基于光子射頻高階調制的關鍵技術研究

樊秋月

摘 要： 現有高階調制技術存在上、下行峰值速率和空口速率過低現象。為了解決此問題，設計一種基于光子射頻的高階調制模型。通過分析OTTD光子移相技術、光載波調相技術、光譜處理射頻技術，完成光子射頻關鍵技術研究；在此基礎上，通過MQAM高階信號識別、基于MQAM高階信號的調制子載波識別，完成基于光子射頻高階調制模型的搭建。模擬該模型的運行環境，對比實驗結果表明，與傳統方法相比，應用基于光子射頻高階調制模型后有效提升了上、下行峰值速率和空口速率。

關鍵詞： 光子射頻； 高階調制； 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

現有高階調制識別方法通過操作人員手持接收儀器的方式，接收到待調制信號，再經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，進而完成信號調制方式的判斷，根據判斷結果選擇最為適宜的解調器進行解調處理[1?2]。這種方式雖然可以得到較為可靠的調制結果，但在調制過程中上、下行峰值速率和空口速率都只能維持在較低水平，限制了調制類型多樣性的發展。隨著微波光子學的不斷發展，利用光子條件對微波、毫米波信號進行生成、控制、傳輸等處理的技術已經發展得十分出色。光子射頻技術主要由OTTD光子移相技術、光載波調相技術、光譜處理射頻技術組成。利用光子射頻技術改進現有高階調制方法，當微波光子系統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間產生的各種微波傳輸問題都得到了有效改進。與光載無線、相干光通信等技術相比，光子射頻技術大都應用于更高端的調頻、光子學研究領域[3?4]。因此，經過光子射頻技術改進后的高階調制方法將會具有更高的實用性價值。

1 光子射頻關鍵技術研究

新型高階調制模型的光子射頻關鍵技術由OTTD光子移相技術、光載波調相技術和光譜處理射頻技術組成，具體研究方法遵循如下步驟。

1.1 OTTD光子移相技術

OTTD光子移相技術選用長短不一的光纖延時線，用于不同光開關間的連接，并通過切換每個光開關上的光路，達到增加單元延時量的目的。每個光開關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，即可實現單元延時量的增加[5]。具體技術原理如圖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，對光開關的具體插入損耗、連接速度、串并聯抗擾性等條件都要進行嚴格的限制。在理想狀態下，OTTD光子移相技術可以實現對延時單元大小的任意控制。

1.2 光載波調相技術

光載波調相技術依靠窄線激光器發射光波，再利用雙驅動MZM結構的單邊帶調制功能，生成兩束相干光波。令生成的兩束光波經過環形器過濾后，進入FBG濾波器進行分離處理。兩束光波中的穩定光載波經過FBG濾波器的反射處理后，直接進入光相位調制器，做相位調制準備；兩束光波中的變化光載波經過FBG濾波器中的一階邊帶結構，直接進入光耦合器，經過耦合處理后，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，在矢量網絡分析儀中，完成光載波調制器的直流偏置調相控制。具體光載波調相技術實現原理如圖2所示。

1.3 光譜處理射頻技術

光譜處理射頻技術，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。空間光調制器也可以叫作光譜處理模塊，其作用是調節處于不同空間位置上光波的相位和幅度，再將完成調節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）]。具體實現原理如圖3所示。

光譜處理射頻技術是實現光電/電光轉換處理的關鍵部分，其實現過程完成了光波頻譜成分的系統分析，為提高光波信號處理結構的穩定性帶來可能。

2 基于光子射頻技術高階調制模型的搭建

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

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字信號序列。當識別機制接收到二進制數字信號序列后，對序列進行串/并變換處理，將一列二進制數字信號序列變為兩路相同的并行序列[10]。通過這樣的處理之后，序列的傳輸速率變為原來的[12]，為2?L電平變換提供方便。MQAM高階信號識別過程容易產生帶外輻射，對識別結果帶來負面影響。為了抑制這種輻射的產生，利用預調制低通濾波器LPF的過濾作用，對經過的高階數字信號序列進行處理。完成處理后的并行序列再經過固定求和運算，得到最終的MQAM高階信號識別結果。識別流程如圖4所示。

2.2 基于MQAM高階信號的調制子載波識別

2.3 基于光子射頻技術高階調制模型的實現

通過對OTTD光子移相技術、光載波調相技術和光譜處理射頻技術的研究，可對搭建基于光子射頻高階調制模型的關鍵技術進行詳細了解。在此基礎上，通過MQAM高階信號識別、基于MQAM高階信號的調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頻譜波形繪制步驟[12?13]。基于光子射頻高階調制模型的頻譜波形，可用數學描述曲線表示。若頻譜波形曲線兩端變化幅度相對平穩，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制模型，確實可以保持長時間的穩定工作狀態。標準頻譜波形曲線如圖5所示。

3 實驗結果與分析

上述過程完成基于光子射頻高階調制模型的搭建，為驗證該模型的使用價值，模擬模型運行環境設計對比實驗。以兩臺頻率相同的光子射頻發射儀作為實驗對象，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，首先對相關實驗參數進行設定。

3.1 實驗參數設定

表1中參數名稱依次為光波射頻總量、高階調制系數、頻譜波形極限、高階信號識別參數、子載波等級、光波信號強度。其中頻譜波形用百分數衡量，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，可兼容的子載波總量較大。

3.2 上、下行峰值速率對比

完成參數設定后，令實驗組光子射頻發射儀搭載基于光子射頻高階調制模型，對照組光子射頻發射儀不搭載任何模型，同時打開2臺光子射頻發射儀，進行高階信號調制。上行峰值速率與HJG曲線間存在正比關系，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系，具體結果如圖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，可證明應用基于光子射頻高階調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，能證明應用基于光子射頻高階調制模型，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臺光子射頻發射儀的工作狀態，截取高階信號調制過程中的兩組空口速率，具體對比結果如圖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，能證明應用基于光子射頻高階調制模型可提升空口速率。

4 結 語

上述步驟分析了光子射頻的關鍵技術，在此基礎上改進并搭建了新型高階調制模型。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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