CN106357343A - 适合于强度调制/直接检测式的光空时网格码编码方法 - Google Patents

Abstract

适合于强度调制/直接检测式的光空时网格码编码方法，其步骤为：步骤一：二进制比特流编码后生成QAM/PSK信号；步骤二：将编码输出的信号实现串并变换；步骤三：将串并变换器输出的信号矢量映射，使映射后的信号满足厄米特对称性；步骤四：对映射后的信号进行2N点的快速傅里叶逆变换，加入一直流分量；步骤五：消除负数信号；步骤六：接收端，采用光电探测器将接收到的光信号转换为电信号，然后去掉直流分量；步骤七：经模/数转换和2N点串并变换后得到一并行双极性信号，再通过快速傅里叶变换，将其变为复数/负数信号；步骤八：通过逆映射和并串变换，将逆映射后的信号送入到空时网格码译码器中，完成译码。

Description

适合于强度调制/直接检测式的光空时网格码编码方法

技术领域

本发明涉及无线光通信多输入多输出(MIMO)系统中空时网格编码的设计方法，采用光强度调制实现正交幅度调制(QAM)或者相位键控(PSK)的方法，属于无线光通信(FSO)技术领域。

背景技术

无线光通信具有高宽带、大容量、低成本、无需频率许可等优点，是构建三网融合、解决“最后一公里”瓶颈、实现全球高速及实时通信的有效手段。光信号在大气中传输时会受到损耗、衰减、背景辐射和大气湍流等各种干扰。其中，大气湍流对光信号的影响最为严重，特别是在强湍流情况下可以达到大于30dB的衰落，致使光信号受到严重干扰甚至脱靶，严重影响光通信系统的稳定性和可靠性。

光MIMO技术不仅能够有效抑制湍流效应，而且还能极大的提高现有通信系统的传输速率，降低系统对跟踪精度的要求。空时编码是实现MIMO技术的一种行之有效的方法，其主要分为空时分组码、分层空时码、空时网格码等。其中，空时网格码可以在不牺牲系统带宽的情况下获得满分集增益及高编码增益，可提高传输质量。它能够达到编译码复杂度、性能和频带利用率之间的最佳折衷，并且在各种信道环境下都具有较好的性能，特别适合于大气湍流信道。

空时编码的思想起源于射频(RF)通信，虽然射频通信和无线激光通信之间存在一定的相似性，但二者也有较大的差异。主要表现在：①激光在大气中传播时受到外界环境的影响更为复杂；②影响两种通信方式中的噪声机制不完全相同；③传递信号时所采用的调制方法不同；④所传递的信号形式、含义以及表示方法不相同。上述原因导致射频中空时编码的方法和理论不能直接照搬到无线激光通信中。由于射频中的空时网格编码存在复数和负数，这些值无法直接利用强度来表示，故需对空时编码理论进行新的推导和分析，提出适合于强度调制/直接检测(IM/DD)的光空时网格编码方案。考虑到快速傅里叶逆变换(IFFT)在满足厄尔比特对称性时，能将复数或者负数信号转换为实数信号。因此，本发明提出了一种利用快速傅里叶逆变换的对称性并在信号中加入直流分量的空时网格编码方法来满足信号无线光通信信道中的传输。

发明内容

本发明的目的是提供一种将复数/负数信号转换为正实数信号的一种方法。

本发明是适合于强度调制/直接检测式的光空时网格码编码方法，其目标是将空时网格码编码器输出的PSK或QAM转换成一正实数信号，从而解决了原有空时网格码编码器输出的复数信号无法直接在光通信链路中传输的问题；接收端采用相反的过程，通过实数/复数的转换，得到输入到空时网格码译码器的信号，最终完成译码；其步骤为：

