专利名称：一种自适应fso-ofdm传输系统及传输方法
技术领域：
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种自适应FSO-OFDM传输系统，本发明还涉 及以此传输系统为平台，利用接收信号的高阶累积量信息准确实现盲信道估计、盲信号检 测和子载波频率盲估计的传输方法。
背景技术：
自由空间光通信(FSO)是以光束作为信息载体、在空间实现点到点或点到多点信 息传输的一种技术。该技术由于具有成本低、组网灵活、无需频率许可等优点，已成为当今 信息技术的一大研究热点。虽然自由空间光通信被人们广泛关注，但其还存在一些亟待解 决的问题①传输速率受限。②大气信道干扰。为了充分发挥FSO的潜力，支持更高的信 息传输速率和改善系统误码特性，必须采用频谱效率高、抗大气效应能力强的新型传输技 术。正交频分复用(OFDM)本质上是一种多载波传输方式，它是将一个高速串行传输的数字 流转化为多个在子信道上并行传输的低速率数据流，因此具备频谱利用率高、抗干扰能力 强和带宽扩展性好等一系列特点，已经在短距离无线接入方面得到了广泛的应用，是下一 代移动通信系统颇具竞争力的关键技术，将其应用到FSO中将会突破制约光通信发展的瓶 颈，提高光通信的信息传输速率和可靠性。OFDM技术在无线光领域中的研究才刚刚开始，研究者为了实现简单，对于所有的 子载波均采用固定的调制方式，并利用插入导频信息进行信道估计和载波频率估计，这样 系统中就会包含很多辅助信息，造成系统功率和信息速率的损失，从而降低了系统的传输 效率。同时，在自由空间光通信系统中，由于所涉及的是随机的大气信道，其信道容量是一 个具有时变性的随机变量，要最大限度的利用信道容量，必须使信息的发送速率也是一个 随信道容量变化的量，即使发送端调制方式具有自适应特性。OFDM调制技术的目的是将具 有频率选择性的宽带信道划分为若干个平坦的窄带子信道，其最大的优势之一就是能够根 据各个子信道的实际传输情况灵活的分配发送功率和信息比特，从而最大限度的利用信道 容量。因此将自适应OFDM调制技术(AOFDM)与FSO结合，根据各自特点合理建立FS0-A0FDM 系统模型，能够充分发挥各自技术的优势，最大限度的利用信道容量。
发明内容
本发明的目的是提供一种自适应FSO-OFDM传输系统，解决了现有传输系统对于 所有的子载波均采用固定的调制方式，系统的传输效率低的问题。本发明的另一目的是提供上述传输系统的传输方法。本发明所采用的技术方案是，一种自适应FSO-OFDM传输系统，包括依次连接的 AOFDM发射部分、光上变频模块、光下变频模块及AOFDM接收部分，AOFDM发射部分包括依次 连接的信道建模模块、自适应调制模块、串并变换模块a、IFFT变换模块、加载保护间隔模 块、并串变换模块a及数模转换模块，AOFDM发射部分通过数模转换模块与光上变频模块相 连接；AOFDM接收部分包括依次连接的载波频率同步模块、模数转换模块、信道估计模块、串并变换模块b、去保护间隔模块、FFT变换模块、并串变换模块b、信号检测模块及自适应 解调模块，AOFDM接收部分通过载波频率同步模块与光下变频模块相连接，光上变频模块及 光下变频模块通过大气通道进行数据传输，自适应调制模块还与信道估计模块相连接。本发明所采用的另一技术方案是，一种自适应FSO-OFDM传输方法，具体按照以下 步骤实施步骤1 用蒙特卡洛方法搭建FSO-OFDM系统模型，根据FSO-OFDM系统模型的传输 特性，建立信道模型，将信道模型的信息传递给自适应调制模块；步骤2 自适应调制模块根据得到的信道模型的信息选择调制方式，根据选择的 调制方式对输入的信源信息进行自适应调制，得到已调信号；步骤3:将步骤2得到的已调信号传递给串并变换模块a进行变换，得到已调信号 并行数据流；步骤4 将步骤3得到的已调信号并行数据流传递给IFFT变换模块进行逆傅里叶 变化，得到OFDM信号；步骤5 将步骤4得到的OFDM信号传递给加载保护间隔模块，进行加载保护间隔；步骤6 将步骤5得到的加载保护间隔的OFDM信号传递给并串变换模块a进行变 换，得到OFDM信号串行数据流；步骤7 将步骤6得到的OFDM信号串行数据流传递给数模转换模块进行数模转 换，得到模拟信息；步骤8 将步骤7得到的模拟信息传递给光上变频模块进行光上变频，得到已调光 