CN116800342A - 一种基于复数信号模值和模值平方的单边带信号传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光通信技术领域，具体公开了一种基于复数信号模值和模值平方的单边带信号传输方法，具体包括：生成初始数据信息流；将数据信息调制到复数OFDM信号中，使用虚拟载波产生复数SSB‑OFDM信号；使用复数SSB‑OFDM信号的模值或者模值平方，从而获得实数信号；将实信号送到数模转换器DAC，产生的模拟信号在强度调制器中产生光信号；光信号通过光纤信道传输给接收机；在接收机处，光信号由光电二极管PIN接收，然后通过模数转换器DAC，将信号转换为数字域，利用KK关系从信号幅度中提取相位信息；利用相位信息将信号重构为复值信号，从而进行OFDM解调。本发明能利用复数信号模值或者模值平方实现单边带复数信号的发送。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种基于复数信号模值和模值平方的单边带信号传输方法。
背景技术
目前强度调制直接检测（IMDD）光传输系统相较于相干光传输系统，由于其器件廉价的特性被广泛应用在短距离传输场景中。然而随着通信技术的进步，IMDD系统也迫切地需要承担起大容量数据传输的能力来保证数据中心内/间的高速数据通信。先前有学者在相干通信场景中提出的利用KK接收机对单边带信号进行相位恢复的技术。然而相干收发机的使用增大了系统成本，性能也需要进一步提高。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于复数信号模值和模值平方的单边带信号传输方法，解决了上述背景技术中提到的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于复数信号模值的单边带信号传输方法，包括以下步骤：
步骤1：生成初始数据信息流；
步骤2：将数据信息调制到复数OFDM信号中，使用虚拟载波产生复数SSB-OFDM信号；
步骤3：使用复数SSB-OFDM信号的模值，从而获得实数信号；
步骤4：将实信号送到数模转换器DAC，产生的模拟信号在强度调制器中产生光信号；
步骤5：光信号通过光纤信道传输给接收机；
步骤6：在接收机处，光信号由光电二极管PIN接收，然后通过模数转换器DAC，将信号转换为数字域，利用KK关系从信号幅度中提取相位信息；
步骤7：利用相位信息将信号重构为复值信号，从而进行OFDM解调。
进一步的，在步骤3中，使用复数SSB-OFDM信号模值获得实数信号，公式表达如下：
；
式中，表示对复数SSB-OFDM信号/>取模得到的发送信号；/>表示使用虚拟载波产生的复数SSB-OFDM信号；/>为直流偏置电流，/>表示直流偏置电流的共轭，/>表示虚数；/>为复数SSB-OFDM信号的带宽，/>为未加直流偏置电流/>前的复数SSB-OFDM信号，/>代表取实部操作。
进一步的，步骤6中相位信息公式表达如下：
；
式中，符号左侧的表达式为使用KK接收机计算相位信息的通用表达式，其中表示由接收端光电二极管(PIN)接收并经过模数转换器(DAC)后的信号，/>表示希尔伯特(Hilbert)变换；/>为经过PIN探测的复数SSB-OFDM信号/>的模值经过光纤传输得到的幅度信息，对接收信号取对数(log)以及Hilbert变换后，可得到相位信息/>。
进一步的，在步骤6中，所述用KK关系从信号幅度中提取相位信息，具体包括：
a、应用信道均衡技术来补偿信道特性；
b、采用数字过采样方法来取消非线性操作取对数所产生的频谱拓宽影响后，信号被分割成一个主路径和一个修正路径进行传输；
c、修正路径进行取对数操作，希尔伯特变换后，产生复值修正信号；
d、带有相位信息的修正信号与主路径传输信号相乘得到原有复值信号。
本发明的一种基于复数信号模值平方的单边带信号传输方法，包括以下步骤：
步骤21：生成初始数据信息流；
步骤22：将数据信息调制到复数OFDM信号中，使用虚拟载波产生复数SSB-OFDM信号；
