基于弱模群耦合与概率整形的多波段光载射频系统及方法

摘要

本发明涉及基于弱模群耦合与概率整形的多波段光载射频系统，包括多载波产生模块、分波器、第一模式解复用器、第二模式解复用器、QAM调制模块、模式复用器和毫米波频率选择模块，所述多载波产生模块和分波器连接，所述分波器分别与第一模式解复用器和第二模式解复用器连接，所述第一模式解复用器和QAM调制模块连接，所述第二模式解复用器和QAM调制模块均和模式复用器连接，所述模式复用器和毫米波频率选择模块相连。本发明的技术方案方案可以有效的实现短距离通信系统在传输容量和误码率方面的性能提升。系统可以根据环境以及用户需求等，合理的选择无线通信所需毫米波的波段，大大的增加了本系统的灵活性和适用性。

权利要求

1.基于弱模群耦合与概率整形的多波段光载射频方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

(1)将脉冲光源发射出的脉冲光与射频源发射出的指定频率的射频信号在循环频移器中结合，并通过循环频移器调制产生频率差为射频频率的光多载波；

(2)将光多载波输入分波器，通过分波器挑选出一个载波作为搭载信号的主载波，其他的载波用于光电转化过程中的副载波；主载波通过第一模式解复用，分为LP01、LP11、LP31三组模式群，三组模式群分别进行基于概率整形的QAM调制，每一所述副载波通过第二模式解复用也分为LP01、LP11、LP31三组模式群；

(3)将经过QAM调制的主载波信号和仅经过模式解复用的副载波信号合并，且通过模式复用器合并到FMF光纤中进行传输；

(4)FMF光纤将主载波和副载波的合并信号传输至分束器，分束器将主载波和副载波的合并信号均分为三组信号，分束器将三组信号分为三路传输至模式滤波器；

(5)模式滤波器将三组信号进行模式选择，将三组信号按LP01、LP11和LP31三种模式分为三路分别传输相对应的模式处理单元内的LCoS滤波器，所述模式处理单元即为LP01单元、LP11单元和LP31单元；

(6)各个模式处理单元通过LCoS滤波器筛选出数组信号来分别通过数个光电转换器得到电信号，并通过数个天线发射，LCoS滤波器筛选出的每一组信号都包括经过QAM调制的主载波和一个用来外差拍频的副载波，每一组的副载波根据实际需求的电波频率选择；

所述步骤(2)中的主载波经过模式解复用分为三组模式群后，进行基于概率整形的QAM调制的过程包括：主载波的三组模式群的原始数据为单路二进制比特流，三组模式群依次经过串并变换和概率整形处理后，根据三组模式群分别进行分布匹配和星座映射，生成的信号根据QAM调制内的滤波器的采样率进行M倍的上采样，实现信号在频谱上的M倍周期延拓，再将每组模式群上采样后的信号均进行I/Q调制，即分离为Q路信号和I路信号，将每一路信号进行滤波器处理后在加法器单元的作用下，合并为一路实数信号输出，完成了基于概率整形的QAM调制。

2.根据权利要求1所述的基于弱模群耦合与概率整形的多波段光载射频方法，其特征在于，所述步骤(1)中在循环频移器内调制产生光多载波的脉冲光的中心波长为λ1，射频源的频率为fs，且产生的光多载波以λ1为起始波，频率间隔为fs的多载波。

3.根据权利要求1所述的基于弱模群耦合与概率整形的多波段光载射频方法，其特征在于，所述步骤(3)中由于不同模式群间模式的弱耦合以及模群内的低模式色散，三个模式群的载波组可以在FMF中低损耗传输。

4.根据权利要求1所述的基于弱模群耦合与概率整形的多波段光载射频方法，其特征在于，所述步骤(4)中分束器将主载波和副载波的合并信号均分为三组，每一组信号均包括主载波信号的LP01、LP11、LP31三种模式群以及各副载波信号的LP01、LP11、LP31三种模式群。

说明书

基于弱模群耦合与概率整形的多波段光载射频系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光传输技术领域，具体涉及基于弱模群耦合与概率整形的多波段光载射频系统及方法。

