CN114268374B

CN114268374B - 非对称双单边带调制的偏振复用光生毫米波方法及系统

Info

Publication number: CN114268374B
Application number: CN202111589908.7A
Authority: CN
Inventors: 邓磊; 艾梦瑶; 宋海平; 程孟凡; 杨奇; 刘德明
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2021-12-23
Filing date: 2021-12-23
Publication date: 2023-07-25
Anticipated expiration: 2041-12-23
Also published as: CN114268374A

Abstract

本发明公开了一种非对称双单边带调制的偏振复用光生毫米波方法及系统，属于通信技术领域。通过在发射端同时在两个光载波非对称边带上调制了两个矢量调制信号和两个未调制信号，利用偏振复用技术可产生四个矢量调制信号和四个未调制信号。在接收端，将信号分开，最终产生四个频率相等的独立的毫米波。本发明的方法能够同时生成适用于MIMO的多路同载频毫米波信号，解决了现有技术中只能产生一路光生毫米波信号以及对称边带调制边带串扰的技术问题，并且没有色散所带来的功率衰减；且不需要相位恢复、色散补偿和信道均衡等数字补偿算法，在接收机端无需额外的数字信号处理。

Description

非对称双单边带调制的偏振复用光生毫米波方法及系统

技术领域

本发明属于通信技术领域，更具体地，涉及一种非对称双单边带调制的偏振复用光生毫米波方法及系统。

背景技术

5G移动通信使用的载波频率有Sub-6G和毫米波两类。其中Sub-6G的很多频段已经被占用，频谱资源受限，然而毫米波频段尚未被大规模使用，充裕的频谱资源可以更好的满足5G通信大带宽的需求。传统的电方式来生成毫米波信号，会受到电子器件带宽的限制，并且信号在大气信道的传输距离也极为受限。光生毫米波则可以规避这些问题，是一种很有前景的方案。大规模多输入多输出(MIMO)技术可以通过使用相同载波传输多个毫米波信号，有效提升系统的频谱效率和能量效率。因此，研究适用于大规模MIMO的光生毫米波方案是十分有意义的。

现在主要有两类基于外调制的光生毫米波方案，第一类是与相位调制和或强度调制结合的预编码技术，第二类是双单边带调制方案。与第一类方案相比，第二类方案的传输距离更长，具有更好的传输性能。但是这两种方案都只能产生一个毫米波，并不适合大规模MIMO应用。另外，也有在光载波的对称边带调制两个毫米波信号的方案，然而，类似的方案往往存在对称边带之间的串扰问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种非对称双单边带调制的偏振复用光生毫米波方法及系统，其目的在于同时生成适用于MIMO的多路同载频毫米波信号，由此解决现有技术中只能产生一路光生毫米波信号以及对称边带调制边带串扰的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种非对称双单边带调制的偏振复用光生毫米波方法，包括如下步骤：

步骤S1、生成四个独立的矢量调制信号和四个未调制信号，其中，一个矢量调制信号和一个未调制信号互为非对称双单边带信号，共形成4对非对称双单边带信号，所述4对非对称双单边带信号合成两路双非对称双单边带信号；

同时，产生激光光束，并将其分为相互正交的X偏振态光信号和Y偏振态光信号；

步骤S2、将所述两路双非对称双单边带信号分别与所述X偏振态光信号和Y偏振态光信号进行调制，产生两路已调信号；

步骤S3、将所述两路已调信号合束，形成合束光信号；

步骤S4、将所述合束光信号分为两个互为非对称的已调X偏振态光信号和已调Y偏振态光信号；

步骤S5、将所述已调X偏振态光信号分离为两个互为非对称双单边带X偏振态光信号，将所述已调Y偏振态光信号分离为两个互为非对称双单边带Y偏振态光信号；

步骤S6、将分离后的所述两个互为非对称双单边带X偏振态光信号和所述两个互为非对称双单边带Y偏振态光信号拍频成四路频率相等的毫米波信号。

进一步地，在步骤S2之前，还包括将所述两路双非对称双单边带信号进行功率放大。

进一步地，在步骤S1中，所述激光光束的波长为1550nm。

按照本发明的另一方面，提供了一种非对称双单边带调制的偏振复用光生毫米波系统，包括：

射频信号源，用于生成四个独立的矢量调制信号和四个未调制信号，其中，一个矢量调制信号和一个未调制信号互为非对称双单边带信号，共形成4对非对称双单边带信号，所述4对非对称双单边带信号合成两路双非对称双单边带信号；

