CN112087248B - 基于偏振复用光调制器产生PDM-m2QAM射频信号的光纤-无线通信系统 - Google Patents

基于偏振复用光调制器产生PDM-m2QAM射频信号的光纤-无线通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于光载无线通信技术领域，具体为一种基于偏振复用光调制器产生PDM‑m2QAM射频信号的光纤‑无线通信系统。本发明系统的发射端包括：激光器、偏振复用强度调制器、本地振荡器、倍频器、功分器、任意波形发生器、I/Q混频器、偏振分束器、光电探测器、发射天线；接收端包括：接收天线、模数转换器、后端DSP模块；系统仅使用一个偏振复用调制器，结合光子毫米波生成技术、副载波复用技术、无线多输入多输出技术、先进的数字信号处理等技术，实现PDM‑m2QAM射频信号的产生并在光纤‑无线链路中高速有效传输。系统结构灵活，调制效率高，传输速率有更大提升，在未来光载无线通信网络中具有巨大的应用价值。

Description

基于偏振复用光调制器产生PDM-m2QAM射频信号的光纤-无线 通信系统
技术领域
本发明属于光载无线通信技术领域，具体为一种基于偏振复用光调制器产生PDM-m2QAM射频信号的光纤-无线通信系统。
背景技术
近些年来，在云计算、多媒体服务和虚拟/增强现实等新型个人应用的快速发展推动下，各种新技术的产生需要大量的数据流量，通信网络的容量和带宽需求不断增大。毫米波频段可支撑更大的带宽，扩大系统容量，因此移动通信的频段正向更高频率的毫米波段迈进。光纤- 无线通信技术融合了无线通信和光纤通信的长处，具有大带宽、低损耗、移动灵活等诸多优势，是下一代接入网中极具前景的备选方案。
简单结构的高谱效率毫米波信号生成技术在光纤-无线通信系统中非常重要。由于光波具有不同的偏振态特点，偏振复用(PDM)技术可以在一个光波长信道中同时传输两束偏振态相互正交的光波分量，且这两束光波可以分别携带独立的信息。故PDM技术能使光传输系统的信息传输能力增加一倍且不需要额外的带宽资源，因此被广泛应用于通信系统中。此外，在光通信系统中多进制相位调制格式传输性能良好，但随着调制级数的提高，系统的调制和解调结构却也越来越复杂，实现难度增大，而正交幅度调制(QAM)作为一种结合强度和相位的调制格式，抗噪声效果好，更能提升频谱效率，目前正受到越来越多的研究。
发明内容
本发明的目的在于提出一种结构灵活、调制效率高的基于偏振复用光调制器产生PDM- m2QAM射频信号的光纤-无线通信系统。
本发明提供的基于偏振复用光调制器产生PDM-m2QAM射频信号的光纤-无线通信系统；包括发射端和接收端两大部分；其中：
发射端包括：激光器，偏振复用强度调制器，本地振荡器，倍频器，功分器，第一任意波形发生器，I/Q混频器，偏振分束器，光电探测器，发射天线；其中：
所述激光器，用于产生光纤通信所需的特定波长连续波激光；
所述偏振复用强度调制器，用于产生偏振复用光基带信号，并实现双边带调制；
所述本地振荡器，用于产生一定频率的正弦波；
所述倍频器，和本地振荡器结合使用，得到所需频率的正弦波；
所述功分器，用于将一路信号分束成两路；
所述第一任意波形发生器，用于产生m阶脉冲幅度调制信号PAM-m；
所述I/Q混频器，用于进行上变频，将信号加载到正弦波上；
所述偏振分束器，用于将放大后的光信号分成两束偏振态正交的光波；
所述光电探测器，其正负一阶边带与中心光载波拍频，产生电射频矢量信号；
所述发射天线，用于将电射频矢量信号发射入无线链路中；
接收机，包括：接收天线，模数转换器，后端DSP模块；其中：
所述接收天线，用于接收对线链路中的电射频矢量信号；
所述模数转换器，用于对接收天线接收到电射频矢量信号采样，并将其转换为离散数字信号，便于后端DSP信号处理；
