一种基于随机共振的空间光通信FEC译码方法及系统

技术领域

本发明属于一种空间光通信FEC译码方法，具体涉及一种基于随机共振的空间光通信FEC译码方法及系统。

背景技术

空间激光通信技术凭借其抗电磁干扰、易于小型化、保密安全性高、通信容量大等特点，在诸多领域都具有广泛的应用前景。

其中，在面对深空、深海等长距离通信需求时，激光信号经过长距离传输到达接收端的信噪比差，容易产生较高的误码，若增加激光发射功率，必然带来较大的系统复杂度。深空航天器的体积、重量、功耗，以及深海的激光传输散射环境等约束都限制了其应用范围。

目前，为了克服上述限制，常结合信道前向纠错(Forward Error Correction，FEC)编译码来进行业务数据的纠错。信道FEC编译码常用方式有RS(Reed-Solomon)、LDPC(Low DensityParity Check Code)、Viterbi等，被大量应用于通信设备中。但是，译码纠错对原始信号的信噪比(Signal Noise Ratio，SNR)也有要求，信噪比过低时，仍不能正常纠错。

发明内容

本发明为解决目前空间激光通信中，FEC编译码进行业务数据纠错的方法，在原始信号的信噪比过低时，不能正常纠错的技术问题，提供一种基于随机共振的空间光通信FEC译码方法及系统。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于随机共振的空间光通信FEC译码方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

S1，将接收到的空间光信号转换为基带数字信号S

S2，对所述基带数字信号S

S3，对所述信号S

S4，通过龙格-库塔数值计算方法，带入信号S

S5，对信号S

S6，根据预设的判决门限，得到与信号S

S7，从所述二值数据流S

S8，按照预设的编码类型对所述有效数据进行译码纠错处理，得到原始的业务数据，完成空间光通信FEC译码。

进一步地，步骤S2中，所述对所述基带数字信号S

根据通信数据速率和步骤S1中进行转换时的采样率，按照预设的通信符号速率R

进一步地，步骤S2中，所述对所述基带数字信号S

按照如下公式对基带数字信号S

其中，C

进一步地，步骤S6与步骤S7之间还包括步骤S6-7，从二值数据流S

本发明还提供了一种基于随机共振的空间光通信FEC译码系统，用于实现上述一种基于随机共振的空间光通信FEC译码方法，其特殊之处在于，包括依次相连的模拟处理单元、SR预处理单元和FEC译码单元；

所述模拟处理单元输入端与外部的空间光信号接收部件相连，用于将接收到的空间光信号转换为基带数字信号S

所述SR预处理单元，用于对基带数字信号S

所述FEC译码单元，用于对信号S

进一步地，所述模拟处理单元包括光电转换模块和ADC模数转换模块，光电转换模块的输出端与ADC模数转换模块的输入端相连；

所述光电转换模块输入端与外部的空间光信号接收部件相连，用于将接收到的空间光信号转换为基带电信号，并发送至ADC模数转换模块；

所述ADC模数转换模块的输出端与SR预处理单元相连，用于将基带电信号转换为基带数字信号S

进一步地，所述SR预处理单元包括尺度变换模块和龙格-库塔数值计算模块，尺度变换模块的输出端与龙格-库塔数值计算模块的输入端相连；

所述尺度变换模块的输入端与ADC模数转换模块的输出端相连，用于对基带数字信号S

所述龙格-库塔数值计算模块的输出端与FEC译码单元的输入端相连，用于通过龙格-库塔数值计算方法，带入信号S

进一步地，所述尺度变换模块包括重采样子模块和数字AGC子模块，重采样子模块的输出端与数字AGC子模块的输入端相连；

所述重采样子模块采用插值滤波器，重采样子模块的输入端与ADC模数转换模块的输出端相连，用于按照存储的频率参数查找表中与S

所述AGC子模块的输出端与龙格-库塔数值计算模块的输入端相连，用于通过乘以增益系数G

进一步地，所述FEC译码单元包括依次相连的位同步模块、符号硬判决模块、帧同步与数据提取模块和纠错译码模块；

所述位同步模块的输入端与龙格-库塔数值计算模块的输出端相连，用于对信号S

所述符号硬判决模块，用于根据预设的判决门限，得到与信号S

所述帧同步与数据提取模块，用于从二值数据流S

所述纠错译码模块，用于按照预设的编码类型对所述有效数据进行译码纠错处理，得到原始的业务数据。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提出了一种基于随机共振的空间光通信FEC译码方法，针对空间光信号长距离传输后，光信号信噪比差的问题，采用归一化尺度变换双稳态随机共振，对经数模转换采样后的基带电信号波形进行处理，能够有效提高进入译码前的信噪比。

