CN106506088A - 一种基于单边带调制的载波聚合和解聚合的方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单边带调制的载波聚合和解聚合的方法与系统，该聚合方法利用基带信号进行希尔伯特变换后的实部和虚部相减，去除一个边带，大大的提高了聚合效率，从物理层解决了载波聚合问题，无需对输入信号协议进行解析，效率高、延时低。在解聚合过程中，将下变频处理信号减去对下变频处理信号滤波后的信号，作为下一组下变频处理的输入信号，依次提取基带信号，整个过程实现简单。所述的聚合和解聚合系统，聚合效率高，在实现更多路数信号聚合的同时，结构简单，容易实现，具有较大的推广应用价值。

Description

一种基于单边带调制的载波聚合和解聚合的方法与系统

技术领域

本发明属于光纤通信的信号调制技术领域，特别涉及一种基于单边带调制的载波聚合和解聚合的方法与系统。

背景技术

随着新兴网络技术的不断出现，数据接入的端口数量爆炸式增长，数据接入的方式也变得越来越多样化。对于各种不同的应用场合，数据接入的方式主要包括电力线、同轴电缆、以及光纤等。其中，光纤以其优良的性质，如：低损耗、高带宽，受到人们广泛青睐。光纤的这些优良性质极大的延长了信号的传输距离以及单个信道的传输速率，因此广泛应用于长距离、大容量的数据通信系统。

但是，电力线、同轴电缆等传输介质依然存在其必要性，例如：可见光系统可以通过同轴电缆同时进行数据的传输以及LED供电。因此，人们提出将光纤传输与其它介质传输结合以满足多样化的数据接入需求，我们将这种网络称之为“融合光网络”。在融合光网络中光纤的传输带宽远大于其它传输介质，可以通过一根光纤同时将多路接入信号送往“远端”以连接互联网，这样可以极大的降低光纤铺设的成本以及维护费用。

现有的信号载波聚合方法主要针对复数基带信号，延时较长且聚合效率低，无法满足日益增长的实时游戏和视频应用需求。

发明内容

本发明提供了一种基于单边带调制的载波聚合和解聚合的方法与系统，其目的在于，克服现有技术中载波聚合延时长，效率低的问题。

一种基于单边带调制的载波聚合方法，对N路数字信号分别进行单边带上变频处理，得到各路数字信号对应的单边带上变频数字信号；将各路单边带上变频数字信号进行累加，汇聚成单路数字的载波聚合信号U(t)；

所述单边带上变频处理过程如下：

步骤1：对各路数字信号进行希尔伯特变换Y_i(t)=Hilbert(X_i(t))；

其中，Hilbert()表示希尔伯特变换操作，X_i(t)为表示第i路数字信号，Y_i(t)表示第i路数字信号的希尔伯特变换信号；

步骤2：对各路数字信号的的希尔伯特变换信号的实部和虚部分别进行上变频变换，获取第i路单边带上变频数字信号U_i(t)：U_i(t)=R_i(t)-I_i(t)；

其中，R_i(t)=real[Y_i(t)]·cos(2π*Δf_i*t)，I_i(t)=imag[Y_i(t)]·sin(2π*Δf_i*t)；

real[]和imag[]分别为取复数的实部和虚部操作，Δf_i为第i路数字信号的希尔伯特变换信号的中间频率，t表示时间。

对各路数字信号进行希尔伯特变换前，利用有限冲击响应的升余弦滤波器对各路数字信号进行滤波处理。

一种基于单边带调制的载波解聚合方法，包括以下步骤：

步骤1：按照载波频率从低到高的顺序，从经过前述基于单边带调制的载波聚合方法得到的载波聚合信号中依次提取各频率载波信号的中间频率Δf_i；

步骤2：将载波聚合信号按照以下公式进行下变频处理，得到各路基带信号；

B’_i(t)=B_i(t)-U’_i(t)