步骤23：使用复数SSB-OFDM信号的模值的平方，从而获得实数信号；
步骤24：将实信号送到数模转换器DAC，产生的模拟信号在强度调制器中产生光信号；
步骤25：光信号通过光纤信道传输给接收机；
步骤26：在接收机处，光信号由光电二极管PIN接收，然后通过模数转换器DAC，将信号转换为数字域，利用KK关系从信号幅度中提取相位信息；
步骤27：利用相位信息将信号重构为复值信号，从而进行OFDM解调。
进一步的，在步骤23中，使用复数SSB-OFDM信号模值平方获得实数信号，公式表达如下：
；
式中，表示对复数SSB-OFDM信号/>取模值平方得到的发送信号；/>表示使用虚拟载波产生的复数SSB-OFDM信号；/>为直流偏置电流，/>表示直流偏置电流的共轭，/>表示虚数；/>为复数SSB-OFDM信号的带宽，/>为未加直流偏置电流/>前的复数SSB-OFDM信号，/>代表取实部操作。
进一步的，步骤26中相位信息公式表达如下：
；
式中，表示由接收端光电二极管(PIN)接收并经过模数转换器(DAC)后的信号，/>表示希尔伯特(Hilbert)变换；/>为经过PIN探测的复数SSB-OFDM信号/>的模值平方经过光纤传输得到的幅度信息，对接收信号取对数(log)以及Hilbert变换后，可得到相位信息/>。
进一步的，步骤26中用KK关系从信号幅度中提取相位信息的方法同上。
本发明的有益效果是：本发明基于IMDD的光纤传输系统，提出了两种基于复数信号模值产生双边带实数方法，包括模值本身和模值的平方。接受端利用KK关系式从信号幅度中提取相位信息，从而恢复复数OFDM信号。本发明能利用复数信号模值或者模值平方实现单边带复数信号的发送。能够克服现有技术的某种或某些缺陷；更能进一步减少收发机的成本。
附图说明
图1为本发明基于复数信号模值和模值平方的单边带信号传输方法的流程图；
图2为本发明数值仿真产生的模值和模值平方的信号功率谱密度示意图；
图3为本发明数值仿真不同载波信号功率比（CSPR）情况下，不同过采样率R下，模值和模值的平方两种方式的系统性能比较示意图；
图4为本发明数值仿真绘制的模值和模值的平方两种方式在CSPR=10dB时的互补累积分布函数(CCDF)曲线，同时与SSB-OFDM信号的实数部分比较示意图；
图5为本发明数值仿真两种信号的信号分布概率直方图；
图6为本发明实验验证中采用模值信号得到的系统性能在不同光发射功率下的变化曲线，同时比较了两种信号带宽下系统性能的变化示意图；
图7为本发明实验验证中采用模值信号得到的系统性能在不同光发射功率下的变化曲线，同时比较了两种信号带宽下不同传输光纤长度带来的系统性能变化示意图；
图8为本发明实验验证中采用模值和模值的平方两种信号得到的系统性能在不同光发射功率下的变化曲线，同时比较了两种信号在不同传输光纤长度的系统性能变化示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图8，本发明提供一种技术方案：一种基于复数信号模值和模值平方的单边带信号传输方法，流程如图1所示，包括以下步骤：
生成初始数据信息流；
将数据信息调制到复数OFDM信号中，使用虚拟载波产生复数SSB-OFDM信号；
使用复数SSB-OFDM信号的模值或者模值平方，从而获得实数信号；
将实信号送到数模转换器DAC，产生的模拟信号在强度调制器中产生光信号；
光信号通过光纤信道传输给接收机；
在接收机处，光信号由光电二极管PIN接收，然后通过模数转换器DAC，将信号转换为数字域，利用KK关系从信号幅度中提取相位信息；
利用相位信息将信号重构为复值信号，从而进行OFDM解调。
