CN115208465B - 基于异步时延估算方法的激光通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光通信领域，尤其涉及一种异步时延估算方法及应用，具体应用于结构为两个发射机、一个接收机的光脉冲位置调制系统。通过流程算法确定似然函数矩阵，再通过似然函数矩阵分别估算两个链路的时延时隙数的整数部分和小数部分。本发明提出了一种应用于结构为两个发射机、一个接收机的光脉冲位置调制系统的异步时延估算方法，该估算方法具有无偏性和有效性。估算后的时延值可以为后续均衡模块提供输入，从而消除码间串扰。

Description

基于异步时延估算方法的激光通信系统

技术领域

本发明涉及激光通信领域，尤其涉及一种异步时延估算方法，具体应用于结构为两个发射机、一个接收机的光脉冲位置调制系统。

背景技术

现今在通信领域中，激光通信因其具有容量大、抗电磁干扰能力强、不需频率授权等优点被广泛应用。在激光通信系统中，光时延是一个重要参数，对光时延的测量和控制精度影响系统的性能，因而现有光载系统要求测量技术能兼顾大范围、高精度、多点测量等指标。脉冲位置调制技术作为常用的光时延调制方式，在单个信号发射机系统中表现良好。但在实际应用中，一般用多个信号发射机发送相同的信息从而实现发射分集技术，每个信号发射机都与接收机可以建立一条通信链路，因此就会存在光程差的问题，需要对系统的光延时进行估算，估算后的时延值可以给后续均衡模块提供输入，从而消除码间串扰。现有的对光脉冲位置调制的时延估算方法中，大多时延估算研究集中在点对点系统。尚未有论文或者专利对应用于光子计数的两个发射机、一个接收机的光脉冲位置调制系统进行时延估算。

发明内容

本发明为解决上述问题，提出了一种应用于结构为两个发射机、一个接收机的光脉冲位置调制系统的异步时延估算方法，该估算方法具有无偏性和有效性。估算后的时延值可以为后续均衡模块提供输入，从而消除码间串扰。

本发明提供的异步时延估算方法，步骤如下：

S1、叠加时隙内的光子数，计算时隙的等效观测值y_n；

S2、初始化外层循环变量k₁、似然函数矩阵L、小数存储矩阵Q₁和Q₂；

S3、更新内层变量初值k₂；

S4、计算时延时隙数τ₁和τ₂的小数部分ε₁和ε₂的估计值 并分别储存在小数存储矩阵Q₁和Q₂的第k₁行第k₂列；

S5、求出似然函数矩阵L，并确定似然函数矩阵L中的最大值，其位置为第行第/>列；其中，步骤S5具体包括如下步骤：

步骤S51、计算似然函数值并将似然函数矩阵L的第k₁行第k₂列的值更新为/>

步骤S52、判断k₂是否等于k₁+P-1，如果是，则跳转到步骤S54，如果否，则跳转至步骤S53；

步骤S53、令k₂＝k₂+1，跳转到S4；

步骤S54、如果k₁＝M+P，则跳转到S6，否则跳转到步骤S55，其中M表示数据时隙的数量、P表示保护时隙的数量；

步骤S55、令k₁＝k₁+1，跳转到S3；

S6、计算时延时隙数τ₁和τ₂的估算值和/>其中，步骤S6具体包括如下步骤：

步骤S61、估算时延时隙数τ₁和τ₂的整数部分i₁和i₂为和/>

步骤S62、分别找到小数存储矩阵Q₁和Q₂中的第行第/>列的元素，其值分别为与/>，估算时延时隙数τ₁和τ₂的小数部分ε₁和ε₂为/>和/>

步骤S63、计算和/>

优选的，小数部分ε₁的估算值的计算公式如下：

小数部分ε₂的估计值的计算公式如下：

其中，mod表示取余数，例如(A)mod(B)代表：求A除以B的余数，K_s和K_b分别代表每一个时隙的平均信号的光子数和噪声光子数，N表示调制单元的数量，M表示数据时隙的数量，P表示保护时隙的数量，y_n表示等效观测值(n取值为1，2，…，M+P)。

优选的，似然函数矩阵值的计算公式如下：

发明的异步时延估算方法在激光通信系统中的应用，激光通信系统包括两个发射机和一个接收机，两个发射机采用光子计数接收机，激光通信系统的调制方式为脉冲位置调制。

优选的，脉冲位置调制的脉冲信号划分为a个相同的调制单元，a表示任意正整数，每个调制单元包括：M+P个时隙，其中M个数据时隙、P个保护时隙。

优选的，保护时隙中不存在信号脉冲。

优选的，时延时隙数τ₁和τ₂为两个发射机的信号与接收机的基准线的时延时隙数，两个发射机的信号的时延时隙数差小于保护时隙的长度。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提出了一种异步时延估算方法，具体应用于结构为两个发射机、一个接收机的光脉冲位置调制系统，同时对于多个发射机、一个接收机的光脉冲位置调制系统也具有启示作用。该估算方法具有无偏性和有效性，并且随着调制单元的数量N的增大，估算值的方差会进一步减小。估算后的时延值可以为后续均衡模块提供输入，从而消除码间串扰。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的异步时延估算方法的流程图；

