CN113078947A - 相移键控结合脉冲位置调制的超奈奎斯特大气光通信方法 - Google Patents

相移键控结合脉冲位置调制的超奈奎斯特大气光通信方法 Download PDF

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Abstract

相移键控结合脉冲位置调制的超奈奎斯特大气光通信方法，在发送端，首先将发送二进制信息序列等分，将其中一半进行格雷码映射并转换为4PPM信号，另一半进行格雷码映射并转换为QPSK信号,然后把调制后的QPSK信号加载到4PPM信号上形成4PPM‑QPSK混合信号，该信号经超奈奎斯特成形滤波器形成QPSK‑4PPM‑FTN信号。从而实现传输速率大于奈奎斯特速率；收端通过采用匹配滤波器、超奈奎斯特采样和平方器检测4PPM信号以及硬判决实现QPSK信号的恢复。相比于传统无线光通信系统，FTN技术的引入有效提高了系统传输速率，对新型大气光通信系统的设计具有参考价值。

Description

相移键控结合脉冲位置调制的超奈奎斯特大气光通信方法
技术领域
本发明涉及一种相移键控结合脉冲位置调制的超奈奎斯特大气光通信方法，该方法将4进制相移键控(QPSK,Quadrature Phase Shift Keying)、4阶脉冲位置调制(4PPM,Pulse Position Modulation)与超奈奎斯特(FTN,Faster-than-Nyquist)技术相结合，进一步提高了大气光通信系统的传输速率，属于无线光通信技术领域。
背景技术
随无线通信网络对网络容量、速率和延迟的要求不断增长。大气激光通信作为下一代通信的备选技术之一具有频谱不受限、链路灵活等优点。但是大气激光通信系统易受天气、气溶胶以及湍流的影响，导致系统的传输性能受到影响。为了解决这一问题，科研人员提出了高阶调制技术、波分复用技术以及FTN速率传输技术等方法补偿链路的缺陷。其中，FTN技术是一种新型的非正交传输技术，它可有效提高系统的传输速率。同时，将它与高阶调制、波分复用等技术相结合可以提升系统性能。
FTN技术在微波通信与光纤通信领域的研究已取得了丰富的成果。在自由空间光通信领域，技术人员将FTN技术引入室内可见光通信系统中，实现了1.5m传输距离下1.47Gb/s的传输速率。众多研究表明将FTN技术从无线和光纤领域扩展到大气光通信系统中，其应用场景和前景将更加丰富和广阔。但是室外大气信道中存在着复杂的不确定因素，导致通信系统的性能变差。因此对于湍流信道下的FTN大气光通信系统就成了急需研究的问题。另一方面，PPM调制技术具有实现简单，QPSK调制设备成本低以及抗干扰能力强等优点。因此，将FTN技术与PPM-QPSK混合调制相结合，构建QPSK-4PPM-FTN大气光传输方法，并分析其在弱湍流(Gamma-Gamma)信道中的误码性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种相移键控结合脉冲位置调制的超奈奎斯特大气光通信方法，通过引入FTN技术以及混合调制来提高大气光通信系统的传输速率。其特征在于通过引入超奈奎斯特技术，从而使符号传输速率大于奈奎斯特速率。在此基础上，给出了弱湍流信道下该方法的理论误码率；具体步骤如下：
步骤1：在发送端，首先将发送二进制信息序列等分，将其中一半进行格雷码映射并转换为4PPM信号，另一半进行格雷码映射并转换为QPSK信号,然后把映射后的QPSK信号加载到映射后的4PPM信号上形成QPSK-4PPM混合信号，该信号经超奈奎斯特成形滤波器形成QPSK-4PPM-FTN信号：
SQPSK-4PPM＝[SQPSK 0 0 0]
Figure BDA0003019047200000011
其中，E为符号脉冲能量，τ为加速因子(0<τ<1)，r(t)为脉冲波形，T为码元周期；
步骤2：将步骤1得到的超奈奎斯特信号调制到激光上并由光学天线发出：
步骤3：激光经服从Gamma-Gamma分布的弱湍流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并通过匹配滤波器，再以τT为时间间隔进行采样，得到相应的码元波形。接收信号Su(t)表示为：
Su(t)＝h·Sop(t)+Zn(t)
其中h为信道系数，Sop(t)发射端光信号，Zn(t)信道噪声；
步骤4：对采样后的码元信号，首先进行平方器检测判决出4PPM信号，检测出携带信息脉冲位置后再利用硬判决恢复出QPSK信号信息。以x路信号表示：
Figure BDA0003019047200000021
其中Zk为平方器输出，Zulkx表示k时隙x路噪声，xkp表示k时隙x路信号；
Figure BDA0003019047200000022
其中
Figure BDA0003019047200000023
或
Figure BDA0003019047200000024
为经过线性补偿后信号，v为判决阈值；
步骤5：上述步骤完成后，可以用下述公式计算本方法的理论误码率：
Figure BDA0003019047200000025
其中BER4PPM代表的是4PPM的误码率，SER4PPM代表4PPM的误符号率，ABERFTN-QPSK代表QPSK的误码率。需要指出的是4PPM的BER上限为；
Figure BDA0003019047200000026
