CN104468033A - 基于低密度奇偶校验码的多带超宽带光纤无线通信方法 - Google Patents

基于低密度奇偶校验码的多带超宽带光纤无线通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于低密度奇偶校验码的多带超宽带光纤无线通信方法。采用马赫曾德尔强度调制器将基于低密度奇偶校验码的多带超宽带信号调制到光载波上，经过光纤链路传输至基站单元后，利用掺铒光纤放大器对该光载多带超宽带信号的光功率进行放大，然后通过光电检测器转换成电多带超宽带信号，采用电带通滤波器对电多带超宽带信号进行滤波得到多带超宽带射频信号，最后通过对电多带超宽带信号进行正交频分复用解调和低密度奇偶校验译码，得到多带超宽带的基带信号。本发明采用光纤无线通信方法传输基于低密度奇偶校验码的多带超宽带信号，有效的解决了多带超宽带无线通信系统传输距离受限的问题，改善了接收机灵敏度，提高了系统性能。

Description

基于低密度奇偶校验码的多带超宽带光纤无线通信方法
(一)技术领域
本发明属于光纤无线(Radio-over-Fiber,缩写为ROF)通信系统中基于多带正交频分复用超宽带的光纤无线通信系统。
(二)背景技术
随着高分辨率电视和云计算等诸多领域对通信容量需求的快速增长，超宽带(UWB)技术作为一种新型无线通信技术，与传统通信系统相比，具有频谱宽、数据传输率高、功耗低、安全性高、多径分辨能力强、定位准确等优点，因此它被认为是满足带宽需求快速增长的潜在解决方案。超宽带系统可与现有的窄带无线通信系统(如蜂窝通信系统，全球定位系统等)公用频段共享频谱资源，大大提高了频谱利用率。美国联邦通信委员会(FCC)规定3.1GHz-10.6GHz为UWB允许使用频段范围，且它的发射功率必须低于1mW。在IEEE 802.15.3a中，多带正交频分复用超宽带技术(MB-OFDM UWB)通过动态频谱整形可以灵活分配频谱资源，同时，对于射频信号的干扰和多径效应具有高鲁棒性，在小于10米的范围内能提供无线连接速率最大可达到1Gbps，易于实现多用户的短距离高速数据通信。虽然其具有诸多优点已经成功应用在多个方面，但是MB-OFDMUWB信号的无线传输距离只有几米到几十米的范围，大大限制了超宽带技术的应用范围。
欧洲ECMA-368标准、国际标准组织与国际电工工委会的ISO/IEC26907标准均采用多带正交频分复用(MB-OFDM)方案作为UWB的物理层标准。如图1所示，标准规定了一种基于MB-OFDM的UWB系统，其传输速率可高达480Mbps，使用3.1GHz-10.6GHz频段，将7500MHz频段分为14个带宽为528MHz的子频带(band)及6个带组(BG)，每个频带均采用OFDM技术生成MB-OFDMUWB信号，产生的MB-OFDM UWB信号有128个子载波(包括100个信息子载波、12个导频子载波、10个保护子载波和6个空子载波)，子载波间隔为4.125MHz。经过离散傅里叶变换后，添加保护间隔，并通过时频码(TFC)调制到不同频率的载波上。ECMA-368标准中一共规定了10种TFC类型，分别对应10种正交频分复用(OFDM)符号的传输方式，图2为本发明中第一个带组采用TFC1的跳频方式。