其中，U’_i(t)表示第i路基带信号，i的取值范围为1-N，当i取1时，

W(k)为匹配滤波器有限冲击响应系数，该滤波器记忆深度为M。

一种基于单边带调制的载波聚合系统，包括N路模数转换器、载波聚合数字信号处理单元、数模转换器以及光强度调制器；

所述N路模数转换器的输出端均与载波聚合数字信号处理单元相连，所述载波聚合数字信号处理单元、数模转换器以及光强度调制器依次相连；

所述载波聚合数字信号处理单元包括N路单边带上变频处理器以及加法器，N路单边带上变频处理器的输出端均与加法器的输入端相连，所述加法器与数模转换器相连；

每路单边带上变频处理器中包括依次相连的希尔伯特变换器和上变频变换器，所述上变频变换器包括实部上变频变换器、虚部上变频变换器以及减法器，其中，实部上变频变换器、虚部上变频变换器的输入端和输出端分别与所述希尔伯特变换器的输出端和减法器的输入端相连。

所述载波聚合数字信号处理单元中还包括N路升余弦滤波器，每路升余弦滤波器对一路数字信号进行滤波处理后，与一路单边带上变频处理器相连。

一种基于单边带调制的载波解聚合系统，包括依次相连的光电探测器、模数转换器以及载波解聚合数字信号处理单元；

所述载波解聚合数字信号处理单元包括N组递归相连的下变频处理器，每组下变频处理器包括下变频变换单元、匹配滤波器以及减法器；

下变频变换单元的输出端与减法器和匹配滤波器的输入端相连；

匹配滤波器的输出端与减法器和协议栈的输入端相连；

前一组载波解聚合数字信号处理单元中的减法器的输出端与下一组载波解聚合数字信号处理单元中的下变频变换单元的输入端相连；

第一组载波解聚合数字信号处理单元中的下变频变换单元的输入端输入经前述基于单边带调制的载波聚合系统聚合后的信号；

每组载波解聚合数字信号处理单元中的匹配滤波器输出一路基带信号。

有益效果

本发明提供了一种基于单边带调制的载波聚合和解聚合的方法与系统，该聚合方法通过研究分析发现实数基带信号中负频率分量为正频率分量的共轭对称，不承载任何有效信息，提出了对单边带进行上变频处理的方案，利用基带信号进行希尔伯特变换后的实部和虚部相减，去除一个边带，大大的提高了聚合效率，从物理层解决了载波聚合问题，因此无需对输入信号协议进行解析，效率高、延时低。相比于传统的双边带载波聚合方法，其频谱效率提升一倍，能够适用于各种不同信号输入格式，且能满足多样化和差异化需求；在解聚合过程中，将下变频处理信号减去对下变频处理信号滤波后的信号，作为下一组下变频处理的输入信号，依次提取基带信号，整个过程实现简单。所述的聚合和解聚合系统，聚合效率高，在实现更多路数信号聚合的同时，结构简单，容易实现，具有较大的推广应用价值。

附图说明

图1为本发明所述聚合系统结构示意图；

图2为本发明所述的解聚合系统结构示意图；

图3为本发明所述的单边带上变频调制载波聚合单元数字信号处理框图；

图4为相同设置下双边带上变频调制聚合与应用本发明所述的单边带上变频调制聚合的频谱对比示意图；

图5为本发明所述的载波解聚合单元数字信号处理框图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

一种基于单边带调制的载波聚合方法，对N路数字信号分别进行单边带上变频处理，得到各路数字信号对应的单边带上变频数字信号；将各路单边带上变频数字信号进行累加，汇聚成单路数字载波聚合信号U(t)；

如图3所示，为载波聚合单元数字信号处理框图。N路数字信号分别由有限冲击响应的升余弦滤波器（raised cosine filter）进行滤波。数字滤波可以有效消除信号带外噪音，减小因聚合产生的载波间串扰。滤波信号然后进行单边带上变频。

单边带上变频的基本原理如下：设X_i(t)为滤波后的数字基带信号，这里i表示第i路输入信号。首先将X_i(t)进行希尔伯特变换，得到Y_i(t)：

Y_i(t)=Hilbert(X_i(t))

分别对Y(t)的实部和虚部进行如下上变频变换：

R_i(t)=real[Y_i(t)]·cos(2π*Δf_i*t)

I_i(t)=imag[Y_i(t)]·sin(2π*Δf_i*t)

其中，real[]和imag[]分别为取复数的实部和虚部操作。Δf_i为第i路数字信号的希尔伯特变换信号的中间频率。第i路单边带上变频数字信号U_i(t)可以表示为：

U_i(t)=R_i(t)-I_i(t);

