低复杂度概率整形16QAM-FSO相干检测DSP方法

本发明属于光通信系统，涉及一种低复杂度概率整形16qam-fso相干检测dsp方法。

背景技术：

1、随着越来越多的移动宽带密集型服务和各种网络应用的出现，如数字视频、高清智能网络电视、云计算、虚拟现实和人工智能，全球各国对通信容量提出了更高的要求，基于射频的通信受到无线网络中频谱资源拥塞的限制。自由空间光通信使用激光器作为载体，没有任何有线信道作为传输介质。因此，空间光通信系统由于其功率小、无需频谱认证、保密性好、高速率和快速链路部署等优势而成为近15年来的研究热点。然而，大气湍流受温度、压力、湿度和其他因素引起不规则流动。从而导致光传输过程中的折射率扰动，并改变光波的相位和振幅。特别是对于高阶qam信号的高功率星座点，在通过fso信道后受到严重干扰，导致系统误码率增加，从而恶化传输性能。

2、为了克服这一问题，概率整形技术被应用于光通信系统。概率整形技术可以重塑高功率星座的概率分布，从而显著降低整体平均发射功率，缓解大气湍流引起的光强波动。对于概率整形的实现，目前普遍采经典的恒定分量分布匹配方案。该方案在传输过程中依赖于前向纠错码，以消除传输过程中带来的错误扩散，在实际应用中计算复杂度过高。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种低复杂度概率整形16qam-fso相干检测dsp方法，通过对交织器中区域化数据添加比特0的方式，并反馈优化区域数据，可达到动态整形的效果。相比于传统的概率整形方案，实现了低复杂度动态可调整形。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种低复杂度概率整形16qam-fso相干检测dsp方法，包括以下步骤：

4、s1：通过区域化控制矩阵，调节比特交织编码成形的策略，优化后将星座点转换为期望分布；

5、s2：在接收端采用二维多重dbscan聚类算法和viterbi-viterbi算法对整形信号实施载波相位恢复处理，达到自适应相位恢复效果。

6、进一步，步骤s1中，通过对交织器中区域化数据添加比特0的方式，并反馈优化区域数据，达到动态整形的效果；对于16qam信号，四个比特被映射到一个符号；然后根据16qam的前缀码00、01、10和11，将星座点图划分为三个功率等级s1，s2和s3；将串行长度为m的伪随机二进制序列转换为并行并输入到交织器中，得到4×n并行序列；使用控制矩阵操纵并行序列前两列。

7、进一步，控制矩阵集合为{b1,b2,...,bn}，其中b1～bn的维度相同，其中bi构成的控制矩阵为：

8、

9、其中n＝n(k+m)，bi{i＝1,…,k}表示图1中输入信息序列k1和k2处需要被处理的前部分数据，即p矩阵中的信息数据，ai{i＝k+1,…,k+m}表示q矩阵中的信息数据，k和m的数值可调，p处信息通过对比上下两行比特1总数的大小，进行置0处理，置0的信息被保留；q处的信息序列保持不变；矩阵对前缀码00，01，10，11服从伯努利分布，其分布矩阵为d＝[0.25,0.25,0.25，0.25]。

10、进一步，步骤s1中，通过p矩阵优化后，设对前缀码00，01，10，11概率的最小贡献矩阵：

11、

12、最大贡献矩阵：

13、

14、由d'＝d×h得到经过概率整形后各个前缀码动态分布：

15、d′min＝[0.45,0.1785,0.1785,0.0284]～d′max＝[0.6146,0.25,0.25,0.05]

16、在比值确定的情况下，对n值进行优化，其中优化的目标概率分布为星座子集为x＝{x1,x2,...,xm},m为qam信号调制阶数，v为概率分布因子，通过反馈的方式找到趋近于目标整形因子的最佳n值。