背景技术

[0002] 众所周知，通过光纤介质传输无线信号的光载射频技术(RoF)是一种很有前途的技术，其具有容量大、传输距离远、损耗低等优点。RoF系统主要由中心站、光纤链路以及基站组成。中心站将基带信号调制到光载波上，然后通过光纤链路传输到基站，在基站中通过光电转换后再通过天线发射出去，最后在移动终端(用户)接收使用。通过RoF能够实现微波信号大带宽低失真的传输，有效的解决了传统同轴电缆传输过程中速率低、带宽受限等问题，具有很大的研究价值，也是即将到来的第五代移动通信(5G)时代的核心传输技术。我们所说的毫米波指的是指30～300GHz频域(波长在1mm～10mm之间)的电磁波，其具有极宽的带宽、波束窄、全天候特性以及容易小型化的特点。本文研究的对象为W波段(80～100GHz)的毫米波，拥有非常大的带宽和很高的传输速率。

[0003] 最近光纤中的空分复用(SDM)技术也成为研究热点。正如我们所知的，空分复用系统是增加并充分利用空间维度从而进一步提高光纤通信容量的唯一手段，其中的模分复用(MDM)技术是利用光纤中的不同模式来作为独立的传输信道，从而实现成倍提升传输容量，其本质上是一种光传输的多输入多输出技术。基于多模光纤(MMF)或者少模光纤(FMF)的MDM系统的主要限制是在光纤传输器件由于模式耦合和模态色散引起的串扰和失真，尤其是在长距离的MDM系统中，模式之间的串扰是不可忽略的。从而需要在接收端进行多输入多输出(MIMO)信号处理来补偿信号在传输过程中的损耗。为了降低系统的复杂度以及考虑到系统成本和功耗，在较短距离的传输中，我们应优先选用不需要MIMO处理的直接强度调制检测(IMDD)方案。弱耦合MDM方案被认为是增加短距离传输系统容量最有前景的方案之一。由于在MMF以及FMF中的模态耦合会随着传输距离的增大而增大，所以模群复用(MGM)技术成为无MIMO处理的MDM的替代方案，其中每一个模式群被视为一个数据通道。MGM方案是利用不同模式群之间的弱耦合来消除接收模块的相干检测以及MIMO处理的需要，可以应用在中短距离的多模传输中。

[0004] 此外，概率整形(PS)作为一种很前景的技术，由于其增加频谱效率和降低平均信号发射功率的能力而备受关注。根据我们已知的，在传统的星座映射中，每个信号点以相同的概率发射。但是，星座不同位置中的信号点具有不同的欧氏距离，因此发射所需要的能量是不同的，信号点越接近星座的原点，则需要的发射能量越少。PS的原理是以非等概率分布来传输信号点，也就是说，携带较低能量的内信号点比携带较高能量的星座外信号点发送的概率更高，从而显著降低平均发射能量。

[0005] 本专利提出的弱模群耦合光场的多通道概率整形W波段自适应光载射频方法，利用LP01、LP11以及LP31三个模式群进行复用，利用其弱耦合的特性，在FMF中进行传输。并且在接收端对不同的模式群采用了不同的接收处理单元，基于LCoS滤波器，可实现W波段毫米波无线通信模块中波段自适应调整。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供基于弱模群耦合与概率整形的多波段光载射频系统及方法来解决传统多波段光载射频系统误码率高，灵活性低和传输容量小的问题。

[0007] 为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：提供基于弱模群耦合与概率整形的多波段光载射频系统，其创新点在于：包括多载波产生模块、分波器、第一模式解复用器、第二模式解复用器、QAM调制模块、模式复用器和毫米波频率选择模块，所述多载波产生模块和分波器连接用于将产生的多载波分为作为搭载信号的主载波和用于光电转化的副载波，所述分波器分别与第一模式解复用器和第二模式解复用器连接来分别对主载波和副载波进行模式群分，所述第一模式解复用器通过和QAM调制模块连接来对经过模式群分的主载波进行QAM调制，所述第二模式解复用器和QAM调制模块均和模式复用器连接，所述模式复用器通过和毫米波频率选择模块相连来将多载波进行合理选择运用。

