基于光纤色散效应和数字算法的自干扰消除装置及方法

本发明属于微波光子信号处理技术领域，具体涉及一种带内全双工rof系统下基于光纤色散效应和数字算法的自干扰消除方案及其装置。

背景技术：

光载无线射频系统rof作为一种将光子技术与微波技术相结合的通信技术，在近几年引起了人们高度的关注，其低损耗、大带宽、高移动等特性被认为是一种很有前途的解决方案。通常情况下，为了避免干扰，rof系统中的基站在频带内接收来自移动用户的上行信号，同时在不同频带内发送下行信号，有限的频谱资源以及对更高数据速率日益增长的现实需求推动了带内全双工rof系统的发展，带内全双工rof系统的上行链路和下行链路频率是相同的，提高了信息的吞吐量的同时倍增了频谱效率。

在带内全双工通信系统中，发射和接收信道之间的自干扰是当前亟需解决的主要问题，常规的电学自干扰消除方案在工作频率和带宽上受到了限制，而光学辅助的方法可以克服“电子瓶颈”遇到的难题，为实现高频段、大带宽、高调谐精度、低损耗的自干扰消除提供强有力支撑。

近几年，利用微波光子技术实现自干扰消除受到了国内外科研机构的广泛研究，其中基于双平行马赫曾德尔调制器的方案具有集成度高、抵消深度大的优点。1)hanx，huob，shaoy，etal.opticalrfself-interferencecancellationbyusinganintegrateddual-parallelmzm[j].ieeephotonicsjournal，2017，9(2)：1-8.2012。基于光子预失真技术的自干扰消除技术延时和幅度的调制均是通过光学方法实现的。2)tuz，wena，lix，etal.aphotonicpre-distortiontechniqueforrfself-interferencecancellation[j].ieeephotonicstechnologyletters，2018，30(14)：1297-1300.基于偏振调制器和色散器件模拟多径干扰消除的方案3)zhouw，xiangp，niuz，etal.widebandopticalmultipathinterferencecancellationbasedonadispersiveelement[j].ieeephotonicstechnologyletters，2016，28(8)：849-851.华东师范大学陈阳团队分别在2019年以及2020年利用dp-bpsk调制器讨论了利用单边带调制信号以及双边带调制信号在光纤中的传输性能。4cheny，yaoj.photonic-assistedrfself-interferencecancellationwithimprovedspectrumefficiencyandfibertransmissioncapability[j].journaloflightwavetechnology，2019，38(4)：761-768.5cheny.aphotonic-basedwidebandrfself-interferencecancellationapproachwithfiberdispersionimmunity[j].journaloflightwavetechnology，2020，pp(99)：1-1.

然而，上述方案存在一定的局限性。1)和2)没有考虑光纤的远距离传输问题，有用信号在光纤中传输会产生功率衰落；3)使用了色散模块器件，增加了系统的复杂度，同时，polm调制器受偏振态影响大，稳定性差，且其抵消多径效应带来的影响是通过大量增加光学硬件来实现的；4)、5)实现了自干扰信号消除后有用信号的长距离光纤传输，但其延时调谐是在电域上进行，其自干扰抵消深度会受到影响。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明目的是提供一种基于光纤色散效应和数字算法的自干扰消除装置，其特征在于，包括波长可调谐激光器1、固定波长激光器2、双平行马赫曾德尔调制器a3、双平行马赫曾德尔调制器b4、光合路器5、单模光纤6、掺铒光纤放大器7、光探测器8、下变频模块9、adc10、dsp模块11；其中

在基站a处，波长可调谐激光器1将激光输出至双平行马赫曾德尔调制器a3，固定波长激光器2将激光输出至双平行马赫曾德尔调制器b4；两路光信号经过光合路器5输出后，再通过单模光纤6传输至中心站b，依次经过掺铒光纤放大器7放大、光探测器8拍频后，再通过下变频模块9下变频为基带模拟信号，并利用adc10进行模数转换后，输入至dsp11中进行数字信号处理。

