CN114513256B - 一种基于aco-fbmc调制的光子计数通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无线通信技术领域，具体为一种基于ACO‑FBMC调制的光子计数通信方法。本发明包括：对传输的比特信息进行串并转换和QAM映射的预处理，转换成复数信号；通过滤波器组进行FBMC调制处理，实现信号的实虚分离、子载波滤滤波；然后进行ACO非对称限幅(保证信号非负性)、IFFT转换时域信号、分离信号叠加，并串转换并调制到光源上进行信号传输；将接收到的光信号以单光子计数探测并输出光子数；通过模数转换、串并变换、FFT转换信号、QAM检测与并串转换，提取出输出的二进制比特信息。本发明提高了接收端的灵敏度，满足通信***高速长距离的需求；有效地抑制频带泄漏，并且保证信号的非负性。
Description
技术领域
本发明属于无线光通信技术领域，具体涉及一种基于ACO-FBMC调制的光子计数通信方法。
背景技术
海量数据对通信***的无线频谱资源提出了更高的要求。可见光通信是下一代通信网络的重要技术之一，它通过调制可见光光谱中的光来传输信息，具有丰富的带宽。可见光通信的频谱资源丰富、抗干扰性高以及安全保密性好等特点，可以成为未来B5G/6G高速光网络中无线通信的一种很有前途的解决方案。
可见光通***通常由一个光电探测器组成，光电探测器能够测量入射光的光强度，经过处理转化为输出信号。但是在实际的通信过程中，长距离弱链路的噪声会影响接收到的信号。基于光子计数的探测器可以有效提高现有光通信***的灵敏度，实现远距离弱链路下的可靠通信。信号分布更趋向离散的泊松随机变量，其速率取决于当前输入。
为了提高频谱复用率，多载波调制传输方法成为可见光通信中性能更佳的调制方案。其中经典的正交频分复用技术(OFDM)虽然拥有宽带宽和高速率等优势，但是***的循环前缀和较大的旁瓣会降低频谱效率，导致较大的频谱泄漏。因此，能够抑制频带泄漏的滤波器组多载波技术(FBMC)成为另一种候选方式。让每个子载波上都通过一个频谱良好的原型滤波器，可以保证子载波之间的正交性。同时，与OFDM技术相比，FBMC调制方法采用了无CP的数据结构，提高了频谱利用率，并且具有副瓣泄漏小、接收端不需要严格的正交同步等优点。
在可见光通信***将输入信号调制为发射光的光强度，光强是非负的。非对称限幅的滤波器组多载波技术(ACO-FBMC)可以适用于可见光通信***中的强度调制和直接检测。
发明内容
本针对上述问题，本发明的目的在于提供一种灵敏度高、效率好的基于ACO-FBMC调制的光子计通信方法。
本发明充分利用光子计数可靠的长距离弱链路检测性能和FBMC出色的频谱利用率，以及非对称限幅(ACO)的方案可满足强度调制-直接检测(IM-DD)等特性，可以有效地提高可见光通信的灵敏度和通信效率。
本发明提供的基于ACO-FBMC调制的光子计数通信方法，具体步骤如下：
(1)对于输入的二进制序列，采用串并转换和QAM映射的方式，将其转换成复数信号；设在一个持续时间为T的发射光脉冲中，输入信号包含M个复输入信号和N个子载波，第n个子载波上第m个符号块的信号表示为：
其中，
表示第n个子载波上第m个符号块的实部，/>
表示第n个子载波上第m个符号块的虚部；
(2)对每个调制信号，分离出实部和虚部，以便进行实数处理，并且符号的虚部被延迟符号持续时间T的一半，每个子载波符号对应复数信号的实部与虚部；
(3)对每个子载波都使用子载波滤波器进行滤波；所述子载波滤波器采用PHYDYAS原型滤波器；该滤波器组的抽头系数为HK，K为重叠因子，取K＝2，3，4；原型滤波器的脉冲响应为：
其中，
是标准化常量；经过滤波和调制后，所有子载波上的
相加得到第m个数据块的信号；将所有数据块的信号叠加得到滤波后的所有FBMC的信号/>
