基于光子射頻高階調(diào)制的關(guān)鍵技術(shù)研究

樊秋月

摘 要： 現(xiàn)有高階調(diào)制技術(shù)存在上、下行峰值速率和空口速率過低現(xiàn)象。為了解決此問題，設(shè)計一種基于光子射頻的高階調(diào)制模型。通過分析OTTD光子移相技術(shù)、光載波調(diào)相技術(shù)、光譜處理射頻技術(shù)，完成光子射頻關(guān)鍵技術(shù)研究；在此基礎(chǔ)上，通過MQAM高階信號識別、基于MQAM高階信號的調(diào)制子載波識別，完成基于光子射頻高階調(diào)制模型的搭建。模擬該模型的運行環(huán)境，對比實驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)方法相比，應(yīng)用基于光子射頻高階調(diào)制模型后有效提升了上、下行峰值速率和空口速率。

關(guān)鍵詞： 光子射頻； 高階調(diào)制； OTTD； 光譜處理； MQAM； 高階信號； 子載波識別

中圖分類號： TN929.1?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）19?0165?04

Abstract： Since the existing high?order modulation technology has the phenomena of low uplink and downlink peak rate and low empty rate， a high?order modulation model based on photon radio frequency （RF） is designed. The research on the key technologies of photon RF was accomplished by analysis on OTTD photonic phase shift technology， optical carrier phase modulation technology and spectrum processing RF technology. On this basis， the high?order modulation model based on photon RF was established by means of the MQAM high?order signal recognition and modulated subcarrier recognition based on MQAM high?order signal. The operation environment of the model was simulated. The experimental results show that the high?order modulation model based on photon RF can improve the uplink and downlink peak rate， and empty rate more effectively in comparison with the traditional methods.

Keywords： photon radio frequency； high?order modulation； OTTD； spectral processing； MQAM； high?order signal； subcarrier recognition

0 引 言

現(xiàn)有高階調(diào)制識別方法通過操作人員手持接收儀器的方式，接收到待調(diào)制信號，再經(jīng)過復雜的觀測分析過程，確定接收到信號的頻譜形狀及時域波形，進而完成信號調(diào)制方式的判斷，根據(jù)判斷結(jié)果選擇最為適宜的解調(diào)器進行解調(diào)處理[1?2]。這種方式雖然可以得到較為可靠的調(diào)制結(jié)果，但在調(diào)制過程中上、下行峰值速率和空口速率都只能維持在較低水平，限制了調(diào)制類型多樣性的發(fā)展。隨著微波光子學的不斷發(fā)展，利用光子條件對微波、毫米波信號進行生成、控制、傳輸?shù)忍幚淼募夹g(shù)已經(jīng)發(fā)展得十分出色。光子射頻技術(shù)主要由OTTD光子移相技術(shù)、光載波調(diào)相技術(shù)、光譜處理射頻技術(shù)組成。利用光子射頻技術(shù)改進現(xiàn)有高階調(diào)制方法，當微波光子系統(tǒng)的工作頻率逐漸達到最大頻率界限時，光電子器件及其子系統(tǒng)間產(chǎn)生的各種微波傳輸問題都得到了有效改進。與光載無線、相干光通信等技術(shù)相比，光子射頻技術(shù)大都應(yīng)用于更高端的調(diào)頻、光子學研究領(lǐng)域[3?4]。因此，經(jīng)過光子射頻技術(shù)改進后的高階調(diào)制方法將會具有更高的實用性價值。

1 光子射頻關(guān)鍵技術(shù)研究

新型高階調(diào)制模型的光子射頻關(guān)鍵技術(shù)由OTTD光子移相技術(shù)、光載波調(diào)相技術(shù)和光譜處理射頻技術(shù)組成，具體研究方法遵循如下步驟。

