基于稀疏正交循环变换多路复用调制的相干光纤通信系统技术方案

本发明专利技术公开了基于稀疏正交循环变换多路复用调制的相干光纤通信系统，解决了传统光纤通信系统存在的带宽限制效应、码间串扰、高峰均功率比和光纤非线性的问题。本发明专利技术包括发射机和接收机两部分，通过本系统获得频域和时间域的分集增益，相对于传统OFDM调制格式具有更强的抗频率衰落性能和更低的峰均功率比，相对于正交线性调频分复用系统具有更低的实现复杂度和更低的峰均功率比，相对于离散傅里叶变换扩展OFDM具有更强的抗光纤色散或者无线多径效应。

【技术实现步骤摘要】
基于稀疏正交循环变换多路复用调制的相干光纤通信系统
本专利技术属于光纤通信领域，具体涉及基于稀疏正交循环变换多路复用调制的相干光纤通信系统。
技术介绍
正交频分复用(OFDM)技术由于其在频谱利用率、色散容忍性和数据速率灵活度等方面的优势受到广泛关注，已经作为一种调制和频域复用技术应用于光通信领域。但是，OFDM具有较高的峰均功率比(PAPR)和带宽限制效应。为了处理带宽限制效应，自适应载波加载算法(adaptiveloading)和信道预补偿算法(pre-emphasis)等被大量提出，但以上方法需要精准的信道响应信息，这会提升信道估计模块及整个系统的复杂度。扩频OFDM具有OFDM的优点，并能够克服信道衰落，衰落均衡是通过所有子载波上经过扩展/预编码变换得到的扩频信息而实现的，因此在整个带宽上可以获得平坦的信噪比曲线，但是收发机的预编码和逆预编码操作增加了计算复杂度，尤其是扩展矩阵元素是复数值的时候。此外，一些传统的扩频OFDM方案，如文献《TowardusermobilityforOFDM-basedvisiblelightcommunications》中提出的正交循环矩阵变换(OCT)扩频等仍然有高峰均功率比的缺点。文献《DFT-SpreadOFDMforfibernonlinearitymitigation》中提出的离散傅里叶变换扩频OFDM(DFT-S-OFDM)可以抑制峰均功率比，然而，但由于是单载波调制，与OFDM相比离散傅里叶变换扩频OFDM对残余的码间串扰更加敏感，当循环前缀(CP)长度不足时会导致性能下降。文献《Orthogonalchirpdivisionmultiplexing》中提出的正交线性调频分复用(OCDM)方案中使用了离散傅里叶变换多载波通信技术，而非扩展OFDM技术。通过将数据信息同时分布在时间域和频谱域，该方案与OFDM相比能够更好的处理带宽限制效应，与离散傅里叶变换扩频OFDM相比具有更强的抵抗码间串扰的能力。由于许多调频信号的叠加和一些额外的实施复杂度，该方案仍具有较高的峰均功率比。因此如何消除传统光纤通信系统存在的带宽限制效应、码间串扰、高峰均功率比和光纤非线性等现象是一个值得解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于稀疏正交循环变换多路复用调制的相干光纤通信系统，该系统可以解决传统光纤通信系统存在的带宽限制效应、码间串扰、高峰均功率比和光纤非线性等问题。该系统是以稀疏正交循环变换预编码方式为基础进行设计的。通过这种方式，可获得频域和时间域的分集增益，相对于传统OFDM调制格式具有更强的抗频率衰落性能和更低的峰均功率比(PAPR)，相对于正交线性调频分复用系统具有更低的实现复杂度和更低的峰均功率比，相对于离散傅里叶变换扩展OFDM(DFT-S-OFDM)具有更强的抗光纤色散或者无线多径效应。