一种基于小波变换的正交频分复用自由空间光通信方法与流程

本发明涉及光通信系统领域中的自由空间光通信方法，具体的涉及一种基于小波变换的正交频分复用自由空间光通信方法。

背景技术：

随着互联网以及相关数据服务的迅速发展，人们对高速率的数据传输要求越来越高，光通信因其能够极大满足用户对通信速率的需求得到了重视和发展。光通信根据传输媒介的不同可以分为两种，一种是采用光纤作为传输媒介的有线通信，另一种就是直接使用大气信道建立无线通信链路的自由空间光通信。自由空间光通信(fso)具有显著的优势，但缺陷同样明显，主要集中体现在大气条件的极度不稳定上。大气的吸收、散射以及湍流效应会使通信质量受到很大的影响，所以这个时候考虑采用需要频谱效率高、抗大气效应强的正交频分复用(ofdm)技术应用于fso系统中。ofdm是一种多载波调制方式，传统的ofdm利用快速傅里叶变换从一组正交指数子载波产生复合信号，但是因为傅里叶变换在时域上是无限长的，当时间窗口不一致时，就会造成子载波间的干扰(ici)和符号间干扰(isi)，所以ofdm必须引入循环前缀去避免这两种干扰。但这么做也会带来额外的功率开销，并且降低了频率的利用率。

技术实现要素：

基于上述问题，本发明的目的旨在于为了抵抗大气条件的不稳定性，提出一种基于小波变换的正交频分复用(dwt-ofdm)自由空间光通信方法，该方法具有更强的抗干扰能力。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于小波变换的正交频分复用自由空间光通信方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

s1，选择子载波数n，产生一个数据矩阵；

s2，基于qam调制方式进行映射所述数据矩阵以获得一个复数矩阵；

s3，对所述复数矩阵进行离散小波逆变换以生成dwt-ofdm并行信号，将所述并行信号转换为串行信号；

s4，将所述串行信号转换为光信号，并将其传输至大气信道中；

s5，基于接收端探测所述光信号并将探测到的所述光信号转换为电信号，将所述电信号进行a/d转换获得数字信号，将所述数字信号解逆处理，得到解调信号的星座图和系统的误码率。

优选的，该s4中还包含，对所述串行信号的实部和虚部分别在数字域进行i路和q路的上变频后再复合成一路数字信号，对所述数字信号进行d/a转换生成电信号，将所述电信号调制到光载波上，进行电光转换，生成光信号。

优选的，该子载波数为128。

优选的，该qam调制包括16qam。

优选的，该解逆处理包括将a/d转换后的数字信号进行数字下变频、串并转换、小波变换以及qam解调。

优选的，该s4中，通过改变加入的高斯白噪声的强度，来改变信道的信噪比，以获得不同信噪比下的误码率。

优选的，该小波逆变换为haar小波逆变换。

优选的，该小波变换为haar小波变换。

相对于现有技术中的方案，本发明的优点：

本发明实施例提出的一种基于小波变换的正交频分复用自由空间光通信方法，相比于现有的采用了基于傅里叶变换的ofdm(fastfouriertransform-basedofdm，fft-ofdm)具有更强的抗干扰能力，并且由于小波变换在时域上长度有限，不会产生码间干扰，无需引入循环前缀，具有更高的频谱利用率。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1a所示为本发明实施例的基于小波变换的通信方法的流程；

图1b所示为本发明实施例的基于小波变换的正交频分复用自由空间光通信方法的流程示意图；

图2为fft-ofdm调制解调原理图；

图3为本发明实施例的dwt-ofdm调制解调原理图；

图4为本发明实施例的16qam映射下，采用fft-ofdm和dwt-ofdm的fso系统的误码率与发射功率的曲线；

图5a为16qam映射下，采用fft-ofdm的fso系统接收端解调信号星座图；

图5b为16qam映射下,采用基于haar小波dwt-ofdm的fso系统接收端星座图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以如具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

