CN112235217A - 一种基于无线光ftn通信系统的自适应预均衡方法 - Google Patents

一种基于无线光ftn通信系统的自适应预均衡方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种基于无线光FTN通信系统的自适应预均衡方法，包括：在发送端，首先将二进制比特流调制成4PAM信号，然后依据滤波器参数和4PAM信号计算出不同加速因子对应的干扰权值表；将步骤1中的4PAM信号通过成型滤波器形成超奈奎斯特FTN信号；根据FTN成型时所取加速因子的值自适应地在步骤1得到的干扰权值表中选择出对应的干扰权值，然后再通过点对点的方式将FTN信号与干扰权值相减，得到自适应预均衡后的输出信号。本申请在发送端通过自适应预均衡技术，即依据加速因子取不同值时的干扰权值表逐点消除FTN成型时产生的干扰值，从而保证在增加传输速率的同时，系统误码性能等同于奈奎斯特传输系统。

Description

一种基于无线光FTN通信系统的自适应预均衡方法
技术领域
本申请属于无线光FTN通信技术领域，具体涉及一种基于无线光FTN通信系统的自适应预均衡方法。
背景技术
1975年Mazo提出了超奈奎斯特速率传输的概念，证明了当加速因子大于等于某个阈值时(mazo限)，在不增加传输带宽、不损失性能的前提下，FTN(Faster-Than-Nyquist，超奈圭斯特)技术可以使系统传输更多的符号。因此，与传统的正交调制系统相比，FTN传输系统具有广阔的发展前景。但是由于当时技术发展的限制，并未引起广泛的关注。
近年来，随着数字信号处理技术的高速发展以及人们对高速传输的追求，FTN技术逐渐受到人们的青睐。为了追求更高的传输速率，不得不采取更小的加速因子，当加速因子的取值小于mazo限时，系统的可靠性大幅度降低。针对此缺陷，研究者提出通过后置均衡降低码间干扰的影响。如：针对二维FTN信号的传输，提出了一种基于连续干扰抵消的接收机，有效提高了系统的误码性能。另外，研究人员在接收机中使用Tubor均衡器对信号进行补偿，系统的误码性能得到明显改善。上述关于在接收机中对于如何补偿码间干扰问题的研究具有重要意义，但是后置均衡器并不能完全消除人为引入的码间干扰。后来，研究者针对码间干扰问题在发射机中做了相关研究。例如，在FTN系统中提出采用预均衡技术替代接收机中复杂的均衡算法，该技术能够使系统提供高频谱效率的同时获得最优的误码性能，然而此技术并未完全解决人为引入的码间干扰问题，同时也没有提及加速因子较小时系统的误码性能。
发明内容：
有鉴于此，本申请提出一种基于无线光FTN通信系统的自适应预均衡方法，以实现在增加传输速率的同时，系统误码性能不会降低。为实现上述目的，本申请采用的技术方案如下：
一种基于无线光FTN通信系统的自适应预均衡方法，包括：
步骤1：在发送端，首先将二进制比特流调制成4PAM信号，然后依据滤波器参数和4PAM信号计算出不同加速因子对应的干扰权值表；
步骤2：将步骤1中的4PAM信号通过成型滤波器形成超奈奎斯特FTN信号，其时域形式表示为
Figure BDA0002728259290000021
式中，bi∈B，为发送的4PAM信号中第i个符号，B＝{ar＝2r-1-R,r＝1,2,…,R}，R为PAM调制阶数，T为码元周期，g(t)为成型滤波器的时域函数，c表示每帧传输的已调总符号数，加速因子τ＝p2/p1，p2表示FTN成型时采样因子，p1表示滤波器每段的采样点数；
步骤3：根据FTN成型时所取加速因子的值自适应地在步骤1得到的干扰权值表中选择出对应的干扰权值，然后再通过点对点的方式将FTN信号与干扰权值相减，得到自适应预均衡后的输出信号，其矢量表达式为
Figure BDA0002728259290000022
其中S为FTN信号矢量，Z为干扰权值矢量，S′为预均衡后的输出信号矢量，span为成型滤波器的截断段数。
可选的，所述自适应预均衡方法还包括：
步骤4：将上述经过自适应预均衡后的输出信号进行数/模转换，然后通过调制器调制到激光上形成激光信号发送出去；
步骤5：所述激光信号经大气信道后到达光学接收天线，接收天线接收所述激光信号，并对其依次进行光电检测和模/数转换，且经模/数转换后的信号表达式为：
R＝η×H·S'+Γ
其中η为光电转换系数，H为信道衰落系数矢量，Γ为加性高斯白噪声矢量；
步骤6：然后对模数转换后的信号进行超奈奎斯特抽样，抽样间隔为p2，信号抽样值可表示为
Figure BDA0002728259290000031
Figure BDA0002728259290000032
Figure BDA0002728259290000033
Figure BDA0002728259290000034
