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CN117375719A - 一种光纤与无线融合单输入多输出通信系统及方法 - Google Patents

一种光纤与无线融合单输入多输出通信系统及方法 Download PDF

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CN117375719A
CN117375719A CN202311362670.3A CN202311362670A CN117375719A CN 117375719 A CN117375719 A CN 117375719A CN 202311362670 A CN202311362670 A CN 202311362670A CN 117375719 A CN117375719 A CN 117375719A
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赵先明
余建军
张冰
邹晓虎
窦兴林
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Fudan University
Beijing Hongshan Information Technology Research Institute Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种光纤与无线融合单输入多输出通信系统及方法，包括：光发射端、基站端、数字存储示波器和光接收端，所述光发射端包括：激光器、任意波形发生器、I/Q调制器、保偏掺铒光纤放大器和保偏光耦合器；所述基站端包括：可调光衰减器、光电探测器、低噪声放大器、功率放大器和喇叭透镜天线；所述光接收端包括：喇叭透镜天线、低噪声放大器、电混频器和电放大器。本发明在补偿信道损伤和提高信号质量方面表现出了良好的性能，基于MIMO CMA和MRC的空间分集技术可以在毫米波系统中实现高数据率、高保真度的信息传输，也将对毫米波系统中的多天线集成做出贡献。

Description

一种光纤与无线融合单输入多输出通信系统及方法
技术领域
本发明涉及光纤-无线(Radio-over-Fiber,ROF)通信系统技术领域，尤其是涉及一种光纤与无线融合单输入多输出通信系统及方法。
背景技术
随着无线通信技术的发展，无线应用种类的不断增加、数据业务量的不断增长，所需的频谱带宽越来越大，频谱资源严重短缺。光子辅助技术已应用于毫米波通信系统，以有效抵抗电子设备的带宽限制和电磁干扰，还可以有效促进无线和光纤网络的无缝集成。然而，与低频带相比，使用光混合进行光电(O-E)转换的发射器的效率受限，而毫米波频段具有弱穿透和强大气层衰减的特性。因此，长距离的毫米波传输系统具有低接收功率、信噪比低和通信速率有限的问题。此外，毫米波信号还容易受到各种损伤的影响。
结合天线多输入多输出(MIMO)技术，可以将携带不同信息的多路毫米波信号通过多个天线发送和接收，进一步提高ROF系统的传输容量，并显著减少达到给定无线传输容量所需无线发射功率。然而，多个收发天线的使用，增加了系统复杂度、成本和代价。
最大比例组合(Maximum Ratio Combining，MRC)是一种多天线接收技术，用于提高接收机的信号质量。MRC技术通过将多个接收天线的信号进行加权组合，以最大化信号与噪声的比例，从而提高接收机的信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)。MRC技术的优点是可以有效地抵消多径衰落和信道衰落带来的信号衰减和失真。通过合理选择加权系数，MRC可以提高接收机的灵敏度和抗干扰能力，从而增强信号的可靠性和传输速率。