(4)为了满足可见光通信***采用的强度调制/直接检测(IM/DD)，要求光调制信号必须为非负的实信号，对FBMC信号进行ACO操作；对滤波后的子载波添加共轭数据，并将有效信号调制在奇数位置的子载波上，再进行IFFT变换；调制到LED上的光信号是由两个经过FBMC滤波的实部和虚部序列相加得到的；
(5)在接收端采用单光子计数探测器高灵敏度地检测接收到的光子，并输出光子数，以满足长距离弱链路的通信要求，并通过接收到的光子的数量恢复发射信号的波形。
步骤(4)中所述ACO操作，具体是对滤波后的子载波X＝[X0，X1，…，XN-1]添加共轭数据，构成Hermitian对称结构，保证传输信号为实信号：
共轭对称之后的信号为：/>
将有效信号调制在奇数位置的子载波上：/>
再进行IFFT变换，并将经过FBMC调制的实部和虚部两个分离的序列相加得到调制至LED上的调制光信号。
步骤(5)中接收端采用单光子计数探测器，其中，可见光信号照射到光子计数探测器内光电倍增管的光电阴极半导体上，激发半导体原子内部的电子形成电脉冲；该电脉冲加载到光电倍增管的负载上，经筛选整形，将一个符号时间内接收到的光信号转化为数值形式的光子数；之后通过与发射端对称的操作，得到输出数据；其中，单光子计数探测器采用单光子雪崩二极管(SPAD)，受散粒噪声限制，探测过程满足泊松分布，其概率质量函数可表示为：
其中，λb为检测到的背景辐射光子数，λm为第m个测量周期中符号能量与单个光子能量的比值，即检测到的信号光子数，与接收功率线性相关；一个接收信号功率为Pm、背景辐射光功率为Pb的SPAD阵列探测器，其可实现的数据速率表示为：
其中，N是SPAD阵列数目，τd是死时间，Q-1(·)表示逆Q函数，Pe,th表示探测器误码率目标。
本发明有以下有益效果：
(1)本发明采用光子计数探测器作为可见光通信***的接收器件检测接收到的光信号，可以满足通信***高速长距离的需求，并且大大提高了接收端的灵敏度；
(2)本发明针对能量效率较低的问题，对发射端的信号采用滤波器组的FBMC的调制方法，很好地抑制频带泄漏，并且通过在每个子载波上使用经过良好频谱设计的原型滤波器，可以保证子载波之间的正交性；
(3)本发明采用的非对称限幅ACO结构简单，使FBMC调制方法完全适用于可见光通信。
附图说明
图1为本发明的ACO-FBMC光子计数通信方法流程图。
图2为本发明采用的FBMC滤波器组结构示意图。
图3为采用的光子计数探测器与传统光电探测器在不同接收功率下信息速率的对比图。
图4为采用的FBMC通信方法与传统方法功率谱的对比图。
图5为采用ACO-FBMC通信方法与传统方法误码率的对比图。
具体实施方式
本发明提供的基于ACO-FBMC调制的光子计数通信方法，如图2所示，具体步骤如下:
(1)FBMC子载波数N＝512，随机产生长度为N/2的输入二进制序列。采用串并转换和QAM映射的方式转换成复数信号序列。在一个持续时间为T的发射光脉冲中，输入信号包含M个复输入信号和N个子载波；第n个子载波上第m个符号块的信号可以表示为：
其中/>
表示第n个子载波上第m个符号块的实部，/>
表示第n个子载波上第m个符号块的虚部。第m个数据块中的所有子载波上的数据可以表示为：
(2)如图3所示，对每个调制的复数信号都分离出实部和虚部以实数处理，并且符号的虚部被延迟符号持续时间T的一半，每个子载波符号对应了复数信号的实部与虚部。
(3)如图3所示，对每个子载波都使用子载波滤波器进行滤波。滤波器采用PHYDYAS原型滤波器。滤波器组的抽头系数为HK，K为重叠因子，可取K＝2，3，4，滤波器的频域参数如表1所示：
表1 PHYDYAS滤波器频域参数
此处取K＝4，原型滤波器的脉冲响应为：
其中
是标准化常量。M个数据块的FBMC滤波后的信号可以表示为：
(4)对滤波后的子载波X＝[X0，X1，…，XN-1]添加共轭数据，构成Hermitian对称结构，保证传输信号为实信号：
共轭对称之后的信号为：
将有效信号调制在奇数位置的子载波上：/>