其中，hn为信道衰落系数，s'为预均衡后的信号，γ为加性高斯白噪声；
步骤7：采用最大似然序列检测算法对得到的抽样值进行判决，判决公式为
Figure BDA0002728259290000035
式中：
Figure BDA0002728259290000036
表示估计出的符号，
Figure BDA0002728259290000037
表示2范数，判决后的信号再经解映射恢复出原始比特信息。
可选的，所述二进制比特流在调制成4PAM信号前，先进行格雷码编码。
可选的，所述成型滤波器为升余弦滤波器。
与现有技术相比，本申请具有以下有益的技术效果：
(1)本申请在发送端通过自适应预均衡技术，即依据加速因子取不同值时的干扰权值表逐点消除FTN成型时产生的干扰值，从而保证在增加传输速率的同时，系统误码性能等同于奈奎斯特传输系统；
(2)本申请可以使FTN传输系统保持与正交传输系统具有相同可靠性的条件下，通过采取较小的加速因子来获取更高的传输速率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。
图1为本申请基于无线光FTN通信系统的自适应预均衡方法原理图；
图2为本申请4PAM信号值图；
图3为本申请FTN信号抽样值图；
图4为本申请FTN信号的波形图；
图5为本申请自适应预均衡后的信号波形图；
图6为本申请FTN成型前后与预均衡后信号幅频特性对比图；
图7为本申请4PAM信号值与预均衡后信号抽样值对比图；
图8为本申请加速因子为0.4时误码率与信噪比的关系图；
图9为本申请加速因子为0.2时误码率与信噪比的关系图；
图10为本申请加速因子与误码率的关系图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
本申请提出一种基于无线光FTN通信系统的自适应预均衡方法，具体包括：
步骤1：在发送端，首先将二进制比特流调制成4PAM信号，然后依据滤波器参数和4PAM信号计算出不同加速因子对应的干扰权值表；
在具体实施时，本申请成型滤波器g(t)可采用带有滚降系数的归一化升余弦滤波器，滤波器的截断段数为span，每段的采样点数为p1,即表示奈奎斯特传输间隔T＝p1，则滤波器的长度表示为L＝span×p1+1。即g(t)用矢量形式表示为
G＝[g1 g2 … gL-1 gL] (1)
其中
Figure BDA0002728259290000051
表示滤波器系数的最大点，也是对接收信号的抽样点。
其中，所述加速因子的取值由成型滤波器特性决定。由于4PAM信号及滤波器特性在发端已知，因此根据加速因子的取值可计算出FTN成型时产生的干扰权值。
作为可选的实施方式，所述二进制比特流在调制成4PAM信号前，可先进行格雷码编码。
实施例：假设成型滤波器g(t)采用带有滚降系数的归一化升余弦滤波器，且span设为6，p1设为10，则根据前面论述可知滤波器长度为61。
以p2表示FTN成型时采样因子，由奈奎斯特传输间隔可知p2的取值为10时，表示正交传输系统，即符号间不存在干扰。本文定义QS[data]为取商，因此依据加速因子和滤波器长度即可确定拖尾影响的符号数为
Figure BDA0002728259290000052
当p2的取值为9时，表示τ为0.9，依据式(2)可计算出当前符号受前后共6个符号的拖尾影响，所以对于每个符号的干扰权值为
w1＝g22b2+g13b3+g4b4
w2＝g40b1+g22b3+g13b4+g4b5
w3＝g49b1+g40b2+g22b4+g13b5+g4b6
Figure BDA0002728259290000053
wi＝g58bi-3+g49bi-2+g40bi-1+g22bi+1+g13bi+2+g4bi+3
Figure BDA0002728259290000054
wc-2＝g58bc-5+g49bc-4+g40bc-3+g22bc-1+g13bc
wc-1＝g58bc-4+g49bc-3+g40bc-2+g22bc
wc＝g58bc-3+g49bc-2+g40bc-1 (3)
同理，可计算出p2的取值为8、7、6、5、4、3、2、1时当前符号分别受前后共6、8、10、12、14、18、30、60个符号拖尾的干扰。因此可表示出不同加速因子下FTN成型时产生的干扰权值表如表1。
表1
0 0 … 0 τ＝1 w<sub>1</sub> w<sub>2</sub> … w<sub>c</sub> τ＝0.9
w<sub>1</sub> w<sub>2</sub> … w<sub>c</sub> τ＝0.8 w<sub>1</sub> w<sub>2</sub> … w<sub>c</sub> τ＝0.7
