CN106998231A - 一种基于rs/ldpc编码技术的太赫兹通信系统 - Google Patents

一种基于rs/ldpc编码技术的太赫兹通信系统 Download PDF

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王长
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Abstract

本发明提供一种基于RS/LDPC编码技术的太赫兹通信系统，包括发送端以接收端；所述发送端用于根据通信传输协议，发送包含编码数据包的完整的数据帧，所述编码数据包经过RS/LDPC编码方式编码，由数据位和校验位组成；所述接收端用于接收所述完整的数据帧，并对其进行解析，从编码数据包中根据RS/LDPC译码算法，提取恢复出原始的数据。本发明相比未加入信道编码技术的太赫兹通信系统，在性能上得到了数倍的提升，传输速率能够达到Gbps以上，通信距离也得到了显著的提升。同时，优秀的编码方式如LDPC码能够显著地对抗信道的衰落，减少误码率，提高系统的综合性能。本发明结构简单，可以大大改善及提升太赫兹通信系统性能，在太赫兹通讯技术领域具有广泛的应用前景。

Description

一种基于RS/LDPC编码技术的太赫兹通信系统
技术领域
本发明属于太赫兹通讯技术领域，特别是涉及一种基于RS/LDPC编码技术的太赫兹通信系统。
背景技术
近几十年来，随着太赫兹辐射源和探测器的迅速发展，太赫兹相关技术引起了人们的广泛关注。太赫兹波是电磁频率在0.1～10THz之间的电磁波，波段介于微波和远红外之间。太赫兹波频率远远高于微波，能够提供足够的带宽，通信传输容量大，可提供高达10Gb/s的无线传输速率，有望成为下一代高速无线通信的信息载体。太赫兹波束窄，方向性好，具有很好地穿透沙尘烟雾的能力。太赫兹由于其良好的保密性和抗干扰能力强的优点，非常适合短距离保密通信，具有广阔的应用前景。太赫兹频率目前处于空白频段，将太赫兹频段用于高速无线通信也是现在的研究热点，抢占频谱资源具有非常重要的战略意义。
太赫兹通信也正处于高速发展阶段，室内通信，纳米网络，空间通信等方面的研究正在陆续展开。目前120GHz，300GHz，3.9THz等多个频段的太赫兹通信系统都被提出和验证。但是太赫兹波在大气中传输会受到大气分子吸收和自由空间扩散的损耗，衰减非常严重，同时也很容易受到天气等因素的影响。大气信道的衰减和噪声干扰等因素严重地限制了太赫兹通信系统的传输速率和传输距离。目前所报道的太赫兹通信系统传输距离大都局限于数米的范围内，而且以1THz以上频点为载波的太赫兹通信系统的传输速率局限在100MHz以内，这些都还远远没有达到太赫兹频段的理论信道容量。
现有的太赫兹通信系统主要关注于太赫兹波辐射源和探测器的工艺改善和性能提升上，很少有人关注信道编码技术，并将其应用于太赫兹通信系统，来改善太赫兹通信系统的整体性能。
鉴于以上所述，提供一种能够有效提高太赫兹通信系统的传输速率以及通信距离的太赫兹通信系统实属必要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于RS/LDPC编码技术的太赫兹通信系统，用于解决现有技术中太赫兹通信系统传输速率以及通信距离具有较大局限的问题。
RS码和LDPC码作为两类优秀的信道编码方式，广泛应用于无线通信，磁盘存储，激光通信等领域。本发明结合太赫兹波的独特性以及大气信道的特殊性，将RS/LDPC编码技术引进太赫兹通信系统，具有极其重大的创新性。根据大气激光传输信道模型以及太赫兹波衰减特性，本发明对RS/LDPC码在太赫兹通信系统中的性能进行了理论模拟分析和实验验证。
理论和实验研究表明，基于RS/LDPC编码技术的太赫兹通信系统相比未加入信道编码技术的太赫兹通信系统，在性能上得到了数倍的提升，传输速率能够达到Gbps以上，通信距离也得到了显著的提升。同时，优秀的编码方式如LDPC码能够显著地对抗信道的衰落，减少误码率，提高系统的综合性能。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于RS/LDPC编码技术的太赫兹通信系统，包括发送端以接收端；