本发明的益处在于：在大气光通信中将FTN技术与4PPM-QPSK调制方式相结合，把信号打包的更为紧密，从而进一步超过奈奎斯特速率的限制，有效提高了大气光通信系统的传输速率。为解决大气光通信中大容量、高速率的传输要求提供了一种有效措施。
附图说明
图1为QPSK-4PPM-FTN大气光通信系统框图，图2为理论误码率与仿真误码率的对比，图3为误码率与信噪比的关系，图4为误码率与加速因子的关系。
具体实施方式
本发明提出了一种相移键控结合脉冲位置调制的超奈奎斯特大气光通信方法。该方法在大气光通信中引入FTN技术并与4PPM调制方式相结合，从而突破奈奎斯特准则限制，进一步提高系统的传输速率。下面结合附图以具体实施例来详细说明本发明
本发明通过如下技术措施来达到：
1.基本假设
本发明采用4PPM-QPSK混合，信道状态服从Gamma-Gamma分布，假设背景光已被滤波器滤除，仅考虑加性高斯白噪声。该假设是此类系统的典型情况，非本发明的特殊要求。
2.具体实施方法
根据图1中的系统框图，在发送端，首先将二进制信息序列进行格雷编码后映射为4PPM-QPSK信号，然后经FTN成形滤波器形成FTN信号。
Figure BDA0003019047200000027
信号经大气信道传输后，在接收端可以表示为r(t)＝h(t)×s(t)+z(t)，其中z(t)为加性高斯白噪声，h(t)为信道衰落系数。当信道为弱湍流时，信道衰落系数服从Gamma-Gamma分布，其概率密度函数为
Figure BDA0003019047200000028
其中，kV(·)为V阶第二类修正Bessel函数，Γ(·)为Gamma函数，α为大尺度散射系数，β为小尺度散射系数
将成型后的超奈奎斯特信号经过数模转换后经光学天线发出，信号可表示为；
Figure BDA0003019047200000031
本振光信号(LO)为
Figure BDA0003019047200000032
其中，Plo为本振光光功率，ωoc光频率，φoc为初始相位光信号r(t)由PD转换为电信号后通过匹配滤波器，再以τT为时间间隔对其进行采样，得到的码元波形值可描述为
Figure BDA0003019047200000033
Figure BDA0003019047200000034
其中，
Figure BDA0003019047200000035
为FTN引入的码间干扰系数，
平方器判决时隙，判决公式如下
Figure BDA0003019047200000036
或
Figure BDA0003019047200000037
对采样后的信号进行恒模线性均衡器补偿，判决时为
Figure BDA0003019047200000038
Figure BDA0003019047200000039
设置阈值v对变量进行判决，即可以还原出原始数据，规则如下
Figure BDA00030190472000000310
3.误码性能
根据0和1码等概率出现
BERFTN-QPSK＝(BER(X)+BER(Y))/2 (12)
系统瞬时误码率为
Figure BDA00030190472000000311
Gamma-Gamma信道中的误码率可表示为
Figure BDA00030190472000000312
利用MeijerG函数的性质，上式可化简为
Figure BDA0003019047200000041
其中，r＝SNR＝2η2PocPlo/N0为信噪比。
其中4PPM的误码率公式为
Figure BDA0003019047200000042
其中，Zmin由脉冲时隙能量最小值。ρ0(·)和ρ1(·)为卡方分布概率密度。
则4PPM-QPSK-FTN混合调制总的BER可表示为
Figure BDA0003019047200000043
其中BER4PPM代表的是4PPM的误码率，SER4PPM代表4PPM的误符号率，ABERFTN-QPSK代表QPSK的误码率。需要指出的是4PPM的BER上限为；
Figure BDA0003019047200000044
由(16)式可知，系统误码率的上界与信号间的汉明距离、传输距离、波长、大气湍流折射率结构常数、超奈奎斯特速率传输、光电转换系数有关。
为了进一步说明本发明的正确性以及大气湍流对系统误码率的影响，在上述理论分析的基础上，采用蒙特卡罗方法分析了QPSK-4PPM-FTN方案在Gamma湍流信道中的误码性能。仿真条件如下：系统误码限设为3.8×10-3，光电转换系数为0.5，λ为1550nm，Cn 2为7×10-15m-23，L为1600m。
图2为系统误码率理论值与蒙特卡洛仿真结果之间的关系。可以看出：理论误码率曲线处于仿真误码率曲线的上方，且随着信噪比增大，两者趋于重合。说明仿真结果与理论推导的结果较为一致。
图3表示不同加速因子下系统误码率与信噪比之间的关系，可以看出：当τ在0.9～1间时，两条误码率曲线近似重合，说明误码性能近似不变；当τ在0.8时，虽然系统误码性能有所降低，但是系统仍能保证较好的通信性能；当τ小于0.8时，误码性会出现明显恶化，导致系统误码率高于误码限，丧失可靠的通信能力。造成这一问题的原因是随着加速因子的不断减小，信号波形之间重叠部分不断增加，导致了越来越严重的码间干扰。
图4展示了系统误码率随加速因子的变化情况。可以发现，随着加速因子的增大，系统误码性能越来越好。当τ在0.9～1.0之间时，系统误码性能存在微小变化并可以近似为平滑直线，这时系统的误码性能与Nyquist系统近似保持一致。
通过以上实施方式的描述，所属领域的技术人员对本发明关于现有技术的贡献部分可以通过软件或硬件来执行本发明实施例所述的方法。