步骤一：二进制比特流输入到空时网格码编码器中，编码后生成QAM/PSK信号；

步骤二：将编码输出的信号送入到一个大小为N-1的串并变换器中，实现串并变换。

步骤三：将串并变换器输出的信号进行N-1点到2N点的矢量映射，使映射后的信号满足厄米特对称性。

步骤四：对映射后的信号进行2N点的快速傅里叶逆变换，得到一双极性实数信号，再经并串变换和模数转换后，加入一直流分量。

步骤五：所加入的直流分量值必须大于或等于最大负值信号的幅度，用以消除负数信号。接着，通过光强调制器将电信号转换成光信号，通过光学天线发射出去。

步骤六：接收端，采用光电探测器将接收到的光信号转换为电信号，然后去掉直流分量。

步骤七：经模/数转换和2N点串并变换后得到一并行双极性信号，再通过2N点的快速傅里叶变换，可将其变为一复数/负数信号。

步骤八：通过逆映射和并串变换，将逆映射后的信号送入到空时网格码译码器中，完成译码。

本发明的有益之处为：利用快速傅里叶逆变换的对称性并在信号中加入直流分量的空时网格编码方法来满足信号无线光通信信道中的传输。可有效的抵御湍流效应、提高通信系统的传输速率。

附图说明

图1为无线光通信系统结构图，图2为系统模型图，图3为空时网格码编码器，图4为复数/正实数转换器，图5为正实数/复数转换器，图6为S.I.＝0.64state-QPSK时，空时网格码误码率，图7为S.I.＝1 4state-QPSK时，空时网格码误码率。

具体实施方式

本发明是适合于强度调制/直接检测式的光空时网格码编码方法，其目标是将空时网格码编码器输出的PSK或QAM转换成一正实数信号，从而解决了原有空时网格码编码器输出的复数信号无法直接在光通信链路中传输的问题；接收端采用相反的过程，通过实数/复数的转换，得到输入到空时网格码译码器的信号，最终完成译码；其步骤为：

步骤一：二进制比特流输入到空时网格码编码器中，编码后生成QAM/PSK信号；

步骤二：将编码输出的信号送入到一个大小为N-1的串并变换器中，实现串并变换。

步骤三：将串并变换器输出的信号进行N-1点到2N点的矢量映射，使映射后的信号满足厄米特对称性。

步骤四：对映射后的信号进行2N点的快速傅里叶逆变换，得到一双极性实数信号，再经并串变换和模数转换后，加入一直流分量。

步骤五：所加入的直流分量值必须大于或等于最大负值信号的幅度，用以消除负数信号。接着，通过光强调制器将电信号转换成光信号，通过光学天线发射出去。

步骤六：接收端，采用光电探测器将接收到的光信号转换为电信号，然后去掉直流分量。

步骤七：经模/数转换和2N点串并变换后得到一并行双极性信号，再通过2N点的快速傅里叶变换，可将其变为一复数/负数信号。

步骤八：通过逆映射和并串变换，将逆映射后的信号送入到空时网格码译码器中，完成译码。

本发明通过如下技术措施来达到：

1.基本假设

本发明假设信道状态参数已知，且系统具有可靠的同步机制，该假设是此类系统的典型情况，非本发明的特殊要求。

2.无线光通信系统结构

无线光通信系统结构，如图1所示。该系统包括光发射机、大气信道、光接收机和自动跟踪瞄准系统(ATP)。其中，光发射机包括信号输入处理和调制电路、半导体激光器发射光源及其驱动电源、光学发射系统。光接收机包括接收光学系统、光电探测器、信号处理、解调及输出电路。ATP伺服控制系统包括信号模/数转换与处理、控制计算机与接口、信号数/模转换与处理、控制校正网络、伺服驱动单元、反馈控制机构和伺服电机组。

3.无线光空时网格码

本发明的无线光通信系统结构如图2所示，包括发射端子系统和接收端子系统。发射端子系统主要完成信号的发射，依次包括的器件有空时网格编码器、复数(负数)/正实数转换器、调制及驱动电路阵列、激光器阵列和光学发射天线阵列。接收端子系统主要完成信号的接收和恢复，依次包括光学接收天线阵列、探测器阵列、正实数/复数(负数)转换器、空时网格码译码器。

本发明利用快速傅里叶逆变换的对称性和加直流分量的方法提出了一种适合于强度调制的光空时网格编码，其原理如图2所示。在发送端，空时网格编码器输出的信号经复数/正实数转换后变为正实数信号。复数/正实数转换的实质是利用快速傅里叶逆变换的对称特性将空时网格编码中的复数信号转换为实数信号，再加入一个足够大的直流分量，即可将负实数信号转换为正实数信号。转换后的正实数信号通过光强调制器完成电信号到光信号的转换，再通过光学天线发射出去。接收端由光电检测器直接接收经大气传输后的光强信号，再经正实数/复数转换处理后还原为复数和负数信号，由空时网格译码器完成译码。

