CN108521302A - 无相位预编码的奇数倍频矢量毫米波产生装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种无相位预编码的奇数倍频矢量毫米波产生装置及方法，属于电子通讯技术领域。本发明方法包括，对携带发送数据的射频驱动信号进行幅度预编码；然后进行数模转换和功率放大；单模激光器产生的连续波长光载波注入到相位调制器中，同时放大后的射频驱动电信号驱动相位调制器，输出一系列的子载波；使用波长选择开关选出两个频率间隔为射频驱动频率奇数倍的子载波；选出的两个子载波经由单端光电二极管执行外差拍频，然后进行模数转换，再经离线数字信号处理模块对相位进行相应的奇数倍操作。本发明提出的矢量毫米波信号生成装置及方法无需相位预编码操作，具有结构简单、执行简易、成本高效、系统性能良好等优点。
Description
技术领域
本发明属于通讯技术领域，特别涉及一种无相位预编码的奇数倍频矢量毫米波产生装置及方法。
背景技术
随着对带宽和速率要求的提高，低频段的射频信号不能满足要求。而毫米波频段(30～300GHz)可以提供巨大的带宽，可用于未来的无线通信和空间通信中，然而毫米波信号由于频率很高，在自由空间传输时损耗很大，严重的影响了其传输距离。针对毫米波传输距离受限的问题，基于射频拉远的光载无线通信技术应运而生，即将毫米波射频信号调制到光载波上并利用光纤传输毫米波信号。基于射频拉远的光载无线(Radio over Fiber,RoF)技术结合了光纤通信和毫米波的优点，用光纤传输高速率的毫米波射频信号，解决了毫米波信号传输距离较短的问题。矢量信号具有较高的频谱效率，因而将矢量信号调制到毫米波上进行传输并且与先进的数字信号处理技术相结合，可以实现信号的高效传输。毫米波的频率较高不容易直接产生，基于光子的毫米波矢量信号一般是基于外调制的方式产生的，具体为射频信号驱动外调制器对光信号进行调制，通过驱动电压和/或偏振电压的设置使调制器的输出光信号中的一些边带得到抑制，同时可以使另外一些边带功率较低，而需要的边带功率较高，另外在调制器的输出侧还可以选择性的采用波长选择开关(Wavelength Selective Switch,WSS)选择需要的边带，这样在接收端光电检测后就可以得到所需的矢量毫米波信号。科研界已经提出并实验验证了基于倍频的光生矢量毫米波的不同方案。可以实现2倍频【Y.Wang,Y.Xu,X.Li,J.Yu,and N.Chi,“Balance precodingtechnique for vector signal generation based on OCS,”Photon.Technol.Lett.,vol.27,no.23,pp.2469–2472,2016】、3倍频【X.Li,Y.Xu,J.Xiao,and J.Yu,“W-bandmillimeter-wave vector signal generation based on precoding-assisted randomphotonic frequency tripling scheme enabled by phase modulator,”IEEE PhotonicsJournal,vol.8,no.2,Apr.2016,Art.no.5500410】、4倍频【王勇,李明安,赵强,文爱军,王方燕,尚磊.新型四倍频光生毫米波矢量信号调制技术.光学学报,2012,32(9)：21-26】、6倍频【J.Lu,Z.Dong,J.Liu,X.Zeng,Y.Hu and J.Gao,“Generation of a frequencysextupled optical millimeter wave with a suppressed central carrier using onesingle-electrode modulator,”Optical Fiber Technology,vol.20,no.5,pp.533-536,Oct.2014】、8倍频【H.Zhang,L.Cai,S.Xie,K.Zhang,X.Wu and Z.Dong,“A Novel Radio-over-fiber System Based on Carrier Suppressed Frequency Eightfold MillimeterWave Generation,”IEEE Photonics Journal,vol.9,no 5,October.2017,Art.no.7203506】、的矢量毫米波信号产生。
