本發(fā)明專利涉及新一代信息與通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種自零差相干探測(cè)的雙向光子射頻傳輸系統(tǒng)及其信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

隨著信息通信技術(shù)(ict)的高速發(fā)展，人們?cè)谧非蟪髱?、超遠(yuǎn)距離傳輸方面不斷地做著努力和嘗試。相干光子通信不但可以實(shí)現(xiàn)超高速率信號(hào)傳輸，而且其相干探測(cè)能改善接收機(jī)的靈敏度，在相同的光通信條件下，相干接收機(jī)比普通接收機(jī)提高靈敏度約20db，可以達(dá)到接近散粒噪聲極限的高性能，因此也增加了光信號(hào)的無中繼傳輸距離。相干光子通信其信號(hào)接收分為外差探測(cè)接收和零差探測(cè)接收兩種，其零差探測(cè)擁有更高的接收靈敏度。隨著人們對(duì)超甚高速光子通信需求的日益提升，基于零差探測(cè)相干光通信的優(yōu)越性越來越凸顯出來。

中國(guó)專利201510903299.6披露了偏振無關(guān)自相干正交頻分復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)及傳輸方法，包括發(fā)送端和接收端，發(fā)送端正交調(diào)制的方式生成正交頻分復(fù)用信號(hào)。對(duì)于正交頻分復(fù)用信號(hào)而言，將零頻率處左右的頻譜空出來用來傳載波；接收端用濾波器將載波和信號(hào)分開，將載波通過1/4波片使其變成圓偏振光；最后將載波和信號(hào)輸入相干接收機(jī)并進(jìn)行后續(xù)數(shù)字信號(hào)處理。

該方案在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上存在以下問題：

(1)按照中國(guó)專利201510903299.6中表述，將光耦合器1分離出來的一路未經(jīng)調(diào)制處理的激光光波與另一路調(diào)制處理后的激光載波信號(hào)通過光耦合去2合路，然后進(jìn)入單模光纖中傳輸?shù)浇邮斩恕?/p>

然而，依據(jù)1/4波片光學(xué)處理原理我們可以得知：其未經(jīng)調(diào)制處理的那路激光光波源于激光器1，該激光光波未經(jīng)偏振處理，不是線偏振光；而經(jīng)過調(diào)制處理后的激光載波經(jīng)過了偏振處理是線偏振光；兩路光波通過耦合器2混合后，既有線偏振光又有圓偏振光，其兩種偏振態(tài)的激光管光波再由接收端經(jīng)過環(huán)形器、半透半反式光纖光柵、1/4波片處理后，線偏振光變成圓偏振光，圓偏振光變成線偏振光。

中國(guó)專利201510903299.6對(duì)其系統(tǒng)描述的把“既有線偏振光又有圓偏振光的激光光波通過1/4波片使其變成圓偏振光”顯然是有問題的，進(jìn)而，其專利中披露的“實(shí)現(xiàn)偏振無關(guān)接收”也是有問題的。

(2)中國(guó)專利201510903299.6披露的“光載波附近留下頻譜間隔”，“在低頻段附近(-5ghz到5ghz)，將子載波的信號(hào)設(shè)置為0”，是有問題的。

其一：實(shí)施難度比較大，以至于不可能實(shí)現(xiàn)。

ofdm多載波調(diào)制中，其載波頻率相對(duì)比較低，一般以khz或mhz計(jì)量，并且載波數(shù)量比較大。按照中國(guó)專利201510903299.6表述，若將-5ghz到5ghz的帶寬內(nèi)的子載波信號(hào)設(shè)置為0，在目前ofdm調(diào)制中，如此大的帶寬若用于0子載波設(shè)置，這樣沒法實(shí)施更多帶寬的ofdm信號(hào)編碼調(diào)制傳輸了。

其二：沒有給出具體的實(shí)施方式。

ofdm編碼調(diào)制原理中，子載波調(diào)制是指通過串并變換將有用信息調(diào)制到許多與之對(duì)應(yīng)的低頻段載波上，利用頻譜重疊特征，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效的頻譜帶寬利用。而中國(guó)專利201510903299.6中只表述了“將子載波的信號(hào)設(shè)置為0”，而沒有給出如何將子載波信號(hào)設(shè)置0的方法。

(3)按照中國(guó)專利201510903299.6表述：半透半反式光纖光柵將沒有攜帶有用信息的光反射回來、攜帶有用信息的光通過光纖光柵。

這樣設(shè)計(jì)是有問題的：被反射回來的激光光波是中心頻率為thz帶寬的中心邊帶光波，而通過光纖光柵的是已調(diào)制光學(xué)雙邊帶(正負(fù)一階邊帶)信號(hào)。沒有中心邊帶的光譜信號(hào)進(jìn)入“偏振復(fù)用相干接收機(jī)”與反射回來的中心邊帶光波實(shí)施解調(diào)，這不叫做相干探測(cè)，這樣設(shè)計(jì)也是不能實(shí)現(xiàn)的，與相干光學(xué)探測(cè)解調(diào)原理相違背。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種自零差相干探測(cè)的雙向光子射頻傳輸系統(tǒng)及其信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)方法，為未來超高速相干光通信、光子射頻融合通信、超高速多通道m(xù)imo無線傳輸、基站間高速光子射頻互聯(lián)互通提供一種高效的解決方案。本發(fā)明的目的由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種自零差相干探測(cè)的雙向光子射頻傳輸系統(tǒng),包括：cw激光器、下行鏈路及上行鏈路；其中，