所述发送端用于根据通信传输协议，发送包含编码数据包的完整的数据帧，所述编码数据包经过RS/LDPC编码方式编码，由数据位和校验位组成；
所述接收端用于接收所述完整的数据帧，并对其进行解析，从编码数据包中根据RS/LDPC译码算法，提取恢复出原始的数据。
作为本发明的基于RS/LDPC编码技术的太赫兹通信系统的一种优选方案，所述完整的数据帧包括：同步码、帧起始符、帧长度、编码数据包以及帧结束符。
作为本发明的基于RS/LDPC编码技术的太赫兹通信系统的一种优选方案，所述发送端包括：信源单元、RS/LDPC编码器、数字调制单元、THz辐射源；所述信源单元用于产生数据流，并按照RS/LDPC码型要求进行分组，依次送入RS/LDPC编码器；所述RS/LDPC编码器用于对输入的数据进行RS/LDPC方式编码，添加校验位，形成编码数据包；所述数字调制单元用于对每一帧数据进行数字信号调制；所述THz辐射源用于依据调制信号发射太赫兹波。
优选地，所述发送端还包括数据帧成型单元，用于将同步码、帧起始符、帧长度、编码数据包以及帧结束符组合成完整的数据帧。
优选地，所述THz辐射源包括太赫兹量子级联激光器以及单行载流子二极管中的一种。
优选地，所述RS/LDPC码型包括RS码型以及LDPC码型中的一种。
作为本发明的基于RS/LDPC编码技术的太赫兹通信系统的一种优选方案，所述接收端包括：THz探测器、数字解调单元、RS/LDPC译码器、以及信宿单元；所述THz探测器用于将太赫兹波转换成电信号；所述数字解调单元用于对模拟信号采样解调恢复成数字信号；所述RS/LDPC译码器用于对每一帧数据中的编码数据包采用RS/LDPC译码方式进行译码纠错，提取出原始的有效数据；所述信宿单元用于接收有效数据。
优选地，所述接收端还包括数据帧同步解析单元，用于从所述数字解调单元解调的数字信号中提取同步信号，形成连续的数据帧。
优选地，所述THz探测器包括太赫兹量子阱探测器以及肖特基二极管中的一种。
如上所述，本发明的基于RS/LDPC编码技术的太赫兹通信系统，具有以下有益效果：本发明的基于RS/LDPC编码技术的太赫兹通信系统相比未加入信道编码技术的太赫兹通信系统，在性能上得到了数倍的提升，传输速率能够达到Gbps以上，通信距离也得到了显著的提升。同时，优秀的编码方式如LDPC码能够显著地对抗信道的衰落，减少误码率，提高系统的综合性能。本发明结构简单，可以大大改善及提升太赫兹通信系统性能，在太赫兹通讯技术领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1显示为本发明的基于RS/LDPC编码技术的太赫兹通信系统的系统框图。
图2显示为本发明的基于RS/LDPC编码技术的太赫兹通信系统的完整的数据帧的结构示意图。
图3显示为选用RS(255,223)和LDPC(960,800)两种码型与未编码的太赫兹通信系统在不同的大气环境的模拟曲线图。
图4显示为选用LDPC编码方式的太赫兹通信系统在不同传输距离、传输速率下的信噪比曲线图。
元件标号说明
10 发送端
101 信源单元
102 RS/LDPC编码器
103 数字调制单元
104 THz辐射源
20 接收端
201 THz探测器
202 数字解调单元
203 RS/LDPC译码器
204 信宿单元
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1～图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1～图4所示，本实施例提供一种基于RS/LDPC编码技术的太赫兹通信系统，包括发送端10以接收端20；
所述发送端10用于根据通信传输协议，发送包含编码数据包的完整的数据帧，所述编码数据包经过RS/LDPC编码方式编码，由数据位和校验位组成；
所述接收端20用于接收所述完整的数据帧，并对其进行解析，从编码数据包中根据RS/LDPC译码算法，提取恢复出原始的数据。
如图2所示，作为示例，所述完整的数据帧包括：同步码、帧起始符、帧长度、编码数据包以及帧结束符。