近年来，为了提供随时随地的超宽带无线接入服务，使非无线窗口下的信号可以传输更远的距离，将超宽带技术和光纤无线通信技术ROF进行结合被认为是有效的解决方案。在未来宽带无线通信中，多带正交频分复用超宽带光纤无线通信系统因其减小了多径效应引起的频率选择性衰落同时增大了无线信号的覆盖范围，并且提供高速率的数据通信而受到了越来越多的关注。但是，在MB-OFDM UWB信号在光纤传输过程中，由于受非线性效应和色散损伤影响，特别是累积的光放大器噪声、色度色散(CD)与偏振模色散(PMD)都会使信号质量有所劣化[T.Alves and A.Cartaxo,"Performance degradation due to OFDM-UWBradio signal transmission along dispersive single-mode fiber,"IEEE Photon.Technol.Lett.,Vol.21,pp.158-160,2009]。因此，为了避免光纤传输过程中带来的传输性能劣化，低密度奇偶校验码(LDPC)作为一种纠错编码来提高光纤传输性能[I.B.Djordjevic,O.Milenkovic and B.Vasic,"Generalized low-density parity-checkcodes for optical communication systems,"J.Lightw.Technol.,Vol.23,pp.1939-1946,2005]。此外，M.N.Sakib等提出在IEEE802.15.3c标准中采用短块LDPC码作为脉冲超宽带(IR-UWB)系统的低复杂度解决方案[M.N.Sakib,T.Huang,W.J.Gross and O.Liboiron-Ladouceur,"Low-Density Parity Check Codingin Ultra-Wide band-Over-Fiber Systems,"IEEE Photon.Technol.Lett.,Vol.23,pp.1493-1495,2011]。
(三)发明内容
本发明针对上述情况，解决了多带超宽带无线通信系统传输距离受限的问题。同时，改善了接收机灵敏度，提高了系统性能，具有创新性的实用价值。
为了达到上述目的，本发明所采用的具体方法如下：
在中心站单元，利用外腔激光器产生一个连续光信号；通过一个马赫曾德尔强度调制器，将基于LDPC编码的MB-OFDM UWB信号直接调制到光信号上，编码标准依据IEEE 802.15.3c标准，采用编码速率为3/4的LPDC(672,504)块长编码准则，根据其对应的H矩阵对原始比特数据进行编码，产生新的基于LDPC编码的多带超宽带信号；调制方式采用光双边带调制；马赫曾德尔强度调制器的偏置电压设置为与其半波电压的比值为0.5，即偏置电压设置为负正交点，使马赫曾德尔强度调制器工作于特性曲线的线性区域；经过光纤链路传输至基站单元后，采用掺铒光纤放大器放大信号光功率来补偿光纤链路中的损耗；通过高速光电检测器将LDPC编码的光载MB-OFDM UWB信号转换成为LDPC编码的MB-OFDM UWB电信号；采用电带通滤波器对LDPC编码的MB-OFDMUWB电信号进行滤波得到MB-OFDM UWB射频信号；最后通过译码接收模块对LDPC编码的MB-OFDM UWB电信号进行解调，并对LDPC进行译码得到多带超宽带的基带信号，译码方法采用软判决译码中的和积算法。
本发明将LDPC编码用于多带正交频分复用超宽带光纤无线通信系统，增长了多带超宽带信号的传输距离，改善了接收机灵敏度，提高了系统性能。
(四)附图说明
图1为ECMA-368标准规定的MB-OFDM UWB系统带组分配图；
图2为本发明中第一个带组采用TFC1的跳频方式；
图3为马赫曾德尔强度调制器的特性曲线；
图4为本发明实施的实现方案结构示意图；
图5为本发明实施的中心站单元的结构示意图；
图6为本发明实施的基站单元的结构示意图；
图7为本发明实施的光纤无线通信方法的下行传输链路示意图；
图8为映射方式为16QAM时有无LDPC编码的系统性能比较。
