CN106533566A - 基于推挽和补偿算法提高直调微波光子链路线性度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波光子信号传输和处理技术领域，并公开了基于推挽结构和自适应后补偿算法提高直接调制微波光子链路线性度的方法。该方法包括：(a)将初始信号分为上下两路信号；(b)上下两路信号的推挽调制；(c)平衡探测对偶数阶失真信号的抑制；(d)自适应后补偿算法对三阶交调失真信号(IMD3)的抑制。通过本发明，实现大宽带高线性度直接调制微波光子链路，其中所有的偶数阶的失真信号和三阶交调失真信号均被抑制，该方法具备成本低、结构紧凑和性价比高等特点。

Description

基于推挽和补偿算法提高直调微波光子链路线性度的方法

技术领域

本发明属于微波光子信号传输和处理技术领域，更具体地，涉及基于推挽结构和后补偿算法提高直调微波光子链路线性度的方法。

背景技术

微波光子学是一门结合微波领域与光子学领域的交叉学科，微波光子学技术是将微波信号调制到光信号上经过光纤实现远距离传输，它有效的结合了光纤通信与无线电通信两者的优势，具有低损耗、大容量、抗电磁干扰、使用方便等优点，因此被广泛的应用到光载无线(ROF)系统，电子战系统，阵列雷达，有线电视等应用领域。无杂散动态范围(SFDR)是描述微波光子链路性能最重要的指标之一，它是一个综合考虑交调失真(IMD)与噪声系数(NF)的评估指标。由于微波光子链路的非线性传输特性，导致微波信号产生交调失真，其中，二阶交调失真信号IMD2和三阶交调失真信号IMD3最为严重，它们的存在会严重限制系统的SFDR。

微波光子学链路的调制方式可以分为直接调制和外调制，其中关于如何提高外调制微波光子学链路线性度的研究已经比较成熟，而对如何提升直接调制微波光子链路线性度的研究却很少，但是与外调制相比，直接调制具有成本低、结构简单、体积小等优点，因此，在一些特殊的场合，比如大型阵列结构、多基站ROF系统等，直接调制系统比外调制系统更加合适。为了抑制IMD2提高线性度，荷兰温特大学David博士2011利用推挽结构很好地抑制了IMD2，在输入射频功率较小的条件下，获得了大宽带高线性度的微波光子链路。但是随着输入的射频信号功率的增大，系统的IMD3变得十分明显，成为限制系统线性度最主要的因素，而推挽结构没办法抑制奇数阶交调失真信号(包括IMD3)。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了基于推挽联合自适应后补偿算法提高直调微波光子链路线性度的方法，通过使用推挽结构和自适应后补偿算法解决抑制三阶和偶数阶的交调失真信号的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了基于推挽结构和自适应后补偿算法提高直调微波光子链路线性度的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)任意波形发生器(S101)产生初始射频电信号，经过电放大器(S102)放大，再被功分器(S103)分为强度相等、相位相反的上下两路电信号x₁和x₂；

(b)所述x₁和x₂分别直接调制两个DFB激光器(S104，S105)得到两路光信号E_c1和E_c2，实现推挽调制；

(c)调节可变光衰减器(S107)和可调光延时器(S106)使得所述光信号E_c1和E_c2的振幅相等和相位相反，分别采用探测器(S108，S109)将光信号转化成射频电信号E₁和E₂，其中，所述E₁和E₂两路射频电信号相减实现平衡探测，从而实现对所有偶数阶失真信号的抑制，得到只含有奇数阶失真的射频电信号y；

(d)采用自适应后补偿算法实现对经过平衡探测器后的所述射频电信号y的三阶交调失真信号进行抑制，其中，所述自适应后补偿算法按照下列步骤进行：

(d1)将所述射频电信号y分为两路信号y₁和y₂，并分别做一次方和立方处理得到y₁ ¹和y₂ ³；

(d2)测试所述y₁ ¹和y₂ ³各自所含三阶交调失真信号的大小，并对y₂ ³进行线性补偿放大得到y₃，其中，所述y₁ ¹和y₃中所含三阶交调失真信号振幅大小相等，方向相反，二者相互抵消，从而实现三阶交调失真信号的抑制。