下行鏈路包括：第一光學(xué)偏振分束器，輸入端連接cw激光器的輸出端，兩個(gè)輸出端分別連接mzm-1、mzm-2的輸入端；高頻正交mqam-ofdm下行發(fā)射機(jī)，生成兩對(duì)i/q信號(hào)并分別輸出給mzm-1、mzm-2的調(diào)制端；mzm-1，輸出端連接第一光學(xué)偏振合束器的一個(gè)輸入端；mzm-2，輸出端連接第一90°光學(xué)相移器的輸入端；第一90°光學(xué)相移器，輸出端連接第一光學(xué)偏振合束器的另一個(gè)輸入端；第一光學(xué)偏振合束器，輸出端輸出的光波信號(hào)a接入edfa的輸入端；edfa，輸出端經(jīng)第一ssmf連接超窄帶波束分離器的輸入端；超窄帶波束分離器，一個(gè)輸出端輸出光波信號(hào)b并接入光衰減器的輸入端，另一個(gè)輸出端輸出光波信號(hào)c并接入1:1:1光功分器的輸入端；光衰減器，輸出端連接光合路器的一個(gè)輸入端；1:1:1光功分器，第一輸出端連接光合路器的另一個(gè)輸入端，第二輸出端和第三輸出端連接1/4雙通道波片器的兩個(gè)輸入端；光合路器，輸出端輸出光波信號(hào)d并接入下行偏振復(fù)用90°光混頻器的一個(gè)輸入端；1/4雙通道波片器，一個(gè)輸出端輸出光波信號(hào)e并接入下行偏振復(fù)用90°光混頻器的另一個(gè)輸入端；下行偏振復(fù)用90°光混頻器，輸出端連接下行分集光電檢測(cè)器的輸入端；下行分集光電檢測(cè)器，輸出端連接下行高頻正交解調(diào)器的輸入端；下行高頻正交解調(diào)器，輸出端連接下行高速數(shù)字信號(hào)處理模塊的輸入端；下行高速數(shù)字信號(hào)處理模塊，輸出端輸出下行高頻數(shù)字基帶信號(hào)；

上行鏈路包括：第二光學(xué)偏振分束器，輸入端接入所述1/4雙通道波片器的另一個(gè)輸出端輸出的光波信號(hào)f，兩個(gè)輸出端分別連接mzm-3、mzm-4的輸入端；高頻正交mqam-ofdm下行發(fā)射機(jī)，生成兩對(duì)i/q信號(hào)并分別輸出給mzm-3、mzm-4的調(diào)制端；mzm-3，輸出端輸出光波信號(hào)g并接入第二光學(xué)偏振合束器的一個(gè)輸入端；mzm-4，輸出端經(jīng)第二90°光學(xué)相移器后連接第二光學(xué)偏振合束器的另一個(gè)輸入端；第二光學(xué)偏振合束器，輸出端經(jīng)第二ssmf連接上行偏振復(fù)用90°光混頻器的一個(gè)輸入端；上行偏振復(fù)用90°光混頻器，另一輸入端連接所述cw激光器的輸出，輸出端連接上行分集光電檢測(cè)器；上行分集光電檢測(cè)器，輸出端連接上行高頻正交解調(diào)器；行高頻正交解調(diào)器，輸出端連接上行高速數(shù)字信號(hào)處理模塊；行高速數(shù)字信號(hào)處理模塊，輸出上行高速數(shù)字基帶信號(hào)。

作為具體的技術(shù)方案，所述高頻正交mqam-ofdm下行發(fā)射機(jī)和高頻正交mqam-ofdm下行發(fā)射機(jī)均采用如下結(jié)構(gòu)，包括：超高速串并轉(zhuǎn)換輸出器，輸入端接入高速數(shù)字基帶信號(hào)，兩個(gè)輸出端分別連接第一對(duì)i/q信號(hào)生成電路的輸入端和第二對(duì)i/q信號(hào)生成電路的輸入端；第一對(duì)i/q信號(hào)生成電路，包括順序連接的mqam序列編碼處理模塊、ofdm調(diào)制處理模塊、雙路低通截止濾波處理模塊、空時(shí)編碼器、高頻正交幅度調(diào)制器及非對(duì)稱電信號(hào)處理模塊，非對(duì)稱電信號(hào)處理模塊輸出第一對(duì)i/q信號(hào)；第二對(duì)i/q信號(hào)生成電路，電路構(gòu)造與第一對(duì)i/q信號(hào)生成電路相同，輸出第二對(duì)i/q信號(hào)；超高頻本地振蕩源，兩個(gè)輸出端分別連接第一對(duì)i/q信號(hào)生成電路和第二對(duì)i/q信號(hào)生成電路中高頻正交幅度調(diào)制器的調(diào)制端，第一對(duì)i/q信號(hào)生成電路和第二對(duì)i/q信號(hào)生成電路中的空時(shí)編碼器彼此連接。

作為具體的技術(shù)方案，所述傳輸系統(tǒng)還包括4x4mimo無線發(fā)射機(jī)，連接于下行分集光電檢測(cè)器輸出端或上行分集光電檢測(cè)器輸出端，4x4mimo無線發(fā)射機(jī)包括四組無線發(fā)射電路，每組無線發(fā)射電路均包括順序連接的帶外雜散抑制濾波器、射頻功率放大器及天線。

作為具體的技術(shù)方案，所述傳輸系統(tǒng)還包括與所述4x4mimo無線發(fā)射機(jī)配合的4x4mimo無線接收機(jī)，4x4mimo無線接收機(jī)包括四個(gè)天線，分別與雙通道帶外雜散抑制濾波器的四個(gè)輸入端連接；雙通道帶外雜散抑制濾波器，兩個(gè)輸出端分別連接第一路解碼電路和第二路解碼電路；第一路解碼電路，包括順序連接的高頻正交幅度解調(diào)器、空時(shí)解碼器、ofdm解調(diào)處理模塊及mqam序列解碼處理模塊；第二路解碼電路，電路構(gòu)造與第一路解碼電路相同；超高頻本地振蕩源，兩個(gè)輸出端分別連接第一路解碼電路和第二路解碼電路中高頻正交幅度解調(diào)器的調(diào)制端；超高速并串轉(zhuǎn)換輸出器，兩個(gè)輸入端分別連接一路解碼電路的輸出端和第二路解碼電路的輸出端，輸出端輸出高速數(shù)字基帶信號(hào)；第一路解碼電路和第二路解碼電路中的空時(shí)編碼器彼此連接。