本专利技术的目的是这样实现的：基于稀疏正交循环变换多路复用调制的相干光纤通信系统，系统包括发射机和接收机，其中的发射机包括串联转并联模块1、稀疏正交循环变换多路复用编码模块2、添加循环前缀模块3、并联转串联模块4、数模转换模块5和偏振复用I/Q光学调制模块6，接收机包括模数转换模块7、同步模块8、串联转并联模块9、移除循环前缀模块10、信道均衡模块11和并联转串联模块12，发射机的原始信号为数据符号向量X＝[X0,X1,…XN-1]T，X先通过串联转并联模块1获得N个数据载波，再经过稀疏正交循环变换多路复用编码模块2获得时域信号为x，然后x分别经过添加循环前缀模块3、并联转串联模块4、数模转换模块5和偏振复用I/Q光学调制模块6，然后时域信号x射入进光纤，然后再经过接收机中的模数转换模块7、同步模块8、串联转并联模块9、移除循环前缀模块10，经过循环前缀模块10以后时域信号变成y，然后再经过信道均衡模块11获得恢复后的信号最后经过并联转串联模块12。所述的发射机中的时域信号x＝WHX，其中的W＝circ(w)，W为稀疏正交循环矩阵，通过对长度为M的完美序列c＝[c1,c2,...cM]中均匀插入L-1个零元素得到w，w定义为：其中M和L是大于1的整数，N＝L×M，易证明WWH＝I，通过改变插入的零元素的个数，获得任意维数的稀疏正交循环矩阵，正交矩阵W不受完美序列的长度的限制，此外由于W中的大部分元素都是零，因此W中的复数元素个数明显减少，因此稀疏正交循环变换矩阵W的实现复杂度低于传统的N×N型正交循环变换矩阵C。所述的W的每一列中的非零元素设置为其中用简单方式实现W的乘法运算，例如当M＝4时，只用四项序列c就可以构造W：其中[1,1,1,-1]T是M＝4时唯一的二进制序列，又因为WH的每列只有M个非零元素，所以时域信号x的叠加减少了，因此时域信号具有低峰均功率比，此外，由于W中的非零元素属于集合{1，-1j}，编码操作不需要任何复数乘法运算。所述的M的值为2，峰均功率比(PAPR)由离散时间信号x的峰均功率比来定义，其中离散时间信号x的峰均功率比为由于W的每一列只有M个非零元素，稀疏正交循环变换复用系统中的每个输出样本都包含M个符号的叠加，因此峰均功率比具有上限，上限为峰均功率比的上限随着M的减小而减小，为了尽可能减小信号叠加，M的值应该是最小的，所以选择M＝2，M＝2时的四相序列c＝[1,±1j]T，本专利技术选用c＝[1,-1j]T构造W。所述的时域信号在移除循环前缀模块10之后时域信号y具体为y＝Hx+n＝HWHX+n(4)其中H是信道脉冲响应矩阵，n是方差为N0的N维加性高斯白噪声向量，通过在公式(4)的两边执行离散傅里叶变换运算可以得到频域信号y′＝FHx+Fn＝FHWHX+n′(5)其中F是离散傅里叶变换矩阵，然后令WH＝FHΓHF，其中Γ＝diag(F([w1,w2…,wN]T))，所以y′＝FHFHFWHFHFX+Fn＝ΛΓHFX+n′(6)其中H＝FHΛF，Λ是N×N维对角线矩阵，Λ的第k个对角元素是第k个子载波的信道频率响应，基于特征分解特性，公式(6)将WH对角信道频率响应矩阵结合起来减少乘法运算，获得较低的整体计算复杂度所述的信号均衡模块11利用迫零(ZF)均衡器对信号y进行信道效应补偿，即G＝Λ-1，然后对均衡后的信号y进行离散傅里叶逆变换运算，信号恢复为所述的数模转换模块5，模数转换模块7具有带宽限制，传输通道表现出了低通滤波特性，为了不失一般性,系统中使用16-QAM(正交幅度调制)数据映射评估所提出的稀疏正交循环变换复用系统的理论误码率性能，以显示其在衰落信道中的性能优势，通过综合各个子载波的误码率，我们得到如下的系统总体误码率其中Q(x)表示x的Q函数，SNRk表示第k个子载波的信噪比，对于提出的稀疏正交循环变换复用系统，基于公式(7)，中第k个元素进一步表示为其中，μZF,k和δZFK分别是第k个子载波的期望信号和噪声，Fk表示F的第k列，那么接收机的信噪比表示为其中Es是每个数据符号的信号功率，E[·]代表数学期望，Γk是Γ的第k个对角元素，Gk是G的第k个对角元素，注意，Γ的所有对角线元素单位量级统一相等，公式(10)验证了稀疏正