太赫兹信号接收装置、方法及信号传输系统与流程

1.本发明涉及太赫兹通信技术领域，尤其涉及一种光生太赫兹信号无线传输系统、方法及信号接收装置。


背景技术：

2.目前太赫兹通信系统大都是单载波方案，仅能实现单路数模转换器dac到单路模数转换器adc的信号处理工作，并且受限于adc的发展；单载波方案仅使用太赫兹信道中的一部分频谱资源，不能充分利用太赫兹带宽大的优势，限制了太赫兹通信系统的通信传输速率，大大降低了频谱的使用效率实现高速率和远距离传输是研究人员关注的主要问题之一。
3.数字下变频是在高速adc和相对低速的数字信号处理dsp系统之间建立起一座桥梁，缓解速度不匹配的矛盾。经过采样后的数据速率非常的高，直接给后端的dsp处理将是一个很沉重的负担。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对上述问题，提供一种光生太赫兹高速无线发送和接收的实时系统，该系统具有实时性、高速率、高性能等特点。
5.技术方案：为了解决上述问题，本发明提供了一种太赫兹信号接收装置，接收装置包含若干组太赫兹无线接收天线、混频器、放大器、本振源以及信号复原模块；
6.其中，各太赫兹无线接收天线接收到的太赫兹信号与本振源产生的电射频信号在混频器中混频，得到中频信号；
7.中频信号经过放大器后发送给信号复原模块，信号复原模块先将放大后的中频信号经过下变频转化为基带信号，再对基带信号进行数字信号处理，恢复为多路偏振复用信号。
8.进一步的，信号复原模块包含下变频信号处理单元以及数字信号处理单元；
9.其中，下变频信号处理单元将中频信号进行下变频处理，得到基带信号；
10.数字信号处理单元包含对基带信号进行数字信号处理，恢复为多路偏振复用信号。
11.更进一步的，下变频信号处理单元包含时钟源，时钟源输出的脉冲信号与中频信号混频后得到基带信号。
12.进一步的，信号复原模块包含adc转换单元、数据预处理单元以及数字信号处理单元；
13.其中，adc转换单元对中频信号进行模数转换；
14.数据预处理单元对经转换后的中频信号在数字频域里执行下变频操作得到数字基带信号；
15.数字信号处理单元20对数字基带信号进行数字信号处理，恢复为多路偏振复用信
号。
16.作为本技术的一种优选实施方案，数据预处理单元为fpga芯片，数字信号处理单元为fpga芯片。
17.进一步的，信号复原模块包含模拟下变频单元以及数字信号处理单元；
18.其中，模拟下变频单元对中频信号进行模拟下变频，得到基带模拟信号，基带模拟信号经过adc转换后得到的数字基带信号；
19.数字信号处理单元包含fpga芯片，fpga芯片对数字基带信号进行数字信号处理，恢复为多路偏振复用信号。
20.作为本技术的一种优选实施方案，数字信号处理采用时钟恢复算法、偏振解复用算法、载波以及相位恢复算法中的一种或多种组合。
21.基于上述接收装置，本技术还提供一种太赫兹信号接收方法，方法包含以下步骤：
22.s1,接收太赫兹信号；
23.s2,将太赫兹信号与本振源产生的电射频信号进行混频，得到中频信号；
24.s3,将中频信号放大；
25.s4,将放大后的中频信号经过下变频转化为基带信号，再对基带信号进行数字信号处理，恢复为多路偏振复用信号。
26.进一步的，s4包含以下内容：
27.对基带信号进行模数转换；
28.对转换后的基带信号进行数字信号处理，恢复为多路偏振复用信号。
29.进一步的，s4包含以下内容：
30.对中频信号进行模数转换；
31.对经转换后的中频信号在数字频域里执行下变频操作得到数字基带信号；
32.对预处理后的数字基带信号进行数字信号处理，恢复为多路偏振复用信号。
33.进一步的，s4包含以下内容：
34.对中频信号进行模拟下变频，得到基带模拟信号；
35.将基带模拟信号进行adc转换，得到的基带数字信号；
36.对基带数字信号进行数字信号处理，恢复为多路偏振复用信号。
37.作为本技术的一种优选实施方案，数字信号处理过程包括时钟恢复算法、偏振解复用算法、载波以及相位恢复算法中的一种或多种组合。
38.本技术还提供一种光生太赫兹信号传输系统，传输系统包括：
39.中心站单元、远程基站单元、接收装置；其中，
