CN116582183B - 一种数字调制光纤无线电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种数字调制光纤无线电方法，其涉及正交频分复用（OFDM）/离散多载波（DMT）信号的多阶量化技术，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。所述数字调制光纤无线电方法包括以下步骤：离线生成OFDM/DMT模拟RoF信号与控制字信号；对OFDM/DMT模拟RoF信号进行第一次量化生成数字PS‑q‑QAM/PS‑q‑PAM符号，量化因子为Q；计算OFDM/DMT模拟RoF信号第一次量化后的量化误差。本发明提供的数字调制光纤无线电方法具有可以接受的带宽消耗下，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的优点。

Description

一种数字调制光纤无线电方法
技术领域
本发明涉及正交频分复用（OFDM）/离散多载波（DMT）信号的多阶量化技术，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，尤其涉及一种数字调制光纤无线电方法。
背景技术
集中式无线接入网（C-RAN）被认为是连接光纤网络和无线移动网络的重要架构。在C-RAN中，基带信号处理单元（BBU）模块集中部署，远程无线电单元（RRU）分布式部署，提供天线阵列接口。BBU和RRU通过前传链路连接，前传链路目前主要使用光纤，是C-RAN架构的重要组成部分。目前，数字通用公共无线电接口（CPRI）已被广泛用作商业前传解决方案的标准协议。光纤无线电（RoF）技术主要用于实现移动前端传输，通常分为数字光纤无线电（D-RoF）和模拟光纤无线电（A-RoF）。D-RoF已被标准化为前端传输的接口协议。通用公共无线电接口（CPRI）是4G通信中使用的协议，它对模拟无线信号的波形进行高分辨率的数字化处理，以保持信号的保真度。它通常以开关键控（OOK）调制格式传输二进制序列，这通常被认为是带宽效率低的。A-RoF作为一种替代方案，在传输过程中保留了无线信号的原始模拟波形，由于其频谱效率高的天然特性而受到了研究的关注，但在光传输中存在各种缺陷，传输后无线信号的误差矢量幅值（EVM）或等效信噪比（SNR）仅能满足前传的要求。由于传统的射频传输技术已不能满足未来前路传输大容量、低时延和高保真度的传输要求，人们正在积极研究更高效的前路传输架构。在文献[X. Liu, "Hybrid digital-analog radio-over-fiber (DA-RoF) modulation and demodulation achieving a SNR gain overanalog RoF of > 10 dB at halved spectral efficiency," in Proc. Opt. FiberCommun. Conf. Exhibit., San Diego, CA, USA, 2021, pp. 1–3.]中，基于数字概率整形正交幅度调制（PS-q-QAM）的自然逼近和模拟脉冲编码调制的混合数模-光纤无线电（DA-RoF）被提出，实验报道了一种采用子载波调制（SCM）的8Gbaud强度调制直接检测（IM-DD）系统在频谱效率（SE）值减半的情况下，信噪比提高了12.8 dB。在文献[Y. Xu et al., "Coherent digital-analog radio-over-fiber (DA-RoF) system with a CPRI-equivalent data rate beyond 1 Tb/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, "1λ 10.5Tb/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，将DA-RoF方案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，基于光纤的前传的成本效益不足以满足苛刻和灵活的部署要求，尤其是在具有地理障碍或灾难的环境中。无线前传可以作为一种有吸引力的替代解决方案，因为它具有低成本、灵活和可扩展部署的优势。大带宽是满足前传容量要求所必需的，因此，毫米波（mm-wave）或更高频段适用于无线前传应用。在文献[W. Li et al., "23.1-Gb/s 135-GHz wireless transmission over 4.6-km and effect of rain attenuation," IEEETrans. 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/PAM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., "Echostate network based nonlinear equalization for 4.6 km 135 GHz D-band wirelesstransmission," 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。然而，毫米波/太赫兹在长距离无线传输的损耗很大，导致信号的畸变较为严重，严重影响了OFDM/DMT的解调，因此，需要将抗噪性好，在频谱效率上比D-RoF也有优势的DA-RoF方案应用到毫米波/太赫兹长距离无线前传场景中。
