本發(fā)明涉及光纖通信與無線通信系統(tǒng)，尤其涉及一種射頻導(dǎo)頻輔助的高線寬容忍度光子輔助通信系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著5g通信網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)化，新興應(yīng)用促使著網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量呈指數(shù)級(jí)增長。目前，傳統(tǒng)移動(dòng)通信使用的頻段已經(jīng)飽和，無法滿足未來高吞吐率的通信需求。為了解決爆發(fā)式增長的流量需求，研究者將目光投向了毫米波(mmw)以及太赫茲(thz)頻段，這些頻段位于30ghz～1thz之間，具有豐富的頻譜資源以及免許可的特征，可以支持?jǐn)?shù)百gbp的通信速率。因此，各國研究人員已經(jīng)開啟了高頻毫米波/太赫茲的通信研究，其中基于光子輔助技術(shù)的毫米波/太赫茲通信方案由于可以克服電子器件的帶寬瓶頸且靈活的頻率調(diào)諧性受到研究人員的廣泛關(guān)注。

2、然而，為了保證生成的毫米波/太赫茲信號(hào)的質(zhì)量，目前光子輔助方案通常都需要窄線寬的激光器來進(jìn)行外差拍頻以減少相位噪聲的影響，但這在一定程度上增加了系統(tǒng)成本。另外，不同于利用鎖相環(huán)電路實(shí)現(xiàn)相位噪聲補(bǔ)償?shù)娜虘B(tài)電子鏈路方案，光子輔助方案接收端通常需要復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法來實(shí)現(xiàn)相位噪聲的補(bǔ)償，這一定程度上也增加了系統(tǒng)處理的復(fù)雜度。

3、如果可以利用射頻導(dǎo)頻進(jìn)行輔助，同時(shí)利用低復(fù)雜度的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)解決光生毫米波通信系統(tǒng)中的相位噪聲問題，提高光子輔助方案對(duì)激光器線寬的容忍度，這對(duì)于光子輔助毫米波/太赫茲通信技術(shù)的工程化應(yīng)用具有重要意義

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種射頻導(dǎo)頻輔助的高線寬容忍度光子輔助通信系統(tǒng)，通過使用射頻輔助和低復(fù)雜度的數(shù)字信號(hào)處理，有效解決了光生毫米波/太赫茲方案中的相位噪聲問題，提高光子輔助毫米波/太赫茲方案對(duì)激光器線寬的容忍度，實(shí)現(xiàn)了高激光器線寬容忍度的光子輔助毫米波/太赫茲通信系統(tǒng)?；谏漕l導(dǎo)頻輔助的光子輔助毫米波/太赫茲方案，在兩束用于外差的光源為mhz級(jí)別線寬的分布反饋式激光器(dfb)時(shí)，實(shí)現(xiàn)了寬帶毫米波/太赫茲信號(hào)的生成與傳輸。與傳統(tǒng)光子輔助毫米波/太赫茲方案相比，本方案中射頻導(dǎo)頻的使用有效提高了光生毫米波/太赫茲方案對(duì)激光器線寬的容忍度，極大降低了接收端用于相位噪聲補(bǔ)償數(shù)字信號(hào)處理算法的復(fù)雜度以及系統(tǒng)成本。

2、本發(fā)明提供的射頻導(dǎo)頻輔助的高線寬容忍度光子輔助通信系統(tǒng)，以信號(hào)傳輸方向?yàn)檎f明順序，包括：

3、1、發(fā)送端數(shù)字信號(hào)處理

4、一個(gè)發(fā)射端數(shù)字信號(hào)處理單元，包括進(jìn)行信號(hào)的生成以及射頻導(dǎo)頻的插入。特別的，針對(duì)單載波傳輸系統(tǒng)，基帶成型后直接在數(shù)字域進(jìn)行射頻導(dǎo)頻信號(hào)的插入，具體以式(1)為例。

5、s(t)＝[i(t)+jq(t)]+exp(j2πfct)??????(1)

6、其中，i(t)和q(t)是復(fù)數(shù)基帶信號(hào)的實(shí)部分量和虛部分量，fc是插入導(dǎo)頻信號(hào)的頻率，通常fc需要大于信號(hào)最大帶寬1ghz左右，以確保足夠的保護(hù)間隔。