本发明还提供一种基于光纤色散效应和数字算法的自干扰消除方法，基于光纤色散效应和数字算法的自干扰消除装置包括波长可调谐激光器1、固定波长激光器2、双平行马赫曾德尔调制器a3、双平行马赫曾德尔调制器b4、光合路器5、单模光纤6、掺铒光纤放大器7、光探测器8、下变频模块9、adc10、dsp模块11；其中在基站a处，波长可调谐激光器1将激光输出至双平行马赫曾德尔调制器a3，固定波长激光器2将激光输出至双平行马赫曾德尔调制器b4；两路光信号经过光合路器5输出后，再通过单模光纤6传输至中心站b，依次经过掺铒光纤放大器7放大、光探测器8拍频后，再通过下变频模块9下变频为基带模拟信号，并利用adc10进行模数转换后，输入至dsp11中进行数字信号处理；

该方法具体包括下列步骤：

为方便说明，首先假定本地参考信号①为v1cosωst，自干扰信号②为v2cosωs(t+τa)，有用信号③为v3cos(ωst+τb)；其中vi(i＝1，2，3)分别为本地参考信号、干扰信号、有用信号的电压，τa、τb分别为自干扰信号、有用信号在空间传播中产生的延时，ωs为本地参考信号、自干扰信号以及有用信号的频率；

第一步：在基站处，波长可调谐激光器通过电光调制器将参考信号调制到光上；

波长可调谐激光器1输出光载波至双平行马赫曾德尔调制器a3，双平行马赫曾德尔调制器a3由两个子调制器和一个主调制器构成，两个子调制器包括第一子mzm-1和第二子mzm-2，一个主调制器为主mzm；第一子mzm-1对本地参考信号①进行电光调制，将第一子mzm-1设为最小偏置点；第二子mzm-2无输入信号，将其设为最大偏置点，经过第二子mzm-2输出的纯净光载波通过主mzm将其相位调制为在小信号调制下，双平行马赫曾德尔调制器a3输出光信号包络e1(t)为公式(1)的形式：

其中，为波长可调谐激光器1的光载波，ec为光载波的幅度，ωc为参考频率下的输入光载波频率，ωτ为波长可调谐激光器1在参考频率ωc下的偏移频率，m1＝πv1/vπ为子mzm-1的调制系数，vπ为半波电压，为主mzm的偏置电压引入的相移，j1(·)为1阶一类贝塞尔函数，t为时间；

第二步：在基站处，固定波长激光器通过电光调制器将接收信号调制到光上；

固定波长激光器2输出光信号作为光载波，将光载波输入至双平行马赫曾德尔调制器b4，第一子mzm-1对接收信号进行电光调制，接收信号为自干扰信号②加上有用信号③，与双平行马赫曾德尔调制器a3调制方式相同，双平行马赫曾德尔调制器b4调制输出光信号包络e2(t)，如公式(2)所示：

其中，m2＝πv2/vπ、m3＝πv3/vπ分别为自干扰信号②以及有用信号③的调制指数，为主mzm的偏置电压引入的相移，j0(·)为0阶一类贝塞尔函数，为固定波长激光器2的光载波；

第三步：两路光信号合并后传输至中心站放大；两路光信号在光合路器5处合并、输出；由于两路是不同波长的光，因此合路后也是在不同的波长下进行传输；

由于光纤的色散效应，光纤的传输函数为h(ω)＝exp(-αl/2+jβ2l(ω-ωc)²/2)，其中α为光纤的衰减常量，β2为群速度色散参量，l为光纤长度，ω为角频率；因此两路光信号经过光合路器5合并后，再经过单模光纤6传输以及掺铒光纤放大器7放大后，掺铒光纤放大器7输出的光信号包络esmf(t)如公式(3)所示：