所述后端DSP模块，包括：下变频模块，2×2MIMO结构的CMA均衡或CMMA均衡模块(该模块实施恒模算法(CMA)或级联的多模算法(CMMA))，2×2MIMO结构的DD-LMS 均衡模块(该模块实施频偏估计、相偏估计以及判决反馈-最小均方误差算法(DD-LMS))；下变频模块将接收到的离散数字信号重采样至所需的采样倍数；2×2MIMO结构的CMA均衡或CMMA均衡模块，实现PDM-m2QAM信号的偏振解复用、模值恢复、抑制天线间的多径效应和对信道噪声的补偿等，最终完成原始信号的恢复；2×2MIMO结构的DD-LMS均衡模块，基于判决反馈对信号进一步均衡，提升信号质量。
发射端的工作流程为：首先由本地振荡器结合倍频器产生所需频率的正弦波信号；该信号经功分器分为两路，进入I/Q混频器中；其中，一路的后续工作过程为：由任意波形发生器产生m阶的脉冲幅度调制信号(PAM-m)，分为同相(I)和正交(Q)两路，在I/Q混频器中与正弦波发生混频，生成m2-QAM信号，另外一路的工作过程同上；随后两路m2-QAM信号同时驱动偏振复用光调制器；该偏振复用光调制器由激光器产生的固定波长光载波进行调制，通过控制调制器的直流偏压等要素，在X、Y偏振方向上实现双边带调制，这样就可以把m2-QAM信号调制到双边带调制格式的一阶边带上；偏振复用光调制器耦合输出的信号即为PDM-m2QAM。载有PDM-m2QAM信号的偏振复用光波经过一定长度的光纤传输后，由偏振分束器对其进行偏振分集，获得两个相互正交的偏振分量(X、Y偏振分量)，然后到达各自链路中的光电探测器。在光电探测器中，携带信息的一阶边带与中心光载波进行拍频即可生成所需频率的电矢量射频信号，最后经一对发射天线发射出去。
接收端的工作流程为：接收天线接收发射天线发射的电矢量射频信号，并经过模数转换器实现模数转化，最后输入后端的DSP模块，实现PDM-m2QAM信号的偏振解复用、调制信号的模值恢复、抑制天线间的多径效应和对信道噪声的补偿，最终完成原始信号的恢复。
本发明中，有以下情况以需要注意：
偏振复用光调制器，耦合输出的信号经过光纤传输后，会有一定程度的偏振旋转，并且偏振分束器输入端的信号偏振态具有任意性，所以偏振分束器两个输出端输出信号其实是原X、 Y方向上数据信号的混合。
发射端发射天线和接收端的接收天线构成2×2MIMO无线链路中传输模块，该传输模块是由两对同极化状态(水平极化或垂直极化)的喇叭天线组成，实现电矢量射频信号在无线链路中的发射与接收。
如果任意波形发生器生成二阶脉冲幅度调制信号PAM2，最终偏振复用光调制器会产生 PDM-4QAM(PDM-QPSK)信号；针对此种模值恒定的调制信号，在DSP模块中，应选用 CMA算法进行均衡。而当m取其它值，并且最终产生的PDM-m2QAM的信号模值不唯一时，应选用CMMA进行均衡。
本发明中，为了克服光纤色散所带来走离效应的影响，在光纤传输链路中，可加入一个光滤波器，实现双边带信号到单边带信号的转化。或者通过调节偏振复用光调制器的偏置电压等参数，直接实现单边带调制。
本发明中，在系统的电学链路、光学链路中，均可视实际情况而定，加入电放大器或光放大器，起到放大信号功率作用。
本发明方案包含的关键技术如下：
1、利用光子毫米波生成技术中的外部调制器方案，生成频率稳定的毫米波，避免外差拍频方案所产生信号的频率抖动问题；
2、只利用单个光调制器，实现频率稳定、偏振复用的矢量毫米波，避免了使用复杂的多调制器结构；
3、融合了偏振复用技术、无线2×2MIMO技术、先进的矢量调制格式和DSP等技术，成倍提高频谱效率和传输速率，从而实现高速大容量光纤-无线融合传输。
在其它的类似方案中：有的采用外差拍频的方式，虽能得到较高的光信噪比，但是拍频所用的独立激光器难以锁频、锁相，导致产生的毫米波并不稳定；有的方案在系统中使用了多个调制器，其结构复杂，效率过于低下。而本发明方案仅使用一个偏振复用调制器，且并不需要提供额外的独立激光器拍频，在具体的实施系统中，结合光子毫米波生成技术、副载波复用技术、无线多输入多输出(MIMO)技术、先进的数字信号处理(DSP)等技术，实现PDM-m2QAM 射频信号的产生并可以在光纤-无线链路中高速有效传输。系统结构高效灵活，调制效率高，在传输速率上有了更大的性能提升，在未来光载无线通信网络中具有巨大的应用价值。