w<sub>1</sub> w<sub>2</sub> … w<sub>c</sub> τ＝0.6 w<sub>1</sub> w<sub>2</sub> … w<sub>c</sub> τ＝0.5
w<sub>1</sub> w<sub>2</sub> … w<sub>c</sub> τ＝0.4 w<sub>1</sub> w<sub>2</sub> … w<sub>c</sub> τ＝0.3
w<sub>1</sub> w<sub>2</sub> … w<sub>c</sub> τ＝0.2 w<sub>1</sub> w<sub>2</sub> … w<sub>c</sub> τ＝0.1
因此根据表1可表示出FTN成型时产生的干扰值在时域上的表达式为
Figure BDA0002728259290000061
为了更形象地表示所提算法的理论过程，将s(t)、z(t)以矢量形式表示为
Figure BDA0002728259290000062
Figure BDA0002728259290000063
步骤2：将步骤1中的4PAM信号通过成型滤波器形成超奈奎斯特FTN信号；
如图1所示，假设4PAM信号表示为B＝[b1 b2 … bc]，将B中的信号值分别与G相乘并且延迟τT后再叠加得到FTN信号。那么系统中FTN信号的时域表达式可表示为
Figure BDA0002728259290000064
式中，bi∈B，为发送的4PAM信号中第i个符号，B＝{ar＝2r-1-R,r＝1,2,…,R}，R为PAM调制阶数，T为码元周期，g(t)为成型滤波器的时域函数，c表示每帧传输的已调总符号数，加速因子τ＝p2/p1，p2表示FTN成型时采样因子，p1表示滤波器每段的采样点数。
图2及图3分别表示了4PAM信号值及FTN信号抽样值，从图3中可以看出经过FTN脉冲成型后，符号之间产生了较大的干扰，这是因为当加速因子小于1时，符号波形被进一步压缩，其间隔小于奈奎斯特间隔，以致于传输符号在该抽样点叠加了其他符号。
步骤3：根据FTN成型时所取加速因子的值自适应地在步骤1得到的干扰权值表中选择出对应的干扰权值，然后再通过点对点的方式将FTN信号与干扰权值相减，得到自适应预均衡后的输出信号，其矢量表达式为
Figure BDA0002728259290000071
其中S为FTN信号矢量，Z为干扰权值矢量，S′为预均衡后的输出信号矢量，span为成型滤波器的截断段数。
具体到上述实施例中，信号预均衡之前，首先计算τ值，然后在表1中查找与所述τ值对应的权值，则此时预均衡后的输出信号表示为
Figure BDA0002728259290000072
本申请在发送端通过自适应预均衡技术，即依据加速因子取不同值时的干扰权值表逐点消除FTN成型时产生的干扰值，从而保证在增加传输速率的同时，系统误码性能等同于奈奎斯特传输系统，另外本申请将4PAM调制与FTN技术相结合提高传输速率。
作为可选的实施方式，所述自适应预均衡方法还包括：
步骤4：将上述经过自适应预均衡后的输出信号进行数/模转换，然后通过调制器调制到激光上形成激光信号发送出去；
其中，所述激光信号由光学天线发射出去。
步骤5：所述激光信号经大气信道后到达光学接收天线，接收天线接收所述激光信号，并对其依次进行光电检测和模/数转换，且经模/数转换后的信号表达式为：
R＝η×H·S'+Γ
其中η为光电转换系数，H为信道衰落系数矢量，Γ为加性高斯白噪声矢量。
所述加性高斯白噪声均值为0，方差为σn 2；当信道为弱湍流时，衰落系数服从对数正态分布，其概率密度函数为
Figure BDA0002728259290000081
式中，hn为信道衰落系数，μx和σx分别为其均值和方差。对衰落强度进行归一化处理(即E[hn]＝1)可得
Figure BDA0002728259290000082
激光信号经服从对数正态分布的大气信道后到达光学接收天线，接收天线上的光电二极管将光信号转换为电信号再进行模/数转换。
步骤6：然后对模数转换后的信号进行超奈奎斯特抽样，抽样间隔为p2，信号抽样值可表示为
Figure BDA0002728259290000083
Figure BDA0002728259290000084
Figure BDA0002728259290000085
Figure BDA0002728259290000086
其中，s'为预均衡后的信号，γ为加性高斯白噪声。
抽样后信号的矢量形式表示为R'＝[y1y2y3…ym]。
步骤7：采用最大似然序列检测算法对得到的抽样值进行判决，判决公式为
Figure BDA0002728259290000087
式中：
Figure BDA0002728259290000088
表示估计出的符号，
Figure BDA0002728259290000089
表示2范数，判决后的信号再经解映射恢复出原始比特信息。
