CN106961307A

CN106961307A - 非均匀相位分布qam信号的判决门限优化方法

Info

Publication number: CN106961307A
Application number: CN201710137100.2A
Authority: CN
Inventors: 余建军; 韩希锋; 张俊文; 李欣颖
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2017-03-09
Filing date: 2017-03-09
Publication date: 2017-07-18

Abstract

本发明属于光载无线通信技术领域，具体为一种非均匀相位分布QAM信号的判决门限优化方法。由于光和电器件的特性不理想，用一个调制器基于光载波抑制技术倍频产生矢量毫米波信号，在平方律检测时相位分布不均匀。本发明通过星座图中各星座间距离的不同，采用灵活划分判决门限的方法。与平均划分的传统方案相比，本发明使得信号的误码率性能大大提高。本发明方案适用于任何由一个调制器倍频产生的矢量信号，包括QPSK、8QAM、8PSK、16QAM、64QAM以及更高阶的QAM。

Description

非均匀相位分布QAM信号的判决门限优化方法

技术领域

本发明属于光载无线通信技术领域，具体的说，涉及一种非均匀相位分布QAM信号的判决门限优化方法。

背景技术

当连续光波经过某一射频信号驱动的外调制器时，可以产生光载无线信号。由于能够降低光和电器件所需的带宽，基于光载波抑制技术产生光载毫米波被证明是一种很好的方案。因为光载无线矢量信号经过光检测器进行平方检测后相位会加倍，所以相位预编码十分必要。然而，由于光和电器件的带宽限制，以及DAC的有效字比特数限制，在接收端经过光电转换后，QAM信号的相位分布不是均匀的。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种非均匀相位分布QAM信号的判决门限优化方法。通过该方法能降低误码率性能。

本发明的技术方案具体介绍如下。

本发明提供一种非均匀相位分布QAM信号的判决门限优化方法，其基于的实验装置由外腔激光器ECL、调制器MZM、数模转换器DAC、电放大器EA、可调光衰减器VOA、光检测器PD和实时示波器OSC组成；发射端中，数模转换器DAC将MATLAB产生的序列转换成模拟信号，经过电放大器EA放大后，该信号通过调制器MZM调制到外腔激光器ECL产生的连续波激光上；在接收端，光检测器PD检测到光信号后产生电信号，经过电放大器EA放大后，该信号通过实时示波器采集并由计算机离线处理；实时示波器采集的数据经过计算机MATLAB进行处理后获得星座图，用MATLAB提取各星座点的相位，取相邻星座相位之间的中间值作为判决门限进行判决。

本发明中，实时示波器采集数据由计算机离线处理的算法包括：1）下转换到基带；2）用波特率的两倍重采样；333）用峰值搜索方法提取时钟；4）横模算法；5）载波恢复，包括FFT方法进行频偏估计和盲相位搜索的前向反馈相偏估计；6）用差分解码消除π/2相位模糊。

本发明中，调制器MZM是强度调制器、相位调制器或直接调制激光器中任意一种。

和现有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）与传统的判决方法相比，本发明的优化的判决方法误码率性能提高。

（2）本发明方法适用性广，适用于任何由一个调制器（强度调制器、相位调制器以及直接调制激光器）倍频（2阶、3阶、4阶或更高）产生的矢量毫米波信号，包括QPSK、8QAM、8PSK、16QAM、64QAM以及更高阶的QAM。

（3）本发明适用于任何由一个调制器倍频产生具有一定的载频的矢量信号，载频可以是毫米波，或者微波、太赫兹波等。

附图说明

图1是实施例1的实验装置图。

图2是实施例1的经过强度调制后8Gbaud信号的光谱图。

图3是实施例1的经过强度调制后16Gbaud信号的光谱图。

图4是实施例1的相位恢复前的星座图。

图5是实施例1的传统判决门限的星座图。

图6 是实施例1的优化判决门限的星座图。

图7 是实施例1的QPSK信号的相位分布。

图8 是实施例1的 8Gbaud信号的误码率曲线。

图9 是实施例1的 16Gbaud信号的误码率曲线。

具体实施方式

下面将根据本发明提出的判决门限优化方法，以QPSK信号为例结合附图完整地描述具体实施方案。

实施例1

本发明的实验装置如图1所示。它是由外腔激光器（ECL）、调制器（MZM）、数模转换器（DAC）、电放大器（EA）、可调光衰减器（VOA）、光检测器（PD）和实时示波器（OSC）组成。DAC将MATLAB产生的序列转换成模拟信号，经过EA放大后，该信号通过MZM调制到ECL产生的连续波激光上，这是发射端。在接收端，PD检测到光信号后产生电信号，经过EA放大后，该信号通过实时示波器采集并由计算机离线处理。

实施例中，外腔激光器波长为1552.3nm，输出功率为16dBm，线宽为100kHz。MZM调制器的3dB带宽是37GHz，1GHz处半波电压是2.7V，插入损耗是5dB。为了通过光载波抑制技术产生信号，直流偏置电压被设置为射频信号消失的最小输出点。数模转换器（DAC）的采样率和3dB带宽分别是80GSa/s和20GHz。该DAC设计为8位，它的有效字长在0~10GHz时大约是6位，在10~15GHz时大约是5位，在15~20GHz时大约是4位。

