本發(fā)明屬于光載傳輸技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光載無線矢量波系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著接入互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的移動數(shù)據(jù)量爆炸式增長，超高速無線信號需求迫在眉睫。針對這一需求，如何產(chǎn)生超高速無線信號成為難題。高頻率無線波因為能夠提供足夠的傳輸帶寬成為解決問題的研究熱點。在產(chǎn)生高頻無線波方面電子器件帶寬有限，產(chǎn)生高頻較為困難，而光子輔助無線信號技術(shù)能克服電子器件的帶寬瓶頸，成為產(chǎn)生高頻率波的有效方法。光載無線信號被看成一種用于未來5G無線通信的可行技術(shù)。利用QPSK、8QAM、16QAM等高階矢量信號能極大提高系統(tǒng)容量和頻譜效率。目前主要的光載無線技術(shù)如下：

技術(shù)一：直接強度調(diào)制技術(shù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，數(shù)據(jù)和射頻在混頻器中混頻，然后在直接調(diào)制激光器中進行調(diào)制，最后通過光電檢測器拍頻出無線信號。這種方式受限于直接調(diào)制激光器帶寬，產(chǎn)生的無線信號頻率不高。

技術(shù)二：光外差拍頻技術(shù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，利用兩路不同源的光信號進行拍頻，其中一路攜帶矢量信號數(shù)據(jù)，兩路光在光電檢測器中拍頻得到高頻矢量無線信號。這種方式由于激光器溫度變化會帶來頻率變化，產(chǎn)生的無線信號頻率不穩(wěn)定。

技術(shù)三：利用單一光源輔助技術(shù)結(jié)合信號預(yù)編碼技術(shù)。該方案針對技術(shù)二中的不同光源會造成頻率漂移現(xiàn)象，利用同源的兩個光邊帶在光電檢測器中拍頻，得到頻率穩(wěn)定的矢量無線信號。但是系統(tǒng)中矢量信號通過平方律的光電檢測器會造成信號相位分布不均衡的結(jié)果，在低信噪比的情況下矢量信號間的星座點會更靠近而增加信號的錯誤率。

為了克服以上三種技術(shù)中存在的主要缺點，包括：直接激光調(diào)制器帶寬受限，不同源光信號互拍產(chǎn)生的無線信號頻率不穩(wěn)定，以及在接收端矢量信號星座點相位分布不均衡。本發(fā)明提出了一種低成本、頻率高且穩(wěn)定、接收端矢量信號相位均勻分布的基于相位因子優(yōu)化的載波抑制方式產(chǎn)生的光載無線矢量波系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種成本低廉、產(chǎn)生無線波頻率高且穩(wěn)定、系統(tǒng)的誤碼率低的光載無線矢量波系統(tǒng)。

本發(fā)明提供的光載無線矢量波系統(tǒng)，是基于相位因子優(yōu)化的載波抑制方式產(chǎn)生的光載無線矢量波系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。包括的模塊和器件如下：

發(fā)送端離線數(shù)字信號處理模塊，用于生成預(yù)編碼的攜帶發(fā)送數(shù)據(jù)的射頻驅(qū)動信號；

一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器模塊，用于完成相位因子優(yōu)化后預(yù)編碼射頻驅(qū)動信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換；

一個電放大器，用于放大矢量射頻驅(qū)動電信號；

一個單模激光器，用于產(chǎn)生單模連續(xù)波長光載波；

一個單驅(qū)動馬赫增德爾調(diào)制器，用于將預(yù)編碼射頻驅(qū)動電信號調(diào)制到激光器輸出的光載波上，以提供兩條頻率間隔為射頻驅(qū)動頻率二倍的一階子載波；

一個直流偏置電壓源，用于為單驅(qū)動馬赫增德爾調(diào)制器提供偏置電壓；

一個單端光電二極管，用于實現(xiàn)光調(diào)制器生成的兩條一階子載波的外差拍頻，以生成無線矢量波信號；

一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊，用于實現(xiàn)生成的電矢量波信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換；

接收端離線數(shù)字信號處理模塊，用于處理模數(shù)轉(zhuǎn)換后的矢量波信號，以恢復(fù)出原始的發(fā)送數(shù)據(jù)。

該光載無線矢量波系統(tǒng)的具體實現(xiàn)流程如下：基于離線數(shù)字信號處理模塊生成射頻信號；利用偽隨機碼進行QAM調(diào)制，接著完成相位因子優(yōu)化后的預(yù)編碼處理，并且通過數(shù)字上變頻到射頻上，隨后用數(shù)模轉(zhuǎn)換器發(fā)射信號并且利用電放大器進行放大處理。

