CN116582182B - 一种数字-DSM-光纤无线电DD-RoF方法 - Google Patents

一种数字-DSM-光纤无线电DD-RoF方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种数字‑DSM‑光纤无线电DD‑RoF方法，其涉及正交频分复用（OFDM）/离散多载波（DMT）信号的量化技术，ΔΣ调制（DSM）技术，时分复用技术，以及通信系统收发端的数字信号处理（DSP）算法。所述数字‑DSM‑光纤无线电DD‑RoF方法，应用于移动前传中包括以下步骤：离线生成模拟RoF信号与控制字信号；对模拟RoF信号进行量化生成数字PS‑q‑QAM/PS‑q‑PAM符号，量化因子为Q；计算模拟RoF信号量化后的量化误差；将残存的量化误差过采样与量化，完成DSM调制，生成DSM‑QAM信号。本发明提供的数字‑DSM‑光纤无线电DD‑RoF方法具有不需要高精度的DAC/ADC，能够极大简化BBU与RRU，实现了信号的低成本、高保真度传输，为未来无线前传提供了好的解决方案的优点。

Description

一种数字-DSM-光纤无线电DD-RoF方法
技术领域
本发明涉及正交频分复用(OFDM)/离散多载波(DMT)信号的量化技术，ΔΣ调制(DSM)技术，时分复用技术，以及通信系统收发端的数字信号处理(DSP)算法技术领域，尤其涉及一种数字-DSM-光纤无线电DD-RoF方法。
背景技术
无线回传、宽带无线接入等多种无线业务的快速发展，给容量带来了巨大的压力。为了满足对数据流量异常高的需求，迫切需要在部署期间显著提高网络密度。目前，云无线接入网络(C-RAN)是建议最广泛的降低密集部署成本的方法。在C-RAN的架构中，基带单元(BBU)和远程无线电单元(RRU)之间的连接是通过主要基于光纤的前传链路建立的。近年来，基于通用公共无线电接口(CPRI)的数字光纤无线电(D-RoF)方案由于其高信噪比(SNR)而被用作前传解决方案，但是D-RoF方案中的众多量化位需要占用更多带宽。作为替代，模拟光纤无线电(A-RoF)方案传输具有频谱效率(SE)优势的原始波形，但它容易受到噪声和非线性的影响，导致恢复的SNR和误差矢量幅度(EVM)恶化。
在文献[X.Liu，"Hybrid digital-analog radio-over-fiber(DA-RoF)modulation and demodulation achieving a SNR gain over analog RoF of>10dB athalved spectral efficiency，"in Proc.Opt.Fiber Commun.Conf.Exhibit.，San Diego，CA，USA，2021，pp.1–3.]中，为了在SNR和SE之间进行权衡，提出了混合数模光纤无线电(DA-RoF)方案，并在符号率为8Gbaud的强度调制和直接检测(IM-DD)系统中得到验证。
在文献[Y.Xu et al.，"Coherent digital-analog radio-over-fiber(DA-RoF)system with a CPRI-equivalent data rate beyond 1Tb/s for fronthaul，"Opt.Express，vol.30，no.16，pp.29409-29420，Aug.2022.]和[Y.Zhu，C.Zhang，X.Zeng，H.Jiang，Y.Xu，X.Xie，Q.Zhuge，and W.Hu，"1λ10.5Tb/s CPRI-equivalent rate 1024-QAMtransmission via self-homodyne digital-analog radio-over-fiber architecture，"in Proc.Eur.Conf.Opt.Commun.(ECOC)，Basel，Switzerland，2022，pp.1-3]中，DA-RoF方案被扩展应用到采用标准单模光纤(SSMF)和非耦合7芯光纤的双偏振相干系统中，符号速率分别为25和30Gbaud。