在本发明中，我们采用了基于空间多样性的多天线技术，用于光子辅助的单输入多输出(SIMO)毫米波传输系统，可以间接地缓解接收功率和传输速率之间的矛盾。首次提出并采用了联合MIMO CMA和MRC接收技术，以提高接收机的信噪比，从而使传输系统能够支持更高的数据速率。通过户外现场实验验证，成功实现了基于光子辅助的SIMO毫米波系统上信号的传输。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种光纤与无线融合单输入多输出通信系统及方法。
为解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案：
一种光纤与无线融合单输入多输出通信系统，包括：光发射端、基站端、数字存储示波器和光接收端，其特征在于，所述光发射端包括：激光器、激光器、任意波形发生器、I/Q调制器、保偏掺铒光纤放大器和保偏光耦合器；
所述基站端包括：可调光衰减器、光电探测器、低噪声放大器、功率放大器和喇叭透镜天线；
所述光接收端包括：喇叭透镜天线、喇叭透镜天线、低噪声放大器、低噪声放大器、电混频器、电混频器、电放大器和电放大器。
优选的，所述激光器和所述激光器用于产生光纤通信指定的连续波激光；所述任意波形发生器用于将数字信号转换为模拟信号；所述I/Q调制器用于将基带IQ信号搬移到载波上；所述保偏掺铒光纤放大器用于放大产生的光信号；所述保偏光耦合器用于将不同路的激光器生成的激光进行耦合；
所述光发射端包括以下工作过程：
在所述光发射端中，通过所述激光器产生指定频率的连续波光载波进入所述I/Q调制器，利用所述I/Q调制器将数据源产生的基带数据强度调制到光载波上，正交频分复用电信号由Matlab软件离线生成，然后通过所述任意波形发生器将数字信号转换为模拟信号，AWG输出的电信号经过一对并联电放大器放大，然后由所述I/Q调制器调制，调制后的光信号经过所述保偏光耦合器然后进入光纤传输。
优选的，所述可调光衰减器用于减低或控制光信号；所述光电探测器用于将光基带信号转换为电基带信号；所述低噪声放大器用于在尽可能小地影响接收机的噪声系数的前提下，将信号放大到足够的强度；所述功率放大器用于放大信号功率；所述喇叭透镜天线，用于实现对信号的增强和聚焦；
所述基站端包括以下工作过程：
经过耦合后的光信号在传输经过SMF-28后进入所述可调光衰减器，然后信号经过所述光电探测器之后将获得的W频段信号经过所述低噪声放大器和W频段所述功率放大器进行增强，然后通过所述喇叭透镜天线进行传输。
优选的，所述数字存储示波器用于信号捕获；所述喇叭透镜天线和所述喇叭透镜天线用于实现对信号的增强和聚焦；所述低噪声放大器和所述低噪声放大器用于在尽可能小地影响接收机的噪声系数的前提下，将信号放大到足够的强度；所述电混频器和所述电混频器用于将增强后的信号下变频为中频信号；所述电放大器和所述电放大器用于增强中频信号；
所述光接收端包括以下工作过程：
经过无线传输后，毫米波信号到达由两个无线接收机组成的接收端，在无线接收机中，THz频段信号首先由所述喇叭透镜天线和所述喇叭透镜天线接收，然后由所述低噪声放大器和所述低噪声放大器进行增强，接着由射频信号驱动的所述电混频器和所述电混频器将其下变频为中频信号，最后经过所述电放大器和所述电放大器增强中频信号，使用所述数字存储示波器进行捕获。
优选的，还包括发射端算法和接收端算法，所述发射端算法包括：数据输入、QAM映射和升余弦滤波器；所述接收端算法包括：下变频、重采样、时钟恢复、CMA或MIMO CMA盲均衡、FOE频偏估计、相位补偿、同步和最大比合并分集技术。
一种光纤与无线融合单输入多输出通信方法，其特征在于，在所述光发射端DSP中，对生成的QAM符号采用RC(raise-cos)滤波器，以克服光电器件的带宽限制，然后将电信号调制到激光上，经过所述保偏掺铒光纤放大器后通过所述保偏光耦合器将两路信号耦合成一路新的光信号；光信号经光纤传输一段距离后，通过PD后生成实现W频段信号的光子后利用喇所述喇叭透镜天线进行无线传输；经过无线传输后的光信号进入所述光接收端，先将信号进入所述下变频至中频，然后进入所述重采样和所述时钟恢复，接着进入所述CMA或MIMO CMA盲均衡实现动态信道均衡和校正线性损伤，所述FOE频偏估计算法消除由激光器的频偏引起的频偏，再经过所述相位补偿和所述同步，最后恢复出基带信号。
