一种MIMO系统的OFDM实时信号处理方法技术方案

在本发明专利技术公开了一种系统，属于水下通信技术领域，现有技术中的水下通信方式具有高延时、高损耗等缺陷；本发明专利技术的用于水下无线光通信MIMO系统，包括发射模块，卷积编码模块，调制模块，第一正交频分复用模块，A/D转换模块，多台激光器，光电接收端阵列，D/A转换模块，第二正交频分复用模块，解调模块，Viteribi解码模块和计算模块，其能够在产生实信号的同时保证系统的频谱效率。系统的频谱效率。系统的频谱效率。

【技术实现步骤摘要】
一种MIMO系统的OFDM实时信号处理方法


[0001]本专利技术涉及水下无线光通信领域，特别涉及一种用于水下无线光通信MIMO系统的OFDM实时信号处理方法。

技术介绍

[0002]随着人类对海洋探测、海底监控和海洋开发的需求日益增加，海洋活动范围日益广泛，水下无线通信技术逐步成为水下通信领域所关注的热点。目前传统的水下无线通信技术包括水声通信与水下射频通信，水声信号在水下衰减小，可实现公里级远距离的无线水下通信，但是，水声的信道带宽有限，实际通信速率在bps～kbps之间。同时，水声传输的方向性差，多径效应明显，容易被窃听；射频信号在海水中的具有很强的衰减效应,随着频率的提升其衰减效应越大，因此限制了射频信号在水中的有效通信距离，通常情况下，水下射频通信采取频率在3k～30kHz的甚低频或者频率在30～300Hz的超低频波段。为了建立通信，通信系统需要一个较大的拖拽天线以及较高的功率。水下射频通信往往用于短距离、低速场景。
[0003]相比于(1)高衰减的水下射频通信和(2)高时延的水声通信，水下无线光通信技术具有更丰富的频谱资源、更好的保密性、更强的抗干扰能力和更低的成本等优点，海水信道对蓝绿波段的可见光存在类似大气空间的“透光窗”，对光子吸收和散射效应相对较小。
[0004]正交频分复用(OFDM)利用多个子载波传输数据，可以使高速串行数据流串并变换转成低速数据流，有效减小由于传输信道多径效应带来的码间干扰；结合正交振幅调制，利用高阶调制可以在收发两端的有限传输带宽中实现更高的传输速率，能够有效提高通信系统的信息传输速率和抗干扰能力。
[0005]当前大多公开发表的水下无线光通信系统大多是在实验室搭建的桌面离线通信系统，系统两端分别用大型仪器仪表完成信号的收发，再利用上位机对接收到的信息进行离线分析解调，可用于学术研究与方案验证，但对于通信系统来说不具有实用性。利用FPGA完成通信信息的调制解调，可解决上述问题，实现信息的实时处理。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求中的一种或者多种，本专利技术提供了一种用于水下无线光通信MIMO系统，其特征在于：所述系统包括发射模块，卷积编码模块，调制模块，第一正交频分复用模块，A/D转换模块，多台激光器，光电接收端阵列，D/A转换模块，第二正交频分复用模块，解调模块，Viteribi解码模块和计算模块；
[0007]所述发射模块用于产生伪随机第一二进制序列(PRBS)作为有效传输数据；
[0008]所述卷积编码模块用于对所述有效传输数据进行编码；
[0009]所述调制模块用于将编码后的所述第一二进制序列经过4QAM映射为复数信号；
[0010]所述正交频分复用模块用于对所述复数信号进行串/并变换，随后对信号进行Hermitian变换，使传输数据共轭对称；再对变换后的共轭对称信号进行逆傅里叶变换，变
为实信号；添加循环前缀和帧头后，转换为串行序列；
[0011]所述A/D转换模块用于根据所述串行序列生成第一电信号，用所述第一电信号同时驱动所述多台激光器，将所述激光器输出光信号合为一束后发射进入水下信道；
[0012]所述光电接收端阵列对接收的所述水下信道的光信号进行光电转换并生成第二电信号，
[0013]所述D/A转换模块用于将接收到的所述第二电信号转换为数字信号，
[0014]所述第二正交频分复用模块进行符号同步找到数据帧，采用最大比合并算法，合并求得总的加权信号；之后，对合并后的信号去除循环前缀提取出有效数据，进行串/并转换，再对其进行傅里叶变换，变为频域复信号，利用其中连续10个Block数据进行信道估计并利用LS信道均衡技术进行频域信道补偿，再进行并/串转换将信号转变为串行信号；
[0015]所述解调模块用于对所述串行信号进行QAM解映射得到第二二进制序列；
[0016]所述Viteribi解码模块用于将所述第二二进制序列恢复出原始二进制信号；