图4、图5，图6和图7中的数字分别代表如下实验器件：
1-外腔激光器(ECL)
2-偏振控制器(PC)
3-马赫曾德尔强度调制器(MZM)
4-基于低密度奇偶校验码的多带超宽带信号
5-光纤链路(SSMF)
6-掺铒光纤放大器(EDFA)
7-光电检测器(PD)
8-电带通滤波器(EBPF)
9-隔离直流模块
10-译码解调接收模块
11-中心站单元(CS)
12-基站单元(BS)
(五)具体实施方式
下面结合具体实验例子和附图，对本发明作具体说明。
由图1所示，本发明中的多带超宽带信号采用ECMA-368标准规定的MB-OFDMUWB系统带组分配图中的第一个带组Band Group 1，即band#1、band#2和band#3这3个子频带；
由图2所示，本发明中第一个带组采用TFC1的跳频方式；
由图3所示，将马赫曾德尔强度调制器的偏置电压设置为与其半波电压的比值为0.5，即偏置电压设置为负正交点，使马赫曾德尔强度调制器工作于特性曲线的线性区域。
由图4所示，基于低密度奇偶校验码的多带超宽带光纤无线通信方法各部件分别说明如下：
外腔激光器1，用于产生指定波长的单纵模光载波；
偏振控制器2，用于控制进入马赫-曾德尔强度调制器的光载多带超宽带信号的偏振态，使其输出光功率最大化；
马赫曾德尔强度调制器3，用于对指定波长的单纵模光载波进行强度调制，马赫曾德尔强度调制器的偏置电压设置为负正交点；
基于低密度奇偶校验码的多带超宽带信号4，用于驱动马赫曾德尔强度调制器2实现双边带调制产生基于低密度奇偶校验码的光载多带超宽带信号；
光纤链路5，用于传输基于低密度奇偶校验码的光载多带超宽带信号；
掺铒光纤放大器6，用于放大基于低密度奇偶校验码的光载多带超宽带信号经光纤传输之后的光功率；
光电检测器7，用于将接收的基于低密度奇偶校验码的光载多带超宽带信号转换成基于低密度奇偶校验码的电多带超宽带信号；
电带通滤波器8，用于对基于低密度奇偶校验码的电多带超宽带信号进行滤波，滤出带外噪声；
隔离直流模块9，用于移除电低密度奇偶校验码的多带超宽带信号的直流分量；译码解调接收模块10，对电多带超宽带信号进行正交频分复用解调和低密度奇偶校验码的译码，得到多带超宽带基带信号；
中心站单元11，用于产生基于低密度奇偶校验码的光载多带超宽带信号；
基站单元12，用于对基于低密度奇偶校验码的光载多带超宽带信号进行光电转换，并进行译码解调接收，得到多带超宽带基带信号。
图5为本发明的中心站单元的结构示意图，包括：
外腔激光器1，用于产生指定波长的单纵模光载波；
偏振控制器2，用于控制进入马赫-曾德尔强度调制器的光载多带超宽带信号的偏振态，使其输出光功率最大化；
马赫曾德尔强度调制器3，用于对指定波长的单纵模光载波进行强度调制，马赫曾德尔强度调制器的偏置电压设置为负正交点；
基于低密度奇偶校验码的多带超宽带信号4，用于驱动马赫-曾德尔强度调制器2实现双边带调制产生基于低密度奇偶校验码的光载多带超宽带信号；
图6为本发明的基站单元的结构示意图，包括：
掺铒光纤放大器6，用于放大光低密度奇偶校验码的多带超宽带信号经光纤传输之后的光功率；
光电检测器7，用于将接收的基于低密度奇偶校验码的光载多带超宽带信号转换成基于低密度奇偶校验码的电多带超宽带信号；
电带通滤波器8，用于对基于低密度奇偶校验码的电多带超宽带信号进行滤波，滤出带外噪声；
隔离直流模块9，用于移除电低密度奇偶校验码的多带超宽带信号的直流分量；译码解调接收模块10，对电多带超宽带信号进行正交频分复用解调和低密度奇偶校验码的译码，得到多带超宽带基带信号。
图7为本发明的光纤无线通信方法的下行传输链路示意图，包括：
中心站单元11，用于产生基于低密度奇偶校验码的光载多带超宽带信号；