2.本发明的空间光通信FEC译码方法，译码方法不受信道编码类型的限制，适用于不同类型的译码处理，且在数字域进行，易于集成，尤其适合体积、重量受限的小型平台应用，因此，在空间激光通信技术领域，针对该特殊的应用场景，具有广泛的应用前景。

3.本发明还提供了一种基于随机共振的空间光通信FEC译码系统，能够实现前述的译码方法，通过设置模拟处理单元、SR预处理单元和FEC译码单元，通过模块化的形式实现了上述译码方法，兼具前述译码方法的优势。

4.本发明的空间光通信FEC译码系统中，尺度变换模块采用了更适合工程应用的实现方式，采用根据频率参数查找表来调整重采样和数字AGC的前馈方式进行尺度变换，能够满足随机共振处理对输入信号的要求，相比于现有的粒子群寻优等参数反馈方式，实现结构简单且响应速度更快。

附图说明

图1为本发明一种基于随机共振的空间光通信FEC译码方法及系统实施例的原理图；

图2为本发明实施例中SR预处理单元的原理图；

图3为本发明实施例中重采样子模块的原理图；

图4为本发明实施例中经SR预处理模块处理前后的时域波形图；其中，(a)为经SR预处理模块处理前的时域波形图，(b)为经SR预处理模块处理后的时域波形图；

图5为本发明实施例中经SR预处理模块处理前后的功率谱密度对比图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

本发明提供了一种基于随机共振的空间光通信FEC译码方法,主要对接收端转换成电域的基带数字信号进行归一化随机共振处理，能够提高进入后级译码模块信号的信噪比，改善译码纠错性能。将接收到的空间光信号转换为基带数字信号S

如图1，为了能够实现上述空间光通信FEC译码方法，本发明还提供了一种基于随机共振的空间光通信FEC译码系统，包括依次相连的模拟处理单元、SR预处理单元和FEC译码单元。其中，SR预处理单元包括尺度变换模块和龙格-库塔数值计算模块，而尺度变换模块又包括重采样子模块和数字AGC子模块。如下，是本发明一种基于随机共振的空间光通信FEC译码方法，采用本发明的空间光通信FEC译码系统实现的一个具体实施例，具体包括以下步骤：

1)接收端光学天线接收到发射通信终端发射的空间光信号，经过光电转换模块转换成基带电信号，再经过ADC模数转换模块，得到基带数字信号S

其中，光电转换模块根据通信双方约定的调制方式，包含但不限于OOK、PPM、MPSK调制，采用对应的相干或非相干探测。相干探测时，光电转换模块中包含但不限于低噪声放大器、自动功率控制单元(Automatics Power Control，APC)、光学锁相环、平衡探测器、控制电路；非相干探测时，光电转换模块包含但不限于低噪声放大器、强度探测器、控制电路。本实施例中空间光信号选用OOK强度调制，对应非相干探测方式。

本实施例中，通信数据速率可实时切换为R

2)由于SR状态产生条件为绝热近似的小参数条件，即在工程应用中要求输入信号和噪声的幅度都远小于1，输入信号的频率远小于采样率。对于本发明的通信系统，输入信号的频率即通信符号速率。因此，需要对输入信号进行尺度变换处理，使得反映输入SR预处理单元的信号幅度的幅度参数和反映采样频率的时间参数满足SR状态产生条件。

SR预处理单元利用高频噪声来提高低频微弱信号的信噪比，涉及多参数联调，常用的方法是粒子群、模拟退火、蚁群等参数寻优方法来处理，但这些方法存在迭代不收敛或搜索速度慢等问题。