一種自零差相干探測(cè)的雙向光子射頻傳輸系統(tǒng)的信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)方法，包括：

cw激光器輸出的激光光波一分為二，一路用于下行鏈路光載波信號(hào)調(diào)制，另一路用于上行相干光信號(hào)探測(cè)接收所用的本振激光信號(hào)；其中，

下行鏈路的信號(hào)處理方法如下：

(1)用于下行鏈路光載波信號(hào)調(diào)制的激光光波通過第一偏振分束器實(shí)施激光光波線偏振處理，接著分別通過mzm-1、mzm-2被高頻正交mqam-ofdm下行發(fā)射機(jī)輸出的兩對(duì)i/q信號(hào)調(diào)制；(2)調(diào)制后的一路光載波信號(hào)通過90°相移處理后與另一路已調(diào)光載波信號(hào)經(jīng)第一偏振合束器合路，然后再經(jīng)edfa實(shí)施信號(hào)放大，接著通過第一ssmf把已調(diào)制光載波信號(hào)傳送到超窄帶波束分離器；(3)已調(diào)制光載波信號(hào)通過1pm帶寬的超窄帶波束分離器分離出中心頻率為193.10thz、帶寬為125mhz的正負(fù)一階光譜邊帶光波信號(hào)b和中心光譜邊帶光波信號(hào)c；(4)正負(fù)一階光譜邊帶光波信號(hào)b再經(jīng)光衰減器后輸入光合路器，中心光譜邊帶光波信號(hào)c經(jīng)1:1:1光功分器分為三路，其中一路輸入光合路器，另外兩路輸入到1/4雙通道波片器；(5)光合路器輸出的光波信號(hào)d及1/4雙通道波片器輸出的一路中心頻率為193.10thz純凈圓偏振激光的光波信號(hào)e輸入至下行偏振復(fù)用90°光混頻器，下行偏振復(fù)用90°光混頻器的四路輸出輸入至下行分集光電檢測(cè)器；(6)下行分集光電檢測(cè)器的四路輸出順序經(jīng)過下行高頻正交解調(diào)器、下行高速數(shù)字信號(hào)處理模塊處理后，解調(diào)出下行高速數(shù)字基帶信號(hào)；

上行鏈路的信號(hào)處理方法如下：

a、所述1/4雙通道波片器輸出的另一路中心頻率為193.10thz純凈圓偏振激光的光波信號(hào)f通過第二偏振分束器實(shí)施激光光波線偏振處理，接著分別通過mzm-3、mzm-4被高頻正交mqam-ofdm上行發(fā)射機(jī)輸出的兩對(duì)i/q信號(hào)調(diào)制；b、調(diào)制后的一路光載波信號(hào)通過90°相移處理后與另一路已調(diào)光載波信號(hào)經(jīng)第二偏振合束器合路，然后再經(jīng)第二ssmf把已調(diào)制光載波信號(hào)傳送到上行偏振復(fù)用90°光混頻器；c、上行偏振復(fù)用90°光混頻器實(shí)施自相干探測(cè)接收所用本振激光來源于cw激光器輸出，上行偏振復(fù)用90°光混頻器把兩對(duì)四路光子射頻i/q信號(hào)輸入到上行分集光電檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)光電探測(cè)轉(zhuǎn)換處理；d、上行偏振復(fù)用90°光混頻器的四路輸出順序經(jīng)過上行分集光電檢測(cè)器、上行高頻正交解調(diào)器、上行高速數(shù)字信號(hào)處理模塊處理后，解調(diào)出上行高速數(shù)字基帶信號(hào)。

作為具體的技術(shù)方案，所述高頻正交mqam-ofdm下行發(fā)射機(jī)和高頻正交mqam-ofdm上行發(fā)射機(jī)各自產(chǎn)生兩對(duì)i/q信號(hào)的過程如下：通過超高速串并轉(zhuǎn)換輸出器對(duì)接入的高速數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，輸出兩路信號(hào)給第一對(duì)i/q信號(hào)生成電路和第二對(duì)i/q信號(hào)生成電路；第一對(duì)i/q信號(hào)生成電路對(duì)輸入的信號(hào)順序進(jìn)行mqam序列編碼處理、ofdm調(diào)制處理、雙路低通截止濾波模塊、空時(shí)編碼、高頻正交幅度調(diào)制及非對(duì)稱電信號(hào)處理，輸出第一對(duì)i/q信號(hào)；第二對(duì)i/q信號(hào)生成電路的處理過程與第一對(duì)i/q信號(hào)生成電路相同，輸出第二對(duì)i/q信號(hào)；其中，由超高頻本地振蕩源為第一對(duì)i/q信號(hào)生成電路和第二對(duì)i/q信號(hào)生成電路中高頻正交幅度調(diào)制器提供振蕩源，第一對(duì)i/q信號(hào)生成電路和第二對(duì)i/q信號(hào)生成電路中的空時(shí)編碼器彼此連接。

作為具體的技術(shù)方案，在所述高頻正交mqam-ofdm下行發(fā)射機(jī)和高頻正交mqam-ofdm上行發(fā)射機(jī)各自產(chǎn)生兩對(duì)i/q信號(hào)的過程中：在ofdm調(diào)制前，對(duì)其前端輸入的mqam序列有用信號(hào)實(shí)施周期性連續(xù)多零冗余碼插入邏輯編碼再處理，使得ofdm調(diào)制中的正中間頻段左右兩邊的多個(gè)子載波與連續(xù)多零冗余碼一一對(duì)應(yīng)實(shí)施相關(guān)“零”邏輯運(yùn)算處理，由于周期性連續(xù)多“零冗余碼”插入的原因，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)每一個(gè)周期內(nèi)的ofdm頻譜都空余出中間的125mhz帶寬非實(shí)質(zhì)性參與有用信號(hào)傳輸；所述高頻正交幅度調(diào)制器的高頻載波頻率為60ghz，此頻段可為ofdm提供高達(dá)6ghz以上的有效利用帶寬。

