一种光子毫米波通信感知融合架构系统及低相噪接收方法

本发明涉及光载毫米波技术、通信技术和雷达感知，具体涉及一种光子毫米波通信感知融合架构系统及低相噪接收方法。

背景技术：

1、随着智能交通、智能工厂、智慧家居等智联产业的兴起，未来对6g移动通信提出了高精度感知和超高速通信的需求，使得通信和感知功能的融合迫在眉睫。

2、毫米波可为6g移动通信提供超高频率和超大工作带宽的支持，由于电子器件的电子学瓶颈，全电子毫米波通信感知融合系统存在信号频率和带宽受限、室内部署困难等问题；光子毫米波通信感知融合系统通过光外差上变频可以实现毫米波通感信号的产生，具有信号频率高、带宽大、频率和带宽可灵活调谐等优越特性，且由于光纤的低传输损耗及非视距传播，延长了毫米波通信的覆盖距离，便利了室内部署。

3、其中，使用自由运行的激光器外差拍频产生毫米波信号，结构简单，但其会面临高相位噪声问题，这使低成本、低复杂度、相噪不敏感的非相干包络检测接收技术倍受欢迎；但直接采用包络检波技术，信号自混频产生的信号-信号拍频串扰(ssbi)会恶化信号质量。通过接收端在数字域采用volterra算法或kramers–kronig(kk)算法解调，虽能很好地恢复信号，但由于数字信号处理(dsp)解调处理流程繁琐、功耗高、系统实现较为复杂，难以实现低成本大规模部署。同时,在单光电探测器(pd)外差拍频包络检波方案中，所使用的调制技术可能会导致信号的峰均比增大；为了确保无源的包络检波能够准确检测到拍频信号，通常要求进入pd的光功率比较高。此外，包络检波需要辅助光载波，其会进一步增加进入pd的输入光功率，进而致使pd出现过早饱和，从而导致通感信号的输出功率和信噪比较低。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，实现毫米波通信和感知的无缝融合，降低接收端相位噪声的问题，本发明提出了一种光子毫米波通信感知融合架构系统及低相噪接收方法，其适用于未来大容量、高精度的通信感知一体化移动网络。在发射端，基于光子辅助架构，调制光载波和本振光进行外差拍频，产生毫米波通感信号；同时，未调制光载波和本振光拍频，产生与毫米波通感信号同源的毫米波本振信号。毫米波通感信号和下行毫米波本振信号经过正交模耦合器omt1进行极化复用后被发射。在通信接收端，通过正交模耦合器omt2实现毫米波通感信号和下行毫米波本振信号的极化解复用，然后经过极化匹配，即将下行毫米波本振信号转化为毫米波通感信号相同的极化态，然后进行混频，实现下行毫米波通感信号下变频。同时，下行毫米波本振信号的下行传递，一方面可以避免通信接收端下变频电本振源的使用，另外一方面大大降低下变频后的毫米波通感信号的频偏和相位噪声。在感知接收端，上行的毫米波通感信号与发射端的参考毫米波本振信号进行混频，实现上行回波下变频；同源毫米波本振信号和毫米波通感信号的混频，可大大降低下变频后的感知信号的频偏和相位噪声，从而提升雷达的探测精度。此外，采用的雷达和通信波形可与现有独立通感系统一致，不需要做出特定修改，易于兼容现有通信和感知算法。

2、第一方面，本技术提供一种光子毫米波通信感知融合架构系统，采用如下的技术方案：

3、一种光子毫米波通信感知融合架构系统，包括：

4、通感发射端，包括两个外腔激光器、四个光耦合器oc、通感边带发生器、光延时线、可调光衰减器voa、掺铒光纤放大器edfa、两个光电探测器pd、两个毫米波低噪声放大器mmw-lna、毫米波功分器ec、正交模耦合器omt1和天线1；

5、感知接收端，包括毫米波低噪声放大器mmw-lna3、中频低噪声放大器if-lna1、混频器1、模数转换器adc1、感知dsp和天线2；

6、通信接收端，包括毫米波低噪声放大器mmw-lna4、中频低噪声放大器if-lna2、正交模耦合器omt2、正交极化旋转器、混频器2、模数转换器adc2、通信dsp和天线3；

7、其中，感知接收端与通感发射端之间通过光纤连接及无线连接，通信接收端与通感发射端之间通过无线连接。

8、优选的，所述通感边带发生器包括iq调制器、数模转换器dac和发射端dsp。

9、优选的，所述通信接收端的数量为n个，n为正整数；

10、两个外腔激光器分别为光载波和本振光；

11、四个光耦合器oc分别为光耦合器oc1、光耦合器oc2、光耦合器oc3和光耦合器oc4；

12、两个光电探测器pd分别为光电探测器pd1和光电探测器pd2；

13、两个毫米波低噪声放大器mmw-lna分别为毫米波低噪声放大器mmw-lna1和毫米波低噪声放大器mmw-lna2。

14、第二方面，本技术提供一种光子毫米波通信感知融合架构低相噪接收方法，采用如下的技术方案：

15、在通感发射端中，发射端dsp产生的基带或中频通感数字信号，经过数模转换器dac转换为基带或中频模拟通感信号，光载波经过光耦合器oc1分为两路，其中一路光载波通过iq调制器被基带或中频模拟通感信号调制，产生通信感知融合的调制光载波，记为信号光；