优选地，在步骤(a)中，所述两路射频电信号x₁和x₂优选按照下列表达式进行，其中，A是指所述初始射频信号中每个子载波的振幅，N是子载波的个数，t是指时间,ω_i是第N个子载波的角频率，j虚数单位，

优选地，在步骤(b)中，所述光信号E_c1和E_c2优选采用下列表达式，其中m,n为任意整数，η为调制深度，ω_c为所述DFB激光器产生的激光的角频率，ω_j为第j个子载波的角频率，f₁(m,n,η),f₂(m,n,η)为所述E_c1和E_c2的振幅大小，

优选地，在步骤(c)中，所述射频电信号E₁和E₂优选采用下列表达式，其中，I₀为单路输出射频电信号强度，I_out为经过平衡探测后的输出射频电信号强度，

当|m±n|＝2k+1,(k∈N)时，I_out＝4I₀，即奇数阶交调失真信号强度变为原来4倍；

当|m±n|＝2k+1,(k∈N)时，I_out＝0，即偶数阶交调失真信号强度均为0，被完全抑制。

优选地，在步骤(d1)中，所述射频信号y优选采用下列表达式，其中x是指所述初始射频电信号，f₁(x)是指利用推挽结构和平衡探测之后系统的非线性传递函数，a₁,a₃,a₅为非线性系数，

y＝f₁(x)＝a₁x+a₃x³+a₅x⁵。

优选地，在步骤(d2)中，测试所述y₁ ¹和y₂ ³各自所含三阶交调失真信号的大小优选按照下列步骤：

(I)对所述y₁ ¹和y₂ ³进行傅里叶变换得到各自的频谱图；

(II)确定初始射频信号的中心频率和带宽，根据所述频谱图和所述中心频率和带宽确定所述y₁ ¹和y₂ ³中三阶交调失真信号的频率范围；

(III)在所述频率范围中测试所述y₁ ¹和y₂ ³各自所含三阶交调失真信号的大小。

优选地，在步骤(d2)中，所述补偿信号y₃优选采用下列表达式，其中，b是通过循环迭代算法计算出的补偿系数，

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益的效果:

1、本发明通过采用推挽和自适应后补偿算法结合的方式，与仅利用推挽结构实现高线性度的直接调制微波光子链路相比，本发明不仅可以抑制偶数阶失真而且能够同时抑制三阶交调失真信号IMD3，此外，与仅利用数字信号后处理算法实现高线性度的直接调制微波光子链路技术相比，本发明利用了推挽结构使得自适应DSP补偿算法复杂度低，易于用现场可编程门阵列(FPGA)实现；

2、本发明通过推挽结构消除所有偶数阶失真，与现有利用预失真电路实现高线性度的直接调制微波光子链路相比，本发明考虑了偶数阶失真信号，在射频信号频率较大时链路仍然可以获得较大的带宽和容量；

3、本发明通过采用迭代循环算法实时的寻找补偿系数b，仅需知道输入信号的中心频率和带宽就可以使输出信号得到非线性补偿，使得该算法不仅具有自适应功能而且复杂度低；

4、本发明通过采用商用的分布式反馈半导体激光器,与利用特殊结构的激光器获得高线性度技术相比，本发明具有复杂度低，对工艺水平要求低，易于推广的优点；

5、本发明通过采用直接调制的方式，与现有的外调制方式相比，本发明具有成本低，结构紧凑，性价比高的优点。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的流程图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的系统原理图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的采用推挽结构前后OFDM信号的偶数阶失真信号(例如IMD2和HD2)被抑制情况的频谱图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的采用自适应后补偿算法前后OFDM信号的IMD3被抑制情况的频谱图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的采用推挽结构和联合自适应后补偿算法前后在1.6GHz附近误差向量幅度(EVM)性能的改善图。

图6是按照本发明的优选实施例所构建的采用推挽结构和联合自适应后补偿算法前后系统的SFDR2和SFDR3性能提升图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：S101-任意波形发生器(AWG)，S102-电放大器S103-1:2的180°功分器S104、S105-DFB激光器，S106-可调光延时器 S107-可变光衰减器，S108、S109-探测器 S110-模数转换器 S111-线下数字信号处理模块 S112-后补偿算法模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的流程图，图2是按照本发明的优选实施例所构建的系统原理图，如图1和图2所示，描述了基于推挽结构和后补偿技术的直接调制微波光子链路的总体系统结构图，AWG S101产生OFDM-64QAM信号，经过电放大器S102之后被一个1:2的180°功分器S103分为强度相等相位相反的上下两路信号，上下两路信号分别直接调制DFB激光器S104和S105，构成推挽调制；