将N路数字信号分别进行单边带上变频至不同的中间频率，最后汇聚成为单路数字载波聚合信号：

U(t)=U₁(t)+U₂(t)+…+U_i(t)+…+U_N(t)。

实数的基带信号频谱由两份构成：上边带（USB：upper side band）和下边带（LSB：lower side band）.不同于传统的双边带上变频方法，所提单边带上变频信号仅包含一半的基带信号频谱，如：USB信号，占用双边带上变频调制一半的频谱宽度。

因此，通过相同的总带宽，应用本发明所述方法可以支持更高的汇聚容量。

图4分别显示了相同设置下双边带上变频调制聚合与单边带上变频调制聚合（本发明所述方法）的频谱示意图。从图中可以明显看出，本发明所述方法只需双边带上变频调制聚合方法的一半频带，具有明显的优势。

一种基于单边带调制的载波解聚合方法，包括以下步骤：

步骤1：按照载波频率从低到高的顺序，从本发明所述聚合方法得到的载波聚合信号中依次提取各频率载波信号的中间频率Δf_i；

步骤2：将载波聚合信号按照以下公式进行下变频处理，得到各路基带信号；

B’_i(t)=B_i(t)-U’_i(t)

其中，U’_i(t)表示第i路基带信号，i的取值范围为1-N，当i取1时，

W(k)为匹配滤波器有限冲击响应系数，该滤波器记忆深度为M。

图5为接收端载波解聚合单元数字信号处理框图。载波解聚合通过递归的方式，按照载波频率从低到高的顺序依次进行提取。

首先，针对第1路载波信号U₁(t)，其对应中间频率为Δf₁.将聚合信号下变频：

对B₁(t)进行匹配滤波：

这里，W(k)为匹配滤波器有限冲击响应系数，该滤波器记忆深度为M，U’₁(t)为解聚合的第1路基带信号。将第一路信号从聚合信号中去除，即：

B’₁(t)=B₁(t)-U’₁(t) （3）

得到更新后的聚合信号，B’₁(t)。参考公式1，将信号B’₁(t)进行下变频，其下变频频率为相邻载波之间的频谱间隔（Δf₂-Δf₁）：

对B₂(t)进行匹配滤波，参考公式2：

可以得到解聚合的第2路基带信号，U’₂(t)。继续将U’₂(t)从聚合信号B₂(t)中去除，得到更新后的聚合信号B₃(t)，参考公式3：

B’₂(t)=B₂(t)-U’₂(t)

依次类推，直到完成所有载波的解聚合。

一种基于单边带调制的载波聚合系统，如图1所示，包括N路模数转换器、载波聚合数字信号处理单元、数模转换器以及光强度调制器；

所述N路模数转换器的输出端均与载波聚合数字信号处理单元相连，所述载波聚合数字信号处理单元、数模转换器以及光强度调制器依次相连；

所述载波聚合数字信号处理单元包括N路单边带上变频处理器以及加法器，N路单边带上变频处理器的输出端均与加法器的输入端相连，所述加法器与数模转换器相连；

每路单边带上变频处理器中包括依次相连的希尔伯特变换器和上变频变换器，所述上变频变换器包括实部上变频变换器、虚部上变频变换器以及减法器，其中，实部上变频变换器、虚部上变频变换器的输入端和输出端分别与所述希尔伯特变换器的输出端和减法器的输入端相连。

N路输入信号通过非光纤介质传输到载波聚合单元，载波聚合单元首先采用N路模数转换器将输入信号分别转换为N路数字信号。数字信号连接载波聚合数字信号处理单元，该单元将载波聚合之后输出单路聚合的高速数字信号。聚合数字信号通过数模转换器转换为模拟聚合信号，由光强度调制器调制到光载波。最后，聚合信号承载与光载波由光纤传输到远端。

一种基于单边带调制的载波解聚合系统，如图2所示，包括依次相连的光电探测器、模数转换器以及载波解聚合数字信号处理单元；

所述载波解聚合数字信号处理单元包括N组递归相连的下变频处理器，每组下变频处理器包括下变频变换单元、匹配滤波器以及减法器；

下变频变换单元的输出端与减法器和匹配滤波器的输入端相连；

匹配滤波器的输出端与减法器和协议栈的输入端相连；

前一组载波解聚合数字信号处理单元中的减法器的输出端与下一组载波解聚合数字信号处理单元中的下变频变换单元的输入端相连；

第一组载波解聚合数字信号处理单元中的下变频变换单元的输入端输入经本发明所述的基于单边带调制的载波聚合系统聚合后的信号；

每组载波解聚合数字信号处理单元中的匹配滤波器输出一路基带信号。

承载了聚合信号的光载波首先由光电探测器转换为模拟聚合信号，该信号通过模数转换器转换为数字聚合信号，再送往载波解聚合数字信号处理模块进行解聚合操作。载波解聚合数字信号处理模块的输出为N路数字信号，N路数字信号直接连接协议栈进行后续相关协议的处理。

