基于幅度预编码的3倍频8QAM矢量毫米波信号产生方法及装置与流程

本发明属于通讯技术领域，涉及基于幅度预编码的3倍频8qam矢量毫米波信号产生方法及装置。

背景技术：

qam是quadratureamplitudemodulation的缩写，中文译名为“正交振幅调制”，移动通信在过去的30年迅速地发展，并且极大地改变了人们的工作、交流和生活方式。为了支持移动通信的快速发展，需要大量的频谱资源。传统的低频段频谱不能满足需。毫米波频段拥有巨大的带宽，可以提供大容量服务。但由于毫米波信号的高路径损耗，毫米波在自由空间中具有短的传输距离，这严重限制了毫米波信号在无线通信中的应用。为了解决这个问题，研究人员提出了基于毫米波射频拉远的光载无线(radio-over-fiber，缩写为rof)技术。低成本，高稳定性的毫米波技术是rof与毫米波通信相结合的关键技术之一。外调制是最普遍的毫米波信号产生方案，它利用由低频射频信号驱动的外调制器产生的两个子载波进行拍频，可以提供具有稳定频率的毫米波载波。外调制可以与矢量调制以及数字信号处理技术相结合，不仅可以提高系统的频谱效率，还可以提高接收机的灵敏度。此外，外部调制还可以与光倍频技术相结合，通过低射频信号实现高频毫米波信号的产生。通过选择不同的两个子载波，我们可以得到不同的倍频数。

然而，为了获得电qpsk/qam矢量毫米波信号，在驱动外调制器之前，需要对射频矢量信号进行相位和/或幅度预编码。为了确保接收机处光电探测之后的信号是qpsk/qam星座分布，在发射机处需要相位预编码和/或幅度预编码。传统的相位预编码基于相位压缩以解决接收器的相位模糊。预编码后星座点之间的欧式距离非常小，这降低了系统中信号传输的性能。针对这一问题，研究人员提出了一种无相位预编码的矢量毫米波信号产生方案【l.zhao,l.xiong,m.liao,s.liuandx.yu,“qpskvectormillimeter-wavesignalgenerationbasedonoddtimesoffrequencywithoutprecoding,”ieeephotonicsjournal,vol.10,no.6,dec.2018,art.no.5502109】，然而，该方案只实现了qpsk信号在系统中的传输。高阶qam，例如8qam或16qam，具有更高的频谱效率，并且可以在未来的高速光通信中采用。对于qpsk调制，数据加载在相位上，因此在发送端不需要幅度预编码。对于高阶qam，数据在幅度和相位上加载。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于幅度预编码的3倍频8qam矢量毫米波信号产生方法及装置。针对基于倍频产生的矢量毫米波信号的幅度和相位分布特点，提出一种8qam信号的幅度预编码方法，能够应用于基于3倍频的矢量毫米波信号中，使得信号在发送端幅度预编码后的星座为8qam星座分布，在接收端光电探测后的星座也是8qam星座分布，以实现高性能的矢量毫米波信号的产生。本发明还提供一种基于该预编码方法的矢量毫米波信号生成装置，具有结构简单、执行简易、成本高效、系统性能良好等优点。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于幅度预编码的3倍频8qam矢量毫米波信号产生方法，是通过调整发送端幅度预编码的幅度来实现的，选取合适的射频驱动电压vrf，将8qam信号中幅度为2的星座点的幅度预编码为a2，使得调制指数x＝πvrfa(t)/vπ＝14.06，将8qam信号中幅度为4的星座点的幅度预编码为a1，使得调制指数x＝πvrfa(t)/vπ＝9.3，其中半波电压vπ为常数。

基于所述方法的基于幅度预编码的3倍频8qam矢量毫米波信号产生装置，包括：

发送端离线数字信号处理模块，用于产生幅度预编码的携带发送数据的射频驱动信号，发送数据采用8qam矢量调制格式；

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；

电放大器，用于放大预编码射频驱动电信号；

单模激光器，用于产生单模连续波长光载波；

相位调制器，用于将放大的射频驱动电信号调制到光载波上，得到多个子载波，且相邻子载波的频率间隔等于射频驱动频率；

波长选择开关，用于选出两个子载波，对于3倍频信号，选取-2阶子载波和1阶子载波；

单端光电二极管，用于将选出的两个子载波执行外差拍频，生成载波频率为射频驱动频率3倍的电矢量毫米波信号；

模数转换器模块，用于对电矢量毫米波信号进行模数转换；

接收端离线数字信号处理模块，用于对模数转换后的矢量毫米波信号的数字信号处理，以得到具有8qam星座的信号；离线数字信号处理模块的功能包括实部取反、下变频、多模算法均衡和载波恢复。