其中，goa为掺铒光纤放大器7的增益，θ(ω)＝β2l(ω-ωc)²/2为射频信号在光纤色散效应中引入的相移；

第四步：光信号拍频转换为电信号；

掺铒光纤放大器7输出的光信号经过光探测器8拍频后得到的电信号i(t)如公式(4)所示：

其中，r为光探测器8的响应度；

第五步：调谐器件参数实现自干扰信号消除以及有用信号无功率衰落传输；

根据公式(4)信号间的相互关系，满足公式(5)前三项关系式即可实现自干扰信号对消，第四个关系式则保证有用信号的无功率衰落传输：

从公式(4)中能够观察到，经过光纤传输后，参考信号引入了β2lωτ的延时，通过调整可调谐激光器1的波长，改变两路激光器的波长差，即可实现与延时τa匹配；同时，可调谐激光器的调谐步进是实现延时精准可调的重要因素，群速度响应参数β2＝-20ps²/km，光纤长度为20km的情况下，100mhz的调谐步进能够产生0.25ps的调谐精度，足以满足射频域自干扰消除技术的性能指标；

第六步：在数字域进一步消除残余自干扰信号以获取有用信号；

自干扰信号经模拟域对消后仍具有较强残余自干扰分量，需通过下变频模块9以及adc10将射频域电信号转变为基带数字信号d(i)；数字信号d(i)进入dsp模块11后，在dsp模块11中采取数字自干扰消除手段进一步抵消残余自干扰分量以恢复有用信号；其步骤是使参考信号③的基带信号经过m阶自干扰滤波器后，重建出残余自干扰信号i为采样点，滤波器各抽头的加权系数为ω(n)，重建残余自干扰信号表示为m表示-m/2至m/2中的一个变量，w(m)为m点的滤波器抽头加权系数，x(i-m)为参考信号在(i-m)下的值，将残余数字域自干扰信号d(i)减去重建自干扰利用最小均方lms算法不断迭代使误差逐渐达到最小，以消除残余自干扰信号并恢复出有用信号。

本发明利用光纤的色散效应得到信号延时与光纤长度、群速度色散系数、载波波长差之间的对应关系，在光纤长度以及光纤群速度色散系数确定的情况下，调整可调谐激光器光载波波长，实现本地信号的延时可调，以此来对准自干扰信号。

本发明提出一种可实现自干扰消除，同时满足信号长距离无衰落传输的方案，利用光纤色散效应是将光纤引起的非线性损耗便害为利，成为实现信号延时精准调谐的重要手段。同时避免了在自干扰消除方案中使用电延时线精度较差以及光学延时线在电光器件中难以集成的问题；本发明引入带有相位的纯净的光载波可补偿有用信号在传输过程中的功率衰落。

本发明提出一种模拟域与数字域相结合的自干扰消除方案，模拟域自干扰消除后信号仍具有残余自干扰分量，对有用信号的恢复造成影响，采用数字域自干扰消除算法可利用数字信号处理强大的能力将残余自干扰分量抵消并恢复出有用信号。

附图说明

图1为本发明基于光纤色散效应和数字算法的自干扰消除装置结构示意图；

图2(a)(b)为本发明中单频点下的自干扰消除性能仿真图；

图3(a)(b)为本发明中宽带信号自干扰消除性能仿真图；

图4为测试有用信号在光纤传输中克服光纤色散引起功率衰落问题的补偿能力；

图5为模拟多径信道环境下，结合1ms数字域自干扰消除算法，得到的4qam有用信号的星座图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，带内全双工rof系统下基于光纤色散效应和数字算法的自干扰消除装置包括波长可调谐激光器1、固定波长激光器2、双平行马赫曾德尔调制器a3、双平行马赫曾德尔调制器b4、光合路器5、单模光纤6、掺铒光纤放大器7、光探测器8、下变频模块9、adc10、dsp模块11。在基站a处，波长可调谐激光器1将激光输出至双平行马赫曾德尔调制器a3，固定波长激光器2将激光输出至双平行马赫曾德尔调制器b4；两路光信号经过光合路器5输出后，再通过单模光纤6传输至中心站b，依次经过掺铒光纤放大器7放大、光探测器8拍频后，再通过下变频模块9下变频为基带模拟信号，并利用adc10进行模数转换后，输入至dsp11中进行数字信号处理。