16、本振光经过光耦合器oc2分为两路，经过掺铒光纤放大器edfa放大的信号光和其中一路本振光经过光耦合器oc3耦合，在光电探测器pd1中拍频产生毫米波通感信号，并经过毫米波低噪声放大器mmw-lna1进行功率补偿；

17、另一路光载波经过光延时线进行延时匹配后和另外一路本振光经过光耦合器oc4耦合，再经过可调光衰减器voa调节光功率后，在光电探测器pd2中拍频产生毫米波本振信号，并经过毫米波低噪声放大器mmw-lna2进行功率补偿，再经毫米波功分器ec分为下行毫米波本振信号和参考毫米波本振信号两路，下行毫米波本振信号用于下行通信，参考毫米波本振信号用于上行感知；

18、经过功率补偿的毫米波通感信号和下行毫米波本振信号经过正交模耦合器omt1进行极化复用，复用后毫米波通感信号记为h-极化，下行毫米波本振信号记为v-极化，再由天线1辐射到空中感知周围用户并进行通信；

19、在通信接收端中，天线3接收到的毫米波通感信号和下行毫米波本振信号，先经过毫米波低噪声放大器mmw-lna4放大，再经过正交模耦合器omt2进行极化解复用，经过极化解复用后的下行毫米波本振信号通过正交极化旋转器实现极化转换为h-极化，极化旋转后的下行毫米波本振信号和经过极化解复用后的毫米波通感信号在混频器2中进行混频，下变频到基带或者中频频率，下变频后的信号被中频低噪声放大器if-lna2放大，再经过模数转换器adc2采样，最后送入通信dsp进行处理，获取下行的通信信息；

20、在感知接收端中，经通信接收端反射的毫米波通感信号的回波被感知接收端的天线2接收，天线2将接收到的毫米波通感信号经过毫米波低噪声放大器mmw-lna3放大后，再和通感发射端的参考毫米波本振信号进行混频，变频至基带或者中频频率，下变频后的信号被中频低噪声放大器if-lna1放大，再经过模数转换器adc1采样，最后送入感知dsp进行处理，获取上行的感知信息。

21、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

22、1.本发明适用于未来大容量、高精度的通信感知一体化移动网络。在发射端，基于光子辅助架构，调制光载波和本振光进行外差拍频，产生毫米波通感信号；同时，未调制光载波和本振光拍频，产生与毫米波通感信号同源的毫米波本振信号。毫米波通感信号和下行毫米波本振信号经过正交模耦合器omt1进行极化复用后被发射。在通信接收端，通过正交模耦合器omt2实现毫米波通感信号和下行毫米波本振信号的极化解复用，然后经过极化匹配，即将下行毫米波本振信号转化为毫米波通感信号相同的极化态，然后进行混频，实现下行毫米波通感信号下变频。同时，下行毫米波本振信号的下行传递，一方面可以避免通信接收端下变频电本振源的使用，另外一方面大大降低下变频后的毫米波通感信号的频偏和相位噪声。在感知接收端，上行的毫米波通感信号与发射端的参考毫米波本振信号进行混频，实现上行回波下变频；同源毫米波本振信号和毫米波通感信号的混频，可大大降低下变频后的感知信号的频偏和相位噪声，从而提升雷达的探测精度。此外，采用的雷达和通信波形可与现有独立通感系统一致，不需要做出特定修改，易于兼容现有通信和感知算法。

23、2.本发明先利用光子学辅助的网络架构，一路光载波被发射端基带或者中频通感信号调制，然后和一路本振光耦合，拍频产生毫米波通感信号。同时，经过光延时的光载波和另外一路本振光耦合拍频产生毫米波本振信号；毫米波本振信号被分为两路，一路用作感知接收端的参考毫米波本振信号，另一路和毫米波通感信号进行极化复用后发射出去。在通信接收端，经过极化解复用后的毫米波通感信号和解复用后的毫米波本振信号进行极化匹配后再混频，以避免下变频电本振源的使用；在感知接收端，毫米波通感信号的回波和参考毫米波本振信号进行混频，实现回波下变频。由于毫米波通感信号和毫米波本振信号具有相同的相位噪声，可以降低下变频后的毫米波通信信号和感知回波的频偏和相位噪声，进而降低通信dsp和感知dsp的复杂性和功耗，并提升雷达的探测精度。