信号，通过发射天线发射到大气通道中；步骤9 光下变频模块接收步骤8发射到大气通道中的已调光信号，进行光下变频 恢复出电信号；步骤10 将步骤9得到的电信号传递给载波频率同步模块，进行载波频偏纠正，得 到纠正后的OFDM符号；步骤11 将步骤10得到的纠正后的OFDM符号传递给模数转换模块，进行模数转 换，得到纠正后的OFDM符号的数字信号；步骤12 将步骤11得到的纠正后的OFDM符号的数字信号传递给信道估计模块， 根据纠正后的OFDM符号的数字信号，对信道状态信息进行盲估计，得到信道状态信息，然 后一方面将纠正后的OFDM符号的数字信号传递给串并变换模块b，同时另一方面将信道状 态信息反馈到自适应调制模块，自适应调制模块根据信道状态信息，选择下一时刻各个子 载波的调制方式；步骤13 串并变换模块b将得到的纠正后的OFDM符号的数字信号进行串并变换， 得到纠正后的OFDM符号的并行数据流，传递给去保护间隔模块；步骤14 去保护间隔模块对得到的纠正后的OFDM符号的并行数据流去保护间隔， 传递给FFT变换模块；步骤15 :FFT变换模块对得到的去除保护间隔后的纠正后的OFDM符号的并行数据 流进行FFT变换，得到并行调制信号，传递给并串变换模块b ；步骤16 并串变换模块b将得到的并行调制信号进行并串变换，得到串行调制信 号，传递给信号检测模块；
步骤17 信号检测模块根据接收到的串行调制信号，判断自适应调制模块选择的 调制方式，传递给自适应解调模块；步骤18 自适应解调模块根据得到的自适应调制模块选择的调制方式，进行自适 应解码，恢复出输入的信源信息。本发明的特点还在于，其中步骤2及步骤12中选择调制方式，按照以下规则实施在特定的误比特率需 求条件下，设BPSK、QPSK、8PSK、16QAM和64QAM这五种调制方式对应的门限值分别为R1、 R2、R3、R4和R5，令SNR表示信道的瞬时信噪比，则调制方式的选择规则为R1彡SNR < R2 时，选择BPSK调制方式；R2彡SNR < R3，选择QFSK调制方式；R3彡SNR < R4，选择8PSK调 制方式；R4彡SNR < R5，选择16QAM调制方式；R5彡SNR < R6，选择64QAM调制方式。其中步骤8中将步骤7得到的模拟信息传递给光上变频模块进行光上变频，得到 已调光信号，按照以下步骤实施首先，将步骤7得到的模拟信息电信号分解为实部、虚部 两路电信号分别去调制MZM，得到两路光信号；然后，再将两路光信号分别通过透振方向相 互垂直的偏振器，得到两束线偏振光，经过合束器后，得到具有特定椭圆偏振角的椭圆偏振 光。其中步骤9中光下变频模块接收步骤8发射到大气通道中的已调光信号，进行光 下变频恢复出电信号，按照以下步骤实施首先，将由光学天线采集到的光信号经过分束器 分为两路信号，一路进入水平检偏器，一路进入垂直检偏器；然后，分别由光探测器测量水 平偏振和垂直偏振的光强P〃与；最后，通过计算接收到的椭圆偏振光的偏振角恢复信源 的信息。其中步骤10中将步骤9得到的电信号传递给载波频率同步模块，进行载波频偏纠 正，得到纠正后的OFDM符号，按照以下步骤实施假设x(t)表示一个OFDM信号，接收端接收到受大气信道干扰的信号表示为
权利要求
一种自适应FSO OFDM传输系统，其特征在于，包括依次连接的AOFDM发射部分、光上变频模块(8)、光下变频模块(9)及AOFDM接收部分，所述的AOFDM发射部分包括依次连接的信道建模模块(1)、自适应调制模块(2)、串并变换模块a(3)、IFFT变换模块(4)、加载保护间隔模块(5)、并串变换模块a(6)及数模转换模块(7)，AOFDM发射部分通过数模转换模块(7)与光上变频模块(8)相连接；所述的AOFDM接收部分包括依次连接的载波频率同步模块(10)、模数转换模块(11)、信道估计模块(12)、串并变换模块b(13)、去保护间隔模块(14)、FFT变换模块(15)、并串变换模块b(16)、信号检测模块(17)及自适应解调模块(18)，AOFDM接收部分通过载波频率同步模块(10)与光下变频模块(9)相连接，所述的光上变频模块(8)及光下变频模块(9)通过大气通道进行数据传输，所述的自适应调制模块(2)还与信道估计模块(12)相连接。