1.1 OTTD光子移相技術(shù)

OTTD光子移相技術(shù)選用長短不一的光纖延時線，用于不同光開關(guān)間的連接，并通過切換每個光開關(guān)上的光路，達到增加單元延時量的目的。每個光開關(guān)上都具有多條光通路，當光信號在不同長度的光纖上進行傳播時，即可實現(xiàn)單元延時量的增加[5]。具體技術(shù)原理如圖1所示。不同OTTD材料的光纖長度，決定了延時單元的大小。為了增大移項延時的精度，對光開關(guān)的具體插入損耗、連接速度、串并聯(lián)抗擾性等條件都要進行嚴格的限制。在理想狀態(tài)下，OTTD光子移相技術(shù)可以實現(xiàn)對延時單元大小的任意控制。

1.2 光載波調(diào)相技術(shù)

光載波調(diào)相技術(shù)依靠窄線激光器發(fā)射光波，再利用雙驅(qū)動MZM結(jié)構(gòu)的單邊帶調(diào)制功能，生成兩束相干光波。令生成的兩束光波經(jīng)過環(huán)形器過濾后，進入FBG濾波器進行分離處理。兩束光波中的穩(wěn)定光載波經(jīng)過FBG濾波器的反射處理后，直接進入光相位調(diào)制器，做相位調(diào)制準備；兩束光波中的變化光載波經(jīng)過FBG濾波器中的一階邊帶結(jié)構(gòu)，直接進入光耦合器，經(jīng)過耦合處理后，以拍頻恢復射頻信號的形式完成光電探測器的耦合輸出[6?7]。做好相位調(diào)制準備的光波和完成光電探測器耦合輸出的射頻信號，在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中，完成光載波調(diào)制器的直流偏置調(diào)相控制。具體光載波調(diào)相技術(shù)實現(xiàn)原理如圖2所示。

1.3 光譜處理射頻技術(shù)

光譜處理射頻技術(shù)，通過光/電變換過程獲取由時域變換到光域的輸入信號[E（t）]，在頻譜表示方法中，輸入信號被命名為[Ein]。再經(jīng)過光譜空間分離原件，將[Ein]中包含的所有光譜分量分離到各自的空間位置上?？臻g光調(diào)制器也可以叫作光譜處理模塊，其作用是調(diào)節(jié)處于不同空間位置上光波的相位和幅度，再將完成調(diào)節(jié)處理后的空間光譜分量重新合成完整的光譜[Eout]。通過上述處理，得到預期輸出光波信號[8?9][E（t）]。具體實現(xiàn)原理如圖3所示。

光譜處理射頻技術(shù)是實現(xiàn)光電/電光轉(zhuǎn)換處理的關(guān)鍵部分，其實現(xiàn)過程完成了光波頻譜成分的系統(tǒng)分析，為提高光波信號處理結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性帶來可能。

2 基于光子射頻技術(shù)高階調(diào)制模型的搭建

上述過程完成了光子射頻關(guān)鍵技術(shù)研究。在上述3項關(guān)鍵技術(shù)的支持下，可按照如下步驟完成基于光子射頻高階調(diào)制模型的搭建。

2.1 MQAM高階信號識別

在進行MQAM高階信號識別前，所有輸入信號均為二進制數(shù)字信號序列。當識別機制接收到二進制數(shù)字信號序列后，對序列進行串/并變換處理，將一列二進制數(shù)字信號序列變?yōu)閮陕废嗤牟⑿行蛄衃10]。通過這樣的處理之后，序列的傳輸速率變?yōu)樵瓉淼腫12]，為2?L電平變換提供方便。MQAM高階信號識別過程容易產(chǎn)生帶外輻射，對識別結(jié)果帶來負面影響。為了抑制這種輻射的產(chǎn)生，利用預調(diào)制低通濾波器LPF的過濾作用，對經(jīng)過的高階數(shù)字信號序列進行處理。完成處理后的并行序列再經(jīng)過固定求和運算，得到最終的MQAM高階信號識別結(jié)果。識別流程如圖4所示。

2.2 基于MQAM高階信號的調(diào)制子載波識別

2.3 基于光子射頻技術(shù)高階調(diào)制模型的實現(xiàn)