[0008] 进一步的，所述多载波产生模块包括用于产生脉冲光的脉冲光源、产生射频信号的射频源和循环频移器，所述脉冲光源和射频源分别与循环频移器相连来产生光多载波，所述循环频移器和分波器相连。

[0009] 进一步的，所述QAM调制模块包括串并变换单元、概率整形单元、分布匹配单元、星座映射单元、上采样单元、滤波器和加法器，所述串并变换单元、概率整形单元、分布匹配单元、星座映射单元、上采样单元、滤波器和加法器依次连接来依次对应将主载波的三种模式数据进行处理，串并变换单元把串行数据变成并行数据；概率整形单元以非等概率分布来传输数据信号点；分布匹配单元和星座映射单元用于在调制时或接收时正确解调数据；上采样单元根据滤波器的采样率进行M倍的上采样，实现信号在频谱上的M倍周期延拓；加法器把滤波后的I路和Q路信号合并成一路实数信号输出，所述加法器单元和模式复用器相连。

[0010] 进一步的，所述毫米波频率选择模块包括分束器、模式滤波器和模式处理单元，所述分束器和模式复用器采用FMF光纤连接来对多载波进行模式转换及传输，所述分束器、模式滤波器和模式处理单元依次相连来对多载波按模式群分开，所述分束器分为三路与模式滤波器连接，所述模式处理单元包括LP01单元、LP11单元和LP31单元，所述模式滤波器分别和LP01单元、LP11单元和LP31单元连接来分别将LP01、LP11和LP31三种模式群分别传输至对应的模式处理单元。

[0011] 进一步的，每一所述模式处理单元均包括LCoS滤波器和数个光电转换器，所述模式滤波器分为三路分别与LP01单元、LP11单元和LP31单元内的LCoS滤波器连接来根据需要挑选毫米波，每一所述LCoS滤波器分别和数个光电转换器连接来产生对应的电信号，每一所述光电转换器均通过连接有发射天线向外通信。

[0012] 为解决以上技术问题，本发明的技术方案还提供基于弱模群耦合与概率整形的多波段光载射频方法，其创新点在于：具体包括以下步骤：

[0013] (1)将脉冲光源发射出的脉冲光与射频源发射出的指定频率的射频信号在循环频移器中结合，并通过循环频移器调制产生频率差为射频频率的光多载波；

[0014] (2)将光多载波输入分波器，通过分波器挑选出一个载波作为搭载信号的主载波，其他的载波用于光电转化过程中的副载波；主载波通过第一模式解复用，分为LP01、LP11、LP31三组模式群，三组模式群分别进行基于概率整形的QAM调制，每一所述副载波通过第二模式解复用也分为LP01、LP11、LP31三组模式群；

[0015] (3)将经过QAM调制的主载波信号和仅经过模式解复用的副载波信号合并，且通过模式复用器合并到FMF光纤中进行传输；

[0016] (4)FMF光纤将主载波和副载波的合并信号传输至分束器，分束器将主载波和副载波的合并信号均分为三组信号，分束器将三组信号分为三路传输至模式滤波器；

[0017] (5)模式滤波器将三组信号进行模式选择，将三组信号按LP01、LP11和LP31三种模式群分为三路分别传输相对应的模式处理单元内的LCoS滤波器，所述模式处理单元即为LP01单元、LP11单元和LP31单元；

[0018] (6)所述各个模式处理单元通过LCoS滤波器筛选出数组信号来分别通过数个光电转换器得到电信号，并通过数个天线发射，LCoS滤波器筛选出的每一组信号都包括经过QAM调制的主载波和一个用来外差拍频的副载波，每一组的副载波根据实际需求的电波频率选择。

[0019] 进一步的，所述步骤(1)中在循环频移器内调制产生光多载波的脉冲光的中心波长为λ1，射频源的频率为fs，且产生的光多载波以λ1为起始波，频率间隔为fs的多载波。

[0020] 进一步的，所述步骤(2)中的主载波经过模式解复用分为三组模式群后，进行基于概率整形的QAM调制的过程包括：主载波的三组模式群的原始数据为单路二进制比特流，三组模式群依次经过串并变换和概率整形处理后，根据三组模式群分别进行分布匹配和星座映射，生成的信号根据QAM调制内的滤波器的采样率进行M倍的上采样，实现信号在频谱上的M倍周期延拓，再将每组模式群上采样后的信号均进行I/Q调制，即分离为Q路信号和I路信号，将每一路信号进行滤波器处理后在加法器单元的作用下，合并为一路实数信号输出，完成了基于概率整形的QAM调制。