图2是根据本发明实施例提供的两个发射机、一个接收机的激光通信系统的信号传输原理图；

图3是根据本发明实施例提供的时延时隙数的估算值的方差与克罗美罗边界对比图；

图4是根据本发明实施例提供的时延时隙数的估算值的方差与克罗美罗边界对比图。

其中的附图标记包括：

第一发射机1、第二发射机2、接收机3、调制单元4；

第一发射机的发射信号1L、第二发射机的发射信号2L、接收机的接收信号3L；

数据时隙的数量M、保护时隙的数量P。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

在本实施案例中，异步时延估算方法应用于两个发射机、一个接收机的激光通信系统，系统采用光子计数接收机，调制方式采用脉冲位置调试。

图1示出了根据本发明实施例提供的异步时延估算方法的流程图。

图2是示出了根据本发明实施例提供的两个发射机、一个接收机的激光通信系统的信号传输原理图。

如图2所示，本发明实施例提供的激光通信系统包括：第一发射机1、第二发射机2、接收机3。

在本实施案例的激光通信系统中，第一发射机1与接收机3建立小延迟链路，时延时隙数为τ₁；第二发射机2与接收机3建立大延迟链路时延时隙数为τ₂。用i₁和i₂分别代表时延时隙数τ₁与τ₂的整数部分，用ε₁和ε₂分别代表时延时隙数τ₁与τ₂的小数部分。数据时隙中脉冲均匀分布，而保护时隙中没有脉冲信号，两条链路的时延差小于保护时隙的长度。在每个脉冲位置的调制单元4中，包含M+P个时隙，其中数据时隙的数量M，保护时隙的数量P。

结合图1与图2所示：

本发明实施例中，第一发射机1、第二发射机2发射激光信号并分别与接收机3建立不同的延迟链路，激光通信系统调制方式采用激光位置调制。

本发明实施案例中，运用异步时延估算方法估算时延时隙数的估算值和/>的步骤如下：

S1、根据接收机3接收到的N个调制单元4，将每个调制单元4内的第n个时隙的光子数进行叠加，得到第n个时隙的等效观测值y_n，公式为其中n分别取值1，2，…，M+P，计算得到等效观测量y₁，y₂，…，y_M+P。

S2、初始化异步时延估算方法的外层循环变量k₁＝1。初始化M+P行M+P列的似然函数矩阵L中每一个元素为负无穷，初始化M+P行M+P列的小数存储矩阵Q₁和Q₂中每一个元素为0。

S3、更新异步时延估算方法的内层循环变量初始值k₂＝k₁+1。

S4、计算时延时隙数τ₁和τ₂的小数部分ε₁和ε₂的估计值 并分别储存在小数存储矩阵Q₁和Q₂中的第k₁行第k₂列计算公式如下：

其中，mod表示取余数，例如(A)mod(B)代表：求A除以B的余数，K_s和K_b分别代表每一个时隙的平均信号的光子数和噪声光子数，N表示调制单元的数量，M表示数据时隙的数量，P表示保护时隙的数量，y_n表示等效观测值(n取值为1，2，…，M+P)。

