基于光子射频高阶调制的关键技术研究

樊秋月

摘 要： 现有高阶调制技术存在上、下行峰值速率和空口速率过低现象。为了解决此问题，设计一种基于光子射频的高阶调制模型。通过分析OTTD光子移相技术、光载波调相技术、光谱处理射频技术，完成光子射频关键技术研究；在此基础上，通过MQAM高阶信号识别、基于MQAM高阶信号的调制子载波识别，完成基于光子射频高阶调制模型的搭建。模拟该模型的运行环境，对比实验结果表明，与传统方法相比，应用基于光子射频高阶调制模型后有效提升了上、下行峰值速率和空口速率。

关键词： 光子射频； 高阶调制； OTTD； 光谱处理； MQAM； 高阶信号； 子载波识别

中图分类号： TN929.1?34 文献标识码： A 文章编号： 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

现有高阶调制识别方法通过操作人员手持接收仪器的方式，接收到待调制信号，再经过复杂的观测分析过程，确定接收到信号的频谱形状及时域波形，进而完成信号调制方式的判断，根据判断结果选择最为适宜的解调器进行解调处理[1?2]。这种方式虽然可以得到较为可靠的调制结果，但在调制过程中上、下行峰值速率和空口速率都只能维持在较低水平，限制了调制类型多样性的发展。随着微波光子学的不断发展，利用光子条件对微波、毫米波信号进行生成、控制、传输等处理的技术已经发展得十分出色。光子射频技术主要由OTTD光子移相技术、光载波调相技术、光谱处理射频技术组成。利用光子射频技术改进现有高阶调制方法，当微波光子系统的工作频率逐渐达到最大频率界限时，光电子器件及其子系统间产生的各种微波传输问题都得到了有效改进。与光载无线、相干光通信等技术相比，光子射频技术大都应用于更高端的调频、光子学研究领域[3?4]。因此，经过光子射频技术改进后的高阶调制方法将会具有更高的实用性价值。

1 光子射频关键技术研究

新型高阶调制模型的光子射频关键技术由OTTD光子移相技术、光载波调相技术和光谱处理射频技术组成，具体研究方法遵循如下步骤。

1.1 OTTD光子移相技术

OTTD光子移相技术选用长短不一的光纤延时线，用于不同光开关间的连接，并通过切换每个光开关上的光路，达到增加单元延时量的目的。每个光开关上都具有多条光通路，当光信号在不同长度的光纤上进行传播时，即可实现单元延时量的增加[5]。具体技术原理如图1所示。不同OTTD材料的光纤长度，决定了延时单元的大小。为了增大移项延时的精度，对光开关的具体插入损耗、连接速度、串并联抗扰性等条件都要进行严格的限制。在理想状态下，OTTD光子移相技术可以实现对延时单元大小的任意控制。

1.2 光载波调相技术

光载波调相技术依靠窄线激光器发射光波，再利用双驱动MZM结构的单边带调制功能，生成两束相干光波。令生成的两束光波经过环形器过滤后，进入FBG滤波器进行分离处理。两束光波中的稳定光载波经过FBG滤波器的反射处理后，直接进入光相位调制器，做相位调制准备；两束光波中的变化光载波经过FBG滤波器中的一阶边带结构，直接进入光耦合器，经过耦合处理后，以拍频恢复射频信号的形式完成光电探测器的耦合输出[6?7]。做好相位调制准备的光波和完成光电探测器耦合输出的射频信号，在矢量网络分析仪中，完成光载波调制器的直流偏置调相控制。具体光载波调相技术实现原理如图2所示。

1.3 光谱处理射频技术

光谱处理射频技术，通过光/电变换过程获取由时域变换到光域的输入信号[E（t）]，在频谱表示方法中，输入信号被命名为[Ein]。再经过光谱空间分离原件，将[Ein]中包含的所有光谱分量分离到各自的空间位置上。空间光调制器也可以叫作光谱处理模块，其作用是调节处于不同空间位置上光波的相位和幅度，再将完成调节处理后的空间光谱分量重新合成完整的光谱[Eout]。通过上述处理，得到预期输出光波信号[8?9][E（t）]。具体实现原理如图3所示。