现有偶数倍频技术主要是基于相位压缩的相位预编码方式来解决接收端的相位模糊，无论是采用平衡预编码还是非平衡预编码方式，预编码后星座点之间的欧式距离都很小，影响在光纤中传输的性能也会受限，也更容易受到光电器件不完美的影响，性能也会较差。
而专利一种九倍频QPSK光载毫米波信号的产生方法和系统(公开号CN105357159A)提出一种9倍频QPSK光载毫米波信号的产生方法，采用该方案产生毫米波信号不用对相位进行预编码，接收端也不需要额外的相位处理，但是该方案只适用于1/9/17倍频。
发明内容
针对奇数倍频产生的矢量毫米波信号的相位分布特点，提出一种无相位预编码的奇数倍频矢量毫米波信号产生装置及方法。
一种无相位预编码的奇数倍频矢量毫米波产生装置，包括发送端离线数字信号处理模块、数模转换器模块、电放大器、单模激光器、相位调制器、波长选择开关、单端光电二极管、模数转换器模块和接收端离线数字信号处理模块。
进一步的，所述发送端离线数字信号处理模块，用于对携带有发送数据的射频驱动信号进行幅度预编码；
所述数模转换器模块，用于将幅度预编码后的射频驱动信号进行数模转换；
所述电放大器，用于将数模转换生成的射频驱动电信号进行功率放大；
所述单模激光器，用于产生单模连续波长的光载波；
所述相位调制器，用于将放大的射频驱动电信号调制到光载波上，得到多个子载波，且相邻子载波的频率间隔等于射频驱动频率；
所述波长选择开关，用于选出两个子载波，且两个子载波的频率间隔为射频驱动频率的奇数倍；
所述单端光电二极管，用于将选出的两个子载波执行外差拍频，生成载波频率为射频驱动频率奇数倍的电矢量毫米波信号；
所述模数转换器模块，用于对电矢量毫米波信号进行模数转换；
所述接收端离线数字信号处理模块，用于对模数转换后的矢量毫米波信号的相位进行相应的奇数倍操作，以恢复出原始的发送数据。
进一步的，所述发送数据采用QPSK或8QAM矢量调制格式。
进一步的，所述离线数字信号处理模块的功能还包括下变频、恒模算法或者多模算法均衡、载波恢复、误码率计算。
一种无相位预编码的奇数倍频矢量毫米波信号产生方法，发送端离线数字信号处理模块对携带发送数据的射频驱动信号进行幅度预编码；然后将射频驱动信号进行数模转换和功率放大；单模激光器产生的连续波长光载波注入到相位调制器中，同时放大后的射频驱动电信号驱动相位调制器，输出一系列的子载波，相邻子载波频率间隔等于射频驱动频率；使用波长选择开关选出两个频率间隔为射频驱动频率奇数倍的子载波；选出的两个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奇数倍的电矢量毫米波信号；然后将电矢量毫米波信号进行模数转换，再经离线数字信号处理模块进行信号处理，以及对相位进行相应的奇数倍操作。
进一步的，所述发送数据采用QPSK矢量调制格式。
进一步的，由于QPSK信号幅度保持恒定，所以不需要幅度预编码；
记QPSK信号的相位角θ0为旋转角度，为常数；当接收端接收到K倍频的矢量毫米波，矢量毫米波的相位也相应的K倍，即：
当K为奇数时，记K＝2a+1,a＝0,1,2,3，接收到的相位为：
由于相位的周期为2π，相邻的两项之间的相位差为第三项与第一项相位差为π，第四项与第二项的相位差也为π，因此对于奇数倍频，无相位预编码接收端的信号依然是QPSK信号的星座分布。
进一步的，所述发送数据采用8QAM矢量调制格式。
本发明的有益技术效果为：本发明针对奇数倍频产生的矢量毫米波信号的相位分布特点，提出的光矢量毫米波信号生成装置及方法，无需相位预编码操作，具有结构简单、执行简易、成本高效、系统性能良好等优点。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1本发明的结构框架示意图；
图2是QPSK信号发射端的星座图，图中1,2,3,4表示四个星座点；
图3是QPSK信号射频驱动奇数K倍频后接收端的星座图；
图4是QPSK信号接收端相位奇数K倍后的星座图。
具体实施方式
为了使本技术领域人员能更好地理解本发明的目的、技术方案和有益效果，下面结合具体实施例和说明附图来进行完整的描述。
实施例1