进一步，所述发送端离线数字信号处理模块对携带8qam发送数据的射频驱动信号进行幅度预编码，选取合适的射频驱动电压vrf，将8qam信号中幅度为2的星座点的幅度预编码为a2，使得调制指数x＝πvrfa2/vπ＝14.06，将8qam信号中幅度为4的星座点的幅度预编码为a1，使得调制指数x＝πvrfa1/vπ＝9.3，其中半波电压vπ为常数；

然后将射频驱动信号进行数模转换和功率放大；单模激光器产生的连续波长光载波注入到相位调制器中，同时放大后的射频驱动电信号驱动相位调制器，输出一系列的子载波，相邻子载波频率间隔等于射频驱动频率；使用波长选择开关选取-2阶子载波和1阶子载波，两个子载波频率间隔为射频驱动频率的3倍；选出的两个子载波经由单端光电二极管执行外差拍频，从而生成载波频率为射频驱动频率3倍的电矢量毫米波信号；

然后将电矢量毫米波信号进行模数转换，并经离线数字信号处理模块进行信号处理，以恢复出原始的发送数据。

本发明的有益效果在于：

本发明针对基于3倍频产生的8qam矢量毫米波信号的幅度相位分布特点，提出一种幅度预编码方法，使得信号在发送端幅度预编码后的星座分布为8qam星座分布，在接收端光电探测后的星座分布也是8qam星座分布。实现了良好性能的矢量毫米波信号的生成，并具有结构简单、执行简易、成本高效、系统性能良好等优点。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明的基于上述幅度预编码的3倍频8qam矢量毫米波产生装置示意图。

图2为本发明提出的幅度预编码方案的星座图，(a)为原始的8qam信号星座图，(b)为发送端预编码后的星座图，(c)接收端光电探测后的星座图，(d)接收端实部取反后的星座图。

附图标记：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为相位调制器，6为波长选择开关，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为基于上述幅度预编码的3倍频8qam矢量毫米波产生系统；1’,2’,3’,4’,5’,6’,7’,8’分别为八个星座点。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明提供的基于幅度预编码方法的3倍频8qam矢量毫米波信号产生方法，是通过调整幅度预编码的幅度来实现的，具体如下：

对于基于3倍频产生矢量毫米波的情形，接收端经过光电转换后信号的表达式为其中r表示光电探测器的灵敏度，a(t)表示幅度预编码后信号的幅度，vrf表示相位调制器的射频驱动电压，x＝πvrfa(t)/vπ表示调制指数，和分别是第一类n1阶和n2阶贝塞尔函数且|n1-n2|＝3。表示发送端信号的相位值。v(t)表示发送端信号幅度预编码后的幅度值。vπ表示半波电压，是一个常数。选取-2阶子载波和1阶子载波，即n1＝-2,n2＝1，则当x＝9.3时有|j1(x)|＝|j-2(x)|且j1(x)*j-2(x)＝0.04。当x＝14.06时，有|j1(x)|＝|j-2(x)|且j1(x)*j-2(x)＝-0.02，负号对应着180度的相位旋转。考虑到当取值为[π/4,3π/4,5π/4,7π/4]或[0,π/2,π,3π/2]时，对进行3倍频后仍为各自集合的取值，且与原集合中的值一一对应。因此8qam信号3倍频后的相位分布仍满足8qam调制的相位分布，而不需要将相位预编码为再加上180度相移后也满足8qam调制的相位分布。因此，光电探测后信号的星座分布仍然是8qam分布，但是幅度预编码后幅度值较大的星座点在光电探测后的幅度较小，幅度预编码后幅度值较小的星座点在光电探测后的幅度较大。

对于8qam信号，发送端8qam调制后的8个星座点分布分别为选取合适的a1和a2(a1＜a2)，以及射频驱动电压vrf，使得对应的调制指数分别为9.3和14.06，将幅度为2的星座点的幅度预编码为a2，将幅度为4的星座点的幅度预编码为a1。光电探测后信号的相位会发生旋转变化，信号的幅度值的大小会发生变化，幅度预编码后幅度值较大的星座点在光电探测后的幅度较小，幅度预编码后幅度值较小的星座点在光电探测后的幅度较大。并且对应的星座点分别为因此我们只需要将信号的实部取反即可得到与发送端幅度预编码前相同的星座分布。

本发明提供的基于上述幅度预编码的3倍频8qam矢量毫米波信号产生装置，具体方案如下：

发送端离线数学信号处理模块对携带8qam发送数据的射频驱动信号进行幅度预编码。选取合适的射频驱动电压vrf，将8qam信号中幅度为2的星座点的幅度预编码为a2，使得x＝πvrfa2/vπ＝14.06，其中半波电压vπ为常数。将8qam信号中幅度为4的星座点的幅度预编码为a1，使得x＝πvrfa1/vπ＝9.3，然后将射频驱动信号进行数模转换和功率放大；单模激光器产生的连续波长光载波注入到相位调制器中，同时放大后的射频驱动电信号驱动相位调制器，输出一系列的子载波，相邻子载波频率间隔等于射频驱动频率；使用波长选择开关选出-2阶子载波和1阶子载波，两个频率间隔为射频驱动频率的3倍；选出的两个子载波经由单端光电二极管执行外差拍频，从而生成载波频率为射频驱动频率3倍的电矢量毫米波信号，之后将电信号的实部取反，然后将电矢量毫米波信号进行模数转换，并经离线数字信号处理模块进行信号处理后从中恢复出原始的发送数据。