[0021] 进一步的，所述步骤(3)中由于不同模式群间模式的弱耦合以及模群内的低模式色散，三个模式群的载波组可以在FMF中低损耗传输。

[0022] 进一步的，所述步骤(4)中分束器将主载波和副载波的合并信号均分为三组，每一组信号均包括主载波信号的LP01、LP11、LP31三种模式以及各副载波信号的LP01、LP11、LP31三种模式群。

[0023] 本发明和现有技术相比，产生的有益效果为：

[0024] (1)本发明的通过QAM调制模块、模式复用器以及毫米波频率选择模块，构建了波段自适应的光载射频系统，在QAM调制模块，将PS技术应用于QAM中，通过非均匀的星座映射降低了系统的平均发射功率，相比传统的QAM方案，采用该方案可以有效的实现短距离通信系统在传输容量和误码率方面的性能提升。

[0025] (2)本发明的模式复用器，基于模群之间的弱耦合，利用三个模群传输载波信号，进一步提升了系统的通信容量。在毫米波频率选择模块，系统可以根据环境以及用户需求等，合理的选择无线通信所需毫米波的波段，大大的增加了本系统的灵活性和适用性。

附图说明

[0026] 为了更清晰地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0027] 图1为本发明的系统框图。

[0028] 图2为模式复用器的输入端口截面示意图。

[0029] 图3为图2的侧视图。

[0030] 图4为本发明的QAM调制模块的流程框图。

[0031] 图5为脉冲光源产生的初始载波。

[0032] 图6为经过循环频移器后产生的频率间隔锁定的多载波。

[0033] 图7为基于概率成形的16QAM星座图。

[0034] 图8为模式复用器中的模群不同模场的电场图。

具体实施方式

[0035] 下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

[0036] 本发明提供基于弱模群耦合与概率整形的多波段光载射频系统，其系统框图如图1所示，包括多载波产生模块、分波器、第一模式解复用器、第二模式解复用器、QAM调制模块、模式复用器和毫米波频率选择模块，所述多载波产生模块和分波器连接用于将产生的多载波分为作为搭载信号的主载波和用于光电转化的副载波，所述分波器分别与第一模式解复用器和第二模式解复用器连接来分别对主载波和副载波进行模式群分，所述第一模式解复用器通过和QAM调制模块连接来对经过模式群分的主载波进行QAM调制，所述第二模式解复用器和QAM调制模块均和模式复用器连接，所述模式复用器通过和毫米波频率选择模块相连来将多载波进行合理选择运用。模式复用器的结构如图2和3所示。

[0037] 本发明的多载波产生模块包括用于产生脉冲光的脉冲光源、产生射频信号的射频源和循环频移器，脉冲光源和射频源分别与循环频移器相连来产生光多载波，循环频移器和分波器相连。

[0038] 本发明的QAM调制模块如图4所示，包括串并变换单元、概率整形单元、分布匹配单元、星座映射单元、上采样单元、滤波器和加法器，所述串并变换单元、概率整形单元、分布匹配单元、星座映射单元、上采样单元、滤波器和加法器依次连接来依次对应将主载波的三种模式数据进行处理，串并变换单元把串行数据变成并行数据；概率整形单元以非等概率分布来传输数据信号点；分布匹配单元和星座映射单元用于在调制时或接收时正确解调数据；上采样单元根据滤波器的采样率进行M倍的上采样，实现信号在频谱上的M倍周期延拓；加法器把滤波后的I路和Q路信号合并成一路实数信号输出，加法器单元和模式复用器相连。