优选的，所述的电信号可以是基带信号，也可以是副载波调制微波信号。
优选的，所述的MIMO CMA技术可以实现动态信道均衡，并校正多通道系统的线性损伤。
优选的，所述的MRC技术可以将多个接收天线的信号进行加权组合。
优选的，所述的毫米波信号频段不仅针对W频段，该系统具有拓展性。。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明基于光子辅助的SIMO毫米波传输系统，该系统采用了MIMO CMA和MRC接收技术，在补偿信道损伤和提高信号质量方面表现出了良好的性能。通过野外实验验证，成功完成了该实验长距离毫米波SIMO传输系统实验演示。因此，基于MIMO CMA和MRC的空间分集技术可以在毫米波系统中实现高数据率、高保真度的信息传输，也将对毫米波系统中的多天线集成做出贡献。
附图说明
图1为本发明一种光纤与无线融合单输入多输出通信系统及方法的光子辅助的远距离毫米波单输入多输出(SIMO)传输的实验设置示意图。
图2为本发明一种光纤与无线融合单输入多输出通信系统及方法的发射端算法结构示意图。
图3为本发明一种光纤与无线融合单输入多输出通信系统及方法的接收端算法结构示意图。
图中：0、激光器；1、激光器；2、I/Q调制器；3、任意波形发生器；4、保偏掺铒光纤放大器；5、保偏光耦合器；6、光发射端；7、可调光衰减器；8、光电探测器；9、低噪声放大器；99、低噪声放大器；999、低噪声放大器；10、功率放大器；11、喇叭透镜天线；111、喇叭透镜天线；1111、喇叭透镜天线；12、基站端；13、电混频器；1313、电混频器；14、电放大器；1414、电放大器；15、光接收端；16、数字存储示波器；17、数据输入；18、QAM映射；19、升余弦滤波器；20、发射端算法结构；21、接收端算法结构；22、下变频；23、重采样；24、时钟恢复；25、CMA或MIMOCMA盲均衡；26、FOE频偏估计；27、相位补偿；28、同步；29、最大比合并分集技术。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
参照图1-3所示本发明公开了一种光纤与无线融合单输入多输出通信系统，包括：光发射端6、基站端12、数字存储示波器15和光接收端16，其特征在于，所述光发射端6包括：激光器1、激光器0、任意波形发生器3、I/Q调制器2、保偏掺铒光纤放大器4和保偏光耦合器5；
所述基站端12包括：可调光衰减器7、光电探测器8、低噪声放大器9、功率放大器10和喇叭透镜天线11；
所述光接收端15包括：喇叭透镜天线111、喇叭透镜天线1111、低噪声放大器99、低噪声放大器999、电混频器13、电混频器1313、电放大器14和电放大器1414。
使用时，在所述光发射端6DSP中，对生成的QAM符号采用RC(raise-cos)滤波器，以克服光电器件的带宽限制，然后将电信号调制到激光上，经过所述保偏掺铒光纤放大器4后通过所述保偏光耦合器5将两路信号耦合成一路新的光信号；光信号经光纤传输一段距离后，通过PD后生成实现W频段信号的光子后利用喇所述喇叭透镜天线进行无线传输；经过无线传输后的光信号进入所述光接收端16，先将信号进入所述下变频22至中频，然后进入所述重采样23和所述时钟恢复24，接着进入所述CMA或MIMO CMA盲均衡25实现动态信道均衡和校正线性损伤，所述FOE频偏估计26算法消除由激光器的频偏引起的频偏，再经过所述相位补偿27和所述同步28，最后恢复出基带信号。
下面介绍本文主要运用的两项重要技术MIMO CMA和MRC的原理：
(1)MIMO CMA原理：