然而，基于光纤的前传可能不足以满足苛刻和适应性强的部署需求，特别是在有地理障碍或存在灾难的情况下。在这种情况下，无线前传作为一个有吸引力的替代解决方案，在部署中提供低成本、灵活性和可扩展性等优势。为了满足无线前传的容量要求，一种有前途的解决方案是利用毫米波(mm-wave)或具有足够带宽的更高频段。D波段(110-170GHz)是远距离高速无线前传的一个有前途的频段，它提供更宽的带宽和相对较低的大气衰减。
在文献[W.Li et al.，"23.1-Gb/s 135-GHz wireless transmission over 4.6-km and effect of rain attenuation，"IEEE Trans.Microw.Theory Techn.，doi:10.1109/TMTT.2023.3267547.]中，作者在光子辅助的135GHz毫米波系统中，在4.6公里的距离内传输净速率为23.1Gb/s的PS-64-QAM信号。距离速率乘积为106.3Gb/s·km，SE为3.85bit/s/Hz。在文献[F.Wang et al.，"Echo state network based nonlinearequalization for 4.6km 135GHz D-band wireless transmission，"J.Lightw.Technol.，vol.41，no.5，pp.1278-1285，Mar.2023.]中，数据速率超过8Gb/s的单载波正交相移键控(QPSK)信号在4.6公里的无线链路中以135GHz的频率成功传输，实现的误码率(BER)低于3.8×10-3的硬判决前向纠错(HD-FEC)阈值。
DA-RoF方案可以应用于无线前传，但模拟量化误差部分在无线信道中存在严重的衰减和失真，影响正交频分复用(OFDM)信号的重构并降低无线信号的恢复信噪比。因此，模拟部分的数字化对于提高保真度至关重要。最近，DSM技术被认为是前传应用的一个有前途的解决方案，因为它在数字化方面具有成本效益并且能够保持高带内SNR。
因此，有必要提供一种新的数字-DSM-光纤无线电DD-RoF方法解决上述技术问题。
发明内容
为解决目前的DA-RoF方案中，模拟量化误差部分抗噪性差，信道SNR需求和成本高的技术问题，本发明提供一种数字-DSM-光纤无线电DD-RoF方法。
本发明提供的数字-DSM-光纤无线电DD-RoF方法，应用于移动前传中，包括以下步骤：
离线生成模拟RoF信号与控制字信号；
对模拟RoF信号进行量化生成数字PS-q-QAM/PS-q-PAM符号，量化因子为Q；
计算模拟RoF信号量化后的量化误差；
将残存的量化误差过采样与量化，完成DSM调制，生成DSM-QAM信号；
将模拟RoF信号的数字量化信号与DSM-QAM信号以及控制字信号进行时域交织，生成时分复用(TDM)符号；
TDM符号经过发送端DSP处理，送入毫米波/太赫兹实验系统中进行传输，并由接收端示波器采样获得接收信号；
接收信号经过接收端DSP，时分解复用，DD-RoF信号解调，OFDM解调后，得到携带的超高阶QAM信号；
计算超高阶QAM信号的SNR与EVM，评估方案性能；
其中，模拟RoF信号经过DD-RoF调制，生成了数字量化PS-q-QAM/PS-q-PAM信号与DSM-QAM信号，这些部分与控制字信号通过时分复用技术在时域上进行交织，生成DD-RoF符号，经过发送端数字信号处理后，通过任意波形发生器(AWG)产生DD-RoF电信号，送入各种毫米波/太赫兹通信系统中进行传输，接收端通过数字示波器(DSO)采样，然后进行DSP处理，DD-RoF信号解调，OFDM解调，得到携带的超高阶QAM信号；计算超高阶QAM信号的SNR与EVM，评估方案性能。