作為具體的技術(shù)方案，所述步驟(6)或步驟d中，下行分集光電檢測(cè)器或上行分集光電檢測(cè)器的四路輸出另外經(jīng)過以下處理：下行分集光電檢測(cè)器或上行分集光電檢測(cè)器的每路輸出先經(jīng)帶外雜散抑制濾波處理，再經(jīng)射頻功率放大，然后由天線進(jìn)行發(fā)射。

作為具體的技術(shù)方案，所述信號(hào)處理實(shí)時(shí)方法還包括對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行接收的步驟，包括：通過四個(gè)天線接收信號(hào)并分別輸入給雙通道帶外雜散抑制濾波器的四個(gè)輸入端；雙通道帶外雜散抑制濾波器的兩路輸出信號(hào)分別經(jīng)第一路解碼電路和第二路解碼電路進(jìn)行處理；第一路解碼電路對(duì)接收的信號(hào)順序進(jìn)行高頻正交幅度解調(diào)器、空時(shí)解碼器、ofdm解調(diào)處理模塊及mqam序列解碼處理模塊的處理；第二路解碼電路對(duì)接收的信號(hào)的處理過程與第一路解碼電路相同；第一路解碼電路和第二路解碼電路進(jìn)行處理后的信號(hào)經(jīng)超高速并串轉(zhuǎn)換輸出器處理后輸出高速數(shù)字基帶信號(hào)；其中，由超高頻本地振蕩源為第一路解碼電路和第二路解碼電路中高頻正交幅度解調(diào)提供振蕩源，第一路解碼電路和第二路解碼電路中的空時(shí)編碼器彼此連接。

作為具體的技術(shù)方案，在所述步驟(2)的執(zhí)行過程中：通過適度增大超窄帶波束分離器的信號(hào)通透帶寬，使得中心頻率為193.10thz的本振激光光波信號(hào)帶寬加寬，以此提高相對(duì)強(qiáng)度噪聲數(shù)值；通過edfa對(duì)信號(hào)放大后的濾波功能，適度增大濾波帶寬來提高相對(duì)強(qiáng)度噪聲數(shù)值，進(jìn)而改善分集光電檢測(cè)器i、q信號(hào)輸出合路后的復(fù)值光電流i～(t)。

本發(fā)明的有益效果在于：

(1)超窄帶波束分離器把調(diào)制后的光載波信號(hào)以中心頻率為193.1thz、帶寬為125mhz的激光光波分離出來，并通過1:1:1光功分器實(shí)施功率均分，而此時(shí)因?yàn)闄?quán)利要求2的設(shè)計(jì)原因，此分離出來的中心頻率為193.1thz的激光光波為純凈激光管光波,沒有攜帶任何調(diào)制信息。

(2)系統(tǒng)中引入的激光偏振分束器、偏振合束器，傳輸中的激光載波為線偏振光，而通過1/4雙通道波片器處理后，中心頻率為193.1thz、帶寬為120mhz的激光光波變成了圓偏振光，下行90°光混頻接收處理具有偏振無關(guān)性、上行激光載波光源調(diào)制也具有線偏振無關(guān)性。

(3)下行偏振復(fù)用90°光混頻器前端輸入的已調(diào)制光載波信號(hào)與本振激光光源都源于中心頻率為193.1thz的cw激光器，它們所經(jīng)光程相同、光相位同步鎖定，實(shí)現(xiàn)了下行傳輸自零差相干探測(cè)接收。

(4)經(jīng)下行分集光電檢器輸出的攜帶有兩對(duì)i/q信息的四路光子射頻信號(hào)，再通過帶外雜散抑制濾波、射頻功率放大處理后，可以作為4x4mimo無線發(fā)射的信源通過天線直接無線發(fā)送，從而實(shí)現(xiàn)多通道光子射頻波到無線微波mimo的直接變換發(fā)射。

(5)上行激光載波調(diào)制過程中沒有額外單獨(dú)引入激光光源，借助下行傳輸系統(tǒng)中1/4雙通道波片器輸出的具有線偏振無關(guān)性的圓偏振光激光實(shí)施激光載波調(diào)制傳輸。

(6)上行偏振復(fù)用90°光混頻器實(shí)施光學(xué)相干解調(diào)所用本振激光光源來源于cw激光器，其上行傳輸?shù)募す庑盘?hào)載波與cw激光光源的中心頻率都為193.1thz，上行傳輸也實(shí)現(xiàn)了自零差光學(xué)相干探測(cè)接收。

(7)用于偏振復(fù)用90°光混頻探測(cè)接收的本振激光光源，均出自cw激光器，沒有額外引入本振激光光源，激光中心頻率的穩(wěn)定控制性大大提高，組網(wǎng)及維護(hù)成本顯著降低；并且其為通用的圓偏振光，在光子射頻波探測(cè)接收時(shí)具有線偏振無關(guān)性。

(8)高頻正交mqam-ofdm發(fā)射機(jī)輸出的兩對(duì)四路i/q信號(hào)分別調(diào)制兩路正交線偏振激光光波，調(diào)制后的上行四路光子射頻i/q信號(hào)傳輸?shù)浇藶?x4mimo無線發(fā)送機(jī)直接提供了與之對(duì)應(yīng)的四路信源。

(9)高頻正交mqam-ofdm下行發(fā)射機(jī)及高頻正交mqam-ofdm上行發(fā)射機(jī)，其正交調(diào)制的高頻載波頻率上調(diào)至60ghz，為遠(yuǎn)端實(shí)施6ghz以上的有用調(diào)制帶寬，進(jìn)而用于4x4mimo無線載波收發(fā)通信。