7、對(duì)于多載波傳輸系統(tǒng)，通過對(duì)直流子載波(第一個(gè)子載波)的數(shù)據(jù)賦值實(shí)現(xiàn)導(dǎo)頻信號(hào)的插入，具體以式(2)為例。

8、

9、其中，sk表示分配給第k個(gè)子信道的數(shù)據(jù)符號(hào)，n表示子載波數(shù)，t表示符號(hào)周期，rect()表示矩形函數(shù)，s0＝a是表示第一個(gè)子載波的數(shù)據(jù)為常數(shù)，頻域表示為插入的導(dǎo)頻分量。需要注意的是為了避免相位噪聲的影響，這種方案也需要保護(hù)間隔，即第一個(gè)子載波相鄰子載波的數(shù)據(jù)需要置零。

10、至此，完成了單載波或多載波發(fā)射端的數(shù)字信號(hào)處理部分。

11、2、信號(hào)發(fā)送端：

12、一個(gè)c波段、波長可調(diào)諧的激光器一，可以是分布反饋式激光器(dfb)或外腔激光器(ecl)用于產(chǎn)生c波段的光載波并通過一個(gè)同相/正交(i/q)光調(diào)制器進(jìn)行矢量調(diào)制；

13、一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置，例如任意波形發(fā)生器(awg)，用于將發(fā)送端數(shù)字信號(hào)處理單元生成的數(shù)字信號(hào)實(shí)部和虛部轉(zhuǎn)變?yōu)閮陕坊鶐M電信號(hào)；

14、兩個(gè)電放大器(ea)，分別為電放大器一和電放大器二，分別用于放大數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置生成的兩路基帶模擬電信號(hào)；

15、一個(gè)同向/正交(i/q)光調(diào)制器，用于將兩路模擬基帶電信號(hào)調(diào)制到光載波上，生成信號(hào)光；

16、一個(gè)保偏摻鉺光纖放大器(pm-edfa)，用于將光調(diào)制器輸出的信號(hào)光進(jìn)行放大，補(bǔ)償調(diào)制器的插入損耗；

17、一個(gè)c波段、波長可調(diào)的激光器二，為分布反饋式激光器(dfb)或外腔激光器(ecl)，用于產(chǎn)生用于外差的本振光信號(hào)；

18、一個(gè)保偏光耦合器(pm-oc)，用于將放大后的信號(hào)光與另一個(gè)激光器二(dfb或ecl)產(chǎn)生的本振光進(jìn)行耦合，通過調(diào)節(jié)本振光與信號(hào)光的波長差，可以實(shí)現(xiàn)不同頻段光毫米波/太赫茲信號(hào)的產(chǎn)生；

19、一個(gè)光電轉(zhuǎn)換器(pd)，如光電二極管，用于將保偏光耦合器(pm-oc)輸出的光毫米波/太赫茲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電毫米波信號(hào)/太赫茲信號(hào)，然后經(jīng)過或不經(jīng)過電放大器進(jìn)行放大；

20、一個(gè)發(fā)射天線裝置，用于將生成的電毫米波/太赫茲信號(hào)發(fā)射至自由空間進(jìn)行傳輸；

21、至此，完成了單載波或多載波電毫米波/太赫茲信號(hào)的發(fā)射；

22、3、信號(hào)接收端

23、一個(gè)接收天線裝置，用于接收電毫米波/太赫茲信號(hào)，然后利用或不利用電放大器進(jìn)行毫米波/太赫茲信號(hào)的放大；

24、一個(gè)射頻信號(hào)發(fā)生器，用于產(chǎn)生下變頻時(shí)需要的本振電信號(hào)；

25、一個(gè)混頻器，用于將接收到的電毫米波/太赫茲信號(hào)進(jìn)行模擬下變頻，從毫米波/太赫茲頻段轉(zhuǎn)變?yōu)樯漕l頻段；

26、一個(gè)電放大器三，用于將下變頻后的中頻信號(hào)進(jìn)行放大；

27、一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，例如示波器(osc)，用于捕捉放大后的中頻信號(hào)，觀察信號(hào)的時(shí)域和頻域圖。

