基于导频自适应校准的模拟光载无线MIMO传输系统及方法与流程

本发明涉及模拟光载无线通信，具体为基于导频自适应校准的模拟光载无线mimo传输系统及方法。

背景技术：

1、模拟光载无线通信技术是一种将射频信号直接调制到光载波上，通过光纤进行传输的通信体制。多输入多输出技术利用多个天线在收发两端同步传输多路空间流，用于提升无线通信的系统容量。将两者结合而成的模拟光载无线mimo传输系统，能够解决传统高频射频同轴电缆传输损耗大及覆盖受限的问题。

2、在现有的模拟光载无线mimo传输系统中，为保证多路空间流信号的独立传输，常规工程实现方案是在近端接入设备与远端设备之间铺设多根平行的物理光纤。具体而言，发射端将多路独立的射频信号分别进行电光转换，随后分别注入各自对应的独立光纤中进行传输，接收端再将各根光纤独立传输的光信号分别还原为射频信号，送入对应的多天线阵列中。

3、现有的这种传输系统存在物理传输环境难以保持一致的缺陷，传统方案采用多根物理光纤独立传输多路空间流信号，在实际工程敷设与运行中无法保证各根光纤的物理长度绝对相等，微小的光纤长度差异会在射频信号传输过程中引入不可控的光程差，导致不同空间流信号在到达远端时产生严重的相位抖动与通道间的物理相移，破坏了多输入多输出系统多路信号传输底层物理环境一致性的基础条件。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了基于导频自适应校准的模拟光载无线mimo传输系统及方法，解决多输入多输出（mimo）信号在模拟光载无线通信系统中，因多根物理光纤敷设长度无法绝对对齐而引入的不可控光程差及信号相位剧烈抖动问题。

2、本发明第一方面提供一种基于导频自适应校准的模拟光载无线mimo传输系统，包括近端接入单元、单模光纤传输链路以及远端单元，近端接入单元通过单模光纤传输链路连接远端单元。

3、近端接入单元包括多输入多输出射频输入模块、导频注入模块以及密集波分复用发射模块。多输入多输出射频输入模块的输出端连接导频注入模块的输入端。导频注入模块在各路模拟射频信号的带外频段注入基准导频信号。导频注入模块的输出端连接密集波分复用发射模块的输入端。密集波分复用发射模块控制不同波长的半导体激光器将注入基准导频信号后的多路模拟信号转换为光信号，并通过光合路器合并输入单模光纤传输链路。

4、远端单元包括光解复用模块、光电探测器模块、自适应模拟校准网络以及导频反馈控制环路。光解复用模块的输出端连接光电探测器模块的输入端。光电探测器模块将各路光信号转换为包含无线通信射频数据信号与基准导频信号的模拟射频电信号。自适应模拟校准网络连接光电探测器模块的输出端，自适应模拟校准网络在每路射频通道中串联电控可变衰减器与电控可变移相器。

5、导频反馈控制环路从自适应模拟校准网络输出端抽取采样信号，并滤出基准导频信号。导频反馈控制环路计算各通道基准导频信号的幅度差与相位差，并输出直流控制电压。直流控制电压反馈至自适应模拟校准网络，分别输入至电控可变衰减器的电压控制端与电控可变移相器的电压控制端。

6、优选的，导频注入模块包含数量与多输入多输出空间流数相等的本地模拟振荡器以及微带线定向耦合器。微带线定向耦合器的信号输入端口连接多输入多输出射频输入模块的输出端口，微带线定向耦合器的耦合端口连接本地模拟振荡器的信号输出端口。微带线定向耦合器将各本地模拟振荡器生成的基准导频信号叠加至对应的模拟射频信号上形成复合发射信号。各路基准导频信号的频率互不重叠。

7、优选的，密集波分复用发射模块包括密集波分复用激光器组与光合路器。密集波分复用激光器组包含数量与多输入多输出空间流数相等且中心波长互不相同的半导体激光器。各路复合发射信号分别独立输入至对应的半导体激光器的射频调制输入端，经电光转换后通过光合路器复用合并为一路汇聚光信号送入单模光纤传输链路中进行并行传输。

8、优选的，光电探测器模块内部集成有数量与多输入多输出空间流数相等的独立的光电探测器。光解复用模块的各光信号输出端分别对应连接光电探测器模块中各光电探测器的光信号输入端。各光电探测器的信号输出端分别独立连接自适应模拟校准网络的各信号输入端。自适应模拟校准网络及后续处理模块均采用纯模拟硬件架构，不接入模数转换器。

9、优选的，电控可变衰减器为电控pin二极管可变衰减器，采用π型衰减器拓扑或t型衰减器拓扑，电控pin二极管可变衰减器的外围电路由串联pin二极管、并联pin二极管以及射频扼流圈组合构成。直流控制电压注入射频扼流圈导通至各个pin二极管，通过交错控制串联pin二极管与并联pin二极管的阻抗状态，调节对应射频通道的信号传输幅度。