调节上路可调光延时线S106和下路可变光衰减器S107，保证上下两路光信号经过一段距离的光纤传输在到达由探测器S108和S109构成的平衡探测器之前信号的振幅相等相位相反；

经过平衡探测和模数转换器S110之后的数字信号DSP算法模块S111对信号进行非线性补偿，使得输出近似线性的信号。其中补偿算法S112原理具体步骤包括：

将经过推完调制和平衡探测处理之后仅含奇数阶失真的射频信号分为两路y₁和y₂，分别做一次方y₁ ¹和立方y₂ ³处理；再对所述两路信号分别作傅里叶变换，根据两路信号的频谱图，结合输入射频信号的中心频率和带宽，寻找两路信号y₁ ¹和y₂ ³所含三阶交调失真的大小。

再利用循环迭代算法寻找补偿系数b，使得所述两路信号y₁ ¹和b×y₂ ³中所含三阶交调失真信号大小相等，方向相反；从而实现三阶交调失真信号的抑制。

图3是按照本发明的优选实施例所构建的采用推挽结构和平衡探测前后OFDM-64QAM信号的IMD2和HD2被抑制情况的频谱图，其中，图(a)是没有采用推挽结构和平衡探测的频谱图，图(b)是采用推挽结构和平衡探测之后的频谱图，我们可以发现在使用推挽结构和平衡探测之前基波信号与IMD2信号功率相差为22.1dB，使用推挽结构之后基波信号与IMD2信号功率差值为39.4dB，IMD2被成功抑制了17.3dB；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的采用推挽结构联合自适应后补偿算法前后OFDM-64QAM信号的IMD3被抑制情况的频谱图，其中，图(a)是OFDM-64QAM信号在背靠背情况下的频谱图，图(b)是没有采用自适应后补偿算法的频谱图，图(c)是采用采用了自适应后补偿算法之后的频谱图，我们可以发现在采用自适应后补偿算法之后基波信号与IMD3信号功率差值由19.17dB提升到27.36dB，被成功抑制了8.19dB；此外，IMD3被抑制之后基波信号与IMD3信号功率差值与背靠背情况下的差值仅相差2.09dB；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的采用推挽结构和DSP补偿算法前后在1.6GHz附近OFDM-64QAM信号的EVM对比图，我们可以发现在输入射频信号功率大于4dBm后，未采用该技术OFDM-64QAM信号的EVM增长速度明显大于采用了该技术情况下EVM增长速度。此外，(i)和(ii)分别是在输入射频信号功率为12dBm情况下，在采用推挽结构和自适应后补偿算法前后信号的星座图，我们可以发现采用该联合技术之后信号的EVM由7.97％下降到3.42％；

图6是按照本发明的优选实施例所构建的采用推挽结构和自适应后补偿算法之后系统SFDR2和SFDR3的改善，图(a)表示系统SFDR2改善情况，我们可以看出系统的SFDR2由75.6dB/Hz^1/2提升到了92.4dB/Hz^1/2。图(b)表示系统SFDR3由95.4dB/Hz^2/3提升到了103.8dB/Hz^2/3。综上，我们发现在采用推挽结构和自适应后补偿算法之后，系统SFDR2和SFDR3分别同时被提升了16.8dB和8.4dB；

从图3、图4以及图6中，我们可以得出结论，使用我们的提出的方法，是该试验中，IMD2和IMD3分别被抑制了17.3dB和8.19dB，SFDR2和SFDR3分别被提升16.8dB和8.4dB。

本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于推挽结构和自适应后补偿算法提高直调微波光子链路线性度的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)任意波形发生器(S101)产生初始射频电信号，经过电放大器(S102)放大，再被功分器(S103)分为强度相等、相位相反的上下两路射频电信号x₁和x₂；