再进行IFFT变换并将两个经过FBMC滤波的实部和虚部分离的序列相加得到调制光信号。
将调制光信号下载转化为.WFM格式之后导入到任意波形发生器(AWG)中，采样率为4.2Gbps。电信号通过前置放大器和偏置器后调制到波长为450nm的光发射器件micro-LED阵列上。AWG的发射带宽、采用频率、电压范围等参数需要根据实际的实验情况进行设置，以达到通信的最佳工作点。
(5)光子计数探测器接收光信号之前光通过无线信道进行传输，而长距离传输的衰减效应可以通过在光发射器件和光子计数探测器之间放置滤光片来模拟。为了提高接收的光功率，可以在光子计数探测器前先采用透镜进行聚光。
光到达接收端激发光电子和脉冲的过程从理论上来说是线性的，这为FBMC与光子计数的结合创造了条件。利用光子计数探测器将接收到的极其微弱的光子能量识别检测出来。可见光信号照射到计数探测器内光电倍增管的光电阴极半导体上，激发半导体原子内部的电子形成电脉冲。该电脉冲加载到光电倍增管的负载上，经筛选整形将一个符号时间内接收到的光信号转化为数值形式的光子数。之后通过与发射端对称的操作得到输出数据。采用单光子雪崩二极管(SPAD)作为探测器，受散粒噪声限制，探测过程满足泊松分布，其概率质量函数可表示为：
其中λb为检测到的背景辐射光子数，λm为第m个测量周期中符号能量与单个光子能量的比值，即检测到的信号光子数，与接收功率线性相关。一个接收信号功率为Pm，背景辐射光功率为Pb的SPAD阵列探测器可实现数据速率可写为：
其中N是SPAD阵列数目，τd是死时间，Q-1(·)表示逆Q函数，Pe,th表示探测器误码率目标。
(6)信号经过光子计数探测和光电转换后，导入高速示波器(62GHz,100GSa/s)采集波形，示波器可以大致看出信号的质量，通过调节采样频率和采用深度来提供最佳的信号采样样本，最后使用MATLAB对样本数据处理转换成电流信号，接下来进行对应于发射端的反操作，经过模数转换、串并转换后再经过FFT变换、滤波器组滤波以及QAM解调，最后把得到的并行数据转换为串行数据，从而得到原始信号完成整个传输过程，得到信号的误码率等信息。
(7)实验仿真
为了验证ACO-FBMC光子计数通信方法的性能，我们对此***与传统的通信方法进行对比。传统常用的的线性光电二极管(PD)局部放电的灵敏度会受到热噪声的强烈限制。而基于SPAD的光子计数探测器具有较高的灵敏度，可以有效地在远距离或弱链路的情况下将间隙减小到量子极限。图3绘制了在背景光功率Pb＝20nW和BER目标Pe,th＝10-3给定情况下可实现的数据速率与接收信号功率Pm的关系。采用的光子计数SPAD阵列探测器参数如表2所示。从图3中可看出，在探测器的接收信号功率较小时，采用光子计数SPAD探测器的性能明显优于传统的光电探测器。
表2 SPAD参数设置
为了验证ACO-FBMC通信方法的可行性，我们进行了MATLAB仿真平台验证通信性能，并与传统的OFDM通信方法进行对比。***仿真参数取值为：调制码元为16QAM和64QAM，子载波数目N为512，重叠因子K为4。图4显示了传统的OFDM方法信号和FBMC方法的功率谱的仿真。仿真图的横轴是归一化频率，其被定义为频率与子载波间隔的比率。图4显示，FBMC信号的功率谱边缘非常陡峭，因此FBMC可以有效地抑制频带泄露，具有更好的频谱特性，可以有效地提高***传输性能。
使用ACO-FBMC通信方法获得的误码率随信噪比变化仿真结果如图5所示。图中还列出了传统OFDM通信方法的误码率。从图5的比较可以看出，FBMC通信方法明显比OFDM***表现出更好的误码率性能。例如，在信噪比为24dB时，OFDM误码率在1.53×10-4，而FBMC方法降到了4.48×10-5。
更具体的实施方式可参照上述实施例，为避免冗余，在此不再赘述。
根据本发明实施例的基于ACO-FBMC调制的光子计数通信方法，大大提高接收端的灵敏度，满足通信***高速长距离的需求。并且有效地抑制频带泄漏，提高***传输效率，并且保证了信号的非负性。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