光谱处理射频技术是实现光电/电光转换处理的关键部分，其实现过程完成了光波频谱成分的系统分析，为提高光波信号处理结构的稳定性带来可能。

2 基于光子射频技术高阶调制模型的搭建

上述过程完成了光子射频关键技术研究。在上述3项关键技术的支持下，可按照如下步骤完成基于光子射频高阶调制模型的搭建。

2.1 MQAM高阶信号识别

在进行MQAM高阶信号识别前，所有输入信号均为二进制数字信号序列。当识别机制接收到二进制数字信号序列后，对序列进行串/并变换处理，将一列二进制数字信号序列变为两路相同的并行序列[10]。通过这样的处理之后，序列的传输速率变为原来的[12]，为2?L电平变换提供方便。MQAM高阶信号识别过程容易产生带外辐射，对识别结果带来负面影响。为了抑制这种辐射的产生，利用预调制低通滤波器LPF的过滤作用，对经过的高阶数字信号序列进行处理。完成处理后的并行序列再经过固定求和运算，得到最终的MQAM高阶信号识别结果。识别流程如图4所示。

2.2 基于MQAM高阶信号的调制子载波识别

2.3 基于光子射频技术高阶调制模型的实现

通过对OTTD光子移相技术、光载波调相技术和光谱处理射频技术的研究，可对搭建基于光子射频高阶调制模型的关键技术进行详细了解。在此基础上，通过MQAM高阶信号识别、基于MQAM高阶信号的调制子载波识别完成整体模型的搭建。为保证该模型的正常工作，还需在正式使用之前增设频谱波形绘制步骤[12?13]。基于光子射频高阶调制模型的频谱波形，可用数学描述曲线表示。若频谱波形曲线两端变化幅度相对平稳，中间变化幅度相对剧烈，则表示已完成搭建的基于光子射频高阶调制模型，确实可以保持长时间的稳定工作状态。标准频谱波形曲线如图5所示。

3 实验结果与分析

上述过程完成基于光子射频高阶调制模型的搭建，为验证该模型的使用价值，模拟模型运行环境设计对比实验。以两台频率相同的光子射频发射仪作为实验对象，令其中一台作为实验组仪器，另一台作为对照组仪器。实验开始前，首先对相关实验参数进行设定。

3.1 实验参数设定

表1中参数名称依次为光波射频总量、高阶调制系数、频谱波形极限、高阶信号识别参数、子载波等级、光波信号强度。其中频谱波形用百分数衡量，频谱波形极限为97.42%，代表频谱范围极大；子载波等级为Ⅳ级，代表同一时间内，可兼容的子载波总量较大。

3.2 上、下行峰值速率对比

完成参数设定后，令实验组光子射频发射仪搭载基于光子射频高阶调制模型，对照组光子射频发射仪不搭载任何模型，同时打开2台光子射频发射仪，进行高阶信号调制。上行峰值速率与HJG曲线间存在正比关系，HJG曲线变化幅度越大，上行峰值速率越大；下行峰值速率与HJG曲线间存在反比关系，HJG曲线变化幅度越大，下行峰值速率越小。分别记录实验组和对照组上、下行峰值速率与HJG曲线变化幅度间的关系，具体结果如图6，图7所示。

分析图6可知，实验组HJG指标最小值低于0，最大值高于1.0，二者间差值大于1.0；对照组HJG指标最小值大于0，最大值小于0.6，二者间差值小于0.6；实验组HJG曲线变化幅度明显大于对照组。因此，可证明应用基于光子射频高阶调制模型可提升上行峰值速率。分析图7可知，实验组HJG指标最小值大于0，最大值小于0.8，二者间差值小于0.8；对照组HJG指标最小值接近-0.2，最大值接近1.2，二者间差值接近1.4；对照组HJG曲线变化幅度明显大于实验组。因此，能证明应用基于光子射频高阶调制模型，可提升下行峰值速率。

3.3 空口速率对比

空口速率与HVF曲线间存在制约关系，HVF曲线分布越密集，空口速率越高，反之则越低。完成上、下行峰值速率对比后，保持2台光子射频发射仪的工作状态，截取高阶信号调制过程中的两组空口速率，具体对比结果如图8，图9所示。

对比图8，图9可知，两组HVF曲线的总体变化幅度区别不大，但实验组HVF曲线的密度明显大于对照组。因此，能证明应用基于光子射频高阶调制模型可提升空口速率。

4 结 语

上述步骤分析了光子射频的关键技术，在此基础上改进并搭建了新型高阶调制模型。通过对比实验的方式，证明此模型确实具备极强的实用价值。

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