本发明提供的基于上述幅度预编码的3倍频8qam矢量毫米波产生装置及方法，包括：

一个发送端离线数字信号处理模块，用于生成幅度预编码的携带发送数据的射频驱动信号，发送数据采用8qam矢量调制格式；

一个数模转换器模块，用于将预编码后的射频驱动信号进行数模转换；

一个电放大器，用于将数模转换生成的射频驱动电信号进行功率放大；

一个单模激光器，用于产生单模连续波长的光载波；

一个相位调制器，用于将放大的射频驱动电信号调制到光载波上，得到多个子载波，且相邻子载波的频率间隔等于射频驱动频率；

一个波长选择开关，用于选出两个子载波，对于3倍频信号，选取-2阶子载波和阶子载波；

一个单端光电二极管，用于将选出的两个子载波执行外差拍频，生成载波频率为射频驱动频率3倍的电矢量毫米波信号；

一个模数转换器模块，用于对电矢量毫米波信号进行模数转换；

一个接收端离线数字信号处理模块，用于对模数转换后的矢量毫米波信号进行数字信号处理，以恢复出原始的发送数据。所述离线数字信号处理模块的功能包括实部取反、下变频、多模算法均衡、载波恢复等。

实施例1

如图1所示，为基于上述幅度预编码方案的3倍频8qam矢量毫米波信号产生装置示意图示，包括发送端离线数字信号处理模块、数模转换器模块、电放大器、单模激光器、相位调制器、波长选择开关、单端光电二极管、模数转换器模块和接收端离线数字信号处理模块。

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生成幅度预编码的携带发送数据的射频驱动信号，发送数据采用8qam矢量调制格式；

数模转换器模块2，其主要作用是对离线数字信号处理模块产生的幅度预编码的携带发送数据的射频驱动信号执行数模转换；

电放大器3，其主要作用是放大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，外腔激光器等；

相位调制器5，其主要作用是在射频驱动信号的驱动下，对光载波进行相位调制，输出多个子载波，且相邻子载波的频率间隔等于射频驱动频率；

波长选择开关6，其主要作用是选出两个子载波，对于3倍频信号，选取-2阶子载波和1阶子载波；

单端光电二极管7，其主要作用是对生成的两个频率间隔为射频驱动频率3倍的子载波执行外差拍频，从而生成载波频率为射频驱动频率3倍的电矢量毫米波信号；

模数转换器模块8，其主要作用是对光电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实部取反、下变频、多模算法均衡、载波恢复等，以恢复出原始信号；

图2为本发明提出的幅度预编码方案的星座图，(a)为原始的8qam信号星座图，(b)为发送端预编码后的星座图，(c)接收端光电探测后的星座图，(d)接收端实部取反后的星座图。其中，1’,2’,3’,4’,5’,6’,7’,8’分别为八个星座点。发送端离线数字信号处理模块对携带8qam发送数据的射频驱动信号进行幅度预编码。选取合适的射频驱动电压vrf，将8qam信号中幅度为2’的星座点的幅度预编码为a2，使得调制指数x＝πvrfa2/vπ＝14.06，将8qam信号中幅度为4’的星座点的幅度预编码为a1，使得调制指数x＝πvrfa1/vπ＝9.3，其中半波电压vπ为常数；然后将射频驱动信号进行数模转换和功率放大；单模激光器产生的连续波长光载波注入到相位调制器中，同时放大后的射频驱动电信号驱动相位调制器，输出一系列的子载波；相邻子载波频率间隔等于射频驱动频率；使用波长选择开关选取-2阶子载波和1阶子载波，选出的两个子载波的频率间隔为射频驱动频率的3倍；选出的两个子载波经由单端光电二极管执行外差拍频，从而生成载波频率为射频驱动频率3倍的电矢量毫米波信号；然后将电矢量毫米波信号进行模数转换，再经离线数字信号处理模块进行信号处理以得到具有8qam星座的信号，离线数字信号处理模块的功能包括实部取反、下变频、多模算法均衡、载波恢复等，以恢复出原始的发送数据。

本发明中所述的基于幅度预编码的3倍频8qam矢量毫米波产生方法以及基于上述幅度预编码方法的矢量毫米波信号产生装置，适合于u、v、w等多种不同频段的光载无线通信系统。

总之，本发明所述的基于幅度预编码的3倍频8qam矢量毫米波产生方法及装置，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单架构，降低光载无线通信系统成本。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：rom、ram、磁盘或光盘等。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。