征在于所述16QAM相位预编码理论推导的方法及结论，具体包括：

理论推导16QAM信号经二倍频系统后在相位上存在的乘法因子，即2倍关系；

根据乘法因子确定的相位预编码1/2的结论。

5.根据权利要求1所述的一种ROF二倍频系统中16QAM调制解调的预编码方法，其特征在于所述16QAM幅度预编码理论推导的方法及结论，具体包括：

理论推导16QAM信号经二倍频系统后在幅度上存在的乘法因子，即J₀(mv_m)J₂(mv_m)；

根据乘法因子及理想16QAM信号相邻两点的欧式距离相等的特点推导出，在16QAM三个幅度的v₁确定的情况下，另外两个幅度值v₂、v₃必须满足以下两个等式条件：

J₀(mv₃)J₂(mv₃)＝3J₀(mv₁)J₂(mv₁)       （3）

从而根据（2）、（3）式确定16QAM预编码幅度值的结论。

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