CN109474559B - 基于相位预编码因子优化的相位预编码方法及矢量毫米波信号生成系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于相位预编码因子优化的相位预编码方法及矢量毫米波信号生成系统，属于通讯技术领域。本发明的相位预编码因子优化的方法，是通过将发送端相位预编码因子调整为2来实现的，能够保证接收端接收到的矢量信号为规则QPSK/8QAM的前提下增大发送端预编码后星座点之间的欧式距离，从而改善接收到的矢量信号的性能，在接收端离线数字信号处理模块处理后，只需将信号的实部取反就可以从中恢复出原始的发送数据。基于上述相位预编码方案的矢量毫米波信号生成系统，可以实现良好性能的矢量毫米波信号的生成，并具有结构简单、执行简易、成本高效、系统性能良好等优点。

Description

基于相位预编码因子优化的相位预编码方法及矢量毫米波信 号生成系统

技术领域

本发明属于通讯技术领域，涉及基于相位预编码因子优化的相位预编码方法及矢量毫米波信号生成系统。

背景技术

光载无线(Radio-over-Fiber，缩写为RoF)技术结合了光纤通信和无线通信的优点，解决了带宽问题、灵活性问题、电磁干扰问题，有望应用在未来的无线通信和空间通信。将RoF 技术与毫米波通信相结合可以满足下一代移动通信系统对于高带宽和高传输速率的需求。低成本高稳定的光生毫米波技术是RoF技术和毫米波通信结合中的关键技术之一。外调光制技术是较为常用的光生毫米波技术，该技术只使用一个激光器，因此可以产生稳定的毫米波载波。外部光调制还可以与矢量调制以及数字信号处理技术相结合，不仅可以提高系统的频谱效率，还能改善接收机的灵敏度。此外，外部光调制技术还可以与光倍频技术相结合，使用较低频率的本振信号产生高频率的毫米波载波。

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 precoding technique for vectorsignal generation based on OCS,”Photon.Technol.Lett.,vol.27,no.23,pp.2469–2472,2016】、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.Huand J.Gao, “Generation of a frequency sextupled optical millimeter wave witha suppressed central carrier using one single-electrode modulator,”OpticalFiber 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 CarrierSuppressed Frequency Eightfold Millimeter Wave Generation,”IEEE PhotonicsJournal,vol.9,no5,October.2017,Art.no.7203506】、的矢量毫米波信号产生。

现有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，因此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。对于QPSK调制格式，当倍频数大于4时，预编码后的星座点全部位于第一象限。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于相位预编码因子优化的相位预编码方法及矢量毫米波信号生成系统。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于相位预编码因子优化的相位预编码方法，是通过调整相位预编码因子来实现的，对于采用光K＝6倍频和QPSK调制格式的情形，在发送端相位预编码过程中将相位预编码因子由6优化为2，增大星座点之间的欧式距离，在接收端数字信号处理的载波恢复后将信号的实部取反以得到与发送端相位预编码前相同的星座分布。

基于所述方法的矢量毫米波信号生成系统，包括：

发送端离线数字信号处理模块，用于产生相位预编码的携带发送数据的射频驱动信号，其中相位预编码因子优化为2，发送数据采用QPSK或者8QAM矢量调制格式；

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；

电放大器，用于放大预编码射频驱动电信号；

单模激光器，用于产生单模连续波长光载波；

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；

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6倍；

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6倍的电矢量毫米波信号；

模数转换器模块，用于对电矢量毫米波信号进行模数转换；

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数字信号处理，以得到具有QPSK星座的信号；离线数字信号处理模块的功能包括下变频、恒模算法或者多模算法均衡和载波恢复；

星座恢复模块，将信号的实部取反以得到与原始信号相同的星座分布。

进一步，所述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相位预编码，其中相位预编码因子为2，发送数据采用QPSK或8QAM矢量调制格式；

