星座点分布最优化的相位预编码方法及矢量毫米波信号生成系统与流程

本发明属于光载无线（Radio-over-Fiber,缩写为RoF）通信系统技术领域，具体涉及能够实现星座点分布最优化的相位预编码方法以及基于该方法的矢量毫米波信号生成系统。

背景技术：

基于光子技术的毫米波生成可以实现非常高频率的操作。当有着特定频率间隔（30-300GHz）的两个连续波光波经由一个可实现平方律探测的宽带光电二极管实现拍频时，一个电毫米波便能够产生。来自一个激光源的两个连续波光波有诸多优势，诸如稳定的频率，低的相位和强度噪声，以及简单的结构。基于倍频的光生毫米波能够通过采用恰当的驱动电压驱动一个强度调制器来实现。科研界已经提出并实验性地证实了可以实现基于倍频的光生毫米波的不同方案。其中一种方案采用一个马赫增德尔型强度调制器实现光载波抑制，从而实现双倍频【J. Yu, Z. Jia, L. Yi, Y. Su, G. K. Chang, and T. Wang, “Optical millimeter-wave generation or up-conversion using external modulators,” Photon. Technol. Lett., vol. 18, no. 1, pp. 265-267, 2006】的或六倍频【J. Lu, Z. Dong, J. Liu et al., “Generation of a frequency sextupled optical millimeter wave with a suppressed central carrier using one single-electrode modulator,” Optical Fiber Technology, vol. 20, no. 5, pp. 533-536, 2014】的毫米波生成。这种方案可以降低对射频频率和光电器件带宽的要求。并且极为重要的是这种方案不需要光滤波器。基于光载波抑制的光生矢量毫米波信号技术需要相位和幅度预编码，这是因为生成的光毫米波信号在倍频后其相位和幅度均会发生变化。

在文献【C. T. Lin, P. T. Shih, W. J. Jiang, E. Z. Wong, J. J. Chen, and S. Chi, “Photonic vector signal generation at microwave/millimeter-wave bands employing an optical frequency quadrupling scheme,” Opt. Lett., vol. 34, no. 14, pp. 2171-2173, 2009】中，第一种相位预编码方案被提了出来并得到了实验性的证实，基于该相位预编码方案的高达W波段（75-110GHz）的高频率矢量毫米波信号生成也在近来得到了证实【X. Li, J. Zhang, J. Xiao; Z. Zhang, Y. Xu; J. Yu, “W-Band 8QAM Vector Signal Generation by MZM-Based Photonic Frequency Octupling,” Photon. Technol. Lett., vol. 27, no. 12, pp. 1257-1260, 2015】。经过发送端的相位预编码后矢量信号的星座图将在其邻近的星座点之间有着不同的欧氏距离【Y. Wang, Y. Xu,X. Li, J. Yu, N. Chi, “Balance precoding technique for vectro signal generation based on OCS,” Photon. Technol. Lett., vol. 27, no. 23, pp. 2469-2472, 2016】。由于有限的信噪比以及高频率上数模转换器的小的有效比特数，一些星座点聚拢在了一起，从而恶化接收端探测到的矢量信号的性能。为了解决这个问题，一种命名为平衡式相位预编码的方案在近来得到证实，并实现了良好的性能【Y. Wang, Y. Xu, X. Li, J. Yu, N. Chi, “Balance precoding technique for vectro signal generation based on OCS,” Photon. Technol. Lett., vol. 27, no. 23, pp. 2469-2472, 2016】。

本发明提出了一种新颖的相位预编码方案，该方案通过调整预编码相位因子来实现星座点分布的最优化。并且，还进一步采用这种方案来改善基于光六倍频的矢量毫米波信号生成系统的性能。