附圖說明

圖1、自零差相干探測(cè)的雙向光子射頻正交調(diào)制mqam-ofdm系統(tǒng)架構(gòu)圖；

圖2、高頻正交mqam-ofdm發(fā)射機(jī)原理架構(gòu)圖；

圖3、高頻正交mqam-ofdm發(fā)射機(jī)中的ofdm編碼設(shè)計(jì)使用頻譜原理示意圖；

圖4、圖1中的a點(diǎn)處光譜原理示意圖；

圖5、圖1中的b點(diǎn)處光譜原理示意圖；

圖6、圖1中的c點(diǎn)處光譜原理示意圖；

圖7、圖1中的d點(diǎn)處光譜原理示意圖；

圖8、圖1中的e點(diǎn)處光譜原理示意圖；

圖9、圖1中的f點(diǎn)處光譜原理示意圖；

圖10、圖1中的g點(diǎn)處光譜原理示意圖；

圖11、圖1中的h點(diǎn)處光譜原理示意圖；

圖12、4x4mimo無線發(fā)射機(jī)原理架構(gòu)圖；

圖13、4x4mimo無線接收機(jī)原理架構(gòu)圖；

圖14、mqam-ofdm高頻正交iq調(diào)制數(shù)學(xué)模型圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步說明：

如圖1所示，自零差相干探測(cè)的雙向光子射頻正交調(diào)制mqam-ofdm系統(tǒng)，下行鏈路信號(hào)處理與傳輸過程如下：

cw激光器輸出的中心頻率為193.10thz的激光光波一分為二，其中一路用于下行鏈路光載波信號(hào)調(diào)制，另一路用于上行相干光信號(hào)探測(cè)接收所用的本振激光信號(hào)。用于下行光載波信號(hào)調(diào)制的激光光波通過偏振分束器實(shí)施激光光波線偏振處理，接著通過兩個(gè)光電調(diào)制器(mzm-1、mzm-2)被高頻正交mqam-ofdm下行發(fā)射機(jī)輸出的兩對(duì)四路i/q信號(hào)調(diào)制，調(diào)制后的一路光載波信號(hào)通過90°相移處理后與另一路已調(diào)光載波信號(hào)經(jīng)偏振合束器合路，然后再經(jīng)摻鉺光纖放大器(edfa)實(shí)施信號(hào)放大，接著通過標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(ssmf)把已調(diào)制光載波信號(hào)傳送到遠(yuǎn)端設(shè)備。

上述過程中的高頻正交mqam-ofdm下行發(fā)射機(jī)原理架構(gòu)圖如圖2所示。在ofdm調(diào)制過程中，對(duì)其前端輸入的mqam序列有用信號(hào)實(shí)施周期性連續(xù)多零冗余碼插入邏輯編碼再處理，使得ofdm調(diào)制中的正中間頻段左右兩邊的多個(gè)子載波與連續(xù)多零冗余碼一一對(duì)應(yīng)實(shí)施相關(guān)“零”邏輯運(yùn)算處理，由于周期性連續(xù)多“零冗余碼”插入的原因，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)每一個(gè)周期內(nèi)的ofdm頻譜都空余出中間的125mhz帶寬非實(shí)質(zhì)性參與有用信號(hào)傳輸。插入多零冗余碼后，ofdm頻譜原理示意圖如圖3所示。該發(fā)射機(jī)中高頻正交幅度調(diào)制器的高頻載波頻率為60ghz，此頻段可為ofdm提供高達(dá)6ghz以上的有效利用帶寬。兩對(duì)四路i/q信號(hào)經(jīng)過光電變換、光學(xué)相移、偏振合路處理后輸出的光譜圖如圖4所示。由圖4我們可以看出已調(diào)制光載波193.10thz中心邊帶左右兩邊125mhz帶寬中沒有ofdm信息，而ofdm信息分別被攜帶到已調(diào)光載波正負(fù)一階對(duì)稱光頻譜邊帶上。

已調(diào)制光載波信號(hào)通過ssmf傳送到遠(yuǎn)端設(shè)備后，通過1pm帶寬的超窄帶波束分離器分離出中心頻率為193.10thz、帶寬為125mhz的激光光波，進(jìn)而可從圖1中得到，從超窄帶波束分離器輸出的b、c點(diǎn)處的光譜示意圖分別如圖5、圖6所示。依照?qǐng)D1所示，兩路分束出來的光波信號(hào)分別再經(jīng)光衰減器、1:1:1光功分器、光合路器、1/4雙通道波片器處理后，在對(duì)應(yīng)的圖1中d、e、f點(diǎn)處，可分別得到如圖7、圖8、圖9所示的光譜示意圖。

上述過程中需要說明的是：

①光合路器輸出的光波信號(hào)，即圖1中d點(diǎn)處的光波信號(hào)，此處光波信息與圖1中a點(diǎn)處的光波信息除功率不同外沒有本質(zhì)差別，同為已調(diào)制光載波信號(hào)，攜帶有相同調(diào)制信息；

②1:1:1光功分器輸出的中心頻率為193.10thz的兩路線偏振激光光波，其輸入到1/4雙通道波片器中，經(jīng)1/4波片轉(zhuǎn)換成圓偏振光，該中心頻率為193.10thz的圓偏振光為純凈激光光波，不含有任何調(diào)制信息；

③圖1中d的光載波信號(hào)與e點(diǎn)處的純凈激光光波信號(hào)，其所經(jīng)光程一樣，因此光相位嚴(yán)格同步，并且中心頻率都為193.10thz；

④圖1中d、e兩點(diǎn)處的光波信號(hào)進(jìn)入下行偏振復(fù)用90°光混頻器實(shí)施光學(xué)相干解調(diào)，它們?cè)从谕粋€(gè)cw激光器輸出的激光光波，中心頻率相同、光相位同步，e點(diǎn)處純凈激光又是圓偏振激光，從而使得下行90°光混頻接收過程實(shí)現(xiàn)了自零差相干探測(cè)的同時(shí)又具有偏振無關(guān)性。

