基于索引调制技术和多频带CAP技术的水下无线光通信系统

本发明涉及水下无线光通信，尤其是涉及一种基于索引调制技术和多频带cap技术的水下无线光通信系统。

背景技术：

1、近年来随着海洋探测和监测技术的发展，人们对高速水下无线通信的需求急剧增加。蓝绿色频谱范围内的水下无线光通信(uwoc)具有低成本、高速度的特点，有望成为水下无线通信的补充手段。如何在带宽受限的uwoc系统中提高可实现的传输速率是亟需解决的重要难题。

2、目前，uwoc系统中常用的频谱高效的调制方案有正交频分复用(ofdm)和离散多音频(dmt)调制，然而其高峰均功率比(papr)限制了它们在uwoc中的应用。无载波幅度相位(cap)调制由于其高光谱效率和低papr的优点，已被广泛证明是实用可见光通信(vlc)系统的一种很有前途的技术。索引调制(im)通过在某些维度中嵌入资源的激活状态信息，消耗很少甚至不消耗功率，在频谱效率(se)和能效(ee)之间实现权衡。将索引调制技术和cap调制技术相结合，能够进一步提高频谱效率，改善通信系统性能。本发明提出了一种子频带多模排序无载波幅度相位(smmp-cap)调制技术。该技术利用多种模式的星座集合来映射不同频带中的信号，并使用这些可区分模式的排序来传送附加信息比特。相比于传统的索引调制和cap技术相结合的方案，该技术可以传输更多的索引信息。此外，考虑到不均匀信道在不同频带的信噪比(snr)不同，提出了一种信噪比权重辅助的多模解映射(snr-wd)解调器来提高解调效果。最后，考虑到snr-wd同时并行解调多路信号的特性，提出了一种多通道判决反馈均衡器(mc-dfe)来均衡接收信号。该发明设计了一整套调制、解调和均衡方案，有效地提高了长距离高速uwoc系统的性能。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有的长距离水下无线光通信系统具有的低带宽特性，提供了一种将索引调制技术和多频带cap技术相结合的数字信号处理技术，能够有效增加系统的通信速率，提高传输性能，降低误码率。

2、为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种基于索引调制技术和多频带cap技术的水下无线光通信系统，包括：光发射模块、光接收模块、发射端信号处理模块、接收端信号处理模块。

4、所述光发射模块将数字信号转换为光信号并发送至光接收模块；所述光接收模块将接收到的光信号转换为数字信号；所述发射端信号处理模块将原始数据处理后得到的数字信号发送至光发射模块；所述接收端信号处理模块将接收到的数字信号处理后恢复出原始数据；所述发射端信号处理模块和光发射模块相连；所述光接收模块和接收端信号处理模块相连。

5、进一步的，所述光发射模块包括信号发生器、功率放大器、可调电衰减器、t型偏置器、直流电源模块、激光器和准直透镜；其中，信号发生器、功率放大器、可调电衰减器、t型偏置器和激光器依次相连，t型偏置器由直流电源模块提供偏置电流，激光器的发射端与准直透镜相对布置。

6、进一步的，所述光接收模块包括菲涅尔透镜、光电倍增管、混合信号示波器，所述的菲涅尔透镜置于光电倍增管前，用于将长距离传输后发散的光斑汇聚到光电倍增管探测面上，光电倍增管用于将光信号转化为电信号，其输出通过线缆连接混合信号示波器，混合信号示波器用于采集信号供后续接收端信号处理模块处理。

7、进一步的，所述发射端信号处理模块包括子频带多模排序映射模块、多频带cap调制模块；

8、所述子频带多模排序映射模块设计不同的星座映射集，建立星座集合的排序与信息比特的对应映射关系，完成数据比特到星座点的符号映射；

9、所述多频带cap调制模块设计正交希尔伯特滤波器对，完成多频带cap信号的调制。

10、进一步的，所述接收端信号处理模块包括多频带cap解调模块、多通道dfe均衡模块以及权重辅助的多模解映射模块；

11、所述多频带cap解调模块设计匹配的滤波器，对降采样后的接收信号进行滤波，完成各个频带上的信号的分离；

12、所述多通道dfe均衡模块并联多路dfe均衡器，并将其中所有的判决模块替换为一个下述的权重辅助的多模解映射模块，完成多路信号的均衡；

13、所述权重辅助的多模解映射模块计算信噪比加权修正的最小欧氏距离矩阵，根据星座映射集合的排序方式，从修正后的最小欧式距离矩阵中的每一行挑选对应的值，将其相加求和，根据最小的和来确定该组符号所对应的星座排序方式，完成排序信息的解调以及后续星座内映射符号的解调。

14、本发明在传统的索引调制和cap调制技术相结合的基础上，设计多种模式的星座集合来映射不同频带中的信号，并使用这些可区分模式的排序来传送更多的附加信息比特；考虑到不同频带上符号的信噪比不同，提出了一种信噪比权重辅助的多模解映射方案来提高解调效果；最后，提出了一种多通道判决反馈均衡器来均衡接收信号。该发明设计了一整套调制、解调和均衡方案，在长距离水下无线光通信系统中具有较好的应用前景。

技术特征：

1.一种基于索引调制技术和多频带cap技术的水下无线光通信系统，其特征在于，包括：光发射模块、光接收模块、发射端信号处理模块、接收端信号处理模块；

2.根据权利要求1所述的一种基于索引调制技术和多频带cap技术的水下无线光通信系统，其特征在于，所述光发射模块包括信号发生器、功率放大器、可调电衰减器、t型偏置器、直流电源模块、激光器和准直透镜；所述的信号发生器、功率放大器、可调电衰减器、t型偏置器和激光器依次相连，t型偏置器由直流电源模块提供直流偏置信号，激光器的发射端与准直透镜相对布置。

3.根据权利要求1所述的一种基于索引调制技术和多频带cap技术的水下无线光通信系统，其特征在于，所述光接收模块包括菲涅尔透镜、光电倍增管和混合信号示波器；所述的菲涅尔透镜置于光电倍增管前，用于将长距离传输后发散的光斑汇聚到光电倍增管探测面上，光电倍增管用于将光信号转化为电信号，其输出端通过线缆连接混合信号示波器，混合信号示波器用于采集信号供后续接收端信号处理模块处理。

4.根据权利要求1所述的一种基于索引调制技术和多频带cap技术的水下无线光通信系统，其特征在于，所述发射端信号处理模块包括子频带多模排序映射模块、多频带cap调制模块；

5.根据权利要求4所述的一种基于索引调制技术和多频带cap技术的水下无线光通信系统，其特征在于，所述接收端信号处理模块包括多频带cap解调模块、、多通道dfe均衡模块以及权重辅助的多模解映射模块；

技术总结
本发明涉及水下无线光通信领域，公开了一种基于索引调制技术和多频带CAP技术的水下无线光通信系统，包括：光发射模块、光接收模块、发射端信号处理模块、接收端信号处理模块。发射端信号处理模块将原始数据进行子频带多模排序映射和多频带CAP调制，接收端信号处理模块对数字信号进行多频带CAP解调，多通道DFE均衡以及信噪比权重辅助的多模解映射，恢复出原始数据。相比于传统方法，通过建立数据与多星座模式的排序方式之间的映射关系，能够传输更多的索引比特信息，通过多通道DFE均衡和权重辅助的解映射方案，能够降低误码率，提高系统性能。

技术研发人员：徐敬,葛文敏,杜子豪
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13