17、进一步，步骤s2中，对于qpsk分割算法需要得到16qam内圈和外圈星座点，通过viterbi-viterbi算法得到相位估计值，估计公式如下：

18、

19、其中ys1和ys3分别表示16qam内圈和外圈的星座点，l为去除加性高斯白噪声滤波器长度。

20、进一步，基于改进的dbscan无监督聚类算法包括以下步骤：

21、s21：在接收端将未经过相位估计的16qam复数信号作为dbscan聚类算法的一个数据集；经过dbscan聚类后，得到聚类后多个不同欧氏距离的信号星族种族，作为复数样本数据集s＝{s1,s2,...,sn}，其中n为聚类种族个数；

22、s22：将得到的复数样本数据集取模，得到种族星座模值样本数据集y＝{y1,y2,...,yn}，y中只保留幅度信息mod|s|；

23、s23：对取模的数据集再次通过dbscan聚类算法重新聚类，重复步骤s22，后得到新的族群即s'＝{s'1,s'2,...,s'm}，将原始种群s中的数据按照s'中的族群合并的结果进行种族合并。直到最后复数样本数据集中只有三个种族，即为所需要的s1、s2和s3星座点；

24、s24：取出s1和s3种族中的所有星座点，然后通过qpsk算法对星座点进行相位估计。

25、本发明的有益效果在于：本发明基于控制矩阵调节比特交织成形策略的一种优化方案，可以将星座点从均匀分布转换为期望分布，避免了错误扩散，削弱了经湍流传播后星座沿半径的扩展带来的性能损伤；在接收端通过基于dbscan无监督聚类算法获得星座点，达到自适应信号相位恢复效果，能有效提升系统性能。本发明具有复杂度低、执行简易、自适应等优点，可将其应用于自由空间光通信、光纤通信系统或光纤无线通信系统。

26、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

技术特征：

1.一种低复杂度概率整形16qam-fso相干检测dsp方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的低复杂度概率整形16qam-fso相干检测dsp方法，其特征在于：步骤s1中，通过对交织器中区域化数据添加比特0的方式，反馈优化区域数据，达到动态整形的效果；对于16qam信号，四个比特被映射到一个符号；然后根据16qam的前缀码00、01、10和11，将星座点图划分为三个功率等级s1,s2,s3；将串行长度为m的伪随机二进制序列转换为并行并输入到交织器中，得到4×n并行序列；使用控制矩阵操纵并行序列前两列。

3.根据权利要求2所述的低复杂度概率整形16qam-fso相干检测dsp方法，其特征在于：控制矩阵集合为{b1,b2,...,bn}，其中b1～bn的维度相同，其中bi构成的控制矩阵为：

4.根据权利要求3所述的低复杂度概率整形16qam-fso相干检测dsp方法，其特征在于：步骤s1中，通过p矩阵优化后，设对前缀码00，01，10，11概率的最小贡献矩阵：

5.根据权利要求1所述的低复杂度概率整形16qam-fso相干检测dsp方法，其特征在于：步骤s2中，对于qpsk分割算法需要得到16qam内圈和外圈星座点，通过viterbi-viterbi算法得到相位估计值，估计公式如下：

6.根据权利要求5所述的低复杂度概率整形16qam-fso相干检测dsp方法，其特征在于：基于改进的dbscan算法的载波相位恢复包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及一种低复杂度概率整形16QAM‑FSO相干检测DSP方法，属于光通信系统技术领域，包括以下步骤：S1：通过区域化控制矩阵，调节比特交织编码成形的策略，优化后将星座点转换为期望分布；S2：在接收端采用二维多重DBSCAN聚类算法和Viterbi‑Viterbi算法对整形信号实施载波相位恢复处理，达到自适应相位恢复效果。本发明避免了错误扩散，削弱了经湍流传播后星座沿半径的扩展带来的性能损伤；本发明实现了自适应信号相位恢复效果，有效提升了系统性能。本发明具有复杂度低、执行简易、自适应等优点，可将其应用于自由空间光通信、光纤通信系统或光纤无线通信系统。

技术研发人员：刘业君,肖佳慧,赵伦,郭磊
受保护的技术使用者：重庆邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17