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 6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6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，并经离线数字信号处理模块进行信号处理后，再将信号实部取反，从中恢复出原始的发送数据。

本发明的有益效果在于：

本发明针对基于6倍频产生的矢量毫米波信号的相位分布特点，提出相位因子优化的相位预编码方法来增大星座点之间的欧式距离，实现了良好性能的矢量毫米波信号的生成，并具有结构简单、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是本发明的基于上述相位预编码方案和光6倍频的矢量毫米波信号生成系统示意图。

图2是本发明提出的基于相位预编码因子优化的相位预编码方案，(a)为原始的QPSK 信号星座图；(b)为相位预编码因子为6时相位预编码后的星座图；(c)为相位预编码因子为2时相位预编码后的星座图。

图3是相位预编码因子优化为2时信号接收端的星座图；(a)为接收端离线数字信号处理模块后信号的星座图；(b)为星座恢复模块后信号的星座图。

附图标记：1为发送端离线数字信号处理模块，2为数模转换器模块，3为电放大器，4 为单模激光器，5为相位调制器，6为波长选择开关，7为单端光电二极管，8为模数转换器模块，9为接收端离线数字信号处理模块，10为星座恢复模块，11为基于上述相位预编码方案和光6倍频的矢量毫米波信号生成系统；①②③④分别表示四个星座点。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明提供的相位预编码因子优化的相位预编码方法，是通过调整相位预编码因子来实现的，具体如下：

以采用光6倍频和QPSK调制格式的情形为例，即倍频数K＝6。假设原始QPSK信号的相位为θ，θ取值为[π/4,3π/4,5π/4,7π/4]，假设驱动射频信号的相位为

则接收机侧光电探测后信号的相位为

会导致相位重合。因而在发送端需要进行相位预编码，现有的相位预编码方案是将待发送信号的相位除以倍频数K，得到驱动射频信号的相位，即

此时相位预编码因子等于光倍频数。当倍频数很高，即K较大时，发送端信号相位预编码后信号的相位

都较小，且都分布在第一象限，星座点的欧式距离较小，会影响信号在光纤中传输的性能。考虑到当倍频数K＝6的情况，我们相位将预编码因子由K优化为2，则驱动射频信号的相位为

接收机侧光电探测后信号的相位为：

即为[3π/4,π/4,7π/4,5π/4]。

因此将相位预编码因子优化为2后，接收端的信号依然是QPSK信号的星座分布。在经过接收端离线数字信号处理模块处理后将信号的实部取反就能实现3π/4和π/4相位互换， 7π/4和5π/4相位互换，从而得到与发送端相同的相位分布。

本发明提供的基于上述相位预编码因子优化的矢量毫米波信号生成系统，具体方案如下：

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相位预编码，其中相位预编码因子为2；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6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6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，并经离线数字信号处理模块进行信号处理后，只需对信号的实部取反就能从中恢复出原始的发送数据。

本发明提供的基于上述相位预编码因子优化的矢量毫米波信号生成系统，包括：

一个发送端离线数字信号处理模块，用于生成相位预编码的携带发送数据的射频驱动信号，其中相位预编码因子优化为2，发送数据可以采用QPSK、8QAM等矢量调制格式，如果采用8QAM矢量调制格式，在相位预编码之前还需要进行幅度预编码；

一个数模转换器模块，用于将预编码后的射频驱动信号进行数模转换；

一个电放大器，用于将数模转换生成的射频驱动电信号进行功率放大；

一个单模激光器，用于产生单模连续波长的光载波；

一个相位调制器，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；

一个波长选择开关，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 6倍；

一个单端光电二极管，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6倍的电矢量毫米波信号；

一个模数转换器模块，用于对电矢量毫米波信号进行模数转换；

一个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，以恢复出原始的发送数据。所述离线数字信号处理模块的功能包括下变频、恒模算法或者多模算法均衡、载波恢复等；

