CN105553562B - 多幅度平衡预编码方法及基于其的光生矢量毫米波装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光载无线通信系统技术领域，具体为一种基于多幅度平衡预编码的光生矢量毫米波装置。本发明提出一种多幅度平衡预编码方法，多幅度平衡预编码后的星座图不仅具有均匀的星座点分布，并且由于预编码星座点具有两种不同的幅度，使多幅度平衡预编码后的星座图的欧氏距离与恒定幅度平衡/不平衡预编码相比有所增加；在基于光载波抑制的光生矢量毫米波方案中引入多幅度平衡预编码技术可以实现系统性能的更好改善。本发明装置可以实现高稳定度、高纯度和高性能的正交相移键控调制的电矢量毫米波的产生，具有执行简易、结构简单的优点。

Description

多幅度平衡预编码方法及基于其的光生矢量毫米波装置
技术领域
本发明属于光载无线通信系统技术领域，具体涉及一种多幅度平衡预编码方法和基于该方法与光载波抑制的光生矢量毫米波装置。
背景技术
光载无线（Radio-over-Fiber, 缩写为RoF）技术具有大带宽、高移动性和低传输损耗等诸多优势，有望应用在未来的宽带无线通信中。与此同时，先进矢量信号调制与数字信号处理的结合，能够将数据信息编码到一个载波的同相和正交相分量上，已经作为一种改善设备带宽效率和系统频谱效率的有效方式获得科研界愈来愈多的关注和研究。因此先进矢量信号调制和光载无线技术的结合能够有效地解决频谱资源不足的迫切问题，从而大大地增加无线传输速率。科研界已经提出了各种各样的先进技术用以实现能够产生和传输采用先进矢量信号调制的射频载波的光载无线系统。外部强度调制技术基于外部强度调制器生成的边带间的外差拍频来实现，该外部强度调制器由一个射频信号来驱动。外部强度调制技术可以为光载无线系统提供高稳定度高纯度的射频载波，并且射频载波的频率仅取决于射频驱动信号。并且，外部强度调制技术和光载波抑制（Optical CarrierSuppression, 缩写为OCS）技术的结合可以在实现光倍频的同时降低对发送端电器件和光器件的带宽要求。最近我们已经提出并实验性地证实了基于光载波抑制技术和不平衡预编码（Imbalanced Precoding）技术的光生矢量毫米波方案【X. Li, J. Yu, J. Zhang, J.Xiao, Z. Zhang, Y. Xu, and L. Chen, “QAM vector signal generation by opticalcarrier suppression and precoding techniques,” IEEE Photonics TechnologyLetters 27(18), 1977-1980 (2015)】。此方案具有结构简单、成本高效等优点。但是不平衡预编码后的发送星座图的星座点均位于第一和第二象限，由此导致的缩小的欧氏距离和星座点的不均匀分布使得接收端恢复出来的星座图的星座图分布不均匀，从而降低了系统性能。为了解决这个问题，我们进一步提出了平衡预编码（Balanced Precoding）技术【Y.Wang, Y. Xu, X. Li, J. Yu, and N. Chi, “Balanced precoding technique forvector signal generation based on OCS,” IEEE Photonics Technology Letters 27(13), 2469-2472 (2015)】。平衡预编码后的发送星座图的星座点均匀地分布于四个象限中。我们还通过实验证实了在基于光载波抑制的光生矢量毫米波方案中引入平衡预编码技术，可以改善接收机灵敏度，并使接收端恢复出来的星座图具有较均匀的星座点分布。采用上述平衡预编码和不平衡预编码得到的发送星座图的星座点均具有恒定的幅度，平衡预编码星座点间的欧氏距离和不平衡预编码星座点间的最小欧式距离相同。即平衡预编码和不平衡预编码均具有欧氏距离缩小的问题，这会限制系统性能的改善。