10、优选的，电控可变移相器为电控pin二极管可变移相器，采用反射型移相器结构，包括3db正交耦合器与两个对称配置的反射负载。反射负载由pin二极管与微带支节构成。直流控制电压同步注入两个反射负载内pin二极管的电压控制端，改变pin二极管的阻抗参数引起反射负载的反射系数相位发生改变，以调整模拟射频电信号的相位。

11、优选的，导频反馈控制环路包括导频分离与带通滤波提取网络以及误差提取与电压转化电路。导频分离与带通滤波提取网络包含微带采样耦合器与高q值的陶瓷介质带通滤波器，利用频带选择特性滤除无线通信射频数据信号，分离出基准导频信号分量。误差提取与电压转化电路包含双通道射频对数检波器与模拟鉴相器。双通道射频对数检波器比对各通道基准导频信号分量的幅度差异并输出代表导频幅度差的第一直流电压。模拟鉴相器比对各通道基准导频信号分量的相位差异并输出代表通道间偏相的第二直流电压。

12、优选的，导频反馈控制环路还包括由运算放大器硬件电路搭建构成的第一比例积分调节器与第二比例积分调节器。第一比例积分调节器接收第一直流电压，第一比例积分调节器内部配置的运算控制方程为对第一直流电压执行比例放大运算与时间积分运算，生成衰减控制电压。第一比例积分调节器利用第一比例积分调节器的比例增益常数与第一比例积分调节器的积分增益常数完成比例放大运算与时间积分运算。衰减控制电压作为直流控制电压注入电控可变衰减器。

13、优选的，第二比例积分调节器接收第二直流电压，第二比例积分调节器内部配置的运算控制方程为对第二直流电压执行比例放大运算与时间积分运算，生成移相控制电压。第二比例积分调节器利用第二比例积分调节器的比例增益常数与第二比例积分调节器的积分增益常数完成比例放大运算与时间积分运算。移相控制电压作为直流控制电压注入电控可变移相器。

14、本发明第二方面提供一种基于导频自适应校准的模拟光载无线mimo传输方法，应用于上述基于导频自适应校准的模拟光载无线mimo传输系统，包括以下内容：

15、s1、近端接入单元识别多输入多输出系统的空间流数，生成与空间流数对应数量的基准导频信号；各基准导频信号频率互不重叠，设置于工作频段的保护带内；近端接入单元将各路基准导频信号分别与对应的模拟射频信号合并，形成多路复合发射信号；

16、s2、近端接入单元采用密集波分复用发射模块，将s1中合并形成的多路复合发射信号输入单根光纤中进行并行传输，并在远端单元还原为模拟射频电信号；

17、s3、远端单元在天线前端通过带通滤波器从s2中还原的模拟射频电信号中滤出各路基准导频信号分量；远端单元将第一路基准导频信号分量配置为参考基准通道，通过双通道射频对数检波器比对其余通道与参考基准通道的幅度差异以提取光链路引入的幅度误差，并通过模拟鉴相器比对其余通道与参考基准通道的相位差异以提取光链路引入的相位误差；

18、s4、远端单元将s3中提取的幅度误差与相位误差转换为直流控制电压；利用直流控制电压反向调节前级的电控可变衰减器与电控可变移相器，通过纯模拟硬件负反馈机制消除通道间的不平衡度。

19、本发明提供了基于导频自适应校准的模拟光载无线mimo传输系统及方法。具备以下有益效果：

20、1、本发明通过在模拟射频信号的带外保护频段注入频率互不重叠的基准导频信号，并利用密集波分复用模块将多路复合发射信号在单根光纤中进行同纤并行传输，为多通道信号提供相同的物理传播路径，克服了多根光纤独立传输时因长度差异引起的光程差问题，避免了空间流信号在光传输过程中的相位抖动，实现了多输入多输出系统物理传输环境的一致性与基准导频信号的准确提取。

21、2、本发明通过在远端采用纯模拟硬件架构构建导频反馈控制环路，利用滤波器分离基准导频信号，配置对数检波器与鉴相器比对通道间的幅度与相位差异，并经由比例积分调节器执行硬件运算生成直流控制电压，整体信号流转过程不依赖模数转换器或微控制器介入，从物理电路上规避了数字计算产生的处理延时，实现了通道传输误差的快速提取以及闭环驱动信号的实时输出。

22、3、本发明通过在自适应模拟校准网络的各射频通道中串联电控可变衰减器与电控可变移相器，接收反馈控制环路输出的直流控制电压，利用直流控制电压改变二极管阻抗的特性直接在模拟域反向调节各通道的信号幅度与相位，动态消除各空间流之间的幅度差与相位差，抵消了光纤传输链路附加的物理不平衡度，实现了多通道射频信号的精确对齐与天线前级的硬件自适应校准。