CN104618302A - 4g射频拉远系统中基于双向相位调制器的单边带调制技术 - Google Patents

Abstract

提出了一种在4G射频拉远系统中能被广泛应用的基于双向相位调制器的单边带调制技术，该技术包括以下几个步骤：120Gbit/s的64QAM射频微波信号经过(射频)90度混合耦合器，产生两路有90度相位差的64QAM射频微波信号并分别加载到双向相位调制器的两个射频输入端口。同时，单波长光载波(中心波长为1550nm)经过一个50:50的Y分支耦合器，产生两路相位相等幅度相同的光载波并分别加载到两个不同的环形器上。两个环形器的输入端1与Y分支耦合器两输出端相连，输出端2与双向相位调制器的两个输入端相连，输入口3与一个50:50耦合器的两个输入端相连。从而从Y分支耦合器输出的两路光经过环形器、双向耦合器、50:50耦合器后，能在50:50耦合器的某一输出端得到很好的单边带调制信号，并且，该技术能很好地应用在射频拉远系统中。

Description

4G射频拉远系统中基于双向相位调制器的单边带调制技术

技术领域

本发明涉及现代通信中的一种新型的单边带调制技术，更具体地说，涉及第四代现代通信领域里的射频拉远系统中基于双向相位调制器的单边带调制技术。

背景技术

随着数据通信与多媒体业务的发展，适应移动数据、移动计算及移动多媒体运作需要的第四代移动通信开始兴起。目前，第四代移动通信系统传输速率可达到20Mbps，最高可达100Mbps，是第三代移动通信传输速度的50倍。虽然4G的移动通信具有通信速度快、网络频谱宽、通信灵活、智能性能高、兼容性好等特点，但是4G移动通信也具有容量受限及实现4G移动通信广泛覆盖的困难。为了保证楼区、山区，及其它有障碍物等易受影响地区的信号强度，光载无线通信技术(ROF)及在其基础上建立的射频拉远系统应运而生。而对于手机用户的快速增长导致的通信容量受限，也使研究人员把目光投向频带利用率更高以及长距离传输具有更高质量的单边带调制方法。因此，4G射频拉远系统中的单边带调制方法具有重要的科学与实用价值。

光载无线通信(ROF)技术，是一种光和微波结合的通信技术，是利用光纤的低损耗、高带宽特性，提升无线接入网的带宽，为用户提供“anywhere，anytime，anything”的服务。它具有低损耗、高带宽、不受无线频率的干扰、便于安装和维护、功率消耗小以及操作更具灵活等优点。而基于ROF技术而建立的射频拉远系统，把基站的基带单元和射频单元分离，带来了一种新型的分布式网络覆盖模式，它将大容量蜂窝基站集中放置在可获得的中心机房内，基带部分集中处理，采用光纤将基站中的射频模块拉远到远端单元，分置于网络规划所确定的站点上，从而提升了无线接入网的带宽，也解决楼区、山区，及其它有障碍物等易受影响地区的信号强度问题。而基于射频拉远系统的单边带调制技术，由于其只传输一个边带，使用的带宽只有双边带调制信号的一半，因此具有更高的频率利用率。另外，传统双边带调制信号在光纤中长距离传输会由于光纤的非线性作用而导致信号的上下边带与中心载波拍频不一致，该现象会使信号严重失真，误码率急剧增大。与之对比，单边带调制技术没有该缺点，能在长距离通信下保持很好的通话质量。因此，4G移动通信中的单边带调制技术在长距离、大容量、低误码率的移动通信中被广泛地应用。

衡量单边带调制技术性能的主要品质因素有增益、噪声系数、交调失真以及动态范围。目前，4G移动通信中的单边带调制技术有两种实现方法。一是采用双平行强度调制器的方案。虽然只用了一个光电调制器，但是它的电压需要严格控制在强度调制器的正交偏置点上。而且由于直流漂移的影响，会导致相位噪声与误码率的大大提高，对通信系统的稳定性以及长距离通信的质量造成很大影响。二是采用两个并行相位调制器以及光纤光栅(FBG)滤边带技术实现单边带调制。但是由于原件的分立性会引入不必要的插损以及相位噪声，而且单边带的调制信号的质量也与FBG的消光比直接相关。因此，以上两种常用的单边带调制技术都存在技术上的不足，我们为此提出了一种新型的4G射频拉远系统中基于双向相位调制器的单边带调制技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用单一的相位调制器实现单边带调制技术的方法。该方法与光载无线(ROF)通信系统以及4G射频拉远系统密切相关，对4G及下一代现代通信具有重要的实用价值。