为方便说明，首先假定本地参考信号①为v1cosωst，自干扰信号②为v2cosωs(t+τa)，有用信号③为v3cos(ωst+τb)。其中vi(i＝1，2，3)分别为本地参考信号、干扰信号、有用信号的电压，τa、τb分别为自干扰信号、有用信号在空间传播中产生的延时，ωs为本地参考信号、自干扰信号以及有用信号的频率。波长可调谐激光器1输出光载波至双平行马赫曾德尔调制器a3，双平行马赫曾德尔调制器a3由两个子调制器(第一子mzm-1和第二子mzm-2)和一个主调制器(主mzm)构成，第一子mzm-1对本地参考信号①进行电光调制，将第一子mzm-1设为最小偏置点；第二子mzm-2无输入信号，将其设为最大偏置点，经过第二子mzm-2输出的纯净光载波通过主mzm将其相位调制为在小信号调制下，双平行马赫曾德尔调制器a3输出光信号包络e1(t)为公式(1)的形式：

其中，为波长可调谐激光器1的光载波，ec为光载波的幅度，ωc为参考频率下的输入光载波频率，ωτ为波长可调谐激光器1在参考频率ωc下的偏移频率，m1＝πv1/vπ为子mzm-1的调制系数，vπ为半波电压，为主mzm的偏置电压引入的相移，j1(·)为1阶一类贝塞尔函数，t为时间；

固定波长激光器2输出光信号作为光载波，将光载波输入至双平行马赫曾德尔调制器b4，第一子mzm-1对接收信号(自干扰信号②+有用信号③)进行电光调制，与双平行马赫曾德尔调制器a3调制方式相同，双平行马赫曾德尔调制器b4调制输出光信号包络e2(t)如公式(2)所示：

其中，m2＝πv2/vπ、m3＝πv3/vπ分别为自干扰信号②以及有用信号③的调制指数，为主mzm的偏置电压引入的相移，j0(·)为0阶一类贝塞尔函数，为固定波长激光器2的光载波。

两路光信号在光合路器5处合并、输出。由于两路是不同波长的光，因此合路后也是在不同的波长下进行传输。

由于光纤的色散效应，光纤的传输函数为h(ω)＝exp(-αl/2+jβ2l(ω-ωc)²/2)，其中α为光纤的衰减常量，β2为群速度色散参量，l为光纤长度，ω为角频率。因此两路光信号经过光合路器5合并后，再经过单模光纤6传输以及掺铒光纤放大器7放大后，掺铒光纤放大器7输出的光信号包络esmf(t)如公式(3)所示：

其中，goa为掺铒光纤放大器7的增益，θ(ω)＝β2l(ω-ωc)²/2为射频信号在光纤色散效应中引入的相移。

掺铒光纤放大器7输出的光信号经过光探测器8拍频后得到的电信号i(t)如公式(4)所示：

其中，r为光探测器8的响应度。

根据公式(4)信号间的相互关系，满足公式(5)前三项关系式即可实现自干扰信号对消，第四个关系式则保证有用信号的无功率衰落传输：

从公式(4)中能够观察到，经过光纤传输后，参考信号引入了β2lωτ的延时，通过调整波长可调谐激光器1的波长，改变两路激光器的波长差，即可实现与延时τa匹配。同时，可调谐激光器的调谐步进是实现延时精准可调的重要因素，群速度响应参数β2＝-20ps²/km，光纤长度为20km的情况下，100mhz的调谐步进能够产生0.25ps的调谐精度，足以满足射频域自干扰消除技术的性能指标。