优选的，所述模拟RoF信号可以是OFDM信号或DMT信号中的一种。
优选的，所述OFDM/DMT信号服从高斯分布，模拟RoF信号量化后信号为PS-q-QAM/PS-q-PAM。
优选的，所述DD-RoF的调制参数，如PS-q-QAM/PS-q-PAM阶数，DSM技术中的调制器结构，过采样率(OSR)，量化比特数都根据不同系统，不同的信道特性，不同传输指标等具体情况具体选择。
优选的，所述DD-RoF在光生毫米波/太赫兹系统中，DD-RoF电信号在IQ调制器中完成电-光转换，与另一路光信号在光电探测器(PD)中拍频产生毫米波/太赫兹射频信号，并通过天线进行自由空间传输，接收端的天线接收高频电信号后，经过低噪声放大器与混频器，将高频信号下变频至中频，然后由示波器进行采样。
优选的，所述毫米波/太赫兹通信系统，包括电生毫米波/太赫兹系统，光生毫米波/太赫兹系统。
优选的，所述接收端DSP与DD-RoF解调，OFDM解调等是发送端的逆过程。
与相关技术相比较，本发明提供的数字-DSM-光纤无线电DD-RoF方法具有如下有益效果：
本发明提供一种数字-DSM-光纤无线电DD-RoF方法：
相较于A-RoF与DA-RoF，本方案提升了OFDM信号的抗噪性能，提升了恢复的无线信号的SNR，实现了超高阶QAM的传输；相比D-RoF，本方案不需要高精度的DAC/ADC，能够极大简化BBU与RRU，实现了信号的低成本、高保真度传输，为未来无线前传提供了好的解决方案。
附图说明
图1为DD-RoF方案的具体原理与系统架构；
图2为模拟RoF信号(以OFDM为例)数字量化前后的星座图；
图3为模拟RoF信号(以OFDM为例)残余模拟量化误差的星座图；
图4为模拟RoF信号(以OFDM为例)残余模拟量化误差进行DSM量化前后的波形。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
请结合参阅图1-图4，其中，图1为DD-RoF方案的具体原理与系统架构；图2为模拟RoF信号(以OFDM为例)数字量化前后的星座图；图3为模拟RoF信号(以OFDM为例)残余模拟量化误差的星座图；图4为模拟RoF信号(以OFDM为例)残余模拟量化误差进行DSM量化前后的波形。
数字-DSM-光纤无线电DD-RoF方法，应用于移动前传中，包括以下步骤：
1)离线生成模拟RoF信号与控制字信号；
2)对模拟RoF信号进行量化生成数字PS-q-QAM/PS-q-PAM符号，量化因子为Q；
3)计算模拟RoF信号量化后的量化误差；
4)将残存的量化误差过采样与量化，完成DSM调制，生成DSM-QAM信号；
5)将模拟RoF信号的数字量化信号与DSM-QAM信号以及控制字信号进行时域交织，生成时分复用(TDM)符号；
6)TDM符号经过发送端DSP处理，送入毫米波/太赫兹实验系统中进行传输，并由接收端示波器采样获得接收信号；
7)接收信号经过接收端DSP，时分解复用，DD-RoF信号解调，OFDM解调后，得到携带的超高阶QAM信号；
8)计算超高阶QAM信号的SNR与EVM，评估方案性能；
其工作流程为：其中，模拟RoF信号经过DD-RoF调制，生成了数字量化PS-q-QAM/PS-q-PAM信号与DSM-QAM信号，这些部分与控制字信号通过时分复用技术在时域上进行交织，生成DD-RoF符号，经过发送端数字信号处理后，通过任意波形发生器(AWG)产生DD-RoF电信号，送入各种毫米波/太赫兹通信系统中进行传输，接收端通过数字示波器(DSO)采样，然后进行DSP处理，DD-RoF信号解调，OFDM解调，得到携带的超高阶QAM信号；计算超高阶QAM信号的SNR与EVM，评估方案性能。