激光光源，用于产生激光光束；

偏振分束器，用于将所述激光光束分为相互正交的X偏振态光信号和Y偏振态光信号；

IQ调制器MZM_X和IQ调制器MZM_Y，分别用于将所述两路双非对称双单边带信号分别与所述X偏振态光信号和Y偏振态光信号进行调制，产生两路已调信号；

偏振合束器，用于将所述两路已调信号合束，形成合束光信号；

自动环形偏振分束器，用于将所述合束光信号分为两个互为非对称的已调X偏振态光信号和已调Y偏振态光信号；

两个光延迟线干涉仪，分别用于将所述已调X偏振态光信号分离为两个互为非对称双单边带X偏振态光信号，将所述已调Y偏振态光信号分离为两个互为非对称双单边带Y偏振态光信号；

四个光电探测器，分别用于将分离后的所述两个互为非对称双单边带X偏振态光信号和所述两个互为非对称双单边带Y偏振态光信号拍频成四路频率相等的毫米波信号。

进一步地，所述两个光延迟线干涉仪将所述已调X偏振态光信号和所述已调Y偏振态光信号的分离，满足下述条件：

其中，FSR是DI的自由光谱区，F表示想要生成的毫米波信号的载波频率，f_s1和f_s2表示两个不同的载波频率。

进一步地，还包括分别设置在所述射频信号源与所述IQ调制器MZM_X及所述IQ调制器MZM_Y之间的功率放大器。

进一步地，所述激光光源产生的激光光束的波长为1550nm。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明的方法，通过在发射端同时在两个正交偏振态光载波非对称边带上调制了两个矢量调制信号和两个未调制信号，利用偏振复用技术可产生四个矢量调制信号和四个未调制信号。在接收端，将信号分开，最终产生四个频率相等的独立的毫米波。同时，由于使用的双单边带以及偏振复用的边带均不对称，本发明可以有效避免传统对称双单边带调制以及偏振复用带来的边带串扰，并且没有色散所带来的功率衰减。

(2)由于采用了同一个光源，本发明不需要相位恢复、色散补偿和信道均衡等数字补偿算法，无需额外的数字信号处理。

(3)作为优选，在电信号和光信号进行调制之前，将电信号进行功率放大。

总而言之，本发明的方法及系统能够同时生成适用于MIMO的多路同载频毫米波信号，解决了现有技术中只能产生一路光生毫米波信号以及对称边带调制边带串扰的技术问题，并且没有色散所带来的功率衰减；且不需要相位恢复、色散补偿和信道均衡等数字补偿算法，无需额外的数字信号处理。

附图说明

图1是本发明的非对称双单边带调制的偏振复用光生毫米波系统示意图。

图2是本发明的非对称双单边带调制的偏振复用光生毫米波系统各节点频谱图，其中，图2中的(a)-(u)分别表示信号a-信号u对应的频谱图。

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。

本发明提供了一种非对称双单边带调制的偏振复用光生毫米波系统，包括：

激光光源，用于产生激光光束；

具体的，如图1所示，在发射端，四个独立的矢量调制信号，分别记为信号a、b、f、g，四个未调制信号，分别记为信号c、d、h、i，其中，信号a与信号d、信号b与信号c、信号f与信号i及信号g与信号h分别构成4对非对称双单边带信号，且信号a、b、c、d与信号f、g、h、i分别构成一个双非对称双单边带信号，将信号a、b、c、d合为一路信号e，信号f、g、h、i合为一路信号j。