在数值仿真中，采用了128个子载波传输16QAM信号，使用虚拟载波在发送端生成复数SSB-OFDM信号，随后对复数信号进行取模值和模值平方操作。取模与平方后的功率谱如图2所示，其中相较于平方结果的功率谱而言，模量操作的功率谱得到了展宽，而模值平方信号的功率谱更为集中在带宽范围内。随后在接收端分别使用了过采样因子R=2,4和8来测试在光背靠背条件下不同CSPR(载波信号功率比)对模量/模量平方两调制方式的系统性能，结果如图3所示。可以看到，在图3中，在取模情形以及过采样率R=2的条件下，得到的误差矢量幅度（EVM）结果远差于其他情形；而对于模值平方的方式来说，三种不同的过采样率条件下得到的仿真结果曲线基本吻合。出现上述结果的原因在于，对于模量调制方式来说，有效SNR遭到了劣化，究其根源在于信号在模量操作后功率谱得到了展宽，而平方操作后的功率谱更为集中，这一点可以在图2中得到体现。图3中，随着CSPR的增加，接收端光电探测器中的噪声造成系统传输性能的劣化。最终在高CSPR条件下，平方调制方式依旧取得了优于模量调制的结果。值得一提的是，唯有在数值仿真过程中可以对CSPR的数值进行随意设定，而在实际实验操作中CSPR是由直调激光器（DML）的偏置电流决定。
在图4中绘制了在CSPR=10dB条件下射频信号的互补累积分布函数(CCDF)曲线，同原始的SSB-OFDM的实数信号相比，模值平方信号的PAPR最大。模量信号的PAPR最低。同时在图5的信号分布概率直方图中可以看到，模值平方信号方差较大。因此，模值平方信号更容易受到系统模数/数模转换过程中裁剪与量化操作以及电光转换引入的非线性影响。
实验进一步验证了两种信号产生方式的性能对比。实验中，采用了带宽为10G的KONGAN KG-DML作为光调制器，其偏置电压固定在2.5V，并使用了Keysight M8195A作为AWG将电信号输入给光调制器，同时将WaveMaster 8 Zi-B示波器作为接收端ADC实现模数转换。在本实验验证中，在没有预补偿的条件下将信号带宽分别设置在2GHz以及6GHz对系统非线性进行探究。在实验过程中，为了探究色散的影响为此在生成OFDM信号的过程中没有添加循环前缀(CP)。将模值信号产生方式，验证了两种信号带宽下的系统传输性能，其性能曲线绘制在了图6中，可以看到，带宽BW=2GHz时的性能要优于BW=6GHz。同时发射光功率动态范围扩展在15dB，远远大于BW=6GHz的情况。
在图7中我们探究了光纤传输距离对不同信号的影响。将光背靠背情景下的两种不同带宽传输性能与光纤传输距离26km、40km分别进行了对比。从图7中可以看出，对于两种带宽情形在距离为26km时，当发送光功率较小时，光纤色散成为影响信号传输性能的主要因素。当发送光功率较大时，26km传输性能优于光背靠背情形。这是由于在较高发送光功率下，光纤非线性效应中的自相位调制效应补偿了部分色散效应，于是呈现出了更好的性能。
在图8中绘制了模值/模值平方信号在光背靠背以及光纤传输距离40km下的性能对比，由图可以看出模值信号性能更为好，原因在于模值信号相较于模值平方信号，具有更低的PAPR，使其受到光纤的非线性效应的影响更少，因此性能更好。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于复数信号模值的单边带信号传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：生成初始数据信息流；
步骤2：将数据信息调制到复数OFDM信号中，使用虚拟载波产生复数SSB-OFDM信号；
步骤3：使用复数SSB-OFDM信号的模值，从而获得实数信号；
步骤4：将实信号送到数模转换器DAC，产生的模拟信号在强度调制器中产生光信号；
步骤5：光信号通过光纤信道传输给接收机；
步骤6：在接收机处，光信号由光电二极管PIN接收，然后通过模数转换器DAC，将信号转换为数字域，利用KK关系从信号幅度中提取相位信息；
步骤7：利用相位信息将信号重构为复值信号，从而进行OFDM解调。
2.根据权利要求1所述的一种基于复数信号模值的单边带信号传输方法，其特征在于，在步骤3中，使用复数SSB-OFDM信号模值获得实数信号，公式表达如下：
；
式中，表示对复数SSB-OFDM信号/>取模得到的发送信号；/>表示使用虚拟载波产生的复数SSB-OFDM信号；/>为直流偏置电流，/>表示直流偏置电流的共轭，/>表示虚数；/>为复数SSB-OFDM信号的带宽，/>为未加直流偏置电流/>前的复数SSB-OFDM信号，代表取实部操作。