光纤链路5，用于传输基于低密度奇偶校验码的光载多带超宽带信号；
基站单元12，用于对基于低密度奇偶校验码的光载多带超宽带信号进行光电转换，并进行译码解调接收，得到多带超宽带基带信号。
图8为有或者无LDPC编码时系统性能的比较图，当误码率为10-3时，有LDPC编码比无LDPC编码的接收机灵敏度大约有4dB的提高。
本发明基于低密度奇偶校验码的多带超宽带光纤无线通信方法工作过程如下：
在中心站单元11，利用外腔激光器1产生一个连续光信号；将马赫曾-德尔强度调制器的偏置电压设置为负正交点；采用一个基于低密度奇偶校验码的多带超宽带信号3通过一个马赫曾德尔强度调制器2直接调制光信号，其调制方式采用光双边带调制，产生基于低密度奇偶校验码的光载多带超宽带信号；经过光纤链路4传输至基站单元12，利用一个掺铒光纤放大器5对基于低密度奇偶校验码的光载多带超宽带信号经光纤传输之后的光功率进行放大；通过一个光电检测器6将基于低密度奇偶校验码的光载多带超宽带信号转换成基于低密度奇偶校验码的电多带超宽带信号；通过一个电带通滤波器7对上述基于低密度奇偶校验码的电多带超宽带信号进行滤波，滤除带外噪声；然后同隔离直流模块9，移除低密度奇偶校验码的电多带超宽带信号的直流分量；最后通过译码解调接收模块10，对电多带超宽带信号进行正交频分复用解调和低密度奇偶校验码的译码，得到多带超宽带基带信号。
(六)主要技术优势
本发明基于低密度奇偶校验码的多带超宽带光纤无线通信方法，采用马赫曾德尔强度调制器调制产生基于低密度奇偶校验码的光载多带超宽带信号。通过光纤传输，采用光电检测器转换为基于低密度奇偶校验码的电多带超宽带信号。本发明有效的解决了多带超宽带无线通信系统传输距离受限的问题。同时，改善了接收机灵敏度，提高了系统性能。

Claims (5)

1.基于低密度奇偶校验码的多带超宽带光纤无线通信方法，其特征在于,所述的方法包括以下步骤：
使用一个外腔激光器产生光载波；
采用低密度奇偶校验码对多带超宽带信号进行信道编码，产生基于低密度奇偶校验码的多带超宽带信号；
通过马赫曾德尔强度调制器，将基于低密度奇偶校验码的多带超宽带信号调制到光载波上产生双边带信号，经过光纤链路传输至基站单元。
2.如权利要求1所述的基于低密度奇偶校验码的多带超宽带光纤无线通信方法，其特征在于，所述的低密度奇偶校验码依据IEEE 802.15.3c标准，采用编码速率为3/4的LPDC(672,504)块长编码准则，根据其对应的H矩阵对原始比特数据进行编码，产生新的基于低密度奇偶校验码的多带超宽带信号。
3.如权利要求1所述的基于低密度奇偶校验码的多带超宽带光纤无线通信方法，其特征在于，所述的多带超宽带信号采用ECMA-368标准中的前3个子频带即第一带组，采用ECMA-368标准中的时频码(TFC1)作为跳频方式，每个子频带均采用正交频分复用调制(OFDM)技术。
4.如权利要求1所述的基于低密度奇偶校验码的多带超宽带光纤无线通信方法，其特征在于，所述的马赫曾德尔强度调制器的偏置电压设置为与其半波电压的比值为0.5，即偏置电压设置为负正交点，使马赫曾德尔强度调制器工作于特性曲线的线性区域。
5.如权利要求1所述的基于低密度奇偶校验码的多带超宽带光纤无线通信方法，其特征在于，基站单元包括：
采用掺铒光纤放大器，放大经光纤传输之后的光载多带超宽带信号的光功率；
通过光电检测器，将接收的光载多带超宽带信号转换成电多带超宽带信号；通过电带通滤波器，对电多带超宽带信号进行滤波，滤除带外噪声；
通过译码解调接收模块，对电多带超宽带信号进行OFDM解调和LDPC译码，得到多带超宽带基带信号。
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