以上所述仅是本发明技术的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于单边带调制的载波聚合方法，其特征在于，对N路数字信号分别进行单边带上变频处理，得到各路数字信号对应的单边带上变频数字信号；将各路单边带上变频数字信号进行累加，汇聚成单路数字的载波聚合信号U(t)；

所述单边带上变频处理过程如下：

步骤1：对各路数字信号进行希尔伯特变换Y_i(t)＝Hilbert(X_i(t))；

其中，Hilbert()表示希尔伯特变换操作，X_i(t)为表示第i路数字信号，Y_i(t)表示第i路数字信号的希尔伯特变换信号；

步骤2：对各路数字信号的的希尔伯特变换信号的实部和虚部分别进行上变频变换，获取第i路单边带上变频数字信号U_i(t)：U_i(t)＝R_i(t)-I_i(t)；

其中，R_i(t)＝real[Y_i(t)]·cos(2π*Δf_i*t)，I_i(t)＝imag[Y_i(t)]·sin(2π*Δf_i*t)；

real[]和imag[]分别为取复数的实部和虚部操作，Δf_i为第i路数字信号的希尔伯特变换信号的中间频率，t表示时间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对各路数字信号进行希尔伯特变换前，利用有限冲击响应的升余弦滤波器对各路数字信号进行滤波处理。

3.一种基于单边带调制的载波解聚合方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：按照载波频率从低到高的顺序，从经过权1或权2所述方法得到的载波聚合信号中依次提取各频率载波信号的中间频率Δf_i；

步骤2：将载波聚合信号按照以下公式进行下变频处理，得到各路基带信号；

$U_i^{,}\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{M-1}{\Σ}}{B}_i(t-k)W\left(k\right)$

B’_i(t)＝B_i(t)-U’_i(t)

其中，U’_i(t)表示第i路基带信号，i的取值范围为1-N，当i取1时，

W(k)为匹配滤波器有限冲击响应系数，该滤波器记忆深度为M。

4.一种基于单边带调制的载波聚合系统，其特征在于，包括N路模数转换器、载波聚合数字信号处理单元、数模转换器以及光强度调制器；

所述N路模数转换器的输出端均与载波聚合数字信号处理单元相连，所述载波聚合数字信号处理单元、数模转换器以及光强度调制器依次相连；

所述载波聚合数字信号处理单元包括N路单边带上变频处理器以及加法器，N路单边带上变频处理器的输出端均与加法器的输入端相连，所述加法器与数模转换器相连；

每路单边带上变频处理器中包括依次相连的希尔伯特变换器和上变频变换器，所述上变频变换器包括实部上变频变换器、虚部上变频变换器以及减法器，其中，实部上变频变换器、虚部上变频变换器的输入端和输出端分别与所述希尔伯特变换器的输出端和减法器的输入端相连。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述载波聚合数字信号处理单元中还包括N路升余弦滤波器，每路升余弦滤波器对一路数字信号进行滤波处理后，与一路单边带上变频处理器相连。

6.一种基于单边带调制的载波解聚合系统，其特征在于，包括依次相连的光电探测器、模数转换器以及载波解聚合数字信号处理单元；

所述载波解聚合数字信号处理单元包括N组递归相连的下变频处理器，每组下变频处理器包括下变频变换单元、匹配滤波器以及减法器；

下变频变换单元的输出端与减法器和匹配滤波器的输入端相连；

匹配滤波器的输出端与减法器和协议栈的输入端相连；

前一组载波解聚合数字信号处理单元中的减法器的输出端与下一组载波解聚合数字信号处理单元中的下变频变换单元的输入端相连；

第一组载波解聚合数字信号处理单元中的下变频变换单元的输入端输入经权利要求4或5所述聚合系统聚合后的信号；

每组载波解聚合数字信号处理单元中的匹配滤波器输出一路基带信号。