一个星座恢复模块，用于将信号的实部取反以得到与原始信号相同的星座分布。

图2是本发明提出的基于相位预编码因子优化的相位预编码方案，(a)为原始的QPSK 信号星座图；(b)为相位预编码因子为6时相位预编码后的星座图；(c)为相位预编码因子为2时相位预编码后的星座图。图3是相位预编码因子优化为2时信号接收端的星座图；(a) 为接收端离线数字信号处理模块后信号的星座图；(b)为星座恢复模块后信号的星座图。其中，①②③④分别表示四个星座点。

实施例1

如图1所示，为基于上述相位预编码方案和光6倍频矢量毫米波信号生成系统示意图，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、接收端离线数字信号处理模块和星座恢复模块。

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相位预编码的携带发送数据的射频驱动信号，其中相位预编码因子优化为2，发送数据可以采用QPSK 矢量调制格式；

数模转换器模块2，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3，其主要作用是放大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。

相位调制器5，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6，其主要作用是选出两个频率间隔为射频驱动频率6倍的子载波。

单端光电二极管7，其主要作用是对生成的两个频率间隔为射频驱动频率6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6倍的电矢量毫米波信号。

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下变频、恒模算法或者多模算法均衡、载波恢复等。以得到具有QPSK星座的信号。

星座恢复模块10，将信号的实部取反以得到与原始信号相同的星座分布。

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相位预编码因子为2 的相位预编码；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6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6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得到具有QPSK星座的信号，包括下变频、恒模算法或者多模算法均衡、载波恢复等。之后再将经过信号实部取反，便可以从中恢复出原始的发送数据。

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。

本发明中所述的通过优化相位预编码因子来增大星座点之间的欧式距离的相位预编码方案以及基于上述相位预编码方案和光6倍频的矢量毫米波信号生成系统，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θ的分布为[π/4,3π/4,5π/4,7π/4]。对于采用K＝4n+2,n＝1,2,3倍频产生矢量毫米波信号的情形。我们可以统一的将相位预编码因子优化为2。此时，发送端相位预编码后的相位

接收机侧光电探测后信号的相位为

即为：

[π/4+nπ/2,3π/4+3nπ/2,5π/4+5nπ/2,7π/4+7nπ/2]

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

也就是说接收端的信号依然是QPSK信号的星座分布。因此，我们提出的相位预编码方案可以适用于K＝4n+2,n＝1,2,3 倍频。

总之，本发明所述的一种基于相位预编码因子优化的相位预编码方法及矢量毫米波信号生成系统，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。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (1)

1.基于相位预编码因子优化的相位预编码方法，其特征在于：

是通过调整相位预编码因子来实现的，对于采用光K＝6倍频和QPSK调制格式的情形，在发送端相位预编码过程中将相位预编码因子由6优化为2，增大星座点之间的欧式距离，在接收端数字信号处理的载波恢复后将信号的实部取反以得到与发送端相位预编码前相同的星座分布；

包括：

发送端离线数字信号处理模块，用于产生相位预编码的携带发送数据的射频驱动信号，其中相位预编码因子优化为2，发送数据采用QPSK或者8QAM矢量调制格式；

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；

电放大器，用于放大预编码射频驱动电信号；

单模激光器，用于产生单模连续波长光载波；

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；

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6倍；

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6倍的电矢量毫米波信号；

模数转换器模块，用于对电矢量毫米波信号进行模数转换；

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数字信号处理，以得到具有QPSK星座的信号；离线数字信号处理模块的功能包括下变频、恒模算法或者多模算法均衡和载波恢复；

星座恢复模块，将信号的实部取反以得到与原始信号相同的星座分布；

所述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相位预编码，其中相位预编码因子为2，发送数据采用QPSK或8QAM矢量调制格式；

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6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6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，并经离线数字信号处理模块进行信号处理后，再将信号实部取反，从中恢复出原始的发送数据。

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