所述模拟RoF信号可以是OFDM信号或DMT信号中的一种。
所述OFDM/DMT信号服从高斯分布，模拟RoF信号量化后信号为PS-q-QAM/PS-q-PAM。
所述DD-RoF的调制参数，如PS-q-QAM/PS-q-PAM阶数，DSM技术中的调制器结构，过采样率(OSR)，量化比特数都根据不同系统，不同的信道特性，不同传输指标等具体情况具体选择。
所述DD-RoF在光生毫米波/太赫兹系统中，DD-RoF电信号在IQ调制器中完成电-光转换，与另一路光信号在光电探测器(PD)中拍频产生毫米波/太赫兹射频信号，并通过天线进行自由空间传输，接收端的天线接收高频电信号后，经过低噪声放大器与混频器，将高频信号下变频至中频，然后由示波器进行采样。
所述毫米波/太赫兹通信系统，包括电生毫米波/太赫兹系统，光生毫米波/太赫兹系统。
所述接收端DSP与DD-RoF解调，OFDM解调等是发送端的逆过程。
本发明的关键部分是DD-RoF的调制与解调，原理如下：模拟RoF信号(OFDM)S0被分成数字部分与模拟部分，数字部分是由舍入运算(即量化)产生的数字信号D1，由于OFDM信号的时域幅度服从复高斯分布，D1自然是PS-QAM符号，通过(S0-D1)计算出残留的模拟量化误差A1，模拟量化误差部分在无线信道中存在严重的衰减和失真，影响正交频分复用(OFDM)信号的重构并降低无线信号的恢复信噪比，所以采用DSM技术对A1进行数字化，生成两路开关键控信号(OOK)并合并为一路DSM-QPSK信号D2，此后，将生成的数字量化部分，DSM-QPSK部分以及系统控制字(CW)部分进行时分复用(TDM)，生成DD-RoF信号，DD-RoF的解调是调制的逆过程。
此方案适用于多种毫米波通信系统，具有很好的普适性。
例如，在光生毫米波/太赫兹系统中，DD-RoF电信号在I/Q调制器中完成电-光转换，与另一路光信号在光电探测器(PD)中拍频产生毫米波/太赫兹电信号，并通过天线和透镜进行自由空间传输，接收端的天线接收高频电信号后，经过低噪声放大器与混频器，将高频信号下变频至中频，然后由示波器进行采样，将采样下来的数据进行接收端DSP与DD-RoF解调，从而恢复出原始发送符号，用以评估系统的性能提升。
相较于A-RoF与DA-RoF，本方案提升了OFDM信号的抗噪性能，提升了恢复的无线信号的SNR，实现了超高阶QAM的传输；相比D-RoF，本方案又节约了带宽，实现了信号的低成本、高保真度、高频谱效率传输，为未来无线前传提供了好的解决方案。
本发明的补充说明，包括：
(1)DD-RoF的调制参数，比如PS-q-QAM/PS-q-PAM阶数，DSM的结构，过采样率(OSR)，量化阶数(M-QAM)等，都可以根据不同系统，不同的信道特性，不同传输指标等具体情况具体选择，具有很高可调性与适用性。
(2)本发明具有良好的通用性，同时适用于多种电生毫米波/太赫兹系统，光生毫米波/太赫兹系统等多种应用场景。
(3)OFDM和DMT信号都可作为模拟RoF信号用于此方案。
OFDM和DMT信号都可作为模拟RoF信号用于此方案，在此以OFDM为例进行方案阐述。
如说明书中的附图1所示，将来自不同信道的无线信号，即同相正交(IQ)信号进行映射和归一化，生成高符号速率无线信号，即模拟RoF信号，表示为S0；将来自不同信道的CW位与I/Q信号分离；S0是模拟OFDM信号，其幅值在时域上服从复高斯分布，具有较高的峰均功率比(PAPR)；对S0使用取整和减法等运算，产生数字段D1与模拟误差A1，如(1)所示，