[0039] 本发明的所述毫米波频率选择模块包括分束器、模式滤波器和模式处理单元，分束器和模式复用器采用FMF光纤连接来对多载波进行模式转换及传输，分束器、模式滤波器和模式处理单元依次相连来对多载波按模式群分开，分束器分为三路与模式滤波器连接，模式处理单元包括LP01单元、LP11单元和LP31单元，所述模式滤波器分别和LP01单元、LP11单元和LP31单元连接来分别将LP01、LP11和LP31三种模式群分别传输至对应的模式处理单元。每一模式处理单元均包括LCoS滤波器和数个光电转换器，所述模式滤波器分为三路分别与LP01单元、LP11单元和LP31单元内的LCoS滤波器连接来根据需要挑选毫米波，每一LCoS滤波器分别和数个光电转换器连接来产生对应的电信号，每一光电转换器均通过连接有发射天线向外通信。

[0040] 本发明还提供了基于弱模群耦合与概率整形的多波段光载射频方法，具体包括以下步骤：

[0041] (1)将脉冲光源发射出的脉冲光与射频源发射出的指定频率的射频信号在循环频移器中结合，并通过循环频移器调制产生频率差为射频频率的光多载波。其中，循环频移器内调制产生光多载波的脉冲光的中心波长为λ1，射频源的频率为fs，产生的光多载波以λ1为起始波，频率间隔为fs的多载波。本发明产生的多载波具有频率间隔可灵活选择、载波数目可控制，如图5为光源产生的初始载波，图6为经过循环频移器后产生的频率间隔锁定的多载波。

[0042] (2)将光多载波输入分波器，通过分波器挑选出一个载波作为搭载信号的主载波，其他的载波用于光电转化过程中的副载波；每一副载波通过第二模式解复用分为LP01、LP11、LP31三组模式群；主载波通过第一模式解复用，也分为LP01、LP11、LP31三组模式群，三组模式群分别进行基于概率整形的QAM调制。

[0043] 主载波进行基于概率整形的QAM调制的过程如下：主载波的三组模式群的原始数据为单路二进制比特流，三组模式群依次经过串并变换和概率整形处理后，根据三组模式群分别进行分布匹配和星座映射，优选的，本发明采用16QAM进行QAM调制，经过星座映射后得到的星座图为非均匀分布的16QAM星座图，如图7所示。生成的信号根据QAM调制内的滤波器的采样率进行M倍的上采样，实现信号在频谱上的M倍周期延拓，再将每组模式群上采样后的信号均进行I/Q调制，即分离为Q路信号和I路信号，将每一路信号进行滤波器处理后在加法器单元的作用下，合并为一路实数信号输出，完成了基于概率整形的QAM调制。

[0044] (3)将经过QAM调制的主载波信号和仅经过模式解复用的副载波信号合并，且通过模式复用器合并到FMF光纤中进行传输；在模式复用器的作用下，FMF光纤中的LP01模式可以转换模群MG1、MG2、MG3，如图8所示，MG1中只有LP01一个模式，而MG2中有LP11a和LP11b两个模式，MG3中也有LP31a、LP31b两个模式。不同模群之间由于模式之间的差距很大，所以模群之间的模式耦合很小。而模群内部的模式由于差距很小，在传输过程中的模式色散很小。因此利用模群复用，可以在FMF光纤中实现弱耦合、长距离、多数据通道传输。

[0045] (4)FMF光纤将主载波和副载波的合并信号传输至分束器，分束器将主载波和副载波的合并信号均分为三组信号，分束器将三组信号分为三路传输至模式滤波器，其中，分束器将主载波和副载波的合并信号均分为三组，每一组信号均包括主载波信号的LP01、LP11、LP31三种模式以及各副载波信号的LP01、LP11、LP31三种模式。

[0046] (5)模式滤波器将三组信号进行模式选择，将三组信号按LP01、LP11和LP31三种模式分为三路分别传输相对应的模式处理单元内的LCoS滤波器，所述模式处理单元即为LP01单元、LP11单元和LP31单元。

[0047] (6)所述各个模式处理单元通过LCoS滤波器筛选出数组信号来分别通过数个光电转换器得到电信号，并通过数个天线发射，LCoS滤波器筛选出的每一组信号都包括经过QAM调制的主载波和一个用来外差拍频的副载波，每一组的副载波根据实际需求的电波频率选择。

[0048] 上面所述的实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进均应落入本发明的保护范围，本发明的请求保护的技术内容，已经全部记载在技术要求书中。