40.中心站单元生成多路偏振复用信号，偏振复用信号经放大处理后发送给远程基站单元；
41.远程基站单元9用于对偏振复用信号进行偏振分集，之后与一光信号进行光耦合，产生太赫兹信号并发送给接收装置；
42.接收装置对接收到的太赫兹无线信号进行混频、放大后得到中频信号，将中频信号依次进行下变频处理、数字信号处理，最终恢复成原始信号。
43.有益效果：本发明与现有技术相比，本发明具有以下优点：
44.经过采样后的数据速率非常的高，直接给后端的dsp处理将是一个很沉重的负担，
基带信号处理模块通过基于fpga硬件的实现，不需要对接收到的信号进行离线处理，可以实时性的完成接收信号的处理。本发明提出的下变频信号处理方案弥补硬件功能不足的缺点，减小信号处理的负担，不仅能够提升系统的整体性能，而且能实现太赫兹信号实时、高速率、高性能的接收系统。
附图说明
45.为了更清楚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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的附图。
46.图1是作为一种实施例的太赫兹无线通信系统的原理图；
47.图2是示出了第一实施例的下变频信号处理的系统原理图；
48.图3是示出了第二实施例的下变频信号处理的系统原理图；
49.图4是示出了第三实施例的下变频信号处理的系统原理图；
50.图5是光子拍频太赫兹无线发送和接收实时系统流程图；
51.附图中的各标记分别表示：1
‑
中心站单元、2
‑
基带信号处理单元、3
‑
第一激光器、4
‑
双偏振调制器、5
‑
偏振光合束器、6
‑
掺铒光纤放大器、7
‑
标准单模光纤、8
‑
光衰减器、9
‑
远程基站单元、10
‑
第二激光器2、11
‑
保偏光纤、12
‑
光耦合器、13
‑
单行载流子光探测器、14
‑
信号接收装置、15
‑
太赫兹无线接收天线、16
‑
混频器、17光放大器、18
‑
下变频信号处理模块、19
‑
本振源、20
‑
数字信号处理模块。
具体实施方式
52.为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语包括技术术语和科学术语具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
53.实施例1
54.本技术提供一种太赫兹信号接收装置，接收装置包含若干组太赫兹无线接收天线
15、混频器16、放大器17、本振源19以及信号复原模块；
55.其中，各太赫兹无线接收天线15接收到的太赫兹信号与本振源19产生的电射频信号在混频器16中混频，得到中频信号；
56.中频信号经过放大器17后发送给信号复原模块，信号复原模块先将放大后的中频信号经过下变频转化为基带信号，再对基带信号进行数字信号处理，恢复为多路偏振复用信号。
57.信号接收装置14对接收到的太赫兹无线信号进行混频得到中频信号、光放大器放大、经过下变频信号处理模块18降低接收器件的带宽，以及相关基带数字信号处理恢复原始信号，针对下变频信号处理模块，本发明实验系统中，提出三种不同的方案实现实时、高速率、高性能的太赫兹无线发送和接收传输系统，本实施例中提出三种下变频信号处理方案如下：
58.第一种实现方式，无线接收端混频后得到中频信号，然后分别对x偏振和y偏振下的四路中频信号通过控制时钟源得到每路的基带信号，经过adc后使用fpga模块完成数字信号处理过程。
59.具体的说，如图2所示，信号复原模块包含下变频信号处理单元18以及数字信号处理单元20；其中，下变频信号处理单元18将中频信号进行下变频处理，得到基带信号；数字信号处理单元20包含对基带信号进行数字信号处理，恢复为多路偏振复用信号。
60.在本实施例中，下变频信号处理单元18包含时钟源，时钟源输出的脉冲信号与中频信号混频后得到基带信号。
61.第二种实现方式，无线接收端混频后得到的中频信号，经过adc后传输到数据预处理板dpp，dpp有四个fpga。在dpp板上，将对adc输出进行校准，以消除adc采样引起的随机延迟，并在dsp处理之前进行重采样。最后，使用12个fpga完成基带数字信号处理模块20。
62.具体的说，如图3所示，信号复原模块包含adc转换单元、数据预处理单元以及数字信号处理单元20；其中，adc转换单元对中频信号进行模数转换；数据预处理单元对经转换后的中频信号在数字频域里执行下变频操作得到数字基带信号；数字信号处理单元20对数字基带信号进行数字信号处理，恢复为多路偏振复用信号。
63.作为本实施例的一种优选实施方案，数据预处理单元为fpga芯片，数字信号处理单元20为fpga芯片，数据预处理单元以及数字信号处理单元20可为相同的或不同的fpga芯片。
64.第三种实现方式，无线接收端混频后得到的中频信号与本振源通过模拟下变频后得到两个偏振态下i
x
、q
x
和i
y
、q
y
分别相互正交的两路信号。两个偏振态下的四路信号经过adc后分别使用四个fpga完成基带数字信号处理过程。
65.具体的说，如图4所示，信号复原模块包含模拟下变频单元以及数字信号处理单元dsp20；其中，模拟下变频单元对中频信号进行模拟下变频，得到基带模拟信号，基带模拟信号经过adc转换后得到的数字基带信号；数字信号处理单元dsp20包含fpga芯片，fpga芯片对数字基带信号进行数字信号处理，恢复为多路偏振复用信号。
66.作为本技术的一种优选实施方案，数字信号处理采用时钟恢复算法、偏振解复用算法、载波以及相位恢复算法中的一种或多种组合。
67.本实施例中，针对多路偏振复用信号进行接收还原，多路偏振复用信号是由以下
过程中产生：基带信号处理单元2将产生单载波或多载波信号，放大后进行双偏振iq调制，形成不同载体的多路偏振复用信号。
68.本技术提出的太赫兹信号接收装置，该装置是基于fpga对中频信号下变频到基带信号，以及基于fpga的信号数字信号处理过程，能够实时完成信号的发送和接收。
69.实施例2
70.基于上述接收装置，本技术还提供一种太赫兹信号接收方法，如图5所示，方法包含以下步骤：
71.s1,接收太赫兹信号；
72.s2,将太赫兹信号与本振源19产生的电射频信号进行混频，得到中频信号；
73.s3,将中频信号放大；
74.s4,将放大后的中频信号经过下变频转化为基带信号，再对基带信号进行数字信号处理，恢复为多路偏振复用信号。
75.进一步的，s4包含以下内容：
76.对基带信号进行模数转换；
77.对转换后的基带信号进行数字信号处理，恢复为多路偏振复用信号。
78.进一步的，s4包含以下内容：
79.对中频信号进行模数转换；
80.对经转换后的中频信号在数字频域里执行下变频操作得到数字基带信号；
81.对预处理后的数字基带信号进行数字信号处理，恢复为多路偏振复用信号。
82.进一步的，s4包含以下内容：
83.对中频信号进行模拟下变频，得到基带模拟信号；
84.将基带模拟信号进行adc转换，得到的基带数字信号；
85.对基带数字信号进行数字信号处理，恢复为多路偏振复用信号。
86.作为本技术的一种优选实施方案，数字信号处理过程包括时钟恢复算法、偏振解复用算法、载波以及相位恢复算法中的一种或多种组合。
87.本实施例中，针对多路偏振复用信号进行接收还原，多路偏振复用信号是由以下过程中产生：基带信号处理单元2将产生单载波或多载波信号，放大后进行双偏振iq调制，形成不同载体的多路偏振复用信号。
88.无线终端是接入系统的重要组成部分之一。在无线终端中，收发机的关键是如何把高频信号，即太赫兹信号下变频，解调到基带数字信号，以便解调并恢复出原始的有用信号；现有接入系统的无线终端收发机，大多采用经典的超外差结构收发机方案，或者是零中频直接下变频结构收发机方案。但是，成本较高且不能有效实时信号接收处理。
89.本技术提出的太赫兹信号接收方法，该方法基于fpga对中频信号下变频到基带信号，以及基于fpga的信号数字信号处理过程，能够实时完成信号的发送和接收。
90.实施例3
91.如图1所示，基于上述接收装置，本实施例为一种光生太赫兹信号无线传输系统，无线传输系统包括中心站co单元1、远程基站单元9、信号接收装置14；其中，
92.中心站单元1生成多路偏振复用信号，偏振复用信号经放大处理后发送给远程基站单元9；
93.远程基站单元9用于对偏振复用信号进行偏振分集，之后与一光信号进行光耦合，产生太赫兹信号并发送给信号接收装置14；
94.信号接收装置14对接收到的太赫兹无线信号进行混频得到中频信号、光放大器17放大、经过下变频信号处理模块18降低接收器件的带宽，以及相关基带数字信号处理恢复原始信号。
95.基带信号处理单元2产生单载波或多载波信号发送给中心站单元1，基带信号处理单元2包含任意波形发生器awg，任意波形发生器awg产生单载波或多载波信号，信号为均匀分布的高阶调制信号或者采用概率整形编码方式整形编码。
96.基带信号处理模块2，用任意波形发生器awg产生基带信号，并对其基带信号进行数字信号处理，多个副载波实现信号复用，其中副载波数k＝m；同时，信源可以为均匀信号分布的高阶qam也可以为概率整形后的高阶qam信号，以提升频谱效率和接收机灵敏度。
97.s101：基带信号处理单元2。
98.本实施例中，一个任意波形发生器awg产生均匀分布16qam/概率整形64qam调制电基带信号，由于任意波形发生器的功率不足以驱动iq调制器，采用两个并行的电放大器对任意波形发生器的i路和q路输出进行放大后再驱动iq调制器。设定单个副载波信号波特率r
s
＝12.5gbaud，副载波数k＝4，奈奎斯特带宽滚降系数α＝0.1。均匀分布的16qam信号，m＝log2(m)＝4bit/symbol；也可以以一种基于概率整形probability shaping编码的方式得到整形64qamps
‑
64qam信号，根据麦克斯韦
‑
玻尔兹曼maxwell
‑
boltzmann分布：
[0099][0100]
其中，v是跟整形强度相关的整形参数。
[0101]
通过概率整形产生的ps
‑
64qam信号，其信息熵为4即：
[0102]
多副载波信号总的波特率、比特率以及信号带宽分别为：
[0103]
r
total
＝r
s
·
k＝3.125gbaud
×
4＝12.5gbaud
[0104]
r
b
＝r
total
×
log2(m)＝12.5gbaud
×
4＝50gbbps
[0105]
b
signal
＝r
total
×
(1 α)/2＝6.875ghz。
[0106]
进一步的，中心站单元1包括：第一激光器ecl3、双偏振iq调制器4、偏振光合束器pbs5；
[0107]
其中，第一激光器ecl3与双偏振iq调制器4输入端口连接，激光器ecl13产生的光载波经放大后驱动双偏振iq调制器；双偏振iq调制器4与偏振光分束器pbs5连接，形成多路偏振复用信号；偏振复用信号经放大后送到光纤链路模块进行传输。
[0108]
s102：中心站单元1：双偏振iq调制光信号。
[0109]
本实施例中产生信息速率为100gbit/s的信号光发射机，为了使高速光通信系统的传输容量和速率进一步得到提高，第一激光器ecl3产生稳定而连续的光载波，经放大后用于驱动双偏振iq调制器，充分利用载体的不同维度携带多路数据信号，提高系统的频谱效率，利用双偏振iq调制器4在相同信号能量下携带更多的信息，具有更高的灵敏度。基于双偏振iq调制器调制信号的原理为，四路信号分别对应x偏振态i路信号、x偏振态q路信号、
y偏振态i路信号和y偏振态q路信号，经高阶调制格式或者概率整形调制后的电信号通过iq调制器进行光的外调制，调制到光载波上，产生的光信号通过偏振复用器5生成偏振复用信号，然后将偏振复用信号经过掺铒光纤放大器edfa 6对功率损耗进行补偿后，然后注入到长度为20
‑
km的标准单模光纤ssmf7链路中进行传输，通过光衰减器voa8来实现对信号的实时控制，最后偏振复用信号传送到远程基站单元9进行处理操作。
[0110]
进一步的，远程基站单元9包括第二激光器ecl10、保偏光纤pc11、光耦合器oc12、单行载流子光探测器utc
‑
pd13；
[0111]
偏振光分束器pbs5对偏振复用信号进行偏振分集后形成两条支路，第二激光器ecl10产生两路光信号，通过连接偏振光分束器pbs5和第二激光器ecl10进行光域里的偏振分集，在光耦合器oc12处耦合；光耦合器oc12与单行载流子utc
‑
pd13实现光子拍频产生太赫兹信号，通过光电转换和无线信号的放大发送，并发送给信号接收装置14。