28、4、接收端數(shù)字信號(hào)處理

29、接收端數(shù)字信號(hào)處理單元，用于進(jìn)行信號(hào)的頻偏、相位噪聲補(bǔ)償以信道均衡，其中頻偏和相位噪聲補(bǔ)償是基于提出的射頻導(dǎo)頻輔助方案，對(duì)于單載波信號(hào)：首先根據(jù)導(dǎo)頻位置糾正頻偏，然后將導(dǎo)頻下變頻到零頻(直流)分量處；此時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波，提取出來的直流分量相位信息就是系統(tǒng)的相位噪聲；然后對(duì)濾波前的信號(hào)乘以相位噪聲的共軛分量，完成相位噪聲的補(bǔ)償；最后進(jìn)行信號(hào)的下變頻以及信道均衡等數(shù)字信號(hào)處理；對(duì)于多載波信號(hào)：直接根據(jù)導(dǎo)頻位置完成信號(hào)的下變頻以及頻偏糾正，然后進(jìn)行低通濾波提取相位噪聲并對(duì)濾波前的時(shí)域信號(hào)乘以相位噪聲的共軛分量完成相位噪聲的補(bǔ)償，最后進(jìn)行多載波信號(hào)的解調(diào)。

30、優(yōu)選的，發(fā)射端數(shù)字信號(hào)處理單元中的射頻導(dǎo)頻插入方式為：單載波直接在數(shù)字域生成數(shù)字子載波；多載波方案直接將第一子載波的數(shù)據(jù)賦為常量，頻域表現(xiàn)為位于信號(hào)中心的數(shù)字子載波。

31、優(yōu)選的，發(fā)射端數(shù)字信號(hào)處理單元中的射頻導(dǎo)頻插入的位置為：單載波和多載波方案都需要預(yù)留保護(hù)間隔，單載波導(dǎo)頻位置需要距離信號(hào)帶寬最大分量為1ghz左右，具體間隔大小與激光器線寬大小有關(guān)，線寬越大，保護(hù)間隔越大；相反激光器線寬越小，保護(hù)間隔越??；多載波的保護(hù)間隔通過將第一子載波附近子載波置零實(shí)現(xiàn)，需要的保護(hù)間隔越大，置零的子載波也就越多。

32、優(yōu)選的，頻偏補(bǔ)償?shù)姆绞綖椋翰煌诔Ｒ?guī)數(shù)字信號(hào)處理方案，導(dǎo)頻輔助方案中單載波和多載波的頻偏補(bǔ)償都通過定位導(dǎo)頻分量的位置來實(shí)現(xiàn)頻偏的糾正。

33、優(yōu)選的，相位噪聲的補(bǔ)償方式為：不同于常規(guī)數(shù)字信號(hào)處理方案，導(dǎo)頻輔助方案中單載波和多載波相位噪聲的補(bǔ)償都通過提取導(dǎo)頻分量的相位信息來進(jìn)行補(bǔ)償；具體的，單載波和多載波方案中都通過低通濾波提取導(dǎo)頻分量，然后對(duì)導(dǎo)頻分量的相位進(jìn)行取反，最后與濾波器前的時(shí)域信號(hào)相乘完成相位噪聲的補(bǔ)償。

34、優(yōu)選的，光子輔助方案中的激光器類型為：不同于常規(guī)光生毫米波/太赫茲通信方案中使用的窄線寬激光器、光頻率梳的梳齒或光注入鎖定的光載波，導(dǎo)頻輔助方案使用了大線寬、價(jià)格低廉的分布反饋式激光器作為外差的光載波。

35、優(yōu)選的，基于導(dǎo)頻輔助的頻偏、相噪補(bǔ)償方案，有效提高了光生毫米波/太赫茲系統(tǒng)補(bǔ)償頻偏和相位噪聲的能力，改善了系統(tǒng)的傳輸性能。

36、優(yōu)選的，兩束線寬為mhz級(jí)別激光器作為外差的光載波時(shí)，實(shí)現(xiàn)了帶寬20ghz、16/32/64正交幅度相位調(diào)制的信號(hào)的傳輸。

37、優(yōu)選的，使用兩束分布反饋式激光器作為外差的光載波時(shí)，實(shí)現(xiàn)了光毫米波/太赫茲信號(hào)的生成與傳輸，極大降低了傳統(tǒng)光生毫米波/太赫茲通信系統(tǒng)方案對(duì)窄線寬激光器的需求