对于采用两个发射天线的空时网格码系统，空时网格码编码器将二进制信源比特组转换成QAM(PSK)格式，此时输出的信号为一个复数信号，其原理如图3所示。

为了实现编码后的信号能在IM/DD式链路中传输，需要将空时网格码编码器编码后的复数信号送入复数(负数)/正实数信号转换器，实现复数和正实数信号之间的转换。该步骤是本发明的关键，其转换原理如图4所示。

复数(负数)/正实数的信号转换器的工作过程：首先将空时网格编码器输出的QAM(PSK)格式信号经过一个N点的串并变换器，生成并行信号矢量其中，Aⁱ表示第i条支路中经串并变换后的信号。该信号矢量再经N点到2N点的映射后满足Hermitian对称性，

$x_t^i=\left\{\begin{array}{cc}0,& t=0,N;\\ x_t^i,& 0<t<N;\\ {x_{2N-t}^i}^{*},& N<t<2N\end{array}\right.---\left(1\right)$

满足Hermitian对称性的信号经快速逆傅里叶变换(IFFT)后，可实现复数信号向实数信号的转化，此时输出的信号为实数信号序列sⁱ。之后，将IFFT输出的实数信号再经并串变换和数模变换后为一双极性信号。接着，在数模变换后的信号中加入一个足够大的直流分量DC，可将该双极性信号转换为单极性信号Sⁱ。最后，通过光强调制器完成光信号到电信号的转换，最后通过光学天线发射出去。

接收端由光电检测器直接接收经大气信道传输后的光强信号，再经正实数/复数转换处理后转化为复数信号。正实数/复数转换过程的实质是将收到的信号去直流分量和逆变换后转化为复数信号，其转换原理如图5所示。

正实数/复数或负数信号转换器的工作过程：首先，发送端输出的信号经大气信道传输后由光电探测器直接接收。由于发射端发出的光信号在传输过程中会受到衰减、吸收和大气湍流等影响，到达接收端时光信号会出现光强的随机起伏。因此，根据光MIMO系统信道模型，可得第j根天线上的接收信号向量为：

$y^{j^{\&prime;}}=\mathrm{\&eta;}\underset{i=1}{\overset{n_T}{\&Sigma;}}{S}^i\&CircleTimes;h_{j,i}+n^j=\mathrm{\&eta;}\underset{i=1}{\overset{n_T}{\&Sigma;}}(s^i+DC)\&CircleTimes;h_{j,i}+n^j---\left(2\right)$

式(2)中，代表循环卷积。y^j'代表第j个接收天线接收到的信号；η为光电转换效率；Sⁱ代表发射端第i个发射天线发射的信号；n^j为第j个探测器接收到的噪声向量；h_j,i为第i个发射天线到第j个接收天线之间的信道状态信息，在弱湍流条件下，接收端接收到的信号将服从对数正态分布，其概率密度函数可表示为：

$P\left(I\right)=\frac{1}{{\left(2{\mathrm{\&pi;\&sigma;}}_x^2\right)}^{1/2}I}\exp \&lsqb;-\frac{1}{2{\mathrm{\&sigma;}}_x^2}{(\ln I+\frac{1}{2}{\mathrm{\&sigma;}}_x^2)}^2\&rsqb;---\left(3\right)$

其中，I代表光强，表示方差。当E[I]＝1时，光强衰落的大小也可以用闪烁指数来表示，其典型值为S.I.∈[0.4～1.0]。

然后，通过直流分量DC、模数转换、串并变换后可表示为：

$y^j=\mathrm{\&eta;}\underset{i=1}{\overset{n_T}{\&Sigma;}}{s}^i\&CircleTimes;h_{j,i}+n^j---\left(4\right)$

接着，将信号y^j经过2N点的傅里叶(FFT)变换后可表示为：

$Y^j=FFT\left(y^j\right)=\underset{i=1}{\overset{n_T}{\&Sigma;}}{X}^i{H}_{j,i}+N^j---\left(5\right)$

其中,Xⁱ为sⁱ经过2N点快速傅里叶变换(FFT)后的信号向量，H_j,i是h_j,i的傅里叶变换对。该信号向量也可表示为其中，Y_t ^j表示接收信号中的第t个信号，可表示为：