2.一种自适应FSO-OFDM传输方法，其特征在于，采用一种自适应FSO-OFDM传输系统， 其结构为包括依次连接的AOFDM发射部分、光上变频模块(8)、光下变频模块(9)及AOFDM 接收部分，所述的AOFDM发射部分包括依次连接的信道建模模块(1)、自适应调制模块(2)、 串并变换模块a(3)、IFFT变换模块(4)、加载保护间隔模块(5)、并串变换模块a(6)及数 模转换模块(7)，AOFDM发射部分通过数模转换模块(7)与光上变频模块(8)相连接；所述 的AOFDM接收部分包括依次连接的载波频率同步模块(10)、模数转换模块(11)、信道估计 模块(12)、串并变换模块b (13)、去保护间隔模块(14)、FFT变换模块(15)、并串变换模块 b (16)、信号检测模块(17)及自适应解调模块(18)，AOFDM接收部分通过载波频率同步模块 (10)与光下变频模块(9)相连接，所述的光上变频模块(8)及光下变频模块(9)通过大气 通道进行数据传输，所述的自适应调制模块(2)还与信道估计模块(12)相连接，具体按照以下步骤实施步骤1 用蒙特卡洛方法搭建FSO-OFDM系统模型，根据FSO-OFDM系统模型的传输特 性，建立信道模型，将信道模型的信息传递给自适应调制模块(2)；步骤2 自适应调制模块⑵根据得到的信道模型的信息选择调制方式，根据选择的调 制方式对输入的信源信息进行自适应调制，得到已调信号；步骤3 将步骤2得到的已调信号传递给串并变换模块a(3)进行变换，得到已调信号 并行数据流；步骤4 将步骤3得到的已调信号并行数据流传递给IFFT变换模块(4)进行逆傅里叶 变化，得到OFDM信号；步骤5 将步骤4得到的OFDM信号传递给加载保护间隔模块(5)，进行加载保护间隔； 步骤6 将步骤5得到的加载保护间隔的OFDM信号传递给并串变换模块a(6)进行变 换，得到OFDM信号串行数据流；步骤7 将步骤6得到的OFDM信号串行数据流传递给数模转换模块(7)进行数模转换， 得到模拟信息；步骤8 将步骤7得到的模拟信息传递给光上变频模块(8)进行光上变频，得到已调光 信号，通过发射天线发射到大气通道中；步骤9 光下变频模块(9)接收步骤8发射到大气通道中的已调光信号，进行光下变频 恢复出电信号；步骤10 将步骤9得到的电信号传递给载波频率同步模块(10)，进行载波频偏纠正，得到纠正后的OFDM符号；步骤11 将步骤10得到的纠正后的OFDM符号传递给模数转换模块(11)，进行模数转 换，得到纠正后的OFDM符号的数字信号；步骤12 将步骤11得到的纠正后的OFDM符号的数字信号传递给信道估计模块(12)， 根据纠正后的OFDM符号的数字信号，对信道状态信息进行盲估计，得到信道状态信息，然 后一方面将纠正后的OFDM符号的数字信号传递给串并变换模块b (13)，同时另一方面将信 道状态信息反馈到自适应调制模块(2)，自适应调制模块(2)根据信道状态信息，选择下一 时刻各个子载波的调制方式；步骤13:串并变换模块b(13)将得到的纠正后的OFDM符号的数字信号进行串并变换， 得到纠正后的OFDM符号的并行数据流，传递给去保护间隔模块(14)；步骤14 去保护间隔模块(14)对得到的纠正后的OFDM符号的并行数据流去保护间 隔，传递给FFT变换模块(15)；步骤15 :FFT变换模块(15)对得到的去除保护间隔后的纠正后的OFDM符号的并行数 据流进行FFT变换，得到并行调制信号，传递给并串变换模块b (16)；步骤16 并串变换模块b(16)将得到的并行调制信号进行并串变换，得到串行调制信 号，传递给信号检测模块(17)；步骤17 信号检测模块(17)根据接收到的串行调制信号，判断自适应调制模块(2)选 择的调制方式，传递给自适应解调模块(18)；步骤18 自适应解调模块(18)根据得到的自适应调制模块(2)选择的调制方式，进行 自适应解码，恢复出输入的信源信息。
3.根据权利要求2所述的自适应FSO-OFDM传输方法，其特征在于，所述的步骤2及步 骤12中选择调制方式，按照以下规则实施在特定的误比特率需求条件下，设BPSK、QPSK、 8PSKU6QAM和64QAM这五种调制方式对应的门限值分别为R1、R2、R3、R4和R5，令SNR表 示信道的瞬时信噪比，则调制方式的选择规则为R1 ( SNR < R2时，选择BPSK调制方式； R2 ^ SNR < R3，选择 QPSK 调制方式；R3 ^ SNR < R4,选择 8PSK 调制方式；R4 ^ SNR < R5, 选择16QAM调制方式；R5彡SNR < R6，选择64QAM调制方式。