38、本發(fā)明還提出一種射頻導(dǎo)頻輔助的高線寬容忍度光子輔助通信方案，包含以下步驟：

39、在發(fā)射端數(shù)字信號(hào)處理的單元中，分別進(jìn)行多載波或單載波信號(hào)的生成以及導(dǎo)頻插入，然后將生成的數(shù)字信號(hào)利用數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置(例如任意波形發(fā)生器)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)同相和正交(i/q)兩路基帶電信號(hào)的產(chǎn)生，產(chǎn)生的兩路基帶電信號(hào)分別經(jīng)過電放大器一和電放大器二放大后用于驅(qū)動(dòng)同相/正交(i/q)光調(diào)制器；激光器一，用于產(chǎn)生c波段的光載波然后利用光調(diào)制器進(jìn)行矢量調(diào)制；保偏摻鉺光纖放大器(pm-edfa)是用于放大光調(diào)制器輸出的光基帶信號(hào)；另一個(gè)激光器二用于產(chǎn)生光本振信號(hào)，然后通過保偏光耦合器(pm-oc)與保偏摻鉺光放大器將放大后的光信號(hào)進(jìn)行耦合生成光毫米波/太赫茲信號(hào)，耦合后的光毫米波/太赫茲信號(hào)通過光電轉(zhuǎn)器轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾撩撞?太赫茲信號(hào)，然后通過發(fā)射端天線裝置輻射至自由空間；

40、在接收端，傳輸后的電毫米波/太赫茲信號(hào)經(jīng)過接收端天線裝置進(jìn)行接收，射頻信號(hào)發(fā)生器用于提供混頻器需要的電本振信號(hào)，接收到的電毫米波/太赫茲信號(hào)然后與本振電信號(hào)一起進(jìn)入到混頻器進(jìn)行模擬下變頻，經(jīng)過混頻器下變頻后的中頻信號(hào)經(jīng)過電放大器三進(jìn)行放大，然后利用模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置(如示波器)進(jìn)行接收以及進(jìn)行接收端的數(shù)字信號(hào)處理，主要包括基于導(dǎo)頻輔助的頻偏以及相位噪聲補(bǔ)償和信道均衡。

41、利用光外差拍頻生成寬帶、高頻電毫米波/太赫茲信號(hào)，通過調(diào)諧兩束激光器之間的波長差來改變生成毫米波/太赫茲信號(hào)的頻率；

42、在接收端，利用天線裝置接收電毫米波/太赫茲信號(hào)，利用混頻器進(jìn)行超外差接收，實(shí)現(xiàn)電毫米波/太赫茲信號(hào)的下變頻，最后利用模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置例如示波器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，接收端數(shù)字信號(hào)處理單元通過定位導(dǎo)頻分量位置、低通濾波和相位取反完成頻偏以及相位噪聲的補(bǔ)償；

43、至此，此系統(tǒng)已完成基于射頻導(dǎo)頻輔助的高線寬容忍度光子輔助太赫茲/毫米波信號(hào)的產(chǎn)生與傳輸。

44、與相關(guān)技術(shù)相比較，本發(fā)明提供的射頻導(dǎo)頻輔助的高線寬容忍度光子輔助通信系統(tǒng)具有如下有益效果：

45、相較于現(xiàn)有技術(shù)而言，本發(fā)明提供的射頻導(dǎo)頻輔助的高線寬容忍度光子輔助通信系統(tǒng)可以有效提高光生毫米波/太赫茲通信方案對(duì)激光器線寬的容忍度，同時(shí)減少相位噪聲與頻偏補(bǔ)償算法的復(fù)雜度；

46、通過射頻導(dǎo)頻方案提高系統(tǒng)對(duì)頻偏以及相位噪聲的容忍度，可以將原本傳統(tǒng)光子輔助方案中價(jià)格昂貴的窄線寬激光器更換為價(jià)格更低的寬線寬激光器，可以大大節(jié)省光子輔助方案的系統(tǒng)成本；

47、基于先進(jìn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)以及射頻導(dǎo)頻輔助的光子輔助毫米波/太赫茲方案，可以實(shí)現(xiàn)寬激光器線寬容忍度的光子輔助毫米波/太赫茲通信系統(tǒng)，為未來高頻毫米波太赫茲通信提供了一種可行的方案。