上述实施例为本发明方法较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方法，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于ACO-FBMC调制的光子计数通信方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)对于输入的二进制序列，采用串并转换和QAM映射的方式，将其转换成复数信号；设在一个持续时间为T的发射光脉冲中，输入信号包含M个复输入信号和N个子载波，第n个子载波上第m个符号块的信号表示为：
其中，
表示第n个子载波上第m个符号块的实部，/>
表示第n个子载波上第m个符号块的虚部；
(2)对每个调制信号，分离出实部和虚部，以便进行实数处理，并且符号的虚部被延迟符号持续时间T的一半，每个子载波符号对应复数信号的实部与虚部；
(3)对每个子载波都使用子载波滤波器进行滤波；所述子载波滤波器采用PHYDYAS原型滤波器；该滤波器组的抽头系数为HK，K为重叠因子，取K＝2，3，4；原型滤波器的脉冲响应为：
其中，
是标准化常量；经过滤波和调制后，所有子载波上的/>
相加得到第m个数据块的信号；将所有数据块的信号叠加得到滤波后的所有FBMC的信号/>
(4)为了满足可见光通信***采用的强度调制/直接检测(IM/DD)，要求光调制信号必须为非负的实信号，故对FBMC信号进行ACO操作；
(5)在接收端采用单光子计数探测器高灵敏度地检测接收到的光子，并输出光子数，以满足长距离弱链路的通信要求，并通过接收到的光子的数量恢复发射信号的波形；
步骤(4)中所述ACO操作，是对滤波后的子载波X＝[X0，X1，…，XN-1]添加共轭数据，构成Hermitian对称结构，保证传输信号为实信号：
共轭对称之后的信号为：
将有效信号调制在奇数位置的子载波上：
再进行IFFT变换；并将经过FBMC滤波的实部和虚部两个分离的序列相加得到调制至LED上的调制光信号；
步骤(5)中接收端采用单光子计数探测器，可见光信号照射到计数探测器内光电倍增管的光电阴极半导体上，激发半导体原子内部的电子形成电脉冲；该电脉冲加载到光电倍增管的负载上，经筛选整形，将一个符号时间内接收到的光信号转化为数值形式的光子数；之后通过与发射端对称的操作，得到接收到的比特信息；其中，单光子计数探测器采用单光子雪崩二极管(SPAD)，受散粒噪声限制，探测过程满足泊松分布，其概率质量函数表示为：
其中，λb为检测到的背景辐射光子数，λm为第m个测量周期中符号能量与单个光子能量的比值，即检测到的信号光子数，与接收功率线性相关；一个接收信号功率为Pm、背景辐射光功率为Pb的SPAD阵列探测器，其可实现的数据速率表示为：
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| WO2015172565A1 (zh) * | 2014-05-15 | 2015-11-19 | 东南大学 | 一种采用削波搬移的低峰均比无线光传输方法 |
| CN111431617A (zh) * | 2020-04-14 | 2020-07-17 | 兰州理工大学 | 一种无线光通信的非对称限幅光ofdm-im调制方法 |
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| 可见光通信单极性非对称限幅光OFDM技术研究;路明丽;于宏毅;仵国锋;;光电子・激光(第09期);全文 * |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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