在单天线系统中，传输过程中可能会发生信道损伤。在这种情况下，CMA作为自适应滤波系数的盲自适应算法，可用于补偿这些损伤。CMA算法估计信道脉冲响应，可用于接收器以消除信道干扰，这在当前的无线通信系统中得到了广泛的应用。此外，基于CMA的四蝶配置自适应数字均衡器称为MIMO CMA，可用于极化和无线MIMO解复用。因此，可以采用四蝶MIMO CMA来消除信号传输中产生的串扰。MIMO CMA的抽头权重更新公式如下：
另一方面，MIMO CMA作为一种线性均衡方法，可以实现动态信道均衡，并校正多通道系统的线性损伤。在基于空间分集系统的多天线中，MIMO CMA算法中可以包含多个输入信号，以获得更准确的信道脉冲响应估计，通过补偿信道损伤和改善信号质量，有效提高系统性能。
(2)MRC原理：
MRC在接收端利用的是最大比合并的分集技术，最大比合并是将接收端的各个支路经过相位调整之后按照一定的增益系数进行同相相加，可以获得最好的接收性能，下面对最大比合并进行理论分析。
假设每一路的信号能量都是Es并且第n条支路的幅度增益被假设为αn，从而第n条支路的接收信号可以表示为而符号的能量则可以表示为/>假设噪声功率密度密度是N0，这样第n条支路的信噪比可以表示为/>在最大比合并过程中，设每一路的权重系数是xn,n＝1,2,…Nr,则在进行分加权之后第n条支路的接收信号的等效基带的幅度可以表示为/>第n条支路的功率也被放大了/>每一路的信号都是进行同相相加，可以得出合成信号的表示形式为/>合成信号的信噪比可以表示成：
很显然合成信号的信噪比是每个支路的加权系数的函数(xn,n＝1,2,…Nr)而我们可以将求最大信噪比看成是一个多元函数求极值的问题；极值点需要满足的条件是
将式(2)应用到式(1)中我们可以得出
通过简化式(3)可以得到
当i＝i考虑式(4)可以得到关系
当i＝j时可以得出
从式(5)和式(6)中可以得出结论
对于总是正确的情况我们可以得到
式(8)显示了如何根据每条支路的信号信噪比的情况来选择合适的加权系数从而获得最佳信噪比，同样可以看出等增益合并是最大比合并在每条支路信噪比相同情况下的一种特殊情况。
我们首次提出并采用了联合MIMO CMA和MRC接收技术，以提高接收机的信噪比，从而使传输系统能够支持更高的数据速率。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种光纤与无线融合单输入多输出通信系统，包括：光发射端(6)、基站端(12)、数字存储示波器(15)和光接收端(16)，其特征在于，所述光发射端(6)包括：激光器(1)、激光器(0)、任意波形发生器(3)、I/Q调制器(2)、保偏掺铒光纤放大器(4)和保偏光耦合器(5)；
所述基站端(12)包括：可调光衰减器(7)、光电探测器(8)、低噪声放大器(9)、功率放大器(10)和喇叭透镜天线(11)；
所述光接收端(15)包括：喇叭透镜天线(111)、喇叭透镜天线(1111)、低噪声放大器(99)、低噪声放大器(999)、电混频器(13)、电混频器(1313)、电放大器(14)和电放大器(1414)。
2.根据权利要求1所述的一种光纤与无线融合单输入多输出通信系统，其特征在于，所述激光器(1)和所述激光器(0)用于产生光纤通信指定的连续波激光；所述任意波形发生器(3)用于将数字信号转换为模拟信号；所述I/Q调制器(2)用于将基带IQ信号搬移到载波上；所述保偏掺铒光纤放大器(4)用于放大产生的光信号；所述保偏光耦合器(5)用于将不同路的激光器生成的激光进行耦合；
所述光发射端(6)包括以下工作过程：
在所述光发射端(6)中，通过所述激光器(1)产生指定频率的连续波光载波进入所述I/Q调制器(2)，利用所述I/Q调制器(2)将数据源产生的基带数据强度调制到光载波上，正交频分复用电信号由Matlab软件离线生成，然后通过所述任意波形发生器(3)将数字信号转换为模拟信号，AWG输出的电信号经过一对并联电放大器放大，然后由所述I/Q调制器(2)调制，调制后的光信号经过所述保偏光耦合器(4)然后进入光纤传输。