为了解决上述问题，本发明提出了一种多幅度平衡预编码方案，多幅度平衡预编码后的星座图不仅具有均匀的星座点分布，并且由于预编码星座点具有两种不同的幅度，使得多幅度平衡预编码后的星座图的欧氏距离与上述恒定幅度平衡/不平衡预编码相比有所增加，因此在基于光载波抑制的光生矢量毫米波方案中引入多幅度平衡预编码技术可以实现系统性能的更好改善。同时本发明还提供了一种基于多幅度平衡预编码和光载波抑制的光生矢量毫米波装置，它可以实现高稳定度、高纯度和高性能的正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying, 缩写为QPSK）调制的电矢量毫米波的产生，具有结构简单、执行简易、成本高效、系统性能良好等优点。
发明内容
针对上述情况，本发明的目的是提供一种多幅度的平衡预编码方法，并提供基于该多幅度平衡预编码方法和光载波抑制的光生矢量毫米波装置，它具有结构简单、执行简易、成本高效、系统性能良好等优点。
本发明提供多幅度的平衡预编码方法，能够应用于基于光载波抑制的光生矢量毫米波结构中，以实现高稳定度、高纯度和高性能的正交相移键控调制的电矢量毫米波的产生，方法的具体步骤具体如下：
假定常规正交相移键控符号的星座点具有恒定的幅度（归一化为1）和四类不同的相位（分别为：π/4, 3π/4, 5π/4, 7π/4）。对常规正交相移键控符号执行多幅度平衡预编码，其星座点相位和幅度的变化将遵循如下规律：
（1）预编码后的星座点相位是常规正交相移键控符号星座点相位的1/2，或常规正交相移键控符号星座点相位的1/2外加π，即（π/8+nπ, 3π/8+nπ, 5π/8+nπ, 7π/8+nπ）,这里n随机取0或1；
（2）预编码后的星座点有两种不同的幅度，预编码相位为（3π/8+nπ, 7π/8+nπ）的星座点的幅度为1(或（1+31/2）/21/2)，预编码相位为（π/8+nπ, 5π/8+nπ）的星座点的幅度为（1+31/2）/21/2（或1）。
本发明提供的基于上述多幅度平衡预编码方法的光生矢量毫米波装置，其结构包括：
一个发送端离线数字信号处理模块，用于按上述多幅度平衡预编码方法而生成多幅度平衡预编码的携带正交相移键控数据的射频驱动信号；
一个数模转换器模块，用于执行预编码射频驱动信号的数模转换；
一个电放大器，用于放大预编码射频驱动电信号；
一个单模激光器，用于产生单模连续波长光载波；
一个单驱动马赫增德尔调制器，用于将预编码射频驱动电信号调制到激光器输出的光载波上，以提供两条频率间隔为射频驱动频率两倍的一阶子载波；
一个直流偏置电压源，用于为单驱动马赫增德尔调制器提供偏置电压；
一个单端光电二极管，用于实现光调制器生成的两条一阶子载波的外差拍频，以生成电矢量毫米波信号；
一个模数转换器模块，用于实现生成的电矢量毫米波信号的模数转换；
发送端离线数字信号处理模块生成多幅度平衡预编码的携带正交相移键控数据的射频驱动信号；生成的预编码射频驱动信号经数模转换器模块执行数模转换后，再经电放大器进行功率放大；放大后的预编码射频驱动信号用于驱动工作于光载波抑制方式的单驱动马赫增德尔调制器，调制产生于一个单模激光器的连续波长光载波，单驱动马赫增德尔调制器的输出为两条一阶子载波，其频率间隔为预编码射频驱动频率的两倍；生成的两条一阶子载波经由单端光电二极管执行外差拍频，从而生成载波频率为射频驱动频率两倍的电矢量毫米波信号，单端光电二极管探测到的信号相位信息与常规的正交相移键控符号相位相同，单端光电二极管探测到的信号具有两种不同的幅度，幅度的大小取决于单驱动马赫增德尔调制器的调制指数、阶数为1的第一类贝塞尔函数、光电二极管灵敏度等，相位为（π/4, 5π/4）的星座点位于外环上，相位为（3π/4, 7π/4）的星座点位于内环上（亦或相位为（π/4, 5π/4）的星座点位于内环上，相位为（3π/4, 7π/4）的星座点位于外环上）；模数转换器模块对生成的电矢量毫米波信号进行模数转换，再经基于恒模算法（ConstantModulus Algorithm, 缩写为CMA）均衡的离线数字信号处理模块处理，从中恢复出原始的正交相移键控数据。