4.根据权利要求2所述的自适应FSO-OFDM传输方法，其特征在于，所述的步骤8中将 步骤7得到的模拟信息传递给光上变频模块(8)进行光上变频，得到已调光信号，按照以下 步骤实施首先，将步骤7得到的模拟信息电信号分解为实部、虚部两路电信号分别去调制 MZM,得到两路光信号；然后，再将两路光信号分别通过透振方向相互垂直的偏振器，得到两 束线偏振光，经过合束器后，得到具有特定椭圆偏振角的椭圆偏振光。
5.根据权利要求2所述的自适应FSO-OFDM传输方法，其特征在于，所述的步骤9中光 下变频模块(9)接收步骤8发射到大气通道中的已调光信号，进行光下变频恢复出电信号， 按照以下步骤实施首先，将由光学天线采集到的光信号经过分束器分为两路信号，一路进 入水平检偏器，一路进入垂直检偏器；然后，分别由光探测器测量水平偏振和垂直偏振的光 强P 〃与；最后，通过计算接收到的椭圆偏振光的偏振角恢复信源的信息。
6.根据权利要求2所述的自适应FSO-OFDM传输方法，其特征在于，所述的步骤10中 将步骤9得到的电信号传递给载波频率同步模块(10)，进行载波频偏纠正，得到纠正后的 OFDM符号，按照以下步骤实施假设x(t)表示一个OFDM信号，接收端接收到受大气信道干扰的信号表示为 = x(t)+ n(t) =^A1 (t)e彻‘吟*'、+ n{t)，其中Ai (t)、f” θ,和仍分别表示第i路子载波的幅度、频率、基带相位、初始相位偏 差，n(t)表示加性高斯白噪声；定义接收端接收到的OFDM的四阶循环累积量为C:0(0，0，0) =〈x4(i)e-"81 -3(χ2( β-—'〉:,其中<*>t表示时间平均；得到接收端接收到的OFDM信号的高阶循环累积量后，再检测归一化高阶循环累计量 α -|C〗Q(0，0，0)|的值，如果不等于零，则为子载波频率，如果等于零则不是子载波频率。
7.根据权利要求2所述的自适应FSO-OFDM传输方法，其特征在于，所述的步骤12中的 盲估计，按照以下步骤实施定义接收端接收到的OFDM信号是独立同分布的，则根据卷积运算和高阶累积量的性 质可得到信道参数的估计值χ Ci(^1T1Z-I) C32(ζ-1,0) C4(L-i,L-I,O) C3(T19I-I) C3(Z-IL-I)' C42 (l-1,0,0)， 其中τ，τιε W，L-1]，对于每个固定的τ，τ i的取值从0到L-I间变化时，得到L 个相应的h( τ )，再利用最小二乘估计，即得到信道参数的估计值。
8.根据权利要求2所述的自适应FSO-OFDM传输方法，其特征在于，所述的步骤17中信 号检测模块(17)根据接收到的串行调制信号，判断自适应调制模块(2)选择的调制方式， 按照以下步骤实施定义信号累积量的检测特征向量为s — [IC40/C421， 141 /C421]，其中，{C4n，η = 0，1，2}是信号x(t)的4阶累积量，定义为=C4q=M40-SM22^C41 =M41-3M21M20,C42 =M42 -|M20|2 -IM22,,其中，Mij代表信号的各阶矩，按照上式，分别计算理论上平均功率归一化信号的检测特征向量值和接收信号的检测特征向量值，最后通过计算两 个向量的欧式距离，从而进行调制识别。
全文摘要
本发明公开的一种自适应FSO-OFDM传输系统，包括依次连接的AOFDM发射部分、光上变频模块、光下变频模块及AOFDM接收部分。本发明自适应FSO-OFDM传输方法，采用基于高阶累积量的载波盲同步算法，可扩大载波偏差估计范围，同时可解决由大气信道频率选择衰落特性所引起的各个载波偏差不一致情况下载波偏差的估计问题；实现最大传输容量的最优化自适应FSO-OFDM传输系统建模，为自由空间光通信提高传输速率，改善系统误码性能提供一种有效的途径；采用基于高阶累积量的盲信道估计和盲信号检测技术，为进一步提高自适应系统传输效率、改善系统性能提供新方法和理论依据。
文档编号H04B10/10GK101958871SQ20101028559
公开日2011年1月26日 申请日期2010年9月16日 优先权日2010年9月16日
发明者任安虎, 赵黎, 雷志勇, 雷斌 申请人:西安工业大学