[0017]所述计算模块用于将所述二进制信号与所述第一二进制序列进行对比，计算误码率。
[0018]优选地，所述卷积编码模块采用约束长度为3、编码效率为1/2的卷积编码。
[0019]优选地，所述第二正交频分复用模块利用已知的训练序列与信号卷积，进行符号同步找到数据帧。每个探测器接收的信号分别经过了不同的信道，利用接收到的同步序列进行信道估计，其中补零字段作为噪声估计序列，作为信号估计数据，分别计算均方根得到每个信道的信噪比，采用最大比合并算法(MRC)，合并求得总的加权信号。
[0020]优选地，所述Viteribi解码模块用于将所述第二二进制序列恢复出原始二进制信号，其中回溯长度为10倍记忆长度，利用硬判决计算汉明距离进行译码。
[0021]优选地，所述第二正交频分复用模块利用已知的训练序列与信号卷积，进行符号同步找到数据帧。
[0022]优选地，所述调制模块和所述解调模块都为调制解调板。
[0023]优选地，所述调制解调板包含多路AD采集通道和多路DA转换通道，所述多路AD采集通道分别与多台光电探测器相连，所述多路DA转换通道作为发射端射频接口控制多台激光器的输入信号；所述调制解调板采用FPGA作为核心处理器。
[0024]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有的有益效果包括：
[0025](1)本项目采用直流偏置光正交频分复用(DCO
‑
OFDM)技术，其能够在产生实信号的同时保证系统的频谱效率；
[0026](2)采用后均衡技术，其能够在一定程度增大系统带宽；
[0027](3)采用(2，1，3)卷积码与Viterbi译码技术进行差错控制，提高系统可靠性；
[0028](4)采用空间分集接收结合最大比合并算法，提升接收信号的信噪比。
附图说明
[0029]图1是本专利技术实施例中用于水下无线光通信MIMO系统的OFDM实时信号处理方法框图；
[0030]图2为本专利技术实施例提供的FPGA调制解调板卡设计框图；
[0031]图3为本专利技术实施例提供的OFDM串行数据的帧结构。
具体实施方式
[0032]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0033]实施例：
[0034]如图1中所示，水下无线光通信系统采用直接调制/强度检测(IM/DD)的方式，其中用于调制光源的电信号需为非负的实信号，因此，本项目采用直流偏置光正交频分复用(DCO
‑
OFDM)技术，其能够在产生实信号的同时保证系统的频谱效率；采用后均衡技术，其能够在一定程度增大系统带宽。采用(2，1，3)卷积码与Viterb本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于水下无线光通信MIMO系统，其特征在于：所述系统包括发射模块，卷积编码模块，调制模块，第一正交频分复用模块，A/D转换模块，多台激光器，光电接收端阵列，D/A转换模块，第二正交频分复用模块，解调模块，Viteribi解码模块和计算模块；所述发射模块用于产生伪随机第一二进制序列(PRBS)作为有效传输数据；所述卷积编码模块用于对所述有效传输数据进行编码；所述调制模块用于将编码后的所述第一二进制序列经过4QAM映射为复数信号；所述正交频分复用模块用于对所述复数信号进行串/并变换，随后对信号进行Hermitian变换，使传输数据共轭对称；再对变换后的共轭对称信号进行逆傅里叶变换，变为实信号；添加循环前缀和帧头后，转换为串行序列；所述A/D转换模块用于根据所述串行序列生成第一电信号，用所述第一电信号同时驱动所述多台激光器，将所述激光器输出光信号合为一束后发射进入水下信道；所述光电接收端阵列对接收的所述水下信道的光信号进行光电转换并生成第二电信号，所述D/A转换模块用于将接收到的所述第二电信号转换为数字信号，所述第二正交频分复用模块进行符号同步找到数据帧，采用最大比合并算法，合并求得总的加权信号；之后，对合并后的信号去除循环前缀提取出有效数据，进行串/并转换，再对其进行傅里叶变换，变为频域复信号，利用其中连续10个Block数据进行信道估计并利用LS信道均衡技术进行频域信道补偿，再进行并/串转换将信号转变为串行信号；所述解调模块用于对所述串行信...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴夏颖，李含辉，费礼，彭汉，王璐璐，文柯，宫鹏飞，李亚平，江桂英，万梓傲，
申请(专利权)人：武汉船舶通信研究所中国船舶重工集团公司第七二二研究所，
类型：发明
国别省市：