因此，有必要提供一种新的数字调制光纤无线电方法解决上述技术问题。
发明内容
为解决目前的多阶单量化 DA-RoF方案中，2～N阶量化信号调制阶数高，信道SNR需求高，携带的原始OFDM有效信息少，D-RoF方案成本高，频谱效率低的技术问题，本发明提供一种数字调制光纤无线电方法。
本发明提供的数字调制光纤无线电方法包括以下步骤：
离线生成OFDM/DMT模拟RoF信号与控制字信号；
对OFDM/DMT模拟RoF信号进行第一次量化生成数字PS-q-QAM/PS-q-PAM符号，量化因子为Q；
计算OFDM/DMT模拟RoF信号第一次量化后的量化误差；
对第一次量化后的量化误差进行第二次量化，生成标准QAM/PAM符号，量化因子小于Q；
计算第二次量化后的量化误差；
对第N-1次量化后的量化误差进行第N次量化，生成标准QAM/PAM符号，量化因子小于Q；
计算第N次量化后的模拟量化误差，作为MDA-RoF方案中的残余模拟部分；
将OFDM/DMT模拟RoF信号的多阶数字量化信号与残余模拟量化误差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，MDA-RoF信号解调，OFDM解调后，得到携带的超高阶QAM/PAM信号；
计算超高阶QAM/PAM信号的信噪比SNR与误差矢量幅度EVM，评估方案性能。
优选的，所述OFDM/DMT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，OFDM/DMT模拟RoF信号量化后信号为PS-q-QAM/PS-q-PAM。
优选的，所述第一次量化产生的量化误差信号服从均匀分布，其再次量化后产生的信号为标准QAM/PAM。
优选的，所述第N-1次量化后的第2～N次量化的量化因子，要小于第1次量化的量化因子。
优选的，所述MDA-RoF电信号在光生毫米波/太赫兹系统中，MDA-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MDA-RoF解调，OFDM解调是发送端的逆过程。
优选的，所述MDA-RoF的调制参数，如PS-q-QAM/PS-q-PAM阶数，2～N阶量化因子的大小，量化次数可以根据不同系统，不同的信道特性，不同传输指标具体选择。
与相关技术相比较，本发明提供的数字调制光纤无线电方法具有如下有益效果：
本发明提供一种数字调制光纤无线电方法：
相较于A-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；相比多阶单量化DA-RoF，本方案根据实际信道情况，对各阶量化选取不同的量化因子，进一步提升了解调SNR。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，本发明具有良好的通用性和灵活性，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调节信号参数；本发明同时适用于电生毫米波/太赫兹无线传输系统，光生毫米波/太赫兹无线传输系统等多种应用场景。
附图说明
图1为MDA-RoF方案的具体原理与系统架构；
图2为MDA-RoF第1阶量化后的星座图与概率分布；
图3为MDA-RoF第2～N阶量化后的星座图与概率分布；
图4为MDA-RoF N次量化后残余的模拟量化误差。
图中标号：
S0：模拟RoF信号（OFDM/DMT）；
D1：OFDM/DMT模拟RoF信号第一阶量化后的PS-q-QAM/PS-q-PAM符号；
S1：第1次数字化后的量化误差；
D2：S1量化后的标准QAM/PAM符号；
SN-1：第（N-1）次数字化后的量化误差；
DN：SN-1量化后的标准QAM/PAM符号；
A1：N次量化后残余的模拟量化误差；
A1’：系统传输后的接收A1；
DN’：系统传输后的接收DN；
D2’：系统传输后的接收D2；
D1’：系统传输后的接收D1；
S0’：系统传输后的各阶信号恢复出的S0。
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MDA-RoF方案的具体原理与系统架构；图2为MDA-RoF第1阶量化后的星座图与概率分布；图3为MDA-RoF第2～N阶量化后的星座图与概率分布；图4为MDA-RoF N次量化后残余的模拟量化误差。
数字调制光纤无线电方法包括以下步骤：
1）离线生成OFDM/DMT模拟RoF信号与控制字信号；
2）对OFDM/DMT模拟RoF信号进行第一次量化生成数字PS-q-QAM/PS-q-PAM符号，量化因子为Q；
3）计算OFDM/DMT模拟RoF信号第一次量化后的量化误差；
4）对第一次量化后的量化误差进行第二次量化，生成标准QAM/PAM符号，量化因子小于Q；
5）计算第二次量化后的量化误差；
6）对第N-1次量化后的量化误差进行第N次量化，生成标准QAM/PAM符号，量化因子小于Q；