技术实现要素：

针对上述情况，本发明的目的是提供一种通过调整预编码相位因子来实现星座点分布最优化的相位预编码方法，能够应用于基于光倍频的光生矢量毫米波结构中，以实现高稳定度、高纯度和高性能的电矢量毫米波的产生。本发明还提供一种基于该相位预编码方法的矢量毫米波信号生成系统，它具有结构简单、执行简易、成本高效、系统性能良好等优点。

本发明提供的星座点分布最优化的相位预编码方法，是通过调整预编码相位因子来实现的，具体如下：

以采用光六倍频和QPSK调制格式的情形为例。驱动射频信号的相位应该满足φ =φ_data/x。这里φ_data是目标矢量信号的相位，x是预编码相位因子。由于QPSK信号具有恒定的幅度，从而不需要幅度预编码。QPSK信号的相位φ_data落在(π/4, 3π/4, -3π/4, -π/4)，并且在六倍频的情况下预编码相位因子x应该是6。这样预编码后的相位φ 落在(π/24, 3π/24, -3π/24, -π/24), 如图1（a）所示。按照图1（a）所示的星座点顺序从上至下，我们将相位φ 在3π/24处的点定义为A点，相位为π/24、 -π/24, -3π/24的位置点分别定义为B点、C点和D点。这里我们假定信噪比为25dB。由于有限的信噪比以及高频率上数模转换器的小的有效比特数，点A和点B，点B和点C，以及点C和点D将会相互靠拢在一起。但是由于在顺时针方向上的从点D到点A的距离是大的，点A和点D将不会相互靠拢。考虑到这个原因，对于六倍频的毫米波信号生成而言，预编码相位因子应该降到小于6的程度，以恰当地增加上述可能靠拢在一起的邻近星座点之间的距离。图1（b）给出了预编码因子为5.4的预编码星座图。从图1（b）中我们可以看出点A（相位位置φ 在15π/108处）和点B（相位位置φ 在5π/108处），点B和点C（相位位置φ 在-5π/108处），以及点C和点D（相位位置φ 在-15π/108处）之间的距离较图1（a）而言增加了。

本发明提供的基于上述相位预编码方法的矢量毫米波信号生成系统，具体方案如下：

基于离线数字信号处理模块生成的预编码的携带发送数据的射频信号，经由数模转换器模块处理并经电放大器放大。发送数据可以采用QPSK，8QAM,16QAM等矢量调制格式。对于六倍频的毫米波信号生成而言，预编码相位因子应该降到小于6的程度，以恰当地增加可能靠拢在一起的邻近星座点之间的距离。然后该预编码的射频信号经由一个单驱动的马赫增德尔调制器调制一个连续波长的光波。此单驱动的马赫增德尔调制器工作在光载波抑制点，其输出是两条频率间隔为射频驱动频率六倍的三阶子载波。生成的两条三阶子载波随后在一个单端光电二极管内外差拍频，从而生成载波频率为射频驱动频率六倍的电矢量毫米波信号。由于采用了发送端预编码的缘故，生成的电矢量毫米波信号具有常规的矢量调制格式。生成的电矢量毫米波信号被模数转换器模块捕获再经离线数字信号处理模块处理后，可以从中恢复出原始的发送数据。

本发明所述的基于上述相位预编码方案的矢量毫米波信号生成系统，包括：

发送端离线数字信号处理模块，用于生成预编码的携带发送数据的射频驱动信号，发送数据可以采用QPSK，8QAM,16QAM等矢量调制格式；

一个数模转换器模块，用于执行预编码射频驱动信号的数模转换；

一个电放大器，用于放大预编码射频驱动电信号；

一个单模激光器，用于产生单模连续波长光载波；

一个单驱动马赫增德尔调制器，用于将预编码射频驱动电信号调制到激光器输出的光载波上，以提供两条频率间隔为射频驱动频率六倍的三阶子载波；

一个直流偏置电压源，用于为单驱动马赫增德尔调制器提供偏置电压；

一个单端光电二极管，用于实现光调制器生成的两条三阶子载波的外差拍频，以生成电矢量毫米波信号；

一个模数转换器模块，用于实现生成的电矢量毫米波信号的模数转换；

接收端离线数字信号处理模块，用于处理模数转换后的矢量毫米波信号，以恢复出原始的发送数据。

本发明采用新颖的通过调整预编码相位因子来实现星座点分布最优化的相位预编码方法，基于一个单驱动的马赫增德尔调制器和一个单端光电二极管，实现了高稳定度高纯度良好性能的矢量毫米波信号的生成，并具有结构简单、成本高效、执行简易等优点。