通過對OTTD光子移相技術(shù)、光載波調(diào)相技術(shù)和光譜處理射頻技術(shù)的研究，可對搭建基于光子射頻高階調(diào)制模型的關(guān)鍵技術(shù)進行詳細了解。在此基礎(chǔ)上，通過MQAM高階信號識別、基于MQAM高階信號的調(diào)制子載波識別完成整體模型的搭建。為保證該模型的正常工作，還需在正式使用之前增設(shè)頻譜波形繪制步驟[12?13]?；诠庾由漕l高階調(diào)制模型的頻譜波形，可用數(shù)學描述曲線表示。若頻譜波形曲線兩端變化幅度相對平穩(wěn)，中間變化幅度相對劇烈，則表示已完成搭建的基于光子射頻高階調(diào)制模型，確實可以保持長時間的穩(wěn)定工作狀態(tài)。標準頻譜波形曲線如圖5所示。

3 實驗結(jié)果與分析

上述過程完成基于光子射頻高階調(diào)制模型的搭建，為驗證該模型的使用價值，模擬模型運行環(huán)境設(shè)計對比實驗。以兩臺頻率相同的光子射頻發(fā)射儀作為實驗對象，令其中一臺作為實驗組儀器，另一臺作為對照組儀器。實驗開始前，首先對相關(guān)實驗參數(shù)進行設(shè)定。

3.1 實驗參數(shù)設(shè)定

表1中參數(shù)名稱依次為光波射頻總量、高階調(diào)制系數(shù)、頻譜波形極限、高階信號識別參數(shù)、子載波等級、光波信號強度。其中頻譜波形用百分數(shù)衡量，頻譜波形極限為97.42%，代表頻譜范圍極大；子載波等級為Ⅳ級，代表同一時間內(nèi)，可兼容的子載波總量較大。

3.2 上、下行峰值速率對比

完成參數(shù)設(shè)定后，令實驗組光子射頻發(fā)射儀搭載基于光子射頻高階調(diào)制模型，對照組光子射頻發(fā)射儀不搭載任何模型，同時打開2臺光子射頻發(fā)射儀，進行高階信號調(diào)制。上行峰值速率與HJG曲線間存在正比關(guān)系，HJG曲線變化幅度越大，上行峰值速率越大；下行峰值速率與HJG曲線間存在反比關(guān)系，HJG曲線變化幅度越大，下行峰值速率越小。分別記錄實驗組和對照組上、下行峰值速率與HJG曲線變化幅度間的關(guān)系，具體結(jié)果如圖6，圖7所示。

分析圖6可知，實驗組HJG指標最小值低于0，最大值高于1.0，二者間差值大于1.0；對照組HJG指標最小值大于0，最大值小于0.6，二者間差值小于0.6；實驗組HJG曲線變化幅度明顯大于對照組。因此，可證明應(yīng)用基于光子射頻高階調(diào)制模型可提升上行峰值速率。分析圖7可知，實驗組HJG指標最小值大于0，最大值小于0.8，二者間差值小于0.8；對照組HJG指標最小值接近-0.2，最大值接近1.2，二者間差值接近1.4；對照組HJG曲線變化幅度明顯大于實驗組。因此，能證明應(yīng)用基于光子射頻高階調(diào)制模型，可提升下行峰值速率。

3.3 空口速率對比

空口速率與HVF曲線間存在制約關(guān)系，HVF曲線分布越密集，空口速率越高，反之則越低。完成上、下行峰值速率對比后，保持2臺光子射頻發(fā)射儀的工作狀態(tài)，截取高階信號調(diào)制過程中的兩組空口速率，具體對比結(jié)果如圖8，圖9所示。

對比圖8，圖9可知，兩組HVF曲線的總體變化幅度區(qū)別不大，但實驗組HVF曲線的密度明顯大于對照組。因此，能證明應(yīng)用基于光子射頻高階調(diào)制模型可提升空口速率。

4 結(jié) 語

上述步驟分析了光子射頻的關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎(chǔ)上改進并搭建了新型高階調(diào)制模型。通過對比實驗的方式，證明此模型確實具備極強的實用價值。

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