式(1)中，S0表示原始OFDM波形，Smax表示S0的最大幅度，Q是决定D1调制格式的量化因子，round()是对信号的实部和虚部进行四舍五入的函数，A1表示量化后残余的模拟量化误差；由于OFDM信号的时域幅度服从复高斯分布，第一个量化段D1自然是PS-q-QAM符号，其中q等于(2Q+1)2，如附图2所示；残余的模拟量化误差如附图3所示；此后对A1进行DSM量化，生成两路OOK信号，如附图4所示，并合并成一路DSM-QPSK信号D2；两部分分别在AWG的固定幅度下归一化；最后，D1和D2通过TDM聚合生成DD-RoF信号，SE降为A-RoF方案的1/(OSR+1)；DD-RoF解调是调制的相反过程，如附图1所示；输入信号通过时分解复用技术解聚合，分离的数字和DSM部分被放大到原始幅度水平；数字段经过判决后恢复为原始的PS-q-QAM信号，DSM部分经过解调后恢复为原始的模拟量化误差，将二者合并可以恢复出原始OFDM波形S0’；重构后的OFDM解调为超高阶QAM信号，并计算其解调SNR与EVM，从而评估方案性能。
与相关技术相比较，本发明提供的数字-DSM-光纤无线电DD-RoF方法具有如下有益效果：
本发明提供一种数字-DSM-光纤无线电DD-RoF方法，相较于A-RoF与DA-RoF，本方案提升了OFDM信号的抗噪性能，提升了恢复的无线信号的SNR，实现了超高阶QAM的传输；相比D-RoF，本方案不需要高精度的DAC/ADC，能够极大简化BBU与RRU，实现了信号的低成本、高保真度传输，为未来无线前传提供了好的解决方案。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种数字-DSM-光纤无线电DD-RoF方法，应用于移动前传中，其特征在于，包括以下步骤：
离线生成模拟RoF信号与控制字信号；
对模拟RoF信号进行量化生成数字PS-q-QAM/PS-q-PAM符号，量化因子为Q；
计算模拟RoF信号量化后的量化误差；
将残存的量化误差过采样与量化，完成DSM调制，生成DSM-QAM信号；
将模拟RoF信号的数字量化信号与DSM-QAM信号以及控制字信号进行时域交织，生成时分复用（TDM）符号；
TDM符号经过发送端DSP处理，送入毫米波/太赫兹实验系统中进行传输，并由接收端示波器采样获得接收信号；
接收信号经过接收端DSP，时分解复用，DD-RoF信号解调，OFDM解调后，得到携带的超高阶QAM信号；
计算超高阶QAM信号的SNR与EVM，评估方案性能；
其中，模拟RoF信号经过DD-RoF调制，生成了数字量化PS-q-QAM/PS-q-PAM信号与DSM-QAM信号，这些部分与控制字信号通过时分复用技术在时域上进行交织，生成DD-RoF符号，经过发送端数字信号处理后，通过任意波形发生器（AWG）产生DD-RoF电信号，送入各种毫米波/太赫兹通信系统中进行传输，接收端通过数字示波器（DSO）采样，然后进行DSP处理，DD-RoF信号解调，OFDM解调，得到携带的超高阶QAM信号；计算超高阶QAM信号的SNR与EVM，评估方案性能。
2.根据权利要求1所述的数字-DSM-光纤无线电DD-RoF方法，其特征在于，所述模拟RoF信号是OFDM信号或DMT信号中的一种。
3.根据权利要求2所述的数字-DSM-光纤无线电DD-RoF方法，其特征在于，所述OFDM/DMT信号服从高斯分布，模拟RoF信号量化后信号为PS-q-QAM/PS-q-PAM。
4.根据权利要求1所述的数字-DSM-光纤无线电DD-RoF方法，其特征在于，在光生毫米波/太赫兹系统中，DD-RoF电信号在IQ调制器中完成电-光转换，与另一路光信号在光电探测器（PD）中拍频产生毫米波/太赫兹射频信号，并通过天线进行自由空间传输，接收端的天线接收高频电信号后，经过低噪声放大器与混频器，将高频信号下变频至中频，然后由示波器进行采样。
5.根据权利要求1所述的数字-DSM-光纤无线电DD-RoF方法，其特征在于，所述毫米波/太赫兹通信系统，包括电生毫米波/太赫兹系统，光生毫米波/太赫兹系统。
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