如图1本发明的结构框架示意图所示，本发明一种无相位预编码的奇数倍频矢量毫米波产生装置，包括发送端离线数字信号处理模块、数模转换器模块、电放大器、单模激光器、相位调制器、波长选择开关、单端光电二极管、模数转换器模块和接收端离线数字信号处理模块。
发送端离线数字信号处理模块，其主要作用是基于离线数字信号处理产生幅度预编码的携带发送数据的射频驱动信号。
数模转换器模块，其主要作用是对离线数字信号处理模块产生的幅度预编码的携带发送数据的射频驱动信号执行数模转换。
电放大器，其主要作用是放大射频驱动电信号的功率。
单模激光器，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。
相位调制器，其主要作用是在射频驱动信号的驱动下，对光载波进行相位调制，输出多个子载波，且相邻子载波的频率间隔等于射频驱动频率。
波长选择开关，其主要作用是选出两个频率间隔为射频驱动频率奇数倍的子载波。
单端光电二极管，其主要作用是对生成的两个频率间隔为射频驱动频率奇数倍的子载波执行外差拍频，从而生成载波频率为射频驱动频率奇数倍的电矢量毫米波信号。
模数转换器模块，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；
接收端离线数字信号处理模块，其主要作用是对数字化后的矢量毫米波信号进行下变频、恒模算法或者多模算法均衡、载波恢复、接收端相位奇数倍、误码率计算等。以从中恢复出原始的发送数据。
发送端离线数字信号处理模块对携带发送数据的射频驱动信号进行幅度预编码；然后将射频驱动信号进行数模转换和功率放大；单模激光器产生的连续波长光载波注入到相位调制器中，同时放大后的射频驱动电信号驱动相位调制器，输出一系列的子载波；相邻子载波频率间隔等于射频驱动频率；使用波长选择开关选出两个频率间隔为射频驱动频率奇数倍的子载波；选出的两个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奇数倍的电矢量毫米波信号；然后将电矢量毫米波信号进行模数转换，再经离线数字信号处理模块进行信号处理，以及对相位进行相应的奇数倍操作。
发送数据可以采用QPSK、8QAM矢量调制格式。本发明中模块只需要进行幅度预编码，无需进行相位预编码。对于QPSK信号，由于幅度是恒定的，因而既不需要相位预编码也不需要进行幅度预编码操作。对于8QAM信号，需要进行幅度预编码操作。
本发明中所述的奇数倍频的无相位预编码方法以及基于奇数倍频的无相位预编码方案的矢量毫米波产生装置，适合于U、V、W等多种不同频段的光载无线通信系统。
实施例2
QPSK信号的相位分布为或者进行相应的旋转，记旋转角度为θ。当接收端接收到K倍频的矢量毫米波后，相位也相应的K倍，即为：这些相位有可能重合，导致接收端的相位无法区分，相应的也无法恢复信息，因而在发射端需要进行预编码。
本发明通过分析发现接收到的相位并不一定会重合，具体分析如下：
(1)当K为偶数时，记K＝2a,a＝1,2,3,…，接收端收到的相位为：
由于相位的周期为2π，也就是说第一项与第三项重合，第二项和第四项重合。当a为偶数时，接收到的这四个星座完全重合。
(2)当K为奇数时，记K＝2a+1,a＝0,1,2,…接收到的相位为：
由于相位的周期为2π，第三项与第一项相位差为π，第四项与第二项的相位差也为π，第一项(或第三项)与第二项(或第四项)的相位差为也就是说对于奇数倍频，接收端的信号依然是QPSK信号的星座分布。
因而，对于奇数K倍频，在发射端不需要进行传统的非平衡预编码或者平衡预编码操作，在接收端对收到的信号的相位进行奇数K倍操作即可。
考虑θ＝0和两种常见的QPSK星座分布。
(1)θ＝0时，如图2所示，发射端相位为
接收端收到的相位为如图3所示，图中(a)为K＝8m+1倍频的星座图，(b)为K＝8m+3倍频的星座图，(c)为K＝8m+5倍频的星座图，(d)为K＝8m+7倍频的星座图，m＝0,1,2,…；由图可知奇数K倍频后，星座点的位置可能发生变换。以3倍频为例，接收端星座点1和星座点2互换了，星座点3和星座点4互换了。
接收端相位奇数K倍后的相位为：
a为自然数，因而a(a+1)、3a(a+1)、5a(a+1)、7a(a+1)均为偶数，由于相位的周期为2π，因而接收端相位奇数K倍后的相位为与发射端信号的相位相同，如图4所示。
(2)时，发射端相位为接收端收到的相位为]接收端相位奇数K倍后的相位为：