附图说明

图1 是本发明提出的通过调整预编码相位因子来实现星座点分布最优化的相位预编码方案。其中，(a)为预编码相位因子为6的星座图。(b)为预编码相位因子为5.4的星座图。

图2 是本发明的基于上述相位预编码方案和光六倍频的矢量毫米波信号生成系统示意图。

图中标号：1为发送端离线数字信号处理模块，2为数模转换器模块，3为电放大器，4为单模激光器，5为单驱动马赫增德尔调制器，6为直流偏置电压源，7为单端光电二极管，8为模数转换器模块，9为接收端离线数字信号处理模块，10为基于上述相位预编码方案和光六倍频的矢量毫米波信号生成系统。

具体实施方式

下面结合具体实验例子和附图，对本发明作具体说明。

图2所示为基于上述相位预编码方案和光六倍频的矢量毫米波信号生成系统，它包括：

发送端离线数字信号处理模块1，其主要作用是基于离线数字信号处理产生预编码的携带发送数据的射频信号。发送数据可以采用QPSK，8QAM,16QAM等矢量调制格式。对于六倍频的毫米波信号生成而言，预编码相位因子应该降到小于6的程度，以恰当地增加可能靠拢在一起的邻近星座点之间的距离。

数模转换器模块2，其主要作用是对离线数字信号处理产生的预编码的携带发送数据的射频信号执行数模转换。

电放大器3，其主要作用是放大预编码射频驱动电信号的功率。

单模激光器4，其主要作用是输出指定频率的单纵模激光作为光载波。可以采用各种线宽不同的商用激光器，例如窄线宽激光器，外腔激光器，直接调制激光器，分布式反馈激光器，垂直腔面发射激光器等等。激光器线宽对后续生成的电矢量毫米波信号的性能没有影响。

单驱动马赫增德尔调制器5，其主要作用是在预编码射频信号的驱动下，对光载波进行调制，其调制方式为光载波抑制方式，即直流偏置电压为单驱动马赫增德尔调制器的半波电压。单驱动马赫增德尔调制器的输出是两条三阶子载波，其频率间隔为预编码射频驱动频率的六倍。

直流偏置电压源6，其主要作用是为单驱动马赫增德尔调制器提供偏置电压。

单端光电二极管7，其主要作用是对生成的两条三阶子载波执行外差拍频，从而生成载波频率为射频驱动频率六倍的电矢量毫米波信号。由于采用了发送端预编码的缘故，生成的电矢量毫米波信号具有常规的矢量调制格式。

模数转换器模块8，其主要作用是对探测得到的电矢量毫米波信号执行模数转换；

接收端离线数字信号处理模块9,其主要作用是对数字化后的矢量毫米波信号进行恒模均衡和载波恢复，以从中恢复出原始的发送数据。

本发明中所述的通过调整预编码相位因子来实现星座点分布最优化的相位预编码方案以及基于上述相位预编码方案和光六倍频的矢量毫米波信号生成系统，适合于U、V、W、D等多种不同频段的光载无线通信系统。

总之，本发明所述的通过调整预编码相位因子来实现星座点分布最优化的相位预编码方案以及基于上述相位预编码方案和光六倍频的矢量毫米波信号生成系统，具有执行简易、结构简单的优点，其在光载无线通信系统中的应用可以简化光载无线通信系统架构，降低光载无线通信系统成本。