通過光學(xué)偏振無關(guān)性的自零差相干解調(diào)，下行偏振復(fù)用90°光混頻器把兩對(duì)四路光子射頻i/q信號(hào)輸入到下行分集光電檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)光電探測(cè)轉(zhuǎn)換處理，然后可以按照?qǐng)D12的處理方式，實(shí)現(xiàn)4x4mimo無線信號(hào)發(fā)射。即：在下行分集光電檢測(cè)器后端可以實(shí)現(xiàn)光纖通信的自零差相干探測(cè)接收同時(shí)，還可以不經(jīng)數(shù)字信號(hào)復(fù)雜處理就能直接實(shí)現(xiàn)下行無線4x4mimo信號(hào)發(fā)送。

如圖1所示，自零差相干探測(cè)的雙向光子射頻正交調(diào)制mqam-ofdm系統(tǒng)，上行鏈路信號(hào)處理與傳輸過程如下：

1/4雙通道波片器輸出的另一路中心頻率為193.10thz純凈圓偏振激光的光譜如圖9所示，即圖1中f點(diǎn)處光譜。此激光光波作為上行傳輸鏈路被調(diào)制光波實(shí)施相關(guān)信號(hào)處理與傳輸，上行鏈路實(shí)施方式與下行鏈路實(shí)施方式相同。上行鏈路實(shí)施過程需要說明如下：

①經(jīng)上行偏振復(fù)用90°光混頻器實(shí)施自相干探測(cè)接收所用本振激光來源于cw激光器輸出，其光譜如圖11所示，即圖1中h點(diǎn)處的光譜；

②與下行傳輸鏈路實(shí)施方式相同：通過光學(xué)偏振無關(guān)性的自相干解調(diào)，上行偏振復(fù)用90°光混頻器把兩對(duì)四路光子射頻i/q信號(hào)輸入到上行分集光電檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)光電探測(cè)轉(zhuǎn)換處理，然后可以按照?qǐng)D12的處理方式，實(shí)現(xiàn)4x4mimo無線信號(hào)發(fā)射。即：在上行分集光電檢測(cè)器后端可以實(shí)現(xiàn)光纖通信的自相干探測(cè)接收同時(shí)，還可以不經(jīng)數(shù)字信號(hào)復(fù)雜處理就能直接實(shí)現(xiàn)上行無線4x4mimo信號(hào)發(fā)送。

關(guān)鍵技術(shù)原理及數(shù)學(xué)建模推論

如圖4、5、6、7、8、9、10、11所示，分別對(duì)應(yīng)傳輸系統(tǒng)框圖中a、b、c、d、e、f、g、h點(diǎn)處的光譜原理示意圖。關(guān)鍵技術(shù)原理及數(shù)學(xué)建模推論如下：

(1)周期性連續(xù)多零冗余碼插入mqam-ofdm數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)與理論驗(yàn)證

圖14給出了mqam-ofdm高頻正交iq調(diào)制數(shù)學(xué)模型，ofdm基帶調(diào)制后輸出信號(hào)表達(dá)式為：

其中dk為星座映射輸出，即mqam編碼對(duì)應(yīng)量輸出；ω0為子載波零基頻角頻率，其他子載波角頻率是其整數(shù)倍。高頻正交iq調(diào)制后的輸出表達(dá)式為：

y＝re{x}·cosωct-im{x}·sinωct

其中ωc為高頻正交調(diào)制升頻后的角頻率，用于無線mimo載波通信。

那么上面兩個(gè)表達(dá)式可以得到：

進(jìn)一步可以得到：

即可以得知：

進(jìn)而又可以得到：

在ofdm信號(hào)處理過程中，如果對(duì)其前端輸入的mqam序列有用信號(hào)實(shí)施周期性連續(xù)多零冗余碼插入邏輯編碼再處理，即對(duì)每個(gè)周期編碼序列的正中間部分連續(xù)多零冗余碼插入邏輯預(yù)編碼，那么就有一系列的dk＝0，這樣就可以使得ofdm調(diào)制中的正中間頻段左右兩邊的多個(gè)子載波與連續(xù)多零冗余碼一一對(duì)應(yīng)實(shí)施相關(guān)“零”邏輯運(yùn)算處理，進(jìn)而可以用數(shù)學(xué)模型表述“插零冗余碼型”后的y信號(hào)為：

從上述y^*數(shù)學(xué)模型中，我們可以得到一系列的角頻率：-k(ω0+ωc)、-(k-1)(ω0+ωc)、-(k-2)(ω0+ωc)、······、-m(ω0+ωc)、0、0、0、0、0、······、0、0、······、0、0、0、0、0、m(ω0+ωc)、······、(k-2)(ω0+ωc)、(k-1)(ω0+ωc)、k(ω0+ωc)，角頻率成對(duì)出現(xiàn)，中間有多對(duì)角頻率為零。

這些角頻率與對(duì)應(yīng)信號(hào)所用帶寬就組成了ofdm調(diào)制到高頻載波上的頻譜圖，其調(diào)制到高頻載波上的ofdm頻譜圖的一個(gè)明顯特征就是由于中間一系列零角頻的原因，使得中間的頻譜不攜帶任何有用信號(hào)而被空余出來，從而不實(shí)質(zhì)性參與有用信號(hào)傳輸，進(jìn)而在光子射頻調(diào)制中可以使中心頻率193.10thz的激光載波中心左右兩邊125mhz的光帶寬不攜帶mqam-ofdm射頻載波信息，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了圖3、圖4設(shè)計(jì)的合理性。本發(fā)明中正交高頻載波中心頻率為60ghz，即ωc＝2π*60ghz，其無線載波有效利用帶寬高達(dá)載波中心頻率值的10％以上，即：有效利用無線帶寬可達(dá)6ghz以上，空余出來的125mhz的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于6ghz的有效利用帶寬，空余出來未用的帶寬所占比率為：125/1024/6≈2％，即可以通過犧牲2％的極少部分無線帶寬來實(shí)現(xiàn)超高靈敏度的自差相干探測(cè)接收及為上行傳輸提供激光光源、為上下行相干探測(cè)接收提供本振激光光源。