其中，信号a、b、c、d、f、g、h、i的表达式分别为：

S_a＝S₁(t)exp(-j2πf_s2t)，

S_b＝S₂(t)exp(-j2πf_s1t)，

S_c＝exp(+j2πf_s2t)，

S_d＝exp(+j2πf_s1t)，

S_f＝S₃(t)exp(j2πf_s2t)，

S_g＝S₄(t)exp(j2πf_s1t)，

S_h＝exp(-j2πf_s2t)，

S_i＝exp(-j2πf_s1t)，

其中，S₁(t)、S₂(t)、S₃(t)和S₄(t)表示四个独立的具有相同峰峰值的归一化矢量调制基带信号，f_s1和f_s2表示不同的载波频率，在本实施例中，f_s2＜f_s1。

信号e和信号j的表达式为：

S_e＝a_xS₁(t)exp(-j2πf_s2t)+c_xexp(+j2πf_s1t)+α[b_xS₂(t)exp(-j2πf_s1t)+d_xexp(+j2πf_s2t)]，

S_j＝k_yS₃(t)exp(+j2πf_s2t)+m_yexp(-j2πf_s1t)+β[l_yS₄(t)exp(+j2πf_s1t)+n_yexp(-j2πf_s2t)]，

其中，a_x、b_x、c_x、d_x、k_y、l_y、m_y、n_y、α以及β是十个正常数，调整这几个常数可以调整四个边带的相对幅度，来优化毫米波性能。

作为优选，信号a、b、f、g和信号a、b、c、d在合成信号e和信号j之后，分别与X偏振态光信号和Y偏振态光信号进行调制之前，对信号e和信号j通过功率放大器进行相应的功率放大。

激光光源产生的激光光束经过偏振分束器(PBS)后产生相互正交的X偏振态和Y偏振态两路光信号。X偏振态光信号进入IQ调制器MZM_X。Y偏振态光信号进入IQ调制器MZM_Y。IQ调制器MZM_X和IQ调制器MZM_Y分别包含一个I端口和一个Q射频端口，分别记为：IQMZM_XI和IQMZM_XQ，IQMZM_YI和IQMZM_YQ。本实施例中采用的是马赫-曾德尔调制器。激光光束的频率为f_c。其中，激光光源产生的激光束的波长为光通信波段，优选为1550nm。

针对每个偏振态，设计生成两个独立的矢量调制信号和两个未调制信号。

信号e的实部和虚部分别输入射频端口IQMZM_XI和IQMZM_XQ，驱动X偏振态光，实现信号e与X偏振态光信号进行调制。信号j的实部和虚部分别输入射频端口IQMZM_YI和IQMZM_YQ，驱动Y偏振态光，实现信号j与Y偏振态光信号进行调制。IQ调制器MZM_X和IQ调制器MZM_Y的输出经过偏振合束器(PBC)后合为一路光束输出，记该合束光为信号k。

其中，信号k的表达式为：

其中，分别表示X偏振态光信号的单位矢量、Y偏振态光信号的单位矢量，分别表示信号e与X偏振态光信号进行调制后的信号、信号j与Y偏振态光信号进行调制后的信号。

在接收端使用自动环形偏振分束器(AEPS)来稳定偏振状态，并且将合束光信号k分为已调X偏振态光信号(记为信号l)和已调Y偏振态光信号(记为信号m)，其中，已调X偏振态光信号和已调Y偏振态光信号也是非对称的。

其中，信号l和m的表达式为：

使用两个光延迟线干涉仪(DI)将信号l和信号m各分为既定的两路信号(分别记为信号n和o，信号p和q)，其中，信号n和o互为非对称双单边带X偏振态光信号，信号p和q互为非对称双单边带Y偏振态光信号。即信号n为f_c-f_s2处的矢量调制信号，信号o为f_c+f_s1处的未调制边带信号，信号p为f_c+f_s2处的矢量调制信号，信号q为f_c-f_s1处的未调制边带信号。