交循环变换复用系统能均衡所有频率分量的信道衰落效应，从而获得平坦的信噪比曲线，将公式(10本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于稀疏正交循环变换多路复用调制的相干光纤通信系统，其特征在于，系统包括发射机和接收机，其中的发射机包括串联转并联模块(1)、稀疏正交循环变换多路复用编码模块(2)、添加循环前缀模块(3)、并联转串联模块(4)、数模转换模块(5)和偏振复用I/Q光学调制模块(6)，接收机包括模数转换模块(7)、同步模块(8)、串联转并联模块(9)、移除循环前缀模块(10)、信道均衡模块(11)和并联转串联模块(12)，发射机的原始信号为数据符号向量X＝[X0,X1,…XN‑1]

【技术特征摘要】
2018.04.12 CN 20181032684811.基于稀疏正交循环变换多路复用调制的相干光纤通信系统，其特征在于，系统包括发射机和接收机，其中的发射机包括串联转并联模块(1)、稀疏正交循环变换多路复用编码模块(2)、添加循环前缀模块(3)、并联转串联模块(4)、数模转换模块(5)和偏振复用I/Q光学调制模块(6)，接收机包括模数转换模块(7)、同步模块(8)、串联转并联模块(9)、移除循环前缀模块(10)、信道均衡模块(11)和并联转串联模块(12)，发射机的原始信号为数据符号向量X＝[X0,X1,…XN-1]T，X先通过串联转并联模块(1)获得N个数据载波，再经过稀疏正交循环变换多路复用编码模块(2)获得时域信号为x，然后x分别经过添加循环前缀模块(3)、并联转串联模块(4)、数模转换模块(5)和偏振复用I/Q光学调制模块(6)，然后时域信号x射入进光纤，然后再经过接收机中的模数转换模块(7)、同步模块(8)、串联转并联模块(9)、移除循环前缀模块(10)，经过移除循环前缀模块(10)以后时域信号变成y，然后再经过信道均衡模块(11)获得恢复后的信号最后经过并联转串联模块(12)。2.根据权利要求1所述的基于稀疏正交循环变换多路复用调制的相干光纤通信系统，其特征在于，所述的发射机中的时域信号x＝WHX，其中的W＝circ(w)，W为稀疏正交循环矩阵，通过对长度为M的完美序列c＝[c1,c2,...cM]中均匀插入L-1个零元素得到w，w定义为：其中M和L是大于1的整数，N＝L×M，易证明WWH＝I，通过改变插入的零元素的个数，获得任意维数的稀疏正交循环矩阵，正交矩阵W不受完美序列的长度的限制，此外由于W中的大部分元素都是零，因此W中的复数元素个数明显减少，因此稀疏正交循环变换矩阵W的实现复杂度低于传统的N×N型正交循环变换矩阵C。3.根据权利要求1所述的基于稀疏正交循环变换多路复用调制的相干光纤通信系统，其特征在于，所述的W的每一列中的非零元素设置为其中用简单方式实现W的乘法运算，例如当M＝4时，只用四项序列c就可以构造其中[1,1,1,-1]T是M＝4时唯一的二进制序列，又因为WH的每列只有M个非零元素，所以时域信号x的叠加减少了，因此时域信号具有低峰均功率比，此外，由于W中的非零元素属于集合{1，-1j}，编码操作不需要任何复数乘法运算。4.根据权利要求1或3所述的基于稀疏正交循环变换多路复用调制的相干光纤通信系统，其特征在于，所述的M的值为2，峰均功率比(PAPR)由离散时间信号x的峰均功率比来定义，其中离散时间信号x的峰均功率比为由于W的每一列只有M个非零元素，稀疏正交循环变换复用系统中的每个输出样本都包含M个符号的叠加，因此峰均功率比具有上限，上限为峰...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟，龚琳舒，余玉揆，黄平，李欣，王慧，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23