3.根据权利要求1所述的一种基于复数信号模值的单边带信号传输方法，其特征在于，所述步骤6中相位信息公式表达如下：
；
式中，符号左侧的表达式为使用KK接收机计算相位信息的通用表达式，其中表示由接收端光电二极管PIN接收并经过模数转换器DAC后的信号，/>表示希尔伯特Hilbert变换；/>为经过PIN探测的复数SSB-OFDM信号/>的模值经过光纤传输得到的幅度信息，对接收信号取对数log以及Hilbert变换后，可得到相位信息/>。
4.根据权利要求1所述的一种基于复数信号模值的单边带信号传输方法，其特征在于，在步骤6中，所述用KK关系从信号幅度中提取相位信息，具体包括：
a、应用信道均衡技术来补偿信道特性；
b、采用数字过采样方法来取消非线性操作取对数所产生的频谱拓宽影响后，信号被分割成一个主路径和一个修正路径进行传输；
c、修正路径进行取对数操作，希尔伯特变换后，产生复值修正信号；
d、带有相位信息的修正信号与主路径传输信号相乘得到原有复值信号。
5.一种基于复数信号模值平方的单边带信号传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤21：生成初始数据信息流；
步骤22：将数据信息调制到复数OFDM信号中，使用虚拟载波产生复数SSB-OFDM信号；
步骤23：使用复数SSB-OFDM信号的模值的平方，从而获得实数信号；
步骤24：将实信号送到数模转换器DAC，产生的模拟信号在强度调制器中产生光信号；
步骤25：光信号通过光纤信道传输给接收机；
步骤26：在接收机处，光信号由光电二极管PIN接收，然后通过模数转换器DAC，将信号转换为数字域，利用KK关系从信号幅度中提取相位信息；
步骤27：利用相位信息将信号重构为复值信号，从而进行OFDM解调。
6.根据权利要求5所述的一种基于复数信号模值平方的单边带信号传输方法，其特征在于，在步骤23中，使用复数SSB-OFDM信号模值平方获得实数信号，公式表达如下：
;
式中，表示对复数SSB-OFDM信号/>取模值平方得到的发送信号；/>表示使用虚拟载波产生的复数SSB-OFDM信号；/>为直流偏置电流，/>表示直流偏置电流的共轭，/>表示虚数；/>为复数SSB-OFDM信号的带宽，/>为未加直流偏置电流/>前的复数SSB-OFDM信号，/>代表取实部操作。
7.根据权利要求5所述的一种基于复数信号模值平方的单边带信号传输方法，其特征在于，所述步骤26中相位信息公式表达如下：
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| Hameed Kahdum et al. | Performance investigation of different optical filters on the OFDM system with QAM modulations | |
| Chen et al. | Optimally partitioned precoding assisted hybrid constellation entropy loading for SSB-DMT systems | |
| Huang et al. | Virtual-Carrier-Assisted 64QAM Millimetre-Wave Signal Generation Using Low-Resolution Digital-to-Analog Converter | |
| Nguyen et al. | > 87% complexity reduction at 25-GS/s, 50-Gbps and 30-dB loss budget LR-OFDM PON using digital predistortion |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20230922 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |