基於LFM-OFDM信號的毫米波通信感知一體化傳輸系統
2023-06-10 09:15:58 2
基於lfm-ofdm信號的毫米波通信感知一體化傳輸系統
技術領域
1.本發明屬於通信技術領域，具體涉及基於lfm-ofdm信號的毫米波通信感知一體化傳輸系統。
背景技術：
2.從1g到5g，通信與感知功能是獨立存在的，由終端來傳遞信息，雷達系統來負責感知功能。隨著信息技術日新月異地發展，業務從人向智能體、物理與虛擬空間擴展，誕生了諸如智慧交通、智慧醫療、智能駕駛等新興應用場景，而這些新興業務對未來6g端到端的信號處理技術提出了更高的要求，使得通信感知一體化技術成為熱門候選技術，6g網絡將會是集通信、感知、計算於一體的融合體。另一方面，6g通信頻段將進一步提高，向毫米波、太赫茲等更高頻段發展，這使得感知頻段將與通信頻段重疊，因此研究如何實現通信感知一體化具有重要意義。
3.狹義的感知網絡是指具備測距、測速、目標成像、目標識別等能力的系統，通信感知一體化是基於軟硬體資源共享，同時實現通信與感知功能協同的新型信息處理技術，其目標是讓無線通信與無線感知這兩個獨立的功能在同一系統內互助共生，提高服務質量與效率。通信感知一體化技術吸引了學術界廣泛的研究興趣，華為技術有限公司對通信感知一體化的技術挑戰和發展趨勢進行了研究。ieee成立了isac通信感知一體化新興技術倡議委員會，通過邀請業內的著名學者與專家，探討通信感知一體化技術的標準化、信號處理算法等領域的最新研究成果。
4.要想實現高速率通信與高解析度感知，提升載波與雷達信號的頻率是無法繞開的一條技術路線，但受到現有電子器件帶寬的限制，要想在電域實現高頻信號的生成，需要將原始信號進行多次倍頻，需要利用到倍頻器與鎖相環，而這將會大大增加系統的成本。在上述背景之下，本文通過光子拍頻技術，通過一次電-光-電的轉換將lfm-ofdm信號轉換至太赫茲波段，使用一套設備同時實現了高速率通信與高精度感知。
技術實現要素：
5.本發明的目的在於提供一種基於lfm-ofdm信號的毫米波通信與感知一體化傳輸系統及，在實現高速通信與高解析度測距的同時，實現感知與通信設備硬體資源共享，相比於傳統的通信感知功能設備分離，預計可極大縮減成本。
6.本發明提供的基於lfm-ofdm信號的毫米波通信感知一體化系統，包含：
7.(1)發送端，包括：
8.兩個外腔雷射器(ecl)，其中第一外腔雷射器(ecl1)輸出的光載波f
c1
被分為兩路，分別作為發送端和接收端光調製器的光載波，第二外腔雷射器(ecl2)輸出的光載波f
c2
用於與光濾波器濾出的上邊帶光信號耦合，從而輔助光電探測器(pd1)完成拍頻產生毫米波頻段的lfm-ofdm信號；
9.一個光分路器(oc1)，將外腔雷射器ecl1輸出的光載波分為上下兩路；
10.一個任意波形發生器(awg)，用於生成lfm-ofdm信號，從而驅動第一光調製器(mzm1)；
11.一個第一光調製器(mzm1)，用於完成電光轉換，進行抑制載波調製；
12.一個光梳狀濾波器(interleaver)，分別濾出第一光調製器(mzm1)輸出的上邊帶信號與下邊帶信號，其中上邊帶經過後續處理後用於通信與感知，下邊帶信號作為感知端解調的參考光信號；
13.一個摻鉺光纖放大器(edfa)，用於放大光梳狀濾波器(interleaver)輸出的光信號；
14.一個第一光耦合器(oc2)，作用是將摻鉺光纖放大器(edfa)輸出的光信號與第二外腔雷射器(ecl2)輸出的光載波耦合；
15.一個功率調節器(att)，用於調節進入第一光電探測器(pd1)的光信號功率；
16.一個第一光電探測器(pd1)，用於拍頻完成光電轉換，產生毫米波頻段lfm-ofdm信號；
17.一個低噪放大器(lna)，作用是放大第一光電探測器(pd1)輸出的電信號；
18.一個發射天線(ha1)，將來自低噪放大器(lna)的毫米波lfm-ofdm信號發射出去。
19.(2)接收端，包括：
20.兩個接收天線，第一接收天線(ha2)用於接收毫米波通信信號，第二接收天線(ha3)用於接收毫米波感知信號；
21.一個功率放大器(pa)，用於放大感知端接收信號；
22.兩個混頻器(mixer)，分為第一混頻器(mixer1)、第二混頻器(mixer2)，分別用於通信信號與感知信號的下變頻處理；
23.兩個本機振蕩器(lo)，分為第一本機振蕩器(lo1)、第二本機振蕩器(lo2)，分別作為通信端、感知端混頻器的輸入本振信號；
24.一個電放大器(ea)，用於放大感知端下變頻後的電信號；
25.一個第二光調製器(mzm2)，用於感知端解啁啾，其輸入光載波為第一外腔雷射器(ecl1)輸出的光載波f
c1
，射頻驅動信號是放大後的下變頻感知信號；
26.一個第二光耦合器(oc3)，用於將接收端第二光調製器(mzm2)輸出的調製信號與光濾波器(interleaver)濾出的下邊帶光調製信號耦合；
27.一個第二光電探測器(pd2)，拍頻完成光電轉換，其輸入為第二光耦合器(oc3)輸出的耦合信號；
28.示波器，用於觀察來自光電探測器(pd2)的信號時域波形與頻譜圖。
29.本發明中，通信信號為ofdm信號，子載波數量為2048，每個子載波使用qpsk映射，接收端經過混頻器(mixer1)下變頻後，通過示波器採集到疊加信道噪聲的通信信號，去離線編程軟體上使用數位訊號處理算法進行均衡解調。
30.本發明中，感知信號為線性調頻(lfm)信號，lfm信號的頻率隨時間線性增大，lfm信號測距原理本質上式通過測量其從發射到接收所產生的頻率增量來得到傳輸時延，由於電磁波傳輸速度已知，通過傳輸時延可以得到目標距離。現對本系統測距原理進行詳細說明。
31.設初始lfm信號頻率表達式為：
32.f
lfm_initial
＝f0+kt，(1)
33.其中，f0是初始頻率，調頻斜率k＝b/t，b是lfm信號帶寬，t為時間寬度；則發送端第一光調製器(mzm1)輸出的上邊帶信號、下邊帶信號頻率表達式為：
34.f
upper_sideband
＝f
c1
+f0+kt，(2)
35.f
lower_sideband
＝f
c1-f
0-kt，(3)
36.式(2)所示的上邊帶信號在第一光耦合器(oc2)處與來自第二外腔雷射器(ecl2)的光載波f
c2
耦合，經過第一光電探測器(pd1)拍頻，得到的毫米波lfm信號頻率表達式為：
37.f
lfm_transmitted
＝f
c1
+f0+kt-f
c2
，(4)
38.通過發射天線(ha1)將上述毫米波lfm信號發射至自由空間對目標進行探測；接收天線接收到的lfm回波信號頻率表達式為：
39.f
lfm_echo
＝f
c1
+f0+kt-f
c2
+kτ，(5)
40.其中，τ為傳輸時延；經過第二混頻器(mixer2)後，得到中頻lfm信號頻率表達式為：
41.f
lfm_if
＝f
c1
+f0+kt-f
c2
+kτ-f
lo
，(6)
42.其中，f
lo
為本振信號頻率；式(6)中含有啁啾項kt，為直觀地觀察lfm回波信號的頻率，接下來消除啁啾項；mzm2的輸入光載波來自第一外腔雷射器(ecl1)的f
c1
，工作在最小傳輸點，輸出光信號的負一階光邊帶頻率表達式為：
43.f
mzm2_output
＝f
c2-f
0-kt-kτ+f
lo
，(7)
44.式(7)所示的光信號在第二光耦合器(oc3)處與式(3)所示的光濾波器(interleaver)輸出的下邊帶參考光信號耦合，輸入進光第二電探測器(pd2)拍頻，在示波器(osc)處可觀察到一個頻率峰值，該峰值頻率為f
c1-f
c2
+kτ-f
lo
，可見啁啾項kt被成功消除；為測量兩目標間的距離，分別對兩目標重複上述步驟，由於兩目標距離雷達發射機距離不同，導致傳輸時延τ不同，表現為最終示波器(osc)所觀察到的頻率峰值有所差異，記該頻率峰值為δf，則得到兩目標間的距離l為：
[0045][0046]
至此，該系統已完成感知測距與通信功能。
[0047]
本發明中，採用時分復用的感知-通信信號，相當於插入塊狀導頻。
[0048]
本發明中，通信信號為多載波ofdm信號，每個子載波採用16qam調製。感知信號為線性調頻(lfm)信號。
[0049]
本發明中，利用光子拍頻技術，通過一次電-光-電的轉換產生寬帶lfm信號與通信信號，從而實現高速率通信與高解析度感知。
[0050]
本發明中，使用光外差法通過耦合光濾波器(interleaver)輸出的上邊帶信號與外腔雷射器(ecl2)輸出的光載波，輔助光電探測器(pd1)拍頻產生高頻毫米波信號。
[0051]
本發明中，通信與感知功能共設備，避免了硬體資源的浪費。
[0052]
本發明提出了一種基於lfm-ofdm信號的通信感知一體化傳輸系統，其工作流程(即各部件之間的連接關係)為：
[0053]
在發送端，由光分路器(oc1)將第一外腔雷射器(ecl1)輸出的光載波分為上下兩路，由第一光調製器(mzm1)接收來自任意波形發生器(awg)的lfm-ofdm信號輸入，對第一外
腔雷射器(ecl1)輸出的上路光載波調製，由光分路器(oc1)輸出的下路光載波作為接收端第二光調製器(mzm2)的輸入光載波；
[0054]
由第一光調製器(mzm1)進行抑制載波調製；
[0055]
由光濾波器(interleaver)濾出第一光調製器(mzm1)輸出信號的上邊帶信號和下邊帶信號，上邊帶信號經過後續處理用於通信與感知，下邊帶信號作為測距接收端參考光信號；
[0056]
在第二光耦合器(oc2)處將光濾波器(interleaver)輸出的上邊帶光信號與第二外腔雷射器(ecl2)產生的光載波耦合，由功率調節器(att)調節進入第一光電探測器(pd1)的光信號功率；
[0057]
第一光電探測器(pd1)拍頻完成光電轉換得到毫米波波段的lfm-ofdm信號，至此已完成通信感知信號的生成，任意波形發生器(awg)輸出的低頻lfm-ofdm信號被成功轉換至毫米波波段；
[0058]
由低噪放大器(lna)對毫米波lfm-ofdm信號進行放大；
[0059]
將上述放大後的信號經過發射天線發射，發射至無線信道；
[0060]
在通信接收端，經過1米無線傳輸後，通信接收天線(ha2)對通信信號相干解調；
[0061]
在感知接收端，通過感知接收天線(ha3)接收反射回來的lfm回波信號；
[0062]
由功率放大器(pa)放大lfm回波信號並與本振信號(lo)混頻得到中頻lfm信號；
[0063]
由電放大器(ea)放大第二混頻器(mixer2)輸出的中頻lfm信號，並驅動第二光調製器(mzm2)，調節第二光調製器(mzm2)的偏置電壓使其處於載波抑制調製，並對光分路器(oc1)輸出的下路光載波進行強度調製；
[0064]
由第二光耦合器(oc3)將接收端第二光調製器(mzm2)輸出信號與光濾波器(interleaver)輸出的測距參考光信號耦合，第二光電探測器(pd2)接收第二光耦合器(oc3)輸出的耦合信號，拍頻得到一個頻率峰值，對兩個目標分別發射lfm信號，由於兩目標距離雷達發射機距離不同，導致lfm信號傳輸時延不同，最終表現為示波器(osc)上顯示的頻率峰值不同，記兩頻率峰值為δf，根據式(8)可解出兩目標之間的距離。
[0065]
本發明實施方式相對於現有技術而言，是利用光學外差拍頻產生毫米波波段的lfm-ofdm信號，實現通信與感知融合共設備，避免了硬體資源的浪費的同時，藉助一次電-光-電的轉換生成毫米波lfm-ofdm信號，同時實現了高速率通信與高解析度感知。同時也滿足了未來6g通信信號頻段逐漸與雷達信號譜段重疊的趨勢，為未來通信感知一體化提供了一種新的技術方案。
附圖說明
[0066]
圖1是本發明提出的基於lfm-ofdm信號的毫米波通信感知一體化傳輸系統架構。
[0067]
圖2是1米無線傳輸實驗誤碼率曲線。
[0068]
圖3是40cm測距實驗結果。
[0069]
圖中標號：1為第一外腔雷射器(ecl1)，2為光分路器(oc1)，3為第一光調製器(mzm1)，4為任意波形發生器(awg)，5為光濾波器(interleaver)，6為摻鉺光纖放大器(edfa)，7為第一光耦合器(oc2)，8為第二外腔雷射器(ecl2)，9為功率調節器(att)，10為第一光電探測器(pd1)，11為低噪放大器(lna)，12為發射天線(ha1)，13為通信端接收天線
(ha2)，14為第一混頻器(mixer1)，15為第一本地振蕩器(lo1)，16為示波器(osc)，17為測距目標(target)，18為感知端接收天線(ha3)，19為功率放大器(pa)，20為第二混頻器(mixer2)，21為第二本地振蕩器(lo2)，22為電放大器(ea)，23為第二光調製器(mzm2)，24為第二光耦合器(oc3)，25為第二光電探測器(pd2)，26為示波器(osc)。
具體實施方式
[0070]
下面結合附圖，對本發明作具體說明。
[0071]
圖1所示為基於lfm-ofdm信號的毫米波通信感知一體化傳輸系統架構，它包括：
[0072]
在發送端中，通過一個光分路器(2)將第一外腔雷射器ecl1(1)輸出的光載波f
c1
分為兩路，上路光載波作為發送端光調製器(mzm1)的輸入光載波，下路光載波作為接收端光調製器(mzm2)的輸入光載波。在離線編程軟體上編程實現lfm-ofdm信號的生成，lfm信號與ofdm信號佔據不同的時隙，並將生成的lfm-ofdm信號輸入進任意波形發生器awg(4)完成信號產生，光調製器mzm1(3)接收來自任意波形發生器的lfm-ofdm信號的驅動，對第一外腔雷射器ecl1輸出的光載波f
c1
進行抑制載波調製。使用光濾波器interleaver(5)濾出光調製器mzm1(3)輸出的上邊帶和下邊帶信號，其中上邊帶信號用作後續生成毫米波lfm-ofdm信號，而下邊帶信號用作測距接收端參考光信號。通過摻鉺光纖放大器edfa(6)放大interleaver(5)輸出的上邊帶信號，並在光耦合器oc2(7)與來自第二外腔雷射器ecl2(8)的光載波f
c2
耦合，功率調節器att(9)用於調節進入光電探測器pd1(10)的光信號功率，經過pd1拍頻後，毫米波lfm-ofdm信號已成功產生，利用低噪放大器lna(11)放大來自pd1的毫米波信號並通過發射天線ha1(12)發射進行通信與感知。
[0073]
在通信接收端，經過一米無線傳輸後毫米波信號被接收天線ha2(13)接收。利用混頻器mixer(14)接收來自本機震蕩器lo1(15)的本振信號，將毫米波信號下變頻處理，並利用示波器捕捉下變頻後的中頻信號，在離線編程軟體上使用數位訊號處理算法對信道損傷進行補償，最終實現通信信號的解調。至此該系統已完成通信功能。
[0074]
在感知接收端，通過接收天線ha3(18)接收目標(17)反射回來的lfm回波信號，並利用功率放大器pa(19)放大lfm回波信號的功率，在混頻器mixer2(20)處完成毫米波信號的下變頻，隨後電放大器ea(22)用於將下變頻後的中頻lfm信號放大，利用放大後的中頻信號驅動光調製器mzm2(23)，mzm2的輸入光載波為oc1輸出的下路光載波f
c1
。為消除lfm信號的啁啾項，隨後mzm2(23)輸出的光信號與interleaver輸出的下邊帶測距參考信號在光耦合器oc3(24)處耦合，通過光電探測器pd2(25)拍頻完成光電轉換，示波器osc(26)用於觀察信號波形與頻譜圖。為測量兩目標間的距離，分別對兩目標重複上述步驟，由於兩目標距離雷達發射機距離不同，導致傳輸時延不同，表現為最終osc所觀察到的頻率峰值有所差異，記該頻率峰值為δf，通過公式(8)可以計算得到兩目標間的距離。至此該系統已完成測距功能。
[0075]
在具體實驗中，基於通信功能，進行了6g baud、8g baud ofdm傳輸，每個ofdm符號使用16qam調製映射，誤碼率均在fec門限之下，最高速率達32gbit/s。誤碼率曲線見附圖2。
[0076]
基於測距功能，對相距40cm的兩目標進行探測，在示波器(osc)處得到頻譜圖如圖3所示，頻率差值為1.2ghz，而lfm信號的帶寬b為5ghz，時間寬度t為10-9
s，根據式(8)可解出距離為39cm，誤差為1cm。
[0077]
本領域的普通技術人員可以理解，上述實施方式是實現本發明的具體實施例，而在實際應用中，可以在形式上和細節上對其作各種改變，而不偏離本發明的精神和範圍。