(b)所述x₁和x₂分别直接调制两个DFB激光器(S104，S105)得到两路光信号E_c1和E_c2，从而实现推挽调制；

(c)调节可变光衰减器(S107)和可调光延时器(S106)使得所述光信号E_c1和E_c2的振幅相等和相位相反，分别采用探测器(S108，S109)将光信号转化成射频电信号E₁和E₂，其中，所述E₁和E₂相减实现平衡探测，从而实现对所有偶数阶失真信号的抑制，得到只含有奇数阶失真的射频电信号y；

(d)采用自适应后补偿算法实现对经过平衡探测器后的所述射频电信号y中的三阶交调失真信号进行抑制，其中，所述自适应后补偿算法按照下列步骤进行：

(d1)将所述射频电信号y分为两路信号y₁和y₂，分别做一次方和立方处理得到y₁ ¹和y₂ ³；

(d2)测试所述y₁ ¹和y₂ ³各自所含三阶交调失真信号的大小，并对y₂ ³进行线性补偿放大得到y₃，其中，所述y₁ ¹和y₃中所含三阶交调失真信号振幅相等，方向相反，二者相互抵消，从而实现三阶交调失真信号的抑制。

2.如权利要求1中所述的方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述两路射频电信号x₁和x₂优选按照下列表达式进行，其中，A是指所述初始射频信号中每个子载波的振幅，N是子载波的个数，t是指时间,ω_i是第i个子载波的角频率，j虚数单位，

$\begin{array}{c}{x}_1=A\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\exp \left({\mathrm{j\ω}}_{i}t\right)\\ x_2=A\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\exp \[j({\mathrm{\ω}}_{i}t+\mathrm{\π})\]\end{array}.$

3.如权利要求1中所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述光信号E_c1和E_c2优选采用下列表达式，其中m,n为任意整数，η为调制深度，ω_c为所述DFB激光器产生的激光的角频率，ω_j为第j个子载波的角频率，f₁(m,n,η),f₂(m,n,η)分别为所述E_c1和E_c2的振幅大小，

$\begin{array}{c}{E}_{c1}=\underset{m=-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\Σ}}\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\Σ}}\[f_1(m,n,\mathrm{\η})\]\×\exp \{j\[{\mathrm{\ω}}_{c}t+({\mathrm{m\ω}}_i\±{\mathrm{n\ω}}_j)t\]\}\\ E_{c2}=\underset{m=-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\Σ}}\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\Σ}}\[f_2(m,n,\mathrm{\η})\]\×\exp \{j\[{\mathrm{\ω}}_{c}t+({\mathrm{m\ω}}_i\±{\mathrm{n\ω}}_j)t+(m\±n)\mathrm{\π}\]\}\end{array}.$

4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，在步骤(c)中，所述新的射频电信号E₁和E₂优选采用下列表达式，其中，I₀为单路输出射频电信号强度，I_out为经过平衡探测后的输出射频电信号强度，

$\begin{array}{c}{I}_{out}=|E_1-E_2{|}^2=(E_1-E_2)\×{(E_1-E_2)}^{*}\\ =4I_0{\sin }^2\[\frac{(m\±n)\mathrm{\π}}{2}\]\end{array}$

当|m±n|＝2k+1,(k∈N)时，I_out＝4I₀，即奇数阶交调失真信号强度变为原来4倍；

当|m±n|＝2k+1,(k∈N)时，I_out＝0，即偶数阶交调失真信号强度均为0，被完全抑制。

5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，在步骤(d1)中，所述射频信号y优选采用下列表达式，其中x是指所述初始射频电信号，f₁(x)是指利用推挽结构和平衡探测后系统的非线性传递函数，a₁,a₃,a₅为非线性系数，

y＝f₁(x)＝a₁x+a₃x³+a₅x⁵。

6.如权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，在步骤(d2)中，测试所述y₁ ¹和y₂ ³各自所含三阶交调失真信号的大小优选按照下列步骤：

(I)对所述y₁ ¹和y₂ ³进行傅里叶变换得到各自的频谱图；

(II)确定初始射频信号的中心频率和带宽，根据所述频谱图和所述中心频率和带宽确定所述y₁ ¹和y₂ ³中三阶交调失真信号的频率范围；

(III)在所述频率范围中测试所述y₁ ¹和y₂ ³各自所含三阶交调失真信号的大小。

7.如权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，在步骤(d2)中，所述补偿信号y₃优选采用下列表达式，其中，b是通过循环迭代算法计算出的补偿系数，

$y_3=b\×y_2^3.$