(2)光子射頻波的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)與理論驗(yàn)證

本發(fā)明中的mzm光電調(diào)制是利用射頻本振驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制激光載波信號(hào)相位來實(shí)現(xiàn)調(diào)制。如果ein(t)和v(t)分別代表加入連續(xù)激光載波信號(hào)和本振射頻調(diào)制信號(hào)，則eout(t)＝ein(t)exp[jφv(t)]，其中φ為相位偏離值，v(t)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)字介于0和1之間。

如果ein(t)和v(t)分別代表加入連續(xù)激光載波信號(hào)和本振射頻信號(hào)，ωc代表激光光波角頻率，則可令：

ein(t)＝ec·cos(ωc·t)(1)

v(t)＝vm·cos(ωrf·t+θ)(2)

則相位調(diào)制器輸出為：

eout＝ec·cos(ωc·t)·exp[j·φ·vm·cos(ωrf·t+θ)](3)

也可以用另外一種精簡(jiǎn)表述該調(diào)制器的輸出：

eout(t)＝ec·cos[ωc·t+γ·cos(ωrf·t+θ)](4)

上式(4)中γ＝π·vm/vπ為調(diào)制器的調(diào)制深度，vπ為半波電壓，ωrf為射頻調(diào)制信號(hào)的角頻率。

假設(shè)在圖1偏振合束器前的兩光學(xué)相位調(diào)制輸出信號(hào)分別為e1out(t)和e2out(t)，且令θ＝0，則根據(jù)公式(4)得：

e1out(t)＝ec·cos[ωc·t+γ·cos(ωrf·t)](5)

e2out(t)＝ec·cos[ωc·t+γ·cos(ωrf·t+π/2)](6)

將e1out(t)和e2out(t)利用bessel公式展開得到：

如果取bessel函數(shù)的更多項(xiàng)，則可以得到更多不同角頻率的三角函數(shù)展開式，因此，通過偏振合束器將e1out(t)和e2out(t)耦合之后得到就得到了以cw激光的ωc為中心角頻點(diǎn)，在其左右兩邊分別以射頻調(diào)制信號(hào)ωrf的倍數(shù)角頻點(diǎn)展開的光譜分布，因此，我們可以得到

由于這些高于二階以上光譜邊帶的功率都非常小，相對(duì)零階中心光譜邊帶功率可以忽略不計(jì)，因此，以取bessel函數(shù)前一項(xiàng)為例，可以進(jìn)一步展開e1out(t)和e2out(t)得：

e1out(t)＝ec{cos(ωct)j0(γ)+2cos(ωct)[-j0(γ)cos(0)]+2sin(ωct)[-j1(γ)cos(ωrft)]}

利用正弦函數(shù)和余弦函數(shù)的周期性和奇偶性質(zhì)進(jìn)一步化簡(jiǎn)e1out(t)和e2out(t)得：

e1out(t)＝ec{-cos(ωct)j0(γ)-2sin(ωct)[j1(γ)cos(ωrft)]}

e2out(t)＝ec{3cos(ωct)j0(γ)-2sin(ωct)[j1(γ)sin(ωrft)]}

利用正弦函數(shù)和余弦函數(shù)的積化和差性質(zhì)進(jìn)一步化簡(jiǎn)e1out(t)和e2out(t)得：

e1out(t)

＝ec{-cos(ωct)j0(γ)-2sin(ωct)[j1(γ)cos(ωrft)]}

＝ec{-cos(ωct)j0(γ)-j1(γ)[sin(ωct+ωrft)+sin(ωct-ωrft)]}

＝ec{-cos(ωct)j0(γ)-j1(γ)[sin(ωc+ωrf)t+sin(ωc-ωrf)t]}

e2out(t)

＝ec{3cos(ωct)j0(γ)-2sin(ωct)[j1(γ)sin(ωrft)]}

＝ec{3cos(ωct)j0(γ)-j1(γ)[cos(ωct+ωrft)-cos(ωct-ωrft)]}

＝ec{3cos(ωct)j0(γ)-j1(γ)[cos(ωc+ωrf)t-cos(ωc-ωrf)t]}

針對(duì)上述兩式說明如下：

①本發(fā)明中的光子射頻mqam-ofdm載波進(jìn)入自相干探測(cè)接收端后，通過光學(xué)濾波，只保留光載波零階中心角頻率為ωc光譜邊帶和光載波中心角頻率為ωc±ωrf的正負(fù)一階光譜邊帶，本發(fā)明中的光載波中心頻率是193.10thz，無線載波中心頻率是60ghz，因此，在相干探測(cè)接收端實(shí)施自相干接收的正負(fù)一階光譜邊帶中心頻率分比為193.10+0.06＝193.16thz和193.10-0.06＝193.04thz；

②本發(fā)明中的光子射頻mqam-ofdm載波進(jìn)入超窄帶波束分離器，實(shí)施125mhz超窄帶帶通濾波處理，由于其125mhz帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正負(fù)一階光譜邊帶中心頻率之間的60+60＝120ghz的帶寬，因此超窄帶波束分離器的輸出中不包含光載波的正負(fù)一階光譜邊帶的相關(guān)信息，只保留了光載波零階中心角頻率為ωc光譜邊帶信息，即此時(shí)光由超窄帶波束分離器輸出光載波信息為：

e1out(t)+e2out(t)＝3eccos(ωct)j0(γ)-eccos(ωct)j0(γ)＝2eccos(ωct)j0(γ)

③mqam-ofdm調(diào)制信號(hào)，其中心125mhz頻譜由于“連續(xù)多零冗余碼插入”被空余而非實(shí)質(zhì)性參與信息傳輸，那么經(jīng)過上述超窄帶波束分離器濾波輸出的是以ωc為中心角頻率、帶寬為125/2＝62.5mhz的純凈激光光波信號(hào)，即：濾波輸出的是從(193.10thz-62.5mhz＝)193.0000275thz到(193.10thz+62.5mhz＝)193.1000625thz的純凈激光光譜信息，即如圖6所示。

(3)自相干光子射頻探測(cè)接收數(shù)學(xué)模型及理論推導(dǎo)