如图1所示，作为示例，所述发送端10包括：信源单元101、RS/LDPC编码器102、数字调制单元103、THz辐射源104，其中：所述信源单元101用于产生数据流，并按照RS/LDPC码型要求进行分组，依次送入RS/LDPC编码器102；所述RS/LDPC编码器102用于对输入的数据进行RS/LDPC方式编码，添加校验位，形成编码数据包；所述数字调制单元103用于对每一帧数据进行数字信号调制；所述THz辐射源104用于依据调制信号发射太赫兹波。
作为示例，所述发送端10还包括数据帧成型单元，连接于所述RS/LDPC编码器102以及数字调制单元103之间，用于将同步码、帧起始符、帧长度、编码数据包以及帧结束符组合成完整的数据帧。
作为示例，所述THz辐射源104包括太赫兹量子级联激光器以及单行载流子二极管中的一种。在本实施例中，所述THz辐射源104选用为太赫兹量子级联激光器。
作为示例，所述RS/LDPC码型包括RS码型以及LDPC码型中的一种。
如图1所示，作为示例，所述接收端20包括：THz探测器201、数字解调单元202、RS/LDPC译码器203、以及信宿单元204，其中，所述THz探测器201用于将太赫兹波转换成电信号；所述数字解调单元202用于对模拟信号采样解调恢复成数字信号；所述RS/LDPC译码器203用于对每一帧数据中的编码数据包采用RS/LDPC译码方式进行译码纠错，提取出原始的有效数据；所述信宿单元204用于接收有效数据。
作为示例，所述接收端20还包括数据帧同步解析单元，连接于所述用于从所述数字解调单元202以及RS/LDPC译码器203之间，数字解调单元202解调的数字信号中提取同步信号，形成连续的数据帧。
作为示例，所述THz探测器201包括太赫兹量子阱探测器以及肖特基二极管中的一种。在本实施例中，所述THz探测器201选用为太赫兹量子阱探测器。
另外，通过对比接收端20的数据和发送端10的数据，可以评估本实施例的太赫兹通信系统的综合性能。
为了进一步说明本发明的创新点，本实施例选用RS(255,223)和LDPC(960,800)两种码型与未编码的太赫兹通信系统进行实验对比，选用太赫兹量子级联激光器(QCL)作为辐射源，以及太赫兹量子阱探测器(QWP)作为探测器，工作频点为3.9THz，系统采用强度调制/直接检测(IM/DD)方式，OOK信号调制传输，大气信道近似为加性高斯白噪声(AWGN)信道。RS(255,223)和LDPC(960,800)码率接近，具有参照性。本实施例对不同的大气环境进行模拟验证，结果如图3所示。从图3可以看出，在同样的大气环境σx＝0.1条件下，达到同样的误码率10-4，LDPC编码的系统比未编码的系统高出4.5dB的增益，RS编码的系统比未编码的系统高出2.5dB的增益，由此可见通信性能得到显著提升。当大气环境变得更加恶劣时，在σx＝0.2时，RS/LDPC编码过的系统相对未编码系统在达到10-4误码率指标的条件下，编码增益明显增加更多。这说明在环境更加恶劣的情况下，RS/LDPC编码过的系统对未编码系统在性能上能够得到更多的提升。同时，图中也反映了LDPC码的性能整体要优于RS码，因此在资源条件允许的情况下，应该优先选用LDPC编码方式。同时我们估算了不同传输距离、传输速率下的信噪比，如图4所示。根据图3的结果，系统信噪比只要高于12dB，在σx＝0.1的大气环境下，RS/LDPC编码的太赫兹通信系统就能达到10-4误码率指标。如果保留2dB的安全裕量，14dB的信噪比就能使整个系统无误码的传输。从图4上可知，14dB的信噪比对应传输距离20m，10Gbps。增加传输距离的同时，传输速率会随之下降。相反，如果传输距离低于20m，传输速率可以很容易达到100Gbps甚至1Tbps。这对于1THz以上的太赫兹通信系统，传输速率有了显著的提升。对于1THz以下的太赫兹通信系统，可以得到类似的结果。由于频点不同，大气吸收和衰减也不同，1THz以下的某些频点如120GHz，300GHz等由于大气衰减因子较小，这样的太赫兹通信系统经过RS/LDPC编码后传输速率只会更快，传输距离只会更远，系统性能能够得到显著的改善和提升。
如图1所示，本实施例的太赫兹通信系统的搭建过程包括：