用MATLAB编程产生预编码的QPSK信号，该信号的相位是原始QPSK信号的一半，星座点的仿真如图1中a子图所示。QPSK信号的波特率是可编程的，本发明中分别测量了8和16Gbaud，信号序列的长度均是2¹³。一个数字IQ混合器将预编码的QPSK信号和18GHz的射频混合起来。MATLAB产生的序列导入FPGA中，然后直接输出到DAC。16Gbaud的QPSK信号与18GHz射频混合后的电谱如图1中b子图所示。通过光载波抑制技术产生的毫米波频率是36GHz。DAC输出信号的峰峰值是0.4V，被一个两阶放大器放大至5V，然后驱动MZM调制器。8Gbaud和16Gbaud的光载毫米波信号光谱分别如图2和图3所示，光载波抑制了30dB。由于DAC的带宽限制，16Gbaud信号的频谱图变得不对称，高频部分的光功率比低频部分低。光衰减器改变输入到光检测器的光功率，方便测量误码率。光检测器的3dB带宽是50GHz。光检测器输出信号经过电放大器，然后输入到实时示波器进行数据采集。电放大器的3dB带宽是50GHz，增益是30dB。实时示波器的3dB带宽是45GHz，采样率是120GSa/s。采集的数据通过计算机MATLAB处理，对于每一个误码率值，我们计算20×10⁶个比特。

用MATLAB处理采集数据的算法包括：1）下转换到基带；2）用波特率的两倍重采样；3）用峰值搜索方法提取时钟；4）横模算法；5）载波恢复，包括FFT方法进行频偏估计和盲相位搜索的前向反馈相位估计；6）用差分解码消除π/2相位模糊。

调节光衰减器使输入到光检测器的光功率为-4.6dBm，光载毫米波频率为36GHz处的16Gbaud QPSK矢量信号星座图如图4所示。频率恢复后的星座图如图4所示，星座A和B、B和C、C和D相互之间紧挨着。相位恢复后的星座图如图5所示，星座之间的距离拉开一些。星座A和D间距离较大，其他星座间距离相对较短，相位分布不均匀。当我们用传统的判决方法，即四个相等区域，计算的误码率是3.4×10^-3。主要的误判决来自于星座A和D，它们各自有一些点分布在错误的判决区域。用MATLAB处理采集数据，命令如下，其中X_phase是得到的相位信息，phase()是MATLAB获得某复数相位信息的命令，mod()是MATLAB求余的命令，Xdata是星座点复数：

X_phase=phase(Xdata)/pi*180-20;

X_phase=mod(X_phase, 360);

得到QPSK信号的相位分布如图7所示，可以清楚地看到星座A和D的相位差相对较大。此时，采用优化的判决门限，MATLAB命令如下：

X_i1=(X_phase>=260)*2-1;

X_i2=((X_phase<260)&(X_phase>=75))*2-1;

重新得到星座图如图6所示。因为星座C和D距离较小，星座A和D距离较大，根据得到的相位信息，我们选取相邻相位的中间值作为判决门限，得到四个星座的判决区域分别为20°~ 90°、90°~160°、160°~270°和270°~20°。用该方案重新判决后，计算得到的误码率小于1×10^-4。

通过调节光衰减器控制输入到光检测器中的光功率，测量得到误码率曲线如图8和9所示，分别对应8Gbaud和16Gbaud的QPSK矢量毫米波信号。硬判决前向纠错（HD-FEC）误码率为3.8×10^-3，8Gbaud信号的接收机灵敏度提高了0.8dB。随着输入功率的增加，性能的提高更加明显。输入功率是-12.4dBm时，性能从1×10^-3提高到5×10^-5。对传统的判决方法，无法得到小于1×10^-3的误码率，最小仅为2×10^-3。

需要指出的是本发明适用于任何由一个调制器（强度调制器，相位调制器以及直接调制激光器）倍频产生的任何矢量毫米波信号。倍频数可以是2、3、4甚至更高，调制格式可以是QPSK、8QAM、8PSK、16QAM、64QAM以及更高阶的QAM。因为本发明针对的是平方律检测使得接收信号的相位分布不均匀，所以本发明也可以被任何不均匀相位分布的星座点判决采用。

Claims

1.一种非均匀相位分布QAM信号的判决门限优化方法，其特征在于，其基于的实验装置由外腔激光器ECL、调制器MZM、数模转换器DAC、电放大器EA、可调光衰减器VOA、光检测器PD和实时示波器OSC组成；发射端中，数模转换器DAC将MATLAB产生的序列转换成模拟信号，经过电放大器EA放大后，该信号通过调制器MZM调制到外腔激光器ECL产生的连续波激光上；在接收端，光检测器PD检测到光信号后产生电信号，经过电放大器EA放大后，该信号通过实时示波器采集并由计算机离线处理；实时示波器采集的数据经过计算机MATLAB进行处理后获得星座图，用MATLAB提取各星座点的相位，取相邻星座相位之间的中间值作为判决门限进行判决。

2.根据权利要求1所述的判决门限优化方法，其特征在于，实时示波器采集数据由计算机离线处理的算法包括：1）下转换到基带；2）用波特率的两倍重采样；3）用峰值搜索方法提取时钟；4）横模算法；5）载波恢复，包括FFT方法进行频偏估计和盲相位搜索的前向反馈相偏估计；6）用差分解码消除π/2相位模糊。

3.根据权利要求1所述的判决门限优化方法，其特征在于，调制器MZM是强度调制器、相位调制器或直接调制激光器中任意一种。