自干扰信号经模拟域对消后仍具有较强残余自干扰分量，需通过下变频模块9以及adc10将射频域电信号转变为基带数字信号d(i)(该技术为本领域技术人员熟知，不再累述)。数字信号d(i)进入dsp模块11后，在dsp模块11中采取数字自干扰消除手段进一步抵消残余自干扰分量以恢复有用信号(自干扰消除的手段分为三种，分别在天线域、模拟域以及数字域，本发明将结合数字域做进一步处理，该处理技术为本领域技术人员熟知，不再累述)。其步骤是使参考信号③的基带信号经过m阶自干扰滤波器后，重建出残余自干扰信号i为采样点，滤波器各抽头的加权系数为ω(n)，重建残余自干扰信号表示为m表示-m/2至m/2中的一个变量，w(m)为m点的滤波器抽头加权系数，x(i-m)为参考信号在(i-m)下的值，将残余数字域自干扰信号d(i)减去重建自干扰利用经典的最小均方lms算法不断迭代使误差逐渐达到最小，以消除残余自干扰信号并恢复出有用信号。上述具体实施可参考唐友喜的《同时同频全双工原理及应用》、以及xuemin(sherman)shen的full-duplexwirelesscommunicationssystems等。

一种带内全双工rof系统下基于光纤色散效应和数字算法的自干扰消除方案，包括如下步骤：

步骤1：在基站处，波长可调谐激光器1输出光载波至双平行马赫曾德尔调制器a3，双平行马赫曾德尔调制器a3由两个子调制器(第一子mzm-1和第二子mzm-2)和一个主调制器(主mzm)构成，第一子mzm-1对本地参考信号①进行电光调制，将第一子mzm-1设为最小偏置点；第二子mzm-2无输入信号，将其设为最大偏置点，经过第二子mzm-2输出的纯净光载波通过主mzm将其相位调制为在小信号调制下，双平行马赫曾德尔调制器a3输出光信号包络e1(t)为公式(1)的形式：

其中，为波长可调谐激光器1的光载波，ec为光载波的幅度，ωc为参考频率下的输入光载波频率，ωτ为波长可调谐激光器1在参考频率ωc下的偏移频率，m1＝πv1/vπ为子mzm-1的调制系数，vπ为半波电压，为主mzm的偏置电压引入的相移，j1(·)为1阶一类贝塞尔函数，t为时间；

步骤2：在基站处，固定波长激光器3输出光信号作为光载波，将光载波输入至双平行马赫曾德尔调制器b4，第一子mzm-1对接收信号(自干扰信号②+有用信号③)进行电光调制，与双平行马赫曾德尔调制器a3调制方式相同，双平行马赫曾德尔调制器b4调制输出光信号包络e2(t)如公式(2)所示：

其中，m2＝πv2/vπ、m3＝πv3/vπ分别为自干扰信号②以及有用信号③的调制指数，为主mzm的偏置电压引入的相移，j0(·)为0阶一类贝塞尔函数，为固定波长激光器2的光载波。

步骤3：两路光信号经过光合路器5后通过单模光纤到达中心站，在掺铒光纤放大器7处放大后，输出的光信号包络esmf(t)如公式(3)所示：；

其中，goa为掺铒光纤放大器7的增益，光纤的传输函数为

h(ω)＝exp(-αl/2+jβ2l(ω-ωc)²/2)，其中α为光纤的衰减常量，β2为群速度色散参量，l为光纤长度，ω为角频率，θ(ω)＝β2l(ω-ωc)²/2为射频信号在光纤色散效应中引入的相移。