根据本发明，我们提供了一种基于双向相位调制器的单边带调制技术。双向利用相位调制器指的是利用相位调制器的速率适配特性，使正向传输的光波被调制器的第一个射频输入端口调制，反向传输的光波被调制器的第二个射频输入端口调制。在相位调制器的两端加上两个环形器。从不同端口进入的光载波将从另外一个端口输出。加上双向相位调制器上两路射频输入端的射频信号有90度相位差。被调制的两路光信号在1:99耦合器的输出端能得到质量很好的光上单边带调制信号。并且该单边带调制信号不会受到直流漂移的影响而且该技术易于集成加工，集成后能更好地提高整个系统的增益与动态范围。

附图说明

通过下面结合附图进行的对实施例的描述，本发明的上述和/或其他目的和优点将会变得更加清楚，其中：

图1示出基于双向相位调制器的单边带技术原理图

图2示出新型单边带技术在4G射频拉远系统中的应用

图3示出双边带与单边带调制光谱图

图4示解调后的标准、单边带调制及双边带调制的I、Q两路信号的星座图

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中描述了基于双向相位调制器的单边带技术原理图，其中S101为射频源模块(Radio Source Unit)，该模块输出4G通信中的二进制数字信号，经过射频调制模块(Radio Modulation Unit)S102被4G TDD-LTE频段可用的高频载波(3.5GHz)调制后，送进90度混合耦合器S103。该器件输出两路幅度相等，相位相差90度的高频无线电信号，并分别加载到双驱动相位调制器S108的两个射频输入端口。S104为光源模块(Optical Source Unit)，该模块输出光通信常用的单载波(1550nm)激光。该光载波经过Y分支耦合器S105被分成两路幅度与相位完全相等的光波并分别送进环形器S106与

S107的1号输入端。此时，从S106的1号输入端输入的光波会从2号输出端输出，经过S108并加载具有0度相位的高频射频信号，继而进入S107的2号输入端并从3号输出端输出；同时，从S107的1号输入端输入的光波会从2号输出端输出，经过S108并加载具有90度相位的高频射频信号，继而进入S106的2号输入端并从3号输出端输出；两路从3号输出端输出的光信号进入1:99的X型耦合器，由于X型耦合器的结构会在两路光信号之间引入90度的相位差，从而在X型耦合器的两个输出端会形成质量很好的单边带调制信号。另外由于耦合器的功率输出比是1:99,所以小功率输出信号经过隔离器S110后进入挡板S111消光，大功率输出信号被送进光纤S112进行传输，并在光电探测器S113上被探测接收。经过DSP(S114)对射频信号进行滤波、后补偿及组成帧结构等处理后，射频信号被送进智能天线S105上的高频振荡电路进行发射，给住宅小区S210以及移动台(MS)S211馈送4G通信信号。

系统的理论分析如下：S104的表达式如下：

$u_a\left(t\right)=\sqrt{P_0}{e}^{{\mathrm{j\ω}}_{0}t}$

其中P₀是激光光功率，ω₀是光载波中心角频率。而光载波进过S105后被分成两路，一路依次经过S106、S108、S107进入S109的输入端，另外一路依次经过S107、S108、S106进入S109的另外一个输入端，此时，两路光信号的表达式如下：

$u_{b1}\left(t\right)=\sqrt{P_0}{e}^{{\mathrm{j\ω}}_{0}t}{e}^{\mathrm{j\π}\frac{E_{4\mathrm{QAM}}\left(t\right)}{V_{\mathrm{\π}}}}$

$U_{b2}\left(t\right)=\sqrt{P_0}{e}^{{\mathrm{j\ω}}_{0}t}{e}^{\mathrm{j\π}\frac{{E^{\′}}_{4\mathrm{QAM}}\left(t\right)}{V_{\mathrm{\π}}}}$

其中

$E_{4\mathrm{QAM}\left(t\right)}=\stackrel{4}{\mathrm{\Σ}}{A}_{n}g(t-{\mathrm{nT}}_s)\cos ({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{RF}}t+{\mathrm{\φ}}_n)$

上面各式中V_π代表双向相位调制器的半波电压，A_n是基带信号的振幅，g(t-nT_s)是宽度为T_s的第n个码元基带信号波形，ω_RF是高频4G信号载波(ω_RF＝3.5GHz)，φ_n是第n个码元的载波的相位。而两路光载波由于x型耦合器S109的结构会在其中一路光信号引入光上的90度相位差，从而大功率输出端的光信号表达式如下：

$u_c\left(t\right)=\sqrt{P_0}{e}^{{\mathrm{j\ω}}_{0}t}{e}^{\mathrm{j\π}\frac{E_{4\mathrm{QAM}}\left(t\right)}{V_{\mathrm{\π}}}}+\sqrt{P_0}{e}^{{\mathrm{j\ω}}_{0}t}{e}^{j(\mathrm{\π}\frac{E_{4\mathrm{QAM}}\left(t\right)}{V_{\mathrm{\π}}}+\frac{\mathrm{\π}}{2})}$