7）计算第N次量化后的模拟量化误差，作为MDA-RoF方案中的残余模拟部分；
8）将OFDM/DMT模拟RoF信号的多阶数字量化信号与残余模拟量化误差信号以及控制字信号进行时域交织，生成时分复用（TDM）符号；
9）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；
10）接收信号经过接收端DSP，时分解复用，MDA-RoF信号解调，OFDM解调后，得到携带的超高阶QAM/PAM信号；
11）计算超高阶QAM/PAM信号的信噪比SNR与误差矢量幅度EVM，评估方案性能。
所述OFDM/DMT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，OFDM/DMT模拟RoF信号量化后信号为PS-q-QAM/PS-q-PAM。
所述第一次量化产生的量化误差信号服从均匀分布，其再次量化后产生的信号为标准QAM/PAM。
所述第N-1次量化后的第2～N次量化的量化因子，要小于第1次量化的量化因子。
所述MDA-RoF电信号在光生毫米波/太赫兹系统中，MDA-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MDA-RoF解调，OFDM解调是发送端的逆过程。
所述MDA-RoF的调制参数，如PS-q-QAM/PS-q-PAM阶数，2～N阶量化因子的大小，量化次数可以根据不同系统，不同的信道特性，不同传输指标具体选择。
其工作流程为：OFDM/DMT模拟RoF信号经过MDA-RoF调制，生成了多阶数字量化信号D1～DN与残余模拟量化误差信号A1；这些信号与控制字信号通过时分复用技术在时域上进行交织，生成MDA-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MDA-RoF电信号，送入毫米波/太赫兹传输系统中进行传输。接收端通过数字示波器（DSO）采样，然后进行DSP处理与MDA-RoF信号解调，恢复出OFDM信号，再对OFDM解调，恢复出原始的高阶QAM/PAM信号，并计算SNR与EVM，从而评估方案性能。
本发明的关键部分是MDA-RoF的调制与解调，原理如下：OFDM/DMT模拟RoF信号（OFDM）S0被分成多个数字部分与一个模拟部分；第一阶数字部分是由舍入运算(即量化)产生的数字信号D1，第2～N阶数字部分是对上一阶量化产生的量化误差进行再次量化，产生数字信号D2～DN，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-QAM符号；对于数字段D2～DN，由于量化误差是均匀分布的，D2～DN星座点均匀分布在复平面上；需要注意的是，每个量化阶段的因子选择都起着至关重要的作用；由于D1服从复数高斯分布，而Di(i>1)服从复数均匀分布，因此与D1相比，Di(i>1)最好使用较小的量化因子；例如，如果D1和Di(i>1)的量化因子都是Q，则D1代表一个PS-(2Q+1)2-QAM/PAM信号，而Di(i>1)代表一个(2Q+1)2-QAM/PAM信号，其具有更小的最小欧氏距离；Di(i>1)携带的OFDM特征比D1少，但需要更高的信道SNR才能进行无差错传输，这是低效的；因此，D1的量化因子大于Di(i>1)。考虑到D2～DN均服从均匀分布，量化因子在第二级到第N级量化中保持不变；根据实际信道情况，对各阶量化选取不同的量化因子，从而实现最佳的解调SNR与EVM；经过N次量化后，残留的模拟误差作为DA-RoF方案中的模拟段A1；此后，将OFDM/DMT模拟RoF信号的数字量化部分，模拟量化误差部分以及系统控制字（CW）部分进行时分复用（TDM），生成MDA-RoF信号；MDA-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，MDA-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MDA-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，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；相比多阶单量化DA-RoF，本方案根据实际信道情况，对各阶量化选取不同的量化因子，进一步提升了解调SNR；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：
MDA-RoF的调制参数，比如PS-q-QAM/PS-q-PAM阶数，2～N阶量化因子的大小，量化次数等，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。
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。
OFDM和DMT信号都可作为OFDM/DMT模拟RoF信号用于此方案。