1)选定RS/LDPC码的具体码型，确定码长、码率等关键参数。
2)根据码型参数及系统要求，确定通信传输协议各字段的值和数据帧的长度。
3)在发送端10的信源单元101和数字调制单元103之间插入RS/LDPC编码器102以及数据帧成型单元，所述数据帧成型单元用于将同步码、帧起始符、帧长度、编码数据包以及帧结束符组合成完整的数据帧。
4)在接收端20的数字解调单元和信宿单元204之间插入数据帧同步解析单元和RS/LDPC译码器203。
5)搭建基于RS/LDPC编码技术的太赫兹通信系统，进行整机联调和性能测试。
6)根据大气窗口和通信频段的不同，太赫兹通信系统辐射源和探测器模块可以采用THz量子级联激光器+THz量子阱探测器组成，也可以采用电子学体系如单行载流子二极管作辐射源，肖特基二极管作检波器组成。
如上所述，本发明的基于RS/LDPC编码技术的太赫兹通信系统，具有以下有益效果：本发明的基于RS/LDPC编码技术的太赫兹通信系统相比未加入信道编码技术的太赫兹通信系统，在性能上得到了数倍的提升，传输速率能够达到Gbps以上，通信距离也得到了显著的提升。同时，优秀的编码方式如LDPC码能够显著地对抗信道的衰落，减少误码率，提高系统的综合性能。本发明结构简单，可以大大改善及提升太赫兹通信系统性能，在太赫兹通讯技术领域具有广泛的应用前景。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种基于RS/LDPC编码技术的太赫兹通信系统，其特征在于，包括发送端以接收端；
所述发送端用于根据通信传输协议，发送包含编码数据包的完整的数据帧，所述编码数据包经过RS/LDPC编码方式编码，由数据位和校验位组成；
所述接收端用于接收所述完整的数据帧，并对其进行解析，从编码数据包中根据RS/LDPC译码算法，提取恢复出原始的数据。
2.根据权利要求1所述的基于RS/LDPC编码技术的太赫兹通信系统，其特征在于：所述完整的数据帧包括：同步码、帧起始符、帧长度、编码数据包以及帧结束符。
3.根据权利要求1所述的基于RS/LDPC编码技术的太赫兹通信系统，其特征在于：所述发送端包括：信源单元、RS/LDPC编码器、数字调制单元、THz辐射源；
所述信源单元用于产生数据流，并按照RS/LDPC码型要求进行分组，依次送入RS/LDPC编码器；
所述RS/LDPC编码器用于对输入的数据进行RS/LDPC方式编码，添加校验位，形成编码数据包；
所述数字调制单元用于对每一帧数据进行数字信号调制；
所述THz辐射源用于依据调制信号发射太赫兹波。
4.根据权利要求3所述的基于RS/LDPC编码技术的太赫兹通信系统，其特征在于：所述发送端还包括数据帧成型单元，用于将同步码、帧起始符、帧长度、编码数据包以及帧结束符组合成完整的数据帧。
5.根据权利要求3所述的基于RS/LDPC编码技术的太赫兹通信系统，其特征在于：所述THz辐射源包括太赫兹量子级联激光器以及单行载流子二极管中的一种。
6.根据权利要求3所述的基于RS/LDPC编码技术的太赫兹通信系统，其特征在于：所述RS/LDPC码型包括RS码型以及LDPC码型中的一种。
7.根据权利要求1所述的基于RS/LDPC编码技术的太赫兹通信系统，其特征在于：所述接收端包括：THz探测器、数字解调单元、RS/LDPC译码器、以及信宿单元；
所述THz探测器用于将太赫兹波转换成电信号；
所述数字解调单元用于对模拟信号采样解调恢复成数字信号；
所述RS/LDPC译码器用于对每一帧数据中的编码数据包采用RS/LDPC译码方式进行译码纠错，提取出原始的有效数据；
所述信宿单元用于接收有效数据。
8.根据权利要求7所述的基于RS/LDPC编码技术的太赫兹通信系统，其特征在于：所述接收端还包括数据帧同步解析单元，用于从所述数字解调单元解调的数字信号中提取同步信号，形成连续的数据帧。
9.根据权利要求7所述的基于RS/LDPC编码技术的太赫兹通信系统，其特征在于：所述THz探测器包括太赫兹量子阱探测器以及肖特基二极管中的一种。
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