所述激光器用于提供連續(xù)光信號，然后該預(yù)編碼的矢量射頻信號經(jīng)由一個馬赫增德爾強度調(diào)制器調(diào)制此連續(xù)波長的光波。強度調(diào)制的馬赫增德爾調(diào)制器工作在光載波抑制模式，其輸出是兩條頻率間隔為射頻驅(qū)動頻率兩倍的一階子載波，已調(diào)制信號光中心載波被抑制。利用攜帶信號的正負第一階邊帶在一個單端光電二極管內(nèi)進行外差拍頻，生成載波頻率為射頻驅(qū)動頻率二倍的電無線矢量波信號。由于已根據(jù)調(diào)制器和光電檢測器的轉(zhuǎn)化規(guī)則在發(fā)送對矢量信號進行了預(yù)編碼，生成的電高頻矢量波信號攜帶有標準的矢量信號調(diào)制格式。生成的電高頻矢量波信號被模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊捕獲，隨后再經(jīng)離線數(shù)字信號處理模塊處理后，可以從中恢復(fù)出原始的信號數(shù)據(jù)。

在所述發(fā)送端，將正交幅度調(diào)制（QAM）信號進行預(yù)編碼，在預(yù)編碼的過程中調(diào)整相位因子值的大小。在載波抑制倍頻系統(tǒng)中，矢量信號的相位需要進行預(yù)編碼，其公式為：

其中，和分別代表標準矢量信號星座點的幅度和相位，和分別代表經(jīng)過相位因子優(yōu)化后的預(yù)編碼矢量信號星座點的幅度和相位，為第一類一階貝塞爾函數(shù)的反函數(shù)，β代表馬赫增德爾調(diào)制器的驅(qū)動信號平均幅度與半波電壓之間的比值關(guān)系，α表示相位因子，在其它預(yù)編碼倍頻系統(tǒng)的QAM預(yù)編碼中α是個定值。例如二倍頻系統(tǒng)的QAM預(yù)編碼中α大小恒定為2。系統(tǒng)中矢量信號通過平方律的光電檢測器會造成信號相位分布不均衡的結(jié)果，在低信噪比的情況下矢量信號間的星座點會更靠近而增加信號的錯誤率。

由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明通過優(yōu)化預(yù)編碼方法中的相位因子，并且利用載波抑制手段實現(xiàn)射頻的頻率倍頻，可以具有以下優(yōu)越性：

（1）系統(tǒng)成本較低，僅使用了單個外部調(diào)制器；

（2）利用載波抑制方式，能實現(xiàn)射頻信號的倍頻，靈活增大光載無線矢量波的頻率。同源的兩個光邊帶之間頻率鎖定，在光電檢測器中拍頻得到的無線矢量波頻率穩(wěn)定；

（3）優(yōu)化預(yù)編碼中的矢量信號相位因子，可以使得恢復(fù)后的矢量信號在相位分布上對稱。這種優(yōu)化方法在既不增加算法復(fù)雜度也不增加結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的情況下，能極大降低系統(tǒng)的誤碼率。

本發(fā)明適用于大容量高速光載無線信號的產(chǎn)生和解調(diào)，可產(chǎn)生穩(wěn)定的高頻矢量無線信號同時保持低成本。該技術(shù)方案可考慮用于不同倍頻數(shù)和不同調(diào)制格式的光載無線矢量波系統(tǒng)，在提高光載無線矢量波系統(tǒng)性能方面有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1直接強度調(diào)制技術(shù)系統(tǒng)圖。

圖2光外差拍頻技術(shù)系統(tǒng)圖。

圖3利用單一光源輔助技術(shù)結(jié)合信號預(yù)編碼技術(shù)系統(tǒng)圖。

圖4本發(fā)明的基于相位因子優(yōu)化的光載無線矢量波技術(shù)系統(tǒng)圖。

圖5本發(fā)明的光載無線矢量波技術(shù)實施方案結(jié)構(gòu)圖。

圖6本發(fā)明的電矢量無線信號生成示意圖。

圖7本發(fā)明系統(tǒng)中調(diào)制器載波抑制調(diào)制后的光譜圖。

圖8本發(fā)明系統(tǒng)中相位因子為2的接收端星座圖。

圖9本發(fā)明系統(tǒng)中優(yōu)化相位因子時的不同因子對應(yīng)的接收端星座圖。

圖10本發(fā)明系統(tǒng)中三種不同相位因子情況下的系統(tǒng)誤碼率對應(yīng)接收光功率曲線圖。

圖11本發(fā)明系統(tǒng)中不同相位因子的系統(tǒng)誤碼曲線。

具體實施方式

下面將根據(jù)本發(fā)明提出的基于相位因子優(yōu)化的載波抑制方式產(chǎn)生光載無線矢量波系統(tǒng)，完整地描述具體實施過程。

以產(chǎn)生攜帶16 GBaud QPSK信號的36GHz毫米波信號為例，說明這種光載無線矢量波信號的生成方案及其可行性。36GHz矢量毫米波信號的具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如5圖所示。