请参考图1a,1b来描述基于小波变换的正交频分复用自由空间光通信方法，如图1a所示为本申请提出的基于小波变换的正交频分复用自由空间光通信方法，一种基于小波变换的正交频分复用自由空间光通信方法，其包括以下步骤：

s1，选择子载波数n，产生一个数据矩阵；

s2，基于qam调制方式进行映射所述数据矩阵以获得一个复数矩阵；

s3，对所述复数矩阵进行离散小波逆变换以生成dwt-ofdm并行信号，将所述并行信号转换为串行信号；

s4，将所述串行信号转换为光信号，并将其传输至大气信道中；

s5，基于接收端探测所述光信号并将探测到的所述光信号转换为电信号，将所述电信号进行a/d转换获得数字信号，将所述数字信号解逆处理，得到解调信号的星座图和系统的误码率。本实施方式中，采用该通信方法的系统包含发射端，接收端；发射端基于s1-s4的动作将处理后的信号传输至大气信道中，接收端的接收装置接收信号后基于预设的算法解逆获得信号。

接下来结合图1b来详细描述通信方法的流程示意图，该方法包括：

选择子载波数n，产生一个数据矩阵；通过qam调制对该数据矩阵进行映射得到一个复数矩阵，对该复数矩阵进行离散小波逆变换(idwt)生成dwt-ofdm信号，将dwt-ofdm信号并行数据转化为串行数据；对所述串行信号的实部和虚部分别在数字域进行i路和q路的上变频后再复合成一路数字信号以得到实值的dwt-ofdm信号；对该数字信号进行d/a转换生成电信号，将电信号调制到光载波上，进行电光转换，生成光信号；将所述光信号传输到大气信道中，在大气信道中加入高斯白噪声来模拟信道中的噪声；将接收端探测到的光信号转换为电信号，将所述电信号进行a/d转换得到数字信号；将所述数字信号进行一系列逆操作处理，得到解调信号的星座图和系统的误码率。本实施方式中qam调制采用的是16qam(在其他的实施方式也可采用64qam)；其中，解逆处理包括将a/d转换后的数字信号进行数字下变频、串并转换、小波变换以及qam解调。具体的对a/d转换后的数字信号经过数字下变频后对其进行串并转换，将串行数据转换为并行数据，将所述并行数据进行离散小波变换(dwt)，最后对其进行qam解调，这样恢复原始数据流，对接收数据进行处理，得到解调信号的星座图和系统的误码率。

如图2所示为fft-ofdm调制解调原理图。传统的ofdm的载波的单元信号定义为：

其中fk是第k个子载波的中心频率，可以表示为f0为发射频率，t为ofdm信号的持续时间。在发射端，将数字基带与正交余弦载波相乘叠加即可得到fft-ofdm信号，具体表示为

其中dk代表分配到第k个子信道上的数据符号，rect(t)为矩形窗函数。在接收端，将输入信号乘上正交子载波再送入积分器就可以恢复原来数据流。

通过上述的推导，ofdm基带信号的算术表达式与逆离散傅里叶变换(idft)形式很相似，所以传统的ofdm，在发射端常采用n点的idft产生复合信号。同样的，在接收端只需要对接收信号进行dft，就可以恢复数据。ofdm是一种多载波调制技术，其信号产生过程为：将输入的数据流经过串并转换后，与两两相互正交的子载波相乘，最后将经过调制的子载波相加，就可得到ofdm信号。传统的ofdm在发射端只需要对时序连续的信号进行逆离散傅里叶变换(inversediscretefouriertransformation，idft)就可以将数字基带信号调制到相互正交的子载波上。同样的，在接收端只需要对接收信号进行离散傅里叶变换(discretefouriertransformation，dft)，就可以恢复数据。在实际应用中，通常采用快速傅立叶变换/逆快速傅里叶变换(fastfouriertransformation/inversefastfouriertransformation，fft/ifft)来实现dft/idft，以此来降低ofdm系统的复杂程度。通过傅里叶变换可以方便快捷的完成ofdm调制，但在无线通信中，多径效应会带来时延，由于傅里叶变换在时域长度无限，这就会带来码间干扰，降低系统的抗干扰能力，因此必须引入循环前缀。该循环前缀的长度需要大于信道的最大时延，才能消除码间干扰，并维持载波的正交性。但是会增加带宽，降低频谱利用率，并且带来了能量损失，循环前缀越长，能量损失越大。