该式子是一个标准的光域单边带调制信号，具体可以参看图3的单边带调制图(右图)。

图2是新型单边带技术在4G射频拉远系统中的应用图。其中S201指代核心网，它包括PSTN、ISDN、PSPDN、PLMN等几个核心的通信网，它们负责交换各个核心通信网里的信息，并把要发送的信息与指令送到中心局的移动交换中心(MSC)S202。在中心局里，MSC结合运营操作子系统(OSS)把要发送与交换的信息与指令传送到基站的基带处理单元(BBU)S206。该模块包括射频源模块S203、射频调制模块S204以及光调制模块S205。其中，光调制模块包含了我们提出的新型单边带调制技术。而从MSC传送而来的信息与指令经过BBU被整合成100MHzbit/s的64QAM下行4G帧结构信号。该帧结构信号经过光纤S207传输后被射频拉远单元S211接收。该单元由光电转换模块S208与射频后补偿模块S209以及智能天线S210组成。光纤中的光信号进过光电转换模块S208，能得到光载波上加载的高频射频信号，并过S209以及智能天线S210后，便能把4G信号馈送给移动台(MS)S212以及小区S213使用。这边是新型单边带技术在4G射频拉远系统中的应用。

图3是600Mbit/s的双边带与单边带调制的光谱图。其中光载波为1550nm，高频射频载波中心频率为3.5GHz,基带信号为16QAM调制的600Mbit/s的二进制数字信号。左图是双边带调制信号光谱图，右图是单边带调制信号光谱图，对比左右两图可知道单边带调制只占用了双边带调制一半的频带，所以能更有效地提高频谱利用资源。为解决4G通信中因为手机用户日益增多而导致的频带资源紧张等问题提出了良好的解决方案。

图4是解调后的标准、单边带调制及双边带调制的I、Q两路信号的星座图。信号为600Mbit/s的16QAM数字信号。该信号首先被加载到高频射频载波(中心波长为3.5GHz)上，继而用光电调制器调制到光载波(中心波长为1550nm)上，并经过光纤(长度为10km，其它参数与真实的单模光纤一致)传输、光电转换、电上解调得到I、Q两路相干信号。图一是完全理想情况下解调的星座图，数据信号在星座图上完全没有发散，测得误差向量幅度EVM＝0；图二是单边带信号解调后的I、Q两路的星座图，由于光纤色散以及非线性的作用，星座图上的数据点呈现发散状态，测得误差向量幅度EVM＝0.1051，信噪比SNR＝19.57；图三是双边带信号调制后的I、Q两路的星座图，由于光纤色散以及非线性的作用，星座图上的数据点同样呈现发散状态，而且比单边带调制的情况更严重。传统双边带调制信号在光纤中长距离传输会由于光纤的非线性作用而导致信号的上下边带与中心载波拍频不一致，该现象会使信号严重失真，误码率急剧增大，因而使数据点在星座图上发散得更严重。此时测得星座图上的误差向量幅度EVM＝0.2447，信噪比SNR＝12.23。根据3GPP TS 34.122的5.7.1的测试要求，待测系统的误差矢量幅度EVM不超过17.5％，以免增加信道的发射误差。对于以上标准，能符合标准的是单边带调制的情况，所以可见单边带调制比双边带调制在数据传输以及通话质量上的优越性。

Claims (4)

1.4G射频拉远系统中基于双向相位调制器的单边带调制技术，该技术包括以下步骤：

600Mbit/s二进制数字信号经过16QAM调制后加载到高频射频载波上，经过90度混合耦合器输出两路相位差90度的16QAM信号并加载在双向相位调制器的两个不同射频输入口。另外，在双向相位调制器两端放置环形器，使两路不同方向进入的光载波能加载不同的射频输入口上的16QAM信号。并且两路光信号在1:99的耦合器的输出端形成质量良好的单边带调制信号。该信号进过10km光纤传输馈送到射频拉远系统，给小区及手机用户提供4G高速通信信号。

2.如权利要求1所述，该技术是600Mbit/s二进制数字信号经过16QAM调制后加载到高频射频载波上，该载波中心频率是3.5GHz，是目前4G TDD-LTE的合法通信波段。

3.如权利要求1所述，为保证的到良好的单边带调制信号，从90度混合耦合器输出的两路16QAM信号必须幅度一致，相位相差90度。而由1:99耦合器结构引入的两路光信号间的相位差也要严格满足90度。

4.如权利要求1所述，在1:99的耦合器的输出端形成质量良好的单边带调制信号，大功率输出端的信号将用于BBU到RRU组成的射频拉远系统的4G信号馈送。其中传输的光纤为标准单模光纤，中心波长为1550nm，其它参数与市面上标准单模光纤参数一致。