3.根据权利要求1所述的一种光纤与无线融合单输入多输出通信系统，其特征在于，所述可调光衰减器(7)用于减低或控制光信号；所述光电探测器(8)用于将光基带信号转换为电基带信号；所述低噪声放大器(9)用于在尽可能小地影响接收机的噪声系数的前提下，将信号放大到足够的强度；所述功率放大器(10)用于放大信号功率；所述喇叭透镜天线(11)，用于实现对信号的增强和聚焦；
所述基站端(12)包括以下工作过程：
经过耦合后的光信号在传输经过SMF-28后进入所述可调光衰减器(7)，然后信号经过所述光电探测器(8)之后将获得的W频段信号经过所述低噪声放大器(9)和W频段所述功率放大器(10)进行增强，然后通过所述喇叭透镜天线(11)进行传输。
4.根据权利要求1所述的一种光纤与无线融合单输入多输出通信系统，其特征在于，所述数字存储示波器(15)用于信号捕获；所述喇叭透镜天线(111)和所述喇叭透镜天线(1111)用于实现对信号的增强和聚焦；所述低噪声放大器(99)和所述低噪声放大器(999)用于在尽可能小地影响接收机的噪声系数的前提下，将信号放大到足够的强度；所述电混频器(13)和所述电混频器(1313)用于将增强后的信号下变频为中频信号；所述电放大器(14)和所述电放大器(1414)用于增强中频信号；
所述光接收端(16)包括以下工作过程：
经过无线传输后，毫米波信号到达由两个无线接收机组成的接收端，在无线接收机中，THz频段信号首先由所述喇叭透镜天线(11)和所述喇叭透镜天线(111)接收，然后由所述低噪声放大器(99)和所述低噪声放大器(999)进行增强，接着由射频信号驱动的所述电混频器(13)和所述电混频器(1313)将其下变频为中频信号，最后经过所述电放大器(14)和所述电放大器(1414)增强中频信号，使用所述数字存储示波器(15)进行捕获。
5.根据权利要求1所述的一种光纤与无线融合单输入多输出通信系统，其特征在于，还包括发射端算法(20)和接收端算法(21)，所述发射端算法(20)包括：数据输入(17)、QAM映射(18)和升余弦滤波器(19)；所述接收端算法(21)包括：下变频(22)、重采样(23)、时钟恢复(24)、CMA或MIMO CMA盲均衡(25)、FOE频偏估计(26)、相位补偿(27)、同步(28)和最大比合并分集技术(29)。
6.一种光纤与无线融合单输入多输出通信方法，其特征在于，在所述光发射端(6)DSP中，对生成的QAM符号采用RC(raise-cos)滤波器，以克服光电器件的带宽限制，然后将电信号调制到激光上，经过所述保偏掺铒光纤放大器(4)后通过所述保偏光耦合器(5)将两路信号耦合成一路新的光信号；光信号经光纤传输一段距离后，通过PD后生成实现W频段信号的光子后利用喇所述喇叭透镜天线进行无线传输；经过无线传输后的光信号进入所述光接收端(16)，先将信号进入所述下变频(22)至中频，然后进入所述重采样(23)和所述时钟恢复(24)，接着进入所述CMA或MIMO CMA盲均衡(25)实现动态信道均衡和校正线性损伤，所述FOE频偏估计(26)算法消除由激光器的频偏引起的频偏，再经过所述相位补偿(27)和所述同步(28)，最后恢复出基带信号。
7.根据权利要求6所述的一种光纤与无线融合单输入多输出通信方法，其特征在于，所述的电信号可以是基带信号，也可以是副载波调制微波信号。
8.根据权利要求6所述的一种光纤与无线融合单输入多输出通信方法，其特征在于，所述的MIMO CMA技术可以实现动态信道均衡，并校正多通道系统的线性损伤。
9.根据权利要求6所述的一种光纤与无线融合单输入多输出通信方法，其特征在于，所述的MRC技术可以将多个接收天线的信号进行加权组合。
10.根据权利要求6所述的一种光纤与无线融合单输入多输出通信方法，其特征在于，所述的毫米波信号频段不仅针对W频段，该系统具有拓展性。
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