如图2所示，本发明采用对基带数字信号根据存储在查找表中的预设参数集进行识别判决，完成对应参数的尺度变换，以使得SR预处理单元处于SR状态，并将变换后的信号送入四阶的龙格-库塔数值计算模块对双稳态Langevin系统方程进行求解，再将该求解后的信号送入FEC译码单元，

归一化后的双稳态Langevin系统方程为

k

其中，w(t)为均值为0的白噪声，D为噪声强度，x

本发明中，SR预处理单元中具体包括尺度变化模块和龙格-库塔数值计算模块，尺度变化模块中，通过尺度变换处理来分别调整时间参数g和幅度参数h，进而满足SR状态的产生条件，再经龙格-库塔数值计算模块求解出SR的输出信号，具体步骤如下：

2.1)重采样：根据当前设置的通信数据速率和ADC模数转换模块的采样率，重采样子模块按照存储的频率参数查找表中该通信符号速率R

如图2，重采样子模块可采用但不限于插值滤波器实现，具体的，本实施例采用四阶Lagrange插值滤波器来完成重采样，Lagrange插值滤波器结构框图如图3所示，包括插值器和NCO控制器,u为NCO控制器输入插值滤波器的插值偏移量小数部分,m为NCO控制器输入插值滤波器的插值偏移量整数部分。

其中，NCO控制器按照F

其中，x

本实施例中在通信符号速率R

同理，R

2.2)将重采样后得到的S

将

其中，绝对值的统计平均公式为

本实施例中，幅度参数h必须使S

对于满足SR状态产生条件的最优幅度参数集，具体分析如下：

首先，ADC采集波形S

而S

其中，A

上述重采样模块和数字AGC子模块组成尺度变换模块。

2.3)经过步骤2.1)和2.2)完成尺度变换后，通过四阶的龙格-库塔数值计算模块进行归一化后的双稳态Langevin系统方程

本实施例中，当信号S

图4示出了一组对应信号在SR预处理单元处理前后的时域波形图，其中，(a)为接收到的信号S

龙格-库塔数值计算方法具体能够通过多种方程形式实现，本实施例中中采用的方程形式是能够保证计算结果的情况下，更加简洁的具体计算方法。

3)将SR预处理后的基带数字信号再送入FEC译码单元中的位同步模块，得到信号S

4)在符号硬判决模块中，按照预设的判决门限J

5)在帧同步与数据提取模块中，从判决后的二值数据流S

其中，在本实施例中，设置帧头标识为32bit的二进制序列1ACFFC1D，通过对该序列的检测，实现对帧头的识别和数据同步提取。

6)纠错译码模块按照约定编码类型进行译码纠错处理,得到原始的业务数据并输出，完成全部接收处理功能。其中，在本实施例中编译码格式可采用RS(255,239)格式。

如图1所示，本实施例还提供了一种空间光通信FEC译码系统，包括模拟处理单元、SR预处理单元和FEC译码单元。

模拟处理单元又包括光电转换模块和ADC模数转换模块，通过光学天线接收的通信终端发射的空间光信号，耦合进光纤送入光电转换模块，ADC模数转换模块用于将模拟电信号转换为数字电信号。

SR预处理单元包括尺度变换模块和龙格-库塔数值计算模块。尺度变换模块包括重采样子模块和数字AGC子模块。通过重采样子模块完成采样速率的变换，通过数字AGC子模块完成输入信号幅度的变换。龙格-库塔数值计算模块对尺度变换完后的数字信号进行拟合计算，得到SR预处理单元的输出信号。

FEC译码单元包括位同步模块、符号判决模块、帧同步与数据提取模块和纠错译码模块。位同步模块从输入信号中提取基带数字信号的同步采样值。符号判决模块根据预设门限进行二值化处理。帧同步与数据提取模块完成提取有效数据。纠错译码模块对有效数据按照约定编码类型进行译码纠错,得到原始的业务数据。

本发明基于随机共振的空间光通信FEC译码方法，能够提高进入译码前的信噪比，采用预设查找表结合AGC与重采样的方式，能够实现输入信号的尺度变换以满足随机共振产生的条件，实现结构简单，响应速度快。另外，处理过程在数字域进行，集成度高，可适用于体积、重量受限的小型平台应用。能够充分满足长距离激光通信背景下的传输要求。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。