为了进一步说明本申请的正确性以及对系统误码性能的改善程度，在上述理论分析的基础上，采用蒙特卡罗方法分析了4PAM-FTN方案在log-normal湍流信道中的误码性能。仿真参数如表2。
表2
Figure BDA0002728259290000091
通过对比图4和图5可以明显看出，图5中符号幅值跳动频率变大，这是因为信号经过预均衡处理后，FTN成型时带来的符号间串扰被抵消。图6表示了4PAM信号、FTN成型及预均衡输出三个阶段信号的对数幅频特性。从中可以发现经过预均衡后信号的幅频特性相对于均衡前得到了改善，但是与4PAM信号的幅频特性并不完全相同。这是因为经过预均衡后，信号抽样点的干扰值被抵消，但是信号抽样点外的值仍然存在，这就说明FTN信号经过预均衡后，其FTN传输特性没有改变。
为了验证发射机中自适应预均衡方案的可靠性，本文将4PAM信号与预均衡输出信号抽样值进行了对比。图7中0～99为4PAM信号点，100～199为预均衡输出信号抽样点，通过观察图中的点—值对应关系，发现两阶段信号样值完全相同，则证明了所提自适应预均衡算法在发射机中可完全消除FTN传输带来的符号间干扰。
为了说明所提算法在提高无线光FTN通信系统可靠性方面的优势，本文通过蒙特卡洛方法模拟了加速因子为0.4和0.2时系统误码率的变化曲线，结果如图8和9所示。通过观察可以发现当加速因子取值较小时，所提算法仍可以使系统获得与正交传输系统相同的误码性能。为了进一步说明本算法针对不同加速因子时的有效性，模拟了高信噪比下系统误码率随加速因子的变化曲线，如图10所示。从中可以发现当τ<＝0.8时，系统的可靠性大幅度降低。但是当在发射机中采用所提自适应均衡算法时，系统可靠性得到了极大改善，基本与正交传输系统保持同样的可靠性。因此本算法可以使FTN传输系统保持与正交传输系统具有相同可靠性的条件下，通过采取较小的加速因子来获取更高的传输速率。
上仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于无线光FTN通信系统的自适应预均衡方法，其特征在于，包括：
步骤1：在发送端，首先将二进制比特流调制成4PAM信号，然后依据滤波器参数和4PAM信号计算出不同加速因子对应的干扰权值表；
步骤2：将步骤1中的4PAM信号通过成型滤波器形成超奈奎斯特FTN信号，其时域形式表示为
Figure FDA0002728259280000011
式中，bi∈B，为发送的4PAM信号中第i个符号，B＝{ar＝2r-1-R,r＝1,2,…,R}，R为PAM调制阶数，T为码元周期，g(t)为成型滤波器的时域函数，c表示每帧传输的已调总符号数，加速因子τ＝p2/p1，p2表示FTN成型时采样因子，p1表示滤波器每段的采样点数；
步骤3：根据FTN成型时所取加速因子的值自适应地在步骤1得到的干扰权值表中选择出对应的干扰权值，然后再通过点对点的方式将FTN信号与干扰权值相减，得到自适应预均衡后的输出信号，其矢量表达式为
Figure FDA0002728259280000012
其中S为FTN信号矢量，Z为干扰权值矢量，S′为预均衡后的输出信号矢量，span为成型滤波器的截断段数。
2.如权利要求1所述的一种基于无线光FTN通信系统的自适应预均衡方法，其特征在于，所述自适应预均衡方法还包括：
步骤4：将上述经过自适应预均衡后的输出信号进行数/模转换，然后通过调制器调制到激光上形成激光信号发送出去；
步骤5：所述激光信号经大气信道后到达光学接收天线，接收天线接收所述激光信号，并对其依次进行光电检测和模/数转换，且经模/数转换后的信号表达式为：
R＝η×H·S'+Γ
其中η为光电转换系数，H为信道衰落系数矢量，Γ为加性高斯白噪声矢量；
步骤6：然后对模数转换后的信号进行超奈奎斯特抽样，抽样间隔为p2，信号抽样值可表示为
Figure FDA0002728259280000021
其中，hn为信道衰落系数，s'为预均衡后的信号，γ为加性高斯白噪声；
步骤7：采用最大似然序列检测算法对得到的抽样值进行判决，判决公式为
Figure FDA0002728259280000022
式中：
Figure FDA0002728259280000023
表示估计出的符号，
Figure FDA0002728259280000024
表示2范数，判决后的信号再经解映射恢复出原始比特信息。
3.如权利要求1或2所述的一种基于无线光FTN通信系统的自适应预均衡方法，其特征在于，所述二进制比特流在调制成4PAM信号前，先进行格雷码编码。
4.如权利要求1或2所述的一种基于无线光FTN通信系统的自适应预均衡方法，其特征在于，所述成型滤波器为升余弦滤波器。
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