由于相位的周期为2π，因而接收端相位奇数K倍后的相位为与发射端信号的相位相同。
因此，对于θ＝0和两种常见的QPSK星座分布，只需要在接收端对收到的信号的相位进行奇数K倍操作。那么接收端最后得到的信号的相位便与原始的QPSK信号的相位相同。
对于8QAM调制格式，由于其中4个星座点相位为另外4个星座点相位为因而，前述分析的方法仍适用于8QAM调制格式。
总之，本发明所述的一种无相位预编码的奇数倍频矢量毫米波产生装置及方法，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。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.无相位预编码的奇数倍频矢量毫米波产生装置，其特征在于：包括发送端离线数字信号处理模块、数模转换器模块、电放大器、单模激光器、相位调制器、波长选择开关、单端光电二极管、模数转换器模块和接收端离线数字信号处理模块。
2.根据权利要求1所述的无相位预编码的奇数倍频矢量毫米波产生装置，其特征在于：
所述发送端离线数字信号处理模块，用于对携带有发送数据的射频驱动信号进行幅度预编码；
所述数模转换器模块，用于将幅度预编码后的射频驱动信号进行数模转换；
所述电放大器，用于将数模转换生成的射频驱动电信号进行功率放大；
所述单模激光器，用于产生单模连续波长的光载波；
所述相位调制器，用于将放大的射频驱动电信号调制到光载波上，得到多个子载波，且相邻子载波的频率间隔等于射频驱动频率；
所述波长选择开关，用于选出两个子载波，且两个子载波的频率间隔为射频驱动频率的奇数倍；
所述单端光电二极管，用于将选出的两个子载波执行外差拍频，生成载波频率为射频驱动频率奇数倍的电矢量毫米波信号；
所述模数转换器模块，用于对电矢量毫米波信号进行模数转换；
所述接收端离线数字信号处理模块，用于对模数转换后的矢量毫米波信号的相位进行相应的奇数倍操作，以恢复出原始的发送数据。
3.根据权利要求2所述的无相位预编码的奇数倍频矢量毫米波产生装置，其特征在于：所述发送数据采用QPSK或8QAM矢量调制格式。
4.根据权利要求2所述的无相位预编码的奇数倍频矢量毫米波产生装置，其特征在于：所述离线数字信号处理模块的功能还包括下变频、恒模算法或者多模算法均衡、载波恢复、误码率计算。
5.无相位预编码的奇数倍频矢量毫米波产生方法，其特征在于：发送端离线数字信号处理模块对携带发送数据的射频驱动信号进行幅度预编码；然后将射频驱动信号进行数模转换和功率放大；单模激光器产生的连续波长光载波注入到相位调制器中，同时放大后的射频驱动电信号驱动相位调制器，输出一系列的子载波，相邻子载波频率间隔等于射频驱动频率；使用波长选择开关选出两个频率间隔为射频驱动频率奇数倍的子载波；选出的两个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奇数倍的电矢量毫米波信号；然后将电矢量毫米波信号进行模数转换，再经离线数字信号处理模块进行信号处理，以及对相位进行相应的奇数倍操作。
6.根据权利要求5所述的无相位预编码的奇数倍频矢量毫米波产生方法，其特征在于：所述发送数据采用QPSK矢量调制格式。
7.根据权利要求6所述的无相位预编码的奇数倍频矢量毫米波产生方法，其特征在于：由于QPSK信号幅度保持恒定，所以不需要幅度预编码；
记QPSK信号的相位角θ0为旋转角度，为常数；当接收端接收到K倍频的矢量毫米波，矢量毫米波的相位也相应的K倍，即：
当K为奇数时，记K＝2a+1,a＝0,1,2,3，接收到的相位为：
由于相位的周期为2π，相邻的两项之间的相位差为第三项与第一项相位差为π，第四项与第二项的相位差也为π，因此对于奇数倍频，无相位预编码接收端的信号依然是QPSK信号的星座分布。
8.根据权利要求5所述的无相位预编码的奇数倍频矢量毫米波产生方法，其特征在于：所述发送数据采用8QAM矢量调制格式。
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2018
- 2018-04-03 CN CN201810287679.5A patent/CN108521302A/zh active Pending
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