首先，從外腔激光器發(fā)射出功率大小為14.5dBm，線寬小于100kHz，波長的1551.6nm的光信號。該外腔激光器是波長可調(diào)的，范圍覆蓋整個C波段，24小時內(nèi)頻率漂移小于10MHz。隨后光信號通過保偏光纖注入馬赫增德爾調(diào)制器。該調(diào)制器的3dB帶寬為37GHz，半波電壓為2.7V，插入損耗為5dB，直流消光比超過30dB。調(diào)制器的直流偏置電壓設(shè)置在工作曲線最低點，保持調(diào)制器工作在載波抑制模式。

射頻矢量信號通過離線生成，如圖6所示。用Matlab軟件將偽隨機碼進行QPSK調(diào)制，根據(jù)調(diào)制器工作在載波抑制方式和光電轉(zhuǎn)換器的工作規(guī)則，QPSK信號調(diào)制完成后需要進行預(yù)編碼。由于該系統(tǒng)利用正負1階邊帶拍頻實現(xiàn)兩倍頻射頻頻率，預(yù)編碼方案的矢量信號相位公式為：

這樣的編碼方案在接收端信號恢復(fù)后存在信號相位分布不均衡的結(jié)果。為了使得接收端恢復(fù)后的矢量信號在相位分布上對稱，改變編碼方案如下：

其中，α表示相位因子。改變α的取值大小，優(yōu)化系統(tǒng)性能。圖5（a）和圖5（b）分別展示了α取值為2和1.8情況下的預(yù)編碼后矢量星座圖。可以看到相位因子為2時，矢量星座點之間的相位距離為π/4；相位因子為1.8時，矢量星座點之間的相位距離增大到π/3.6。相位因子優(yōu)化預(yù)編碼之后利用數(shù)字域上變頻，將矢量信號上變頻到18GHz的射頻信號上。圖5（c）展示了相位因子為2的矢量射頻信號頻譜圖。隨后矢量射頻信號經(jīng)過一個有80GSa/s采樣率的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器的3dB帶寬為20GHz。QPSK矢量信號的速率為16Gbaud。生成的電矢量射頻信號通過一個3dB帶寬為50GHz的電放大器進入調(diào)制器中進行調(diào)制，驅(qū)動電壓為5V_pp。

馬赫增德爾調(diào)制器輸出的光信號光譜圖如圖7所示，該光信號通過一個帶寬為50GHz的光電轉(zhuǎn)換器拍頻，兩倍頻生成36GHz的矢量毫米波信號。系統(tǒng)在光電轉(zhuǎn)換器之前使用了一個光衰減器來調(diào)節(jié)光功率大小以測試系統(tǒng)誤碼性能。最后電矢量毫米波通過一個3dB帶寬為45GHz，采樣率為120GSa/s的示波器捕獲。隨后在離線情況下進行包括下變頻、頻率和相位恢復(fù)以及誤碼判決等數(shù)字信號處理，恢復(fù)信號和測量誤碼率。

當(dāng)相位因子為2時，入射光電探測器的光功率為-4.7dBm情況下，接收端接收的攜帶16Gbaud QPSK信號的36GHz毫米波信號星座圖如圖8所示，圖8(a)和圖8(b)分別是未經(jīng)過相位恢復(fù)算法糾正的星座圖和經(jīng)過相位恢復(fù)算法糾正的星座圖?？梢钥吹浇?jīng)過相位糾正后的星座相位仍然存在相位不對稱的現(xiàn)象。

圖9（a-f）是相位因子分別為(a) 2.2, (b) 2.1, (c) 1.9, (d) 1.8, (e) 1.7, (f) 1.6情況下，當(dāng)入射光電探測器的光功率為-6.9dBm時的接收端接收信號星座圖。各子圖中左邊和右邊分別代表未經(jīng)過和經(jīng)過相位恢復(fù)算法糾正的星座圖?？梢钥吹?，在相位因子調(diào)整為1.9和1.8時，星座點的相位成均勻?qū)ΨQ分布。

圖10展示了三種不同相位因子情況下的系統(tǒng)誤碼率對應(yīng)不同接收光功率的曲線圖。圖中可知當(dāng)滿足一定接收光功率情況下，相位因子為1.9的系統(tǒng)性能優(yōu)于相位因子為1.8和2的系統(tǒng)。相位因子1.9情況下系統(tǒng)誤碼率能達到1x10^-5，低于相位因子為2情況下系統(tǒng)的誤碼平臺2x10^-3。

圖11展示了在接收光功率為-6.9dBm時，不同相位因子條件下系統(tǒng)誤碼情況。從曲線可以看出，優(yōu)化相位因子能極大的提高系統(tǒng)性能。該系統(tǒng)在相位因子為1.9時誤碼率最低，能低于1x10^-5。

結(jié)果表明，本發(fā)明提出的基于相位因子優(yōu)化的載波抑制方式產(chǎn)生光載無線矢量波是可行的。