CN116155385A - 基于kk关系下正交啁啾复用信号重构的多载波调制方案 - Google Patents

基于kk关系下正交啁啾复用信号重构的多载波调制方案 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于KK关系下正交啁啾复用信号重构的多载波调制方案，通过构造单边带的OCDM调制信号，利用数字上变频技术使得变频后的OCDM信号实部与虚部满足Kramers‑Kroning关系，在接收端采用KK接收机重构出OCDM信号的实部和虚部信息，最终提高通信系统的接收灵敏度。

Description

基于KK关系下正交啁啾复用信号重构的多载波调制方案
技术领域
本发明涉及正交啁啾复用技术与Kramers-Kroning接收机技术领域，特别涉及基于KK关系下正交啁啾复用信号重构的多载波调制方案。
背景技术
随着与CMOS工艺兼容的硅基光子器件所取得的突破性成果大力推动了片上光互连通信系统的发展，片上光互连通信系统具有集成化高、轻型化、功耗低等优势，是未来大容量、高集成度的通信系统发展趋势。并且在面对如今网络数据流量的急剧增长对通信系统的传输容量提出迫切需求难题，高阶调制格式和高效的数字信号处理算法应运而生，推动高速、大容量光纤通信系统的发展。基于多载波调制的正交频分复用(OFDM)系统，具有较高的频谱效率，相干光-OFDM系统能够有效抵抗光线信道中的色散问题。但是在强度调制直接检测(IM/DD)-OFDM系统中，信息调制在频域中的不同子载波上，高频处的子载波更容易遭到色散影响和功率衰落，影响通信质量。
最近，正交啁啾复用(OCDM)由于可以很好地应对IM/DD-OFDM系统中频率选择性衰落，具有更好的抗干扰能力，逐渐成为广受关注的调制技术之一。OCDM是传统啁啾扩频技术(CSS)的升级，传统CSS将信息调制在线性频率调制的啁啾信号上，以大幅度增加信号带宽的代价，使得CSS信号获得了较高的抗干扰能力。所以，传统CSS技术的频谱效率低，不适应于当前的高速大容量光通信系统。OCDM技术在给定的带宽内，采用一组奈奎斯特速率下的正交啁啾子载波传输信号，最大程度利用了系统的频谱效率，同时利用啁啾波形的频谱特性提高系统对色散损伤的抗性。
在IM/DD-OFDM系统中，需要在离线数据信号处理(DSP)过程中将频域的正交啁啾信号变换到时域，并且考虑到IM/DD系统只支持一维的光强调制，必须对时域正交啁啾信号进一步处理得到一维正交啁啾信号。数字变频技术可以实现用于IM/DD通信系统的一维正交啁啾信号，通过数字上变频，变频后信号的实部包含原本复数正交啁啾信号的实部和虚部，保留变频后信号的实部并用于IM/DD系统的调制传输。然而变频后信号的虚部信息被完全抛弃了。
与传统强度调制直接检测技术不同，单边带调制信号在频域上只有一半带谱的基带信号，具有更高的频谱效率。基于光信号的双边带调制技术在接收端采用平方强度检测时会受到色散引起的频率衰落影响，导致信号损伤。并且当缺少相应的色散补偿措施时，严重限制了信号在光纤中的最大传输距离。而从成本上来看，单边带调制方式仅增加了发送端的复杂度，接收端仍只需单个光电探测器接收。然而，单边带调制技术存在信号与信号间的拍频串扰(SSBI)问题。自2016年Kramers-Kroning(KK)接收机方案被提出，用以消除SSBI导致的信噪比恶化问题，KK接收机方案具有低的载波信号功率比(CSPR)要求和高的接收机灵敏度。
针对以上问题，本申请提出一种解决方案。
本发明方案提出基于Kramers-Kroning关系的正交啁啾复用信号重构的多载波调制光通信系统，构造单边带的OCDM调制信号，利用数字上变频技术使得变频后的OCDM信号实部与虚部满足Kramers-Kroning关系。接收端采用KK接收机重构出OCDM信号的实部和虚部信息，提高通信系统的接收灵敏度。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种基于KK关系下正交啁啾复用信号重构的多载波调制方案，通过构造单边带的OCDM调制信号，利用数字上变频技术使得变频后的OCDM信号实部与虚部满足Kramers-Kroning关系，在接收端采用KK接收机重构出OCDM信号的实部和虚部信息，最终提高通信系统的接收灵敏度。
技术方案：本发明所述的基于KK关系下正交啁啾复用信号重构的多载波调制方案，具体包括以下步骤：
S1：在光通信系统中，将原始的二进制比特流经过串并变换后，通过QAM映射模块，生成星座符号；
S2：通过正交啁啾复用OCDM调制模块，将星座符号调制到一组正交的啁啾波形上，生成OCDM信号，此时的OCDM信号为复值信号，利用啁啾波形之间的正交性提高传输效率和色散抗性；
S3：通过正交啁啾复用OCDM上变频模块对调制后的OCDM信号添加循环前缀后进行数字域上变频，利用加载虚拟载波使OCDM信号满足最小相位条件的单边带的OCDM复值信号；
S4：将S3中得到的单边带OCDM复值信号经过数模转换和IQ调制器加载到光波上，在光纤信道中进行传输；
S5：在接收端通过光电探测器PD接收S4中通过光纤信道传输的单边带OCDM信号，并进行模数转换后，送入离线数据信号处理DSP中进行处理；
S6：在离线数据信号处理DSP中，通过KK接收机从信号幅度中提取出相位信息，重构出OCDM复值信号；
S7：经过正交啁啾复用OCDM解调制模块和解映射模块恢复出原始信息。
作为优选，所述S1中的QAM映射模块将原始的比特信息映射成高阶星座符号，利用高阶星座符号携带更多的比特信息，提升传输速率。
作为优选，所述S2中的正交啁啾复用OCDM调制模块基于一组正交的啁啾子载波，利用一定带宽内的正交啁啾子载波传输信息，其中正交啁啾复用调制通过离散菲涅尔变换DFnT实现，经过离散逆菲涅尔变换后的正交啁啾基带信号表示为：
Figure BDA0004085817570000036
其中
Figure BDA0004085817570000031
表示离散逆菲涅尔变换操作，x(k)表示调制的第k个啁啾符号，根据公式(1)可知，离散菲涅尔变换需要区分奇偶情况；
在正交频分复用调制过程中，第(m,n)个元素的离散傅里叶变换可以表示为：
Figure BDA0004085817570000032
而从公式(1)中进一步将
Figure BDA0004085817570000033
表示为：
Figure BDA0004085817570000034
由此，离散菲涅尔变换矩阵可以由离散傅里叶变换矩阵和附加二次相位构成，附加二次相位分别为：
Figure BDA0004085817570000035
以及：
Figure BDA0004085817570000041
因此离散菲涅尔变换可以用离散傅里叶变换替代。
作为优选，所述S3中的正交啁啾复用OCDM上变频模块对OCDM信号进行数字域上变频，保留数字变频后的实部信息进行强度调制传输，同时使OCDM信号的实部和虚部满足Kramers-Kroning关系，具体的：
确定信号的波特率B，利用虚拟载波对OCDM信号进行数字域变频操作，变频后的信号表示为：
Figure BDA0004085817570000044
其中j表示虚数单位，fs＝B/2，常数A表示虚拟载波的幅值，并且|A|＞max(|s(t)|)，以满足最小相位条件；
考虑到基带OCDM信号是复值信号，进一步推导出：
Figure BDA0004085817570000043
变频后的信号实部和虚部分别表示为：sfr(t)和sfi(t)，根据希尔伯特变换局部乘积定理，对sfr(t)进行希尔伯特变换得：
Figure BDA0004085817570000045
经过数字域变频后，OCDM信号的虚部是实部的希尔伯特变化，满足Kramers-Kroning关系。
作为优选，所述S5中在接收端接收单边带OCDM信号时，需要通过滤波器去除杂散光。
作为优选，所述S6中通过KK接收机从信号幅度中提取出相位信息，重构出OCDM复值信号具体为：
S6.1：对信号进行过采样，并开根号后作为信号幅度信息；
S6.2：对过采样后的信号进行取对数和希尔伯特变换，得到信号的相位信息；
S6.3：利用幅度信息和相位信息重构出OCDM复值信号。
有益效果：本申请通过采用一组正交啁啾信号提高系统的色散抗性和多径问题；通过对正交啁啾信号进行单边带调制，并对调制后的实部和虚部构造Kramers-Kroning关系，接收端利用KK接收机从信号幅度信息中提取出相位信息，重构出正交啁啾信号，提高系统的接收灵敏度。
附图说明
图1是本申请的整体方案示意图；
图2是本申请中一组正交的啁啾子载波示意图；
图3是本申请中OCDM调制过程示意图；
图4是本申请中KK接收机算法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本身亲做进一步阐述，如图1所示为本方案示意图，在本实施例中，具体包括以下步骤：
S1：在光通信系统中，将原始的二进制比特流经过串并变换后，通过QAM映射模块，生成星座符号，具体的QAM映射模块将原始的比特信息映射成高阶星座符号，利用高阶星座符号携带更多的比特信息，进而提升传输速率。
S2：通过正交啁啾复用OCDM调制模块，将星座符号调制到如图2所示的一组正交的啁啾波形上，生成OCDM信号，如图3所示为OCDM调制过程示意图，此时的OCDM信号为复值信号，利用啁啾波形之间的正交性提高传输效率和色散抗性，具体的：
正交啁啾复用OCDM调制模块基于一组正交的啁啾子载波，利用一定带宽内的正交啁啾子载波传输信息，其中正交啁啾复用调制通过离散菲涅尔变换DFnT实现，经过离散逆菲涅尔变换后的正交啁啾基带信号表示为：
Figure BDA0004085817570000051
其中
Figure BDA0004085817570000067
表示离散逆菲涅尔变换操作，x(k)表示调制的第k个啁啾符号，根据公式(1)可知，离散菲涅尔变换需要区分奇偶情况；
在正交频分复用调制过程中，第(m,n)个元素的离散傅里叶变换可以表示为：
Figure BDA0004085817570000061
而从公式(1)中进一步将
Figure BDA0004085817570000062
表示为：
Figure BDA0004085817570000063
由此，离散菲涅尔变换矩阵可以由离散傅里叶变换矩阵和附加二次相位构成，附加二次相位分别为：
Figure BDA0004085817570000064
以及：
Figure BDA0004085817570000065
因此离散菲涅尔变换可以用离散傅里叶变换替代。
S3：通过正交啁啾复用OCDM上变频模块对调制后的OCDM信号添加循环前缀后进行数字域上变频，利用加载虚拟载波使OCDM信号满足最小相位条件的单边带的OCDM复值信号；具体的正交啁啾复用OCDM上变频模块对OCDM信号进行数字域上变频，保留数字变频后的实部信息进行强度调制传输，同时使OCDM信号的实部和虚部满足Kramers-Kroning关系，步骤如下：
确定信号的波特率B，利用虚拟载波对OCDM信号进行数字域变频操作，变频后的信号表示为：
Figure BDA0004085817570000066
其中j表示虚数单位，fs＝B/2，常数A表示虚拟载波的幅值，并且|A|＞max(|s(t)|)，以满足最小相位条件；
考虑到基带OCDM信号是复值信号，进一步推导出：
Figure BDA0004085817570000071
变频后的信号实部和虚部分别表示为：sfr(t)和sfi(t)，根据希尔伯特变换局部乘积定理，对sfr(t)进行希尔伯特变换得：
Figure BDA0004085817570000072
经过数字域变频后，OCDM信号的虚部是实部的希尔伯特变化，满足Kramers-Kroning关系。
S4：将S3中得到的单边带OCDM复值信号经过数模转换和IQ调制器加载到光波上，在光纤信道中进行传输。
S5：在接收端通过光电探测器PD接收S4中通过光纤信道传输的单边带OCDM信号，此时需要通过滤波器去除杂散光，然后进行模数转换后，送入离线数据信号处理DSP中进行处理。
S6：在离线数据信号处理DSP中，通过KK接收机从信号幅度中提取出相位信息，重构出OCDM复值信号，具体包括以下步骤：
S6.1：对信号进行过采样，并开根号后作为信号幅度信息；
S6.2：对过采样后的信号进行取对数和希尔伯特变换，得到信号的相位信息；
S6.3：利用幅度信息和相位信息重构出OCDM复值信号。
S7：如图4所示，对KK接收机重构的OCDM复值信号进行正交啁啾解调制，解调制过程是调制的反过程，通过解调制和QAM解映射的逆序操作，最终恢复出原始的比特信息。

Claims (6)

1.基于KK关系下正交啁啾复用信号重构的多载波调制方案，其特征在于：具体包括以下步骤：
S1：在光通信系统中，将原始的二进制比特流经过串并变换后，通过QAM映射模块，生成星座符号；
S2：通过正交啁啾复用OCDM调制模块，将星座符号调制到一组正交的啁啾波形上，生成OCDM信号，此时的OCDM信号为复值信号，利用啁啾波形之间的正交性提高传输效率和色散抗性；
S3：通过正交啁啾复用OCDM上变频模块对调制后的OCDM信号添加循环前缀后进行数字域上变频，利用加载虚拟载波使OCDM信号满足最小相位条件的单边带的OCDM复值信号；
S4：将S3中得到的单边带OCDM复值信号经过数模转换和IQ调制器加载到光波上，在光纤信道中进行传输；
S5：在接收端通过光电探测器PD接收S4中通过光纤信道传输的单边带OCDM信号，并进行模数转换后，送入离线数据信号处理DSP中进行处理；
S6：在离线数据信号处理DSP中，通过KK接收机从信号幅度中提取出相位信息，重构出OCDM复值信号；
S7：经过正交啁啾复用OCDM解调制模块和解映射模块恢复出原始信息。
2.根据权利要求1所述的基于KK关系下正交啁啾复用信号重构的多载波调制方案，其特征在于：所述S1中的QAM映射模块将原始的比特信息映射成高阶星座符号，利用高阶星座符号携带更多的比特信息，提升传输速率。
3.根据权利要求1所述的基于KK关系下正交啁啾复用信号重构的多载波调制方案，其特征在于：所述S2中的正交啁啾复用OCDM调制模块基于一组正交的啁啾子载波，利用一定带宽内的正交啁啾子载波传输信息，其中正交啁啾复用调制通过离散菲涅尔变换DFnT实现，经过离散逆菲涅尔变换后的正交啁啾基带信号表示为：
Figure FDA0004085817560000011
其中
Figure FDA0004085817560000012
表示离散逆菲涅尔变换操作，x(k)表示调制的第k个啁啾符号，根据公式(1)可知，离散菲涅尔变换需要区分奇偶情况；
在正交频分复用调制过程中，第(m,n)个元素的离散傅里叶变换可以表示为：
Figure FDA0004085817560000021
而从公式(1)中进一步将
Figure FDA0004085817560000022
表示为：
Figure FDA0004085817560000023
/>
由此，离散菲涅尔变换矩阵可以由离散傅里叶变换矩阵和附加二次相位构成，附加二次相位分别为：
Figure FDA0004085817560000024
以及：
Figure FDA0004085817560000025
因此离散菲涅尔变换可以用离散傅里叶变换替代。
4.根据权利要求1所述的基于KK关系下正交啁啾复用信号重构的多载波调制方案，其特征在于：所述S3中的正交啁啾复用OCDM上变频模块对OCDM信号进行数字域上变频，保留数字变频后的实部信息进行强度调制传输，同时使OCDM信号的实部和虚部满足Kramers-Kroning关系，具体的：
确定信号的波特率B，利用虚拟载波对OCDM信号进行数字域变频操作，变频后的信号表示为：
Figure FDA0004085817560000026
其中j表示虚数单位，fs＝B/2，常数A表示虚拟载波的幅值，并且|A|>max(|s(t)|)，以满足最小相位条件；
考虑到基带OCDM信号是复值信号，进一步推导出：
Figure FDA0004085817560000031
变频后的信号实部和虚部分别表示为：sfr(t)和sfi(t)，根据希尔伯特变换局部乘积定理，对sfr(t)进行希尔伯特变换得：
Figure FDA0004085817560000032
经过数字域变频后，OCDM信号的虚部是实部的希尔伯特变化，满足Kramers-Kroning关系。
5.根据权利要求1所述的基于KK关系下正交啁啾复用信号重构的多载波调制方案，其特征在于：所述S5中在接收端接收单边带OCDM信号时，需要通过滤波器去除杂散光。
6.根据权利要求1所述的基于KK关系下正交啁啾复用信号重构的多载波调制方案，其特征在于：所述S6中通过KK接收机从信号幅度中提取出相位信息，重构出OCDM复值信号具体为：
S6.1：对信号进行过采样，并开根号后作为信号幅度信息；
S6.2：对过采样后的信号进行取对数和希尔伯特变换，得到信号的相位信息；
S6.3：利用幅度信息和相位信息重构出OCDM复值信号。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116659414A (zh) * 2023-07-21 2023-08-29 南京信息工程大学 一种基于改进HiIbert变换的结构光解调方法
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