本发明采用新颖的多幅度平衡预编码方案，基于一个单驱动的马赫增德尔调制器和一个单端光电二极管，实现了高稳定度高纯度良好性能的矢量毫米波信号的生成，并具有结构简单、成本高效、执行简易等优点。其在光载无线通信系统中的应用可以简化光载无线通信系统架构，降低光载无线通信系统成本。
本发明的多幅度平衡预编码方法以及基于多幅度平衡预编码和光载波抑制的光生矢量毫米波装置，适合于U、V、W等多种不同频段的光载无线通信系统。
其在光载无线通信系统中的应用可以简化光载无线通信系统架构，降低光载无线通信系统成本。
附图说明
图1 是本发明的多幅度平衡预编码方法图示。
图2 是本发明的基于多幅度平衡预编码和光载波抑制的光生矢量毫米波装置示意图。
图中标号：(a)- 初始的正交相移键控星座图，(b)- 多幅度平衡预编码后的星座图，(c)- 光电二极管探测得到的星座图，(d)-恒模算法均衡后恢复的正交相移键控星座图， 1-发送端离线数字信号处理模块，2-数模转换器模块，3-电放大器，4-单模激光器，5-单驱动马赫增德尔调制器，6- 直流偏置电压源，7-单端光电二极管，8-模数转换器模块，9-接收端基于恒模算法均衡的离线数字信号处理模块，10- 基于多幅度平衡预编码和光载波抑制的光生矢量毫米波装置。
具体实施方式
下面结合具体实验例子和附图，对本发明作具体说明。
图2所示为基于多幅度平衡预编码和光载波抑制的光生矢量毫米波装置，它包括：
发送端离线数字信号处理模块1，其主要作用是基于离线数字信号处理产生多幅度平衡预编码的携带正交相移键控数据的射频信号。与如图1（a）所示的常规正交相移键控符号星座图相比，如图1（b）所示的预编码后的信号星座图的相位和幅度发生规律性的变化。假定常规正交相移键控符号星座点的相位为（π/4, 3π/4, 5π/4, 7π/4），幅度为1。预编码后的信号星座图的相位为（π/8+nπ, 3π/8+nπ, 5π/8+nπ, 7π/8+nπ）,这里n随机取0或1；预编码后的信号星座图具有两种不同的幅度，预编码相位为（3π/8+nπ, 7π/8+nπ）的星座点的幅度为1(或（1+31/2）/21/2)，预编码相位为（π/8+nπ, 5π/8+nπ）的星座点的幅度为（1+31 /2）/21/2（或1）。
数模转换器模块2，其主要作用是对离线数字信号处理产生的多幅度平衡预编码的携带正交相移键控数据的射频信号执行数模转换。
电放大器3，其主要作用是放大预编码射频驱动电信号的功率。
单模激光器4，其主要作用是输出指定频率的单纵模激光作为光载波。可以采用各种线宽不同的商用激光器，例如窄线宽激光器，外腔激光器，直接调制激光器，分布式反馈激光器，垂直腔面发射激光器等等。激光器线宽对后续生成的电矢量毫米波信号的性能没有影响。
单驱动马赫增德尔调制器5，其主要作用是在预编码射频信号的驱动下，对光载波进行调制，其调制方式为光载波抑制方式，即直流偏置电压为单驱动马赫增德尔调制器的半波电压。单驱动马赫增德尔调制器的输出是两条一阶子载波，其频率间隔为预编码射频驱动频率的两倍。
直流偏置电压源6，其主要作用是为单驱动马赫增德尔调制器提供偏置电压。
单端光电二极管7，其主要作用是对生成的两条一阶子载波执行外差拍频，从而生成载波频率为射频驱动频率两倍的电矢量毫米波信号。单端光电二极管探测到的信号具有两种不同的幅度，幅度的大小取决于单驱动马赫增德尔调制器的调制指数、阶数为1的第一类贝塞尔函数、光电二极管灵敏度等。单端光电二极管探测到的信号相位信息与常规的正交相移键控符号相位相同。图1（c）给出了光电探测得到的信号星座示意图。相位为（π/4, 5π/4）的星座点位于外环上，相位为（3π/4, 7π/4）的星座点位于内环上（亦或相位为（π/4, 5π/4）的星座点位于内环上，相位为（3π/4, 7π/4）的星座点位于外环上）。