如图3所示为本申请实施方式的dwt-ofdm调制解调原理图。图3中，h是一个低通滤波器，也称尺度滤波器，g是一个高通滤波器，也称小波滤波器。在发射端，将输入的n条并行数据分为速率不等的若干条支路，每条支路的速率均是2的幂次方，保证两条支路的速率最小并且大小相等，将这两条视为低频信号c^j-1和细节信号d^j-1，则可采用小波重构算法将这两条支路合成一条支路c^j，具体表达式如下：

上式即为小波重构算法，其中ψ(t)为小波函数，为尺度函数，j代表分辨率，1/2^j称为尺度，它代表了信号所在的层数，对小波重构算法进行递归应用，在发射端对n个经过调制的子载波两两使用小波重构算法再叠加，进行log2n次迭代就可以合成一路dwt-ofdm信号。

同样的在接收端，对输入信号采用小波分解算法来分解得到它的低频信号和细节信号，得到的信号分别对应各个支路，其表达式如下

上式为小波分解算法，可以看出它与小波重构算法对应。对小波分解算法进行递归应用，进行log2n迭代就可以恢复原始n路信号。本实施方式将小波变换与ofdm技术相结合，采用正交的小波基函数代替余弦正交基函数，采用逆离散小波变换/离散小波变换(inversediscretewavelettransform/discretewavelettransform，idwt/dwt)替换传统ofdm中的ifft/fft。

如图4所示为16qam映射方式下，采用fft-ofdm和dwt-ofdm的fso系统的误码率与信噪比的曲线。通过改变加入的高斯白噪声的强度，来改变信道的信噪比，例如在信道中加入高斯白噪声后，获得信道的第一信噪比，将经过大气信道的光信号转换为电信号后，将电信号进行a/d转换，并将转化的数字信号传输给接收端进行一系列逆操作，获取第一信噪比下的误码率。同理，通过改变加入高斯噪声的强度来获得第二信噪比，第三信噪比等，分别获取第二信噪比，第三信噪比等不同信噪比下的误码率。上面一条带+号的曲线是采用了fft-ofdm的fso系统的误码率曲线，下面一条带*号的曲线是采用了使用不同小波基的dwt-ofdm的fso系统的误码率曲线。可以看出，采用dwt-ofdm的fso系统的误码率明显优于采用了fft-ofdm的误码率。在7％前向纠错(forwarderrorcorrection，fec)阈值下，使用dwt-ofdm系统的信噪比比使用fft-ofdm系统的小3db。这表明了采用本申请提出的dwt-ofdm的系统具有更好的抗噪声性能。

如图5所示为16qam映射方式下，信噪比为15db时，fso系统接收端解调信号星座图，其中(a)为采用了fft-ofdm的fso系统接收端星座图，(b)为采用了haar小波的dwt-ofdm的fso系统接收端星座图。从图中可以看出，采用了dwt-ofdm的fso系统星座图聚合清晰，而与(a)图相比，采用了fft-ofdm的fso系统星座图相对弥散，这样本申请提出的dwt-ofdm能够更好地抵抗大气信道的噪声干扰。

上述实施方式中，采用逆离散小波变换/离散小波变换(inversediscretewavelettransform/discretewavelettransform，idwt/dwt)替换传统ofdm中的ifft/fft。小波变换采用haar小波变换提取了信号的细节特征，所以dwt-ofdm相比于fft-ofdm在时域和频域具有较好的局域特性。小波变换在时间轴上平移的函数具有正交性，并且在正交子空间中各个函数基也满足正交性，所以dwt-ofdm不会产生码间串扰，不需要引入循环前缀，具有更高的频谱利用率。

上述实施方式中，qam是quadratureamplitudemodulation的缩写，即“正交振幅调制”。选择的子载波数为128。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡如本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。