$\begin{array}{c}{Y}_t^j=\underset{k=1}{\overset{2N}{\&Sigma;}}{y}_k^i\exp \left(\frac{-j2\mathrm{\&pi;}kt}{2N}\right)\\ t=1,2,\mathrm{...2}N\end{array}---\left(6\right)$

经FFT变换后的信号再经逆映射处理后即可恢复为映射前的信号，映射关系为

$\begin{array}{cc}{Y}_t^{j^{\&prime;}}=Y_{t+1}^j& t=1:N-1\end{array}---\left(7\right)$

映射后的信号向量可以写成该信号再经并串变换后，可送入空时网格码译码器。

空时网格码译码时采用维特比(Viterbi)译码算法，利用空时网格码编码器的网格图来计算路径度量。通过在网格图上选择从起始时刻到结束时刻的唯一幸存路径作为最大似然路径，沿着最大似然路径，从开始时刻到结束时刻所走过的路径对应的状态就是编码器输出的最大似然译码序列。

假设译码器总共有P_N个状态，在t＝0时刻，译码器的初始状态为P₁，从该状态出发进行N条路径的延伸，分别计算这N条路径的分支度量，即可能发射符号和实际接收符号之间的欧式距离，在t＝1时刻，由于所有状态都有可能是上一时刻状态所产生的路径延伸，因此，该时刻每一状态都有可能产生N条路径到达下一状态，计算当前时刻的分支度量，并将其与上一时刻的分支度量相加，得到t＝2时刻各状态的路径度量。以此类推，在t＝k时刻，通过计算t＝k时刻的分支度量d：

$d=\underset{j=1}{\overset{n_R}{\&Sigma;}}|Y_k^j-\underset{i=1}{\overset{n_T}{\&Sigma;}}{H}_{j,i}\left(k\right)x_t^i{|}^2---\left(8\right)$

得到t＝k时刻分支度量值后，再与t＝k-1时刻的路径度量值相加，得到t＝k时刻的累积路径度量，通过不断的迭代步骤，选择出一条路径度量值最小的路径作为候选路径，抛弃其他可能的路径，确定该路径所经过的状态，通过状态数得到译码序列。

为了进一步说明本发明提出的无线光空时网格编码对系统性能的影响，采用蒙特卡洛仿真(Monte Carlo)分别分析了2×1，2×2，2×3天线时信噪比的变化对误码率的影响。仿真条件：(1)空时网格码编码器采用4state-4psk调制；(2)取32-IFFT；(3)闪烁因子S.I.取0.6和1。

图6、图7分别为S.I.＝0.6和1时，本发明系统的误码率随信噪比的变化曲线。由图6可见，随着天线数量的增加，系统的误码率被明显改善，说明该方法能有效克服大气湍流所引起的闪烁效应。

图7为强湍流条件下系统误码率曲线，有图可见，本发明不仅可以有效降低系统误码率，而且在强湍流条件下具有更好的误码性能。

通过以上实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚的了解到本发明可以用软件或通用硬件来实现。基于以上理解，本发明的技术方案对现有技术的贡献部分可以通过软件或特定硬件来执行本发明实施例所述的方法。

Claims (1)

1.适合于强度调制/直接检测式的光空时网格码编码方法，目标是将空时网格码编码器输出的复数信号转换成一正实数信号；接收端采用相反的过程，通过实数/复数的转换，得到输入到空时网格码译码器的信号，最终完成译码，其步骤为：

步骤一：二进制比特流输入到空时网格码编码器中，编码后生成QAM/PSK信号；

步骤二：将编码输出的信号送入到一个大小为N-1的串并变换器中，实现串并变换；

步骤三：将串并变换器输出的信号进行N-1点到2N点的矢量映射，使映射后的信号满足厄米特对称性；

步骤四：对映射后的信号进行2N点的快速傅里叶逆变换，得到一双极性实数信号，再经并串变换和模数转换后，加入一直流分量；

步骤五：所加入的直流分量值必须大于或等于最大负值信号的幅度，用以消除负数信号；接着，通过光强调制器将电信号转换成光信号，通过光学天线发射出去；

步骤六：接收端，采用光电探测器将接收到的光信号转换为电信号，然后去掉直流分量；

步骤七：经模/数转换和2N点串并变换后得到一并行双极性信号，再通过2N点的快速傅里叶变换，可将其变为一复数/负数信号；

步骤八：通过逆映射和并串变换，将逆映射后的信号送入到空时网格码译码器中，完成译码。