附图说明
图1是本发明的发射端结构示意图。
图2是本发明的接收机结构示意图。
图3是本发明的后端DSP模块结构示意图。
图4是本发明的基于PDM-m2QAM射频信号的高速大容量光纤-无线融合通信系统示意图。
图中标号：1-本地振荡器，2-倍频器，3-功分器，4-I/Q混频器，44-I/Q混频器，5-任意波形发生器，55-任意波形发生器，6-激光器，7-偏振复用调制器，8-光纤链路，9-偏振分束器， 10-光电探测器，101-光电探测器，11-发射天线，111-发射天线，12-接收天线，121-接收天线， 13-模数转换器，14-下变频模块，15-2×2MIMO结构的CMA/CMMA均衡模块，16-频偏估计模块，17-相偏估计模块，18-2×2MIMO结构的DD-LMS均衡模块，19-发射端，20-接收机。21-后端DSP模块。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作具体说明：
在发射端19：首先使用本地振荡器1结合倍频器2产生所需频率的正弦波，然后经功分器3分为两路进入I/Q混频器4和混频器44中。其中一路的后续工作过程为：任意波形发生器5产生m阶脉冲幅度调制信号(PAM-m)，分为同相(I)和正交(Q)两路，在I/Q混频器4中与正弦波发生混频，生成m2-QAM信号，另外一路的工作过程同上。随后两路m2-QAM 信号同时驱动偏振复用光调制器7。该调制器由激光器6产生的固定波长光载波进行调制，通过控制调制器的直流偏压等要素，在X、Y偏振方向上实现双边带调制，这样就可以把m2-QAM 信号调制到双边带调制格式的一阶边带上，偏振复用光调制器7耦合输出的信号即为 PDM-m2QAM。载有PDM-m2QAM信号的偏振复用光波经过一定长度的光纤8传输后，由一个偏振分束器9对其进行偏振分集，以获得两个相互正交的偏振分量(X、Y偏振分量)，然后到达各自链路中的光电探测器10和光电探测器101。在光电探测器10和光电探测器101中，携带信息的一阶边带与中心光载波进行拍频即可生成所需频率的电矢量射频信号，最后经一对天线发射出去。
在接收机20中，接收天线12和接收天线121完成电矢量射频信号的接收并经过模数转换器13实现模数转化，最后输入后端的DSP模块21。
后端对电信号处理的DSP模块21中，具体包括：下变频14到几G到十几G、CMA或CMMA算法(蝶形滤波器步长10～30)15、频偏估计(Viterbi-Viterbi算法)16、相偏估计(Viterbi-Viterbi算法)17、DD-LMS均衡(蝶形滤波器步长大概10～120)18，以此实现 PDM-m2QAM信号的偏振解复用、调制信号的模值恢复、抑制天线间的多径效应和对信道噪声的补偿，最终完成原始信号的恢复。

Claims (7)

1.一种基于偏振复用光调制器产生PDM-m2QAM射频信号的光纤-无线通信系统，其特征在于，包括发射端和接收端两大部分；其中：
发射端包括：激光器，偏振复用强度调制器，本地振荡器，倍频器，功分器，任意波形发生器，I/Q混频器，偏振分束器，光电探测器，发射天线；其中：
所述激光器，用于产生光纤通信所需的特定波长连续波激光；
所述偏振复用强度调制器，用于产生偏振复用光基带信号，并实现双边带调制；
所述本地振荡器，用于产生一定频率的正弦波；
所述倍频器，和本地振荡器结合使用，得到所需频率的正弦波；
所述功分器，用于将一路信号分束成两路；
所述 任意波形发生器，用于产生m阶脉冲幅度调制信号PAM-m；
所述I/Q混频器，用于进行上变频，将信号加载到正弦波上；
所述偏振分束器，用于将放大后的光信号分成两束偏振态正交的光波；
所述光电探测器，其正负一阶边带与中心光载波拍频，产生电射频矢量信号；
所述发射天线，用于将电射频矢量信号发射入无线链路中；