模数转换器模块8，其主要作用是对探测得到的电矢量毫米波信号执行模数转换；
接收端基于恒模算法均衡的离线数字信号处理模块9,其主要作用是对数字化后的矢量毫米波信号进行恒模均衡和载波恢复，以从中恢复出原始的正交相移键控数据。图1（d）给出了恒模均衡后得到的信号星座示意图。
本发明中所述的多幅度平衡预编码方案以及基于多幅度平衡预编码和光载波抑制的光生矢量毫米波装置，适合于U、V、W等多种不同频段的光载无线通信系统。
总之，本发明所述的多幅度平衡预编码方案以及基于多幅度平衡预编码和光载波抑制的光生矢量毫米波装置，具有执行简易、结构简单的优点，其在光载无线通信系统中的应用可以简化光载无线通信系统架构，降低光载无线通信系统成本。

Claims (3)

1.一种多幅度平衡预编码方法，应用于基于光载波抑制的光生矢量毫米波结构中，以实现正交相移键控调制的电矢量毫米波的产生，其特征在于，所述方法的具体步骤为：
假定常规正交相移键控符号星座点的相位为：π/4, 3π/4, 5π/4, 7π/4，幅度为1，则：
多幅度平衡预编码后的信号星座图的相位为：π/8+nπ, 3π/8+nπ, 5π/8+nπ, 7π/8+nπ,这里n随机取0或1；
多幅度平衡预编码后的信号星座图具有两种不同的幅度，预编码相位为：3π/8+nπ、 7π/8+nπ的星座点的幅度均为1，预编码相位为π/8+nπ、 5π/8+nπ的星座点的幅度均为（1+31 /2）/21/2；或者，预编码相位为：3π/8+nπ、 7π/8+nπ的星座点的幅度均为（1+31/2）/21/2，预编码相位为：π/8+nπ、 5π/8+nπ的星座点的幅度均为1。
2.一种基于权利要求1所述的多幅度平衡预编码方法的光生矢量毫米波装置，其特征在于具体结构包括：
一个发送端离线数字信号处理模块，用于按所述多幅度平衡预编码方法而生成多幅度平衡预编码的携带正交相移键控数据的射频驱动信号；
一个数模转换器模块，用于执行预编码射频驱动信号的数模转换；
一个电放大器，用于放大预编码射频驱动电信号；
一个单模激光器，用于产生单模连续波长光载波；
一个单驱动马赫增德尔调制器，用于将预编码射频驱动电信号调制到激光器输出的光载波上，以提供两条频率间隔为射频驱动频率两倍的一阶子载波；
一个直流偏置电压源，用于为单驱动马赫增德尔调制器提供偏置电压；
一个单端光电二极管，用于实现光调制器生成的两条一阶子载波的外差拍频，以生成电矢量毫米波信号；
一个模数转换器模块，用于实现生成的电矢量毫米波信号的模数转换；
接收端基于恒模算法均衡的离线数字信号处理模块，用于处理模数转换后的矢量毫米波信号，以恢复出原始的正交相移键控数据。
3.根据权利要求2所述的基于多幅度平衡预编码的光生矢量毫米波装置，其特征在于其工作流程为：
发送端离线数字信号处理模块生成多幅度平衡预编码的携带正交相移键控数据的射频驱动信号；生成的预编码射频驱动信号经数模转换器模块执行数模转换后，再经电放大器进行功率放大；放大后的预编码射频驱动信号用于驱动工作于光载波抑制方式的单驱动马赫增德尔调制器，调制产生于一个单模激光器的连续波长光载波，单驱动马赫增德尔调制器的输出为两条一阶子载波，其频率间隔为预编码射频驱动频率的两倍；生成的两条一阶子载波经由单端光电二极管执行外差拍频，从而生成载波频率为射频驱动频率两倍的电矢量毫米波信号；模数转换器模块对生成的电矢量毫米波信号进行模数转换，再经基于恒模算法均衡的离线数字信号处理模块处理，从中恢复出原始的正交相移键控数据。
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