OFDM和DMT信号都可作为OFDM/DMT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OFDM/DMT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)；在MDA-RoF调制中，多次使用取整和减法运算，产生多个数字段Di，如（1）所示，式(1)中，S0表示原始OFDM波形，Si+1表示第(i+1)次数字化的模拟量化误差，Simax表示Si的最大幅度，Qi+1是决定Di+1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；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；对于其余数字段D2～DN，由于均匀分布的量化误差，星座点均匀分布在复平面上，如附图3所示；经过N次量化后，残余模拟误差被视为DA-RoF方案中的模拟段，如附图4和公式（2）所示，/>(2)
数字和模拟部分分别在AWG的固定幅度下归一化；最后，数字段D1～N和模拟段A1通过TDM聚合生成（N+1）阶DA-RoF信号，SE降为A-RoF方案的1/（N+1）；多阶多量化DA-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，分离的数字和模拟段被放大到原始幅度水平；经过一系列的判决和加法运算，OFDM波形S0’可以由恢复的数字部分D1’～N’和模拟A1’重构。重构后的OFDM解调为超高阶QAM/PAM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，本发明提供的数字调制光纤无线电方法具有如下有益效果：
本发明提供一种数字调制光纤无线电方法，相较于A-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。相比多阶单量化DA-RoF，本方案根据实际信道情况，对各阶量化选取不同的量化因子，进一步提升了解调SNR。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，本发明具有良好的通用性和灵活性，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调节信号参数；本发明同时适用于电生毫米波/太赫兹无线传输系统，光生毫米波/太赫兹无线传输系统等多种应用场景。
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 (9)

1.一种数字调制光纤无线电方法，其特征在于，包括以下步骤：
离线生成OFDM/DMT模拟RoF信号与控制字信号；
对OFDM/DMT模拟RoF信号进行第一次量化生成数字PS-q-QAM/PS-q-PAM符号，量化因子为Q；
计算OFDM/DMT模拟RoF信号第一次量化后的量化误差；
对第一次量化后的量化误差进行第二次量化，生成标准QAM/PAM符号，量化因子小于Q；
计算第二次量化后的量化误差；
对第N-1次量化后的量化误差进行第N次量化，生成标准QAM/PAM符号，量化因子小于Q；
计算第N次量化后的模拟量化误差，作为MDA-RoF方案中的残余模拟部分；
将OFDM/DMT模拟RoF信号的多阶数字量化信号与残余模拟量化误差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，MDA-RoF信号解调，OFDM解调后，得到携带的超高阶QAM/PAM信号；
计算超高阶QAM/PAM信号的信噪比SNR与误差矢量幅度EVM，评估方案性能。
2.根据权利要求1所述的数字调制光纤无线电方法，其特征在于，所述OFDM/DMT模拟RoF信号可以是OFDM信号或DMT信号中的一种。
3.根据权利要求1所述的数字调制光纤无线电方法，其特征在于，所述OFDM/DMT信号服从高斯分布，OFDM/DMT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所述的数字调制光纤无线电方法，其特征在于，所述第一次量化产生的量化误差信号服从均匀分布，其再次量化后产生的信号为标准QAM/PAM。
5.根据权利要求1所述的数字调制光纤无线电方法，其特征在于，所述第N-1次量化后的第2～N次量化的量化因子，要小于第1次量化的量化因子。
6.根据权利要求1所述的数字调制光纤无线电方法，其特征在于，所述MDA-RoF电信号在光生毫米波/太赫兹系统中，MDA-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。
7.根据权利要求6所述的数字调制光纤无线电方法，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。
8.根据权利要求1所述的数字调制光纤无线电方法，其特征在于，所述接收端DSP与MDA-RoF解调，OFDM解调是发送端的逆过程。
9.根据权利要求1所述的数字调制光纤无线电方法，其特征在于，所述MDA-RoF的调制参数，如PS-q-QAM/PS-q-PAM阶数，2～N阶量化因子的大小，量化次数可以根据不同系统，不同的信道特性，不同传输指标具体选择。
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