接收端，包括：接收天线，模数转换器，后端DSP模块；其中：
所述接收天线，用于接收对线链路中的电射频矢量信号；
所述模数转换器，用于对接收天线接收到电射频矢量信号采样，并将其转换为离散数字信号，便于后端DSP信号处理；
所述后端DSP模块，包括：下变频模块，2×2MIMO结构的CMA均衡或CMMA均衡模块，该模块实施恒模算法(CMA)或级联的多模算法(CMMA)，2×2MIMO结构的DD-LMS均衡模块，该模块实施频偏估计、相偏估计以及判决反馈-最小均方误差算法(DD-LMS)；下变频模块将接收到的离散数字信号重采样至所需的采样倍数；2×2MIMO结构的CMA均衡或CMMA均衡模块，实现PDM-m2QAM信号的偏振解复用、模值恢复、抑制天线间的多径效应和对信道噪声的补偿等，最终完成原始信号的恢复；2×2MIMO结构的DD-LMS均衡模块，基于判决反馈对信号进一步均衡，提升信号质量。
2.根据权利要求1所述的基于偏振复用光调制器产生PDM-m2QAM射频信号的光纤-无线通信系统，其特征在于，发射端的工作流程为：首先由本地振荡器结合倍频器产生所需频率的正弦波信号；该信号经功分器分为两路，进入I/Q混频器中；其中，一路的后续工作过程为：由任意波形发生器产生m阶的脉冲幅度调制信号，分为同相(I)和正交(Q)两路，在I/Q混频器中与正弦波发生混频，生成m2-QAM信号，另外一路的工作过程同上；随后两路m2-QAM信号同时驱动偏振复用光调制器；该偏振复用光调制器由激光器产生的固定波长光载波进行调制，通过控制调制器的直流偏压等要素，在X、Y偏振方向上实现双边带调制，这样就把m2-QAM信号调制到双边带调制格式的一阶边带上；偏振复用光调制器耦合输出的信号即为PDM-m2QAM；载有PDM-m2QAM信号的偏振复用光波经过一定长度的光纤传输后，由偏振分束器对其进行偏振分集，获得两个相互正交的偏振分量，然后到达各自链路中的光电探测器；在光电探测器中，携带信息的一阶边带与中心光载波进行拍频，即生成所需频率的电矢量射频信号，最后经一对发射天线发射出去。
3.根据权利要求2所述的基于偏振复用光调制器产生PDM-m2QAM射频信号的光纤-无线通信系统，其特征在于，接收端的工作流程为：接收天线接收发射天线发射的电矢量射频信号，并经过模数转换器实现模数转化，最后输入后端的DSP模块，实现PDM-m2QAM信号的偏振解复用、调制信号的模值恢复、抑制天线间的多径效应和对信道噪声的补偿，最终完成原始信号的恢复。
4.根据权利要求1-3之一 所述的基于偏振复用光调制器产生PDM-m2QAM射频信号的光纤-无线通信系统，其特征在于，发射端发射天线和接收端的接收天线构成2×2MIMO无线链路中传输模块，该传输模块由两对同极化状态即水平极化或垂直极化的喇叭天线组成，实现电矢量射频信号在无线链路中的发射与接收。
5.根据权利要求1-3之一所述的基于偏振复用光调制器产生PDM-m2QAM射频信号的光纤-无线通信系统，其特征在于，如果任意波形发生器生成二阶脉冲幅度调制信号PAM2，最终偏振复用光调制器产生PDM-4QAM(PDM-QPSK)信号；针对此种模值恒定的调制信号，在DSP模块中，应选用CMA算法进行均衡；当m取其它值，并且最终产生的PDM-m2QAM的信号模值不唯一时，选用CMMA进行均衡。
6.根据权利要求1-3之一所述的基于偏振复用光调制器产生PDM-m2QAM射频信号的光纤-无线通信系统，其特征在于，为了克服光纤色散所带来走离效应的影响，在光纤传输链路中，加入一个光滤波器，实现双边带信号到单边带信号的转化；或者通过调节偏振复用光调制器的偏置电压参数，直接实现单边带调制。
7.根据权利要求1-3之一所述的基于偏振复用光调制器产生PDM-m2QAM射频信号的光纤-无线通信系统，其特征在于，在系统的电学链路、光学链路中，加入电放大器或光放大器，起到放大信号功率作用。
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