Claims (1)

1.相移键控结合脉冲位置调制的超奈奎斯特大气光通信方法，其特征在于通过引入超奈奎斯特技术以及QPSK和4PPM混合调制，从而使符号传输速率大于奈奎斯特速率；其步骤为：
步骤(1)：在发送端，首先将发送二进制信息序列等分，将其中一半进行格雷码映射并转换为4PPM信号，另一半进行格雷码映射并转换为QPSK信号，然后把映射后的QPSK信号加载到映射后的4PPM信号上形成4PPM-QPSK混合信号，该信号经超奈奎斯特成形滤波器形成QPSK-4PPM-FTN信号；
SQPSK-4PPM＝[SQPSK 0 0 0]
Figure FDA0003019047190000011
其中，E为符号脉冲能量，τ为加速因子(0<τ<1)，r(t)为脉冲波形，T为码元周期；
步骤(2)：将步骤1得到的超奈奎斯特信号调制到激光上并由光学天线发出；
步骤(3)：激光经服从Gamma-Gamma分布的弱湍流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并通过匹配滤波器，再以τT为时间间隔进行采样，得到相应的码元波形；接收信号Su(t)表示为；
Su(t)＝h·Sop(t)+Zn(t)
其中，h为信道系数，Sop(t)发射端光信号，Zn(t)信道噪声；
步骤(4)：对采样后的码元信号，首先进行平方器检测判决出4PPM信号，检测出携带信息脉冲位置后再利用硬判决恢复出QPSK信号信息，以x路信号表示：
Figure FDA0003019047190000012
其中，Zk为平方器输出，Zul,kx表示k时隙x路噪声，xkp表示k时隙x路信号：
Figure FDA0003019047190000013
其中，
Figure FDA0003019047190000014
或
Figure FDA0003019047190000015
为经过线性补偿后信号，v为判决阈值；
步骤(5)：上述步骤完成后，可以用下述公式计算本方法的理论误码率：
Figure FDA0003019047190000016
其中，BER4PPM代表的是4PPM的误码率，SER4PPM代表4PPM的误符号率，ABERFTN-QPSK代表QPSK的误码率。
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