[0112]
s103：远程基站单元9：光子拍频太赫兹信号。
[0113]
本实施例中，利用外差光子拍频产生400ghz的太赫兹信号。两个偏振光分束器pbs5和两个光耦合器oc12对接收到的偏振复用光信号和光源进行光域里的偏振分集。将本振激光源放在远程基站中，然后将该已调制的光信号通过光纤传输送至基站，在基站内和另一路光耦合，随后通过单行载流子光探测器utc
‑
pd13实现光子拍频太赫兹信号。
[0114]
s104：信号接收装置14：相干探测混频得到中频信号。
[0115]
进一步的，信号接收装置14包含若干组太赫兹无线接收天线15、混频器16、放大器17、下变频信号处理模块18、本振源19以及数字信号处理模块20；
[0116]
其中，各太赫兹无线接收天线15将接收到的太赫兹信号发送给混频器16连接，混频器16的第一输出端和本振源19连接实现混频；混频器16的第二输出端与放大器17、下变频信号处理模块18依次连接，对太赫兹信号处理后得到基带信号，将基带信号发送给数字信号处理模块20完成基带信号处理恢复原始信号。
[0117]
太赫兹无线接收天线15得到的太赫兹信号利用混频器16和本振源19相干探测得到中频信号。本实施例中，设定倍频数n＝36，f
lo
＝10ghz，经过混频得到中频信号，图中d点中频信号大小计算如下：
[0118]
f
if
＝f
thz
‑
f
lo
·
n＝400ghz
‑
360ghz＝40ghz
[0119]
得到40ghz的中频信号，经过光放大器17对功率损耗进行补偿后送入下变频信号处理模块18。
[0120]
s105：下变频信号处理模块18，对中频信号进行下变频得到基带信号。基带数字信号处理模块20，完成时钟恢复算法、iq不平衡的补偿算法、偏振解复用算法和载波恢复算法的功能，恢复原始信号。实现传输速率不低于100gb/s，无线传输距离大于10米的基于多载波双偏振调制的太赫兹信号实时无线传输系统。
[0121]
本发明采用基于多副载波的双偏振iq调制太赫兹信号的发送和接收以及概率整形编码调制技术，概率整形主要优势在于，与常规调制格式相比，概率整形技术可以提供自适应的整形增益，并且可以通过调整整形因子来灵活地调整数据速率。多副载波复用技术，可以将高波特率的单载波信号分成多个低波特率的多副载波复用信号，从而有效地抵御光纤色散和提升对非线性效应的容忍度。本发明使信号质量有明显的提升，提高信息的传输速率，同时能够获得整形增益并提高光纤通信的频谱效率。
[0122]
结合本技术公开内容所描述的方法或者算法的步骤可以硬件的方式来实现，也可以是由处理器执行软件指令的方式来实现。软件指令可以由相应的软件模块组成，软件模块可以被存放于随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)、闪存、只读存储器(readonlymemory，rom)、可擦除可编程只读存储器(erasableprogrammablerom，eprom)、电可擦可编程只读存储器(electricallyeprom，eeprom)、寄存器、硬盘、移动硬盘、只读光盘(cd
‑
rom)或者本领域熟知的任何其它形式的存储介质中。一种示例性的存储介质耦合至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息。当然，存储介质也可以是处理器的组成部分。
[0123]
本领域技术人员应该可以意识到，在上述一个或多个示例中，本技术所描述的功能可以用硬件、软件、固件或它们的任意组合来实现。当使用软件实现时，可以将这些功能存储在计算机可读介质中或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用介质。
[0124]
以上所述的具体实施方式，对本技术的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本技术的具体实施方式而已，并不用于限定本技术的保护范围，凡在本技术的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本技术的保护范围之内。