假設(shè)es為偏振復(fù)用90°光學(xué)混頻器輸入端的待解調(diào)有用信號(hào)，elo為偏振復(fù)用90°光學(xué)混頻器輸入端的本振激光信號(hào)，為分集光電檢測(cè)器i、q信號(hào)輸出合路后的復(fù)值光電流，那么可以得到偏振復(fù)用90°光學(xué)混頻器四路輸出端的光信號(hào)e1、e2、e3、e4表征值分別為：

上述四路光信號(hào)輸入到光電分集檢測(cè)器后，經(jīng)過四個(gè)光電檢測(cè)平pd1、pd2、pd3、pd4實(shí)施光電探測(cè)，其光電流分別為i1、i2、i3、i4，接著我們可以進(jìn)一步得到：

以此，在光電分集檢測(cè)其中產(chǎn)生的光電流ii(t)、iq(t)分別為：

ii(t)＝i1-i2＝2re{es(elo)^*}；

iq(t)＝i3-i4＝2im{es(elo)^*}；

其中re表示函數(shù)的實(shí)部，im表示函數(shù)的虛部；以此，我們可以進(jìn)一步得到為：

而es＝er+n0，其中er是接收到的矢量信號(hào)部分，n0是放大自發(fā)散射噪聲部分，因此可以得到|es|²＝|er|²+|n0|²+2re{er(n0)^*}；而本振激光光波|elo|²＝ilo[1+irin(t)]，其中ilo、irin(t)分別是本振激光器的平均功率部分和相對(duì)強(qiáng)度噪聲(rin)部分。

因此，我們有：

即：

本發(fā)明中的下行鏈路：光通信接收端收到從發(fā)送端傳送來的光子射頻正交mqam-ofdm信號(hào)后，按照下行鏈路信號(hào)處理實(shí)施方式，中心頻率為193.10thz的光子射頻正交mqam-ofdm信號(hào)與中心頻率為193.10thz的窄線寬激光光波進(jìn)入下行偏振復(fù)用90°光學(xué)混頻器、下行分集光電檢測(cè)器實(shí)施光子射頻信號(hào)相位同步自鎖定自零差相干探測(cè)處理，然后再通過下行高頻正交解調(diào)器、下行高速數(shù)字信號(hào)處理模塊，進(jìn)而解調(diào)出下行高速數(shù)字基帶信號(hào)。此接收探測(cè)過程中，中心頻率為193.10thz的光子射頻正交mqam-ofdm信號(hào)就是上述數(shù)學(xué)建模推理中的er，中心頻率為193.10thz的窄線寬激光光波就是上述數(shù)學(xué)建模推理中的elo，er和elo同出自于cw激光器且它們?cè)谡麄€(gè)下行鏈路的傳輸光程一樣，光子射頻正交mqam-ofdm信號(hào)相干探測(cè)中沒有單獨(dú)引入激光本振信號(hào)，即實(shí)現(xiàn)相位同步自鎖定的下行自零差相干探測(cè)解調(diào)接收。

本發(fā)明中的上行鏈路：經(jīng)過ssmf傳送后的中心頻率為193.10thz上行光子射頻正交mqam-ofdm信號(hào)進(jìn)入上行偏振復(fù)用90°光學(xué)混頻器，與從中心頻率為193.10thz的cw激光分路出來的本振激光信號(hào)通過上行偏振復(fù)用90°光學(xué)混頻器和上行分集光電檢測(cè)器進(jìn)行自相干探測(cè)解調(diào)處理，再通過上行高頻正交解調(diào)器、上行高速數(shù)字信號(hào)處理模塊，進(jìn)而解調(diào)出上行高速數(shù)字基帶信號(hào)。此接收探測(cè)過程中，中心頻率為193.10thz上行光子射頻正交mqam-ofdm信號(hào)就是上述數(shù)學(xué)建模推理中的er，中心頻率為193.10thz的窄線寬本振激光信號(hào)就是上述數(shù)學(xué)建模推理中的elo，er和elo同出自于cw激光器，光子射頻正交mqam-ofdm信號(hào)相干探測(cè)中沒有單獨(dú)引入激光本振信號(hào)，即實(shí)現(xiàn)上行自相干探測(cè)解調(diào)接收。

本發(fā)明中的上下行鏈路傳輸中，由：

我們可以得知：接收到的中心頻率為193.10thz的光子射頻正交mqam-ofdm信號(hào)的放大自發(fā)散射噪聲n0和相對(duì)強(qiáng)度噪聲(rin)電流對(duì)復(fù)值光電流是有一定的貢獻(xiàn)的，因此，我們可以稍稍地惡化作為上下行中心頻率為193.10thz的本振激光光波的相對(duì)強(qiáng)度噪聲來提高數(shù)值，進(jìn)而改進(jìn)高速數(shù)字信號(hào)處理的誤碼率。例如可以利用超窄帶波束分離器的濾波特性，把中心頻率為193.10thz的本振激光光波信道的濾波帶寬稍稍加寬來適當(dāng)?shù)靥岣呦鄬?duì)強(qiáng)度噪聲數(shù)值；也可以利用edfa對(duì)信號(hào)放大后的濾波功能，稍稍加寬濾波帶寬來提高相對(duì)強(qiáng)度噪聲數(shù)值來改善復(fù)值光電流進(jìn)而適度提高整個(gè)系統(tǒng)的傳輸、接收性能。當(dāng)然，此時(shí)稍稍增加這些功能器件濾波后的本振激光光波信號(hào)帶寬，其實(shí)也提高了本振激光器的平均功率部分(即ilo)，從而更進(jìn)一步地改善復(fù)值光電流i～(t)，進(jìn)而改進(jìn)高速數(shù)字信號(hào)處理的誤碼率。

以上實(shí)施例僅為充分公開而非限制本發(fā)明，凡基于本發(fā)明的創(chuàng)作主旨、未經(jīng)創(chuàng)造性勞動(dòng)的等效技術(shù)特征的替換，應(yīng)當(dāng)視為本申請(qǐng)揭露的范圍。