步骤4：掺铒光纤放大器7输出的光信号经过光探测器8拍频后得到的电信号i(t)如公式(4)所示：

其中，r为光探测器8的响应度。

步骤5：调节可调谐光源输出波长、电光调制器调制系数以及电衰减器衰减系数产生幅度相等、相位相反的电信号实现自干扰信号抵消，即满足公式(5)的前三项。此外，根据公式(5)的第四项，调节双平行马赫曾德尔调制器主偏置点的电压克服了有用信号在光纤传输中引起的功率衰落问题；

步骤6：残余自干扰信号经过下变频模块9以及adc10将射频域电信号转变为基带数字信号d(i)进入dsp模块11进行下一步处理，在dsp模块11中，参考信号③的基带信号经过m阶自干扰滤波器后，重建出残余自干扰信号i为采样点，滤波器各抽头的加权系数为ω(n)，重建残余自干扰信号表示为m表示-m/2至m/2中的一个变量，w(m)为m点的滤波器抽头加权系数，x(i-m)为参考信号在(i-m)下的值。将残余数字域自干扰信号d(i)减去重建自干扰利用经典的最小均方lms算法不断迭代使误差逐渐达到最小，以消除残余自干扰信号并恢复出有用信号。

带内全双工rof系统下基于光纤色散效应和数字算法的自干扰消除方案，信号延时由两路光信号载频的波长差确定，利用光纤的色散效应得到信号延时与光纤长度、群速度色散系数、载波波长差之间的对应关系，在光纤长度以及光纤群速度色散系数确定的情况下，调整可调谐激光器光载波波长实现本地信号的延时可调以此来对准自干扰信号。

带内全双工rof系统下基于光纤色散效应和数字算法的自干扰消除方案，在rof系统下提出一种可实现自干扰消除，同时满足信号长距离无衰落传输的方案，利用光纤色散效应是将光纤引起的非线性损耗便害为利，成为实现信号延时精准调谐的重要手段。同时避免了在自干扰消除方案中使用电延时线精度较差以及光学延时线在电光器件中难以集成的问题；方案中引入带有相位的纯净的光载波可补偿有用信号在传输过程中的功率衰落。

带内全双工rof系统下基于光纤色散效应和数字算法的自干扰消除方案，模拟域自干扰消除后信号仍具有残余自干扰分量，对有用信号的恢复造成影响，采用数字域自干扰消除算法可利用数字信号处理强大的能力将残余自干扰分量抵消并恢复出有用信号。

为了验证本发明的单频点、宽带消除性能，以及有用信号的恢复能力，利用optisystem14.0以及matlab2019b进行仿真。

设置固定波长激光器波长为1550nm，功率为10dbm，线宽为0.1mhz，单模光纤长度为20km，掺铒光纤放大器增益为10db，噪声系数为4.5db，在产生的自干扰信号时延为0.7ns的情况下，可调谐激光器波长设置为1552.67nm，经过上述过程，自干扰信号的消除性能分别如下：

图2(a)、(b)是测试单频自干扰信号的抑制深度，包括16ghz、20ghz两个频点，自干扰抑制深度分别为52.1db以及50.8db；

图3(a)、(b)是测试宽带自干扰信号的抑制深度，在中心频率为18ghz的情况下，带宽分别为500mhz、1ghz，其自干扰抑制深度分别为42.3db以及40.1db；

图4为测试有用信号克服光纤色散引起的功率衰落问题的补偿能力，与未补偿的情况进行比较；

图5为测试模拟实际rof系统下，经过模拟域消除以及lms数字域消除后，得到的有用信号星座图，evm为7.26％。其中，信号为4qam，经过4条路经的多径信道，多径时延为10，37，48，53ps，多径衰减为-5，-32，-36，-43db。

图4表明通过调整双平行马赫曾德尔调制器主偏置点的偏置电压能够克服光纤的色散效应，实现了有用信号的功率补偿。图5表明了该方案适用于rof通信系统中，能够保证射频域消除后能够进入adc实现数字域消除，并且最终实现了有用信号的恢复。