其中，信号n、o、p、q的表达式为：

S_Xn＝exp(j2πf_ct)[a_xS₁(t)exp(-j2πf_s2t)+c_xexp(+j2πf_s1t)]，

S_Xo＝exp(j2πf_ct){α[b_xS₂(t)exp(-j2πf_s1t)+d_xexp(+j2πf_s2t)]}，

S_Yp＝exp(j2πf_ct)[k_yS₃(t)exp(+j2πf_s2t)+m_yexp(-j2πf_s1t)]，

S_Yq＝exp(j2πf_ct){β[l_yS₄(t)exp(+j2πf_s1t)+n_yexp(-j2πf_s2t)]}

需要说明的是，当满足下述条件时，DI可以将接收到的已调X偏振态光信号(信号l)和已调Y偏振态光信号(信号m)分为既定的两路信号：

其中，FSR是DI的自由光谱区，F表示想要生成的毫米波信号的载波频率。

分离后的四个信号n、o、p、q分别由光电探测器(PD)检测，分别将其拍频成四路频率相等的独立的毫米波信号，分别记为信号r、s、t、u，得到的四路频率相等的独立的毫米波信号的频率均为f_s1+f_s2。其中，信号a-信号u的频谱图，如图2所示。

信号r、s、t、u的表达式为：

S_r＝S_XnS_Xn ^*＝c_x ²+[a_xS₁(t)]²+2a_xc_xcos[2π(f_s1+f_s2)t]，

S_s＝S_XoS_Xo ^*＝α²d_x ²+α²[b_xS₂(t)]²+2α²b_xd_xcos[2π(f_s1+f_s2)t]，

S_t＝S_YpS_Yp ^*＝m_y ²+[k_yS₃(t)]²+2m_yk_ycos[2π(f_s1+f_s2)t]，

S_u＝S_YqS_Yq ^*＝β²n_y ²+β²[l_yS₄(t)]²+2β²n_yl_ycos[2π(f_s1+f_s2)t]，

其中，S_Xn ^*、S_Xo ^*、S_Yp ^*、S_Yq ^*分别表示信号n、o、p、q的复共轭。

本发明还提供了一种非对称双单边带调制的偏振复用光生毫米波方法，包括如下步骤：

步骤S1、生成四个独立的矢量调制信号和四个未调制信号，其中，一个矢量调制信号和一个未调制信号互为非对称双单边带信号，共形成4对非对称双单边带信号，该4对非对称双单边带信号合成两路双非对称双单边带信号；

步骤S2、将两路双非对称双单边带信号分别与X偏振态光信号和Y偏振态光信号进行调制，产生两路已调信号；

步骤S3、将两路已调信号合束，形成合束光信号；

步骤S4、将合束光信号分为两个互为非对称的已调X偏振态光信号和已调Y偏振态光信号；

步骤S5、将已调X偏振态光信号分离为两个互为非对称双单边带X偏振态光信号，

将已调Y偏振态光信号分离为两个互为非对称双单边带Y偏振态光信号；

步骤S6、将分离后的两个互为非对称双单边带X偏振态光信号和两个互为非对称双单边带Y偏振态光信号拍频成四路频率相等的毫米波信号。

其中，在步骤S2之前，还包括将两路双非对称双单边带信号进行功率放大。

其中，在步骤S1中，激光光束的波长为1550nm。

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

1.一种非对称双单边带调制的偏振复用光生毫米波方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S3、将所述两路已调信号合束，形成合束光信号；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S2之前，还包括将所述两路双非对称双单边带信号进行功率放大。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述激光光束的波长为1550nm。

4.一种非对称双单边带调制的偏振复用光生毫米波系统，其特征在于，包括：

激光光源，用于产生激光光束；

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述两个光延迟线干涉仪将所述已调X偏振态光信号和所述已调Y偏振态光信号的分离，满足下述条件：

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，还包括分别设置在所述射频信号源与所述IQ调制器MZM_X及所述IQ调制器MZM_Y之间的功率放大器。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述激光光源产生的激光光束的波长为1550nm。