S5、确定似然函数矩阵值L(ε₁,ε₂；k₁,k₂)，并确定似然函数矩阵L中的最大值，其位置为第行第/>列。

步骤S51、计算似然函数矩阵值L(ε₁,ε₂；k₁,k₂)，并将似然函数矩阵L的第k₁行第k₂列的值更新为(ε₁，ε₂，k₁，k₂)，计算公式如下：

步骤S52、判断k₂是否等于k₁+P-1，如果是，则跳转到步骤S54继续运算，如果否，则跳转至步骤S53继续运算。

步骤S53、令k₂＝k₂+1，跳转到S4继续运算。

步骤S54、如果k₁＝M+P，则跳转到S6，否则跳转到步骤S55继续运算。

步骤S55、令k₁＝k₁+1，跳转到S3继续运算。

S6、计算时延时隙数τ₁和τ₂的估算值和/>

步骤S61、估算时延时隙数τ₁和τ₂的整数部分i₁和i₂为和/>

步骤S62、分别找到所述小数存储矩阵Q₁和Q₂中的第行第/>列的元素，其值分别为与/>，估算时延时隙数τ₁和τ₂的小数部分ε₁和ε₂为/>和/>

步骤S63、计算和/>

综上，运用异步时延估算方法得到时延时隙数的估算值和/>下面对得到的估算值进行无偏性和有效性的验证。

无偏性验证：计算和/>的数学期望，公式如下：

其中，E代表期望运算，例如E[A]，表示对A求期望。

对上式推导可得：

验证了通过本发明方法估算得到的时延时隙数的估算值具有无偏性。

有效性验证：通过仿真方法计算时延时隙数的估算值的方差，把方差与克罗美罗边界(CRB)对比。

本实施案例的仿真参数设置如下，数据时隙的数量M取16，保护时隙的数量P取8。K_s和K_b分别取0.25和0.00005。其中，K_s和K_b分别代表每一个时隙的平均信号光子数和噪声光子数。

图3是根据本发明实施例提供的时延时隙数的估算值的方差与克罗美罗边界对比图。

图4是根据本发明实施例提供的时延时隙数的估算值的方差与克罗美罗边界对比图。

如图3和图4所示：分别仿真了时延时隙数的估算值和/>的方差，随着调制单元4的数量N的变化而变化，可以看出时延时隙数的估算值的均方差贴近克罗美罗边界。从而说明本专利提出的异步时延估算方法具有有效性。并且随着调制单元4的数量N的增加，估计值的方差进一步减小。

综上，证明本发明提出的异步时延估算方法具有无偏性和有效性，并且随着调制单元的数量的增加，时延时隙数的估算值的方差进一步减小，估算后的时延时隙数的估算值可以为后续均衡模块提供输入，从而消除码间串扰。虽然本发明应用于结构为两个发射机、一个接收机的光脉冲位置调制系统，但是对于多个发射机、一个接收机的光脉冲位置调制系统的时延时隙数的估算也具有启示作用。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于异步时延估算方法的激光通信系统，特征在于，包括两个发射机和一个接收机，两个发射机采用光子计数接收机，系统的调制方式为脉冲位置调制，计算系统的时延时隙数的估算值包括以下步骤：

S1、叠加时隙内的光子数，计算所述时隙的等效观测值y_n；

S2、初始化外层循环变量k₁、似然函数矩阵L、小数存储矩阵Q₁和Q₂；

S3、更新内层变量初值k₂；

S4、计算时延时隙数τ₁和τ₂的小数部分ε₁和ε₂的估计值 并分别储存在所述小数存储矩阵Q₁和Q₂的第k₁行第k₂列；

所述小数部分ε₁的估算值的计算公式如下：

所述小数部分ε₂的估计值的计算公式如下：

其中，mod表示取余数，例如(A)mod(B)代表：求A除以B的余数，K_s和K_b分别代表每一个时隙的平均信号的光子数和噪声光子数，N表示调制单元的数量，M表示数据时隙的数量，P表示保护时隙的数量，y_n表示等效观测值，n取值为1，2，…，M+P；

S5、求出所述似然函数矩阵L，并确定所述似然函数矩阵L中的最大值，其位置为第行第/>列；其中，步骤S5具体包括如下步骤：

步骤S51、计算似然函数值并将所述似然函数矩阵L的第k₁行第k₂列的值更新为/>

所述似然函数值的计算公式如下：

步骤S52、判断k₂是否等于k₁+P-1，如果是，则跳转到步骤S54，如果否，则跳转至步骤S53；

步骤S53、令k₂＝k₂+1，跳转到S4；

步骤S54、如果k₁＝M+P，则跳转到S6，否则跳转到步骤S55，其中M表示数据时隙的数量、P表示保护时隙的数量；

步骤S55、令k₁＝k₁+1，跳转到S3；

S6、计算所述时延时隙数τ₁和τ₂的估算值和/>其中，步骤S6具体包括如下步骤：

步骤S61、估算所述时延时隙数τ₁和τ₂的整数部分i₁和i₂为和/>

步骤S62、分别找到所述小数存储矩阵Q₁和Q₂中的第行第/>列的元素，其值分别为与/>估算所述时延时隙数τ₁和τ₂的小数部分ε₁和ε₂为/>和/>

步骤S63、计算和/>

2.如权利要求1所述的基于异步时延估算方法的激光通信系统，其特征在于，所述脉冲位置调制的脉冲信号划分为至少两个相同的调制单元，每个所述调制单元包括：M+P个时隙，其中，所述时隙包括M个数据时隙和P个保护时隙。

3.如权利要求1所述的基于异步时延估算方法的激光通信系统，其特征在于，所述保护时隙中不存在信号脉冲。

4.如权利要求1所述的基于异步时延估算方法的激光通信系统，其特征在于，所述时延时隙数τ₁和τ₂为两个所述发射机的信号与接收机的基准线的时延时隙数，两个所述发射机的信号的延时隙数差小于所述保护时隙的长度。