SPAD‑OFDM光通信方法及系统与流程

本申请涉及无线通信技术领域，特别涉及一种spad-ofdm光通信方法及系统。

背景技术：

目前，一种利用单光子雪崩二极管spad以及正交频分复用ofdm技术的光通信系统，由于其能够比较好的适应长距离通信和水下通信等场景，如今应用广泛。

然而，这种spad-ofdm光通信系统，一般通过单光子雪崩二极管spad用于作为正交频分复用ofdm接收机的检测器件。由于spad以光子计数作为接收信号，其计数过程为泊松计数过程，从而引入的噪声为泊松噪声。泊松噪声条件下，原有基于欧氏距离准则的编码、检测方案不再适用。而且由于泊松噪声经过ofdm的解调结构fft后其噪声特性发生改变，其噪声也不再易于分析，更无法设计匹配的接收机。这导致spad-ofdm通信系统的传输性能受到严重制约。

技术实现要素：

本申请实施例的目的是提供一种spad-ofdm光通信方法及系统，以解决上述问题。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种spad-ofdm光通信方法，应用于spad-ofdm光通信系统，所述系统包括发射机和spad接收机，所述方法包括：

所述发射机对待发射的信号进行发射处理，所述发射处理包括ofdm调制、快速傅里叶反变换、信号限幅、逆变换处理，所述逆变换处理包括平方运算；

所述发射机将经过发射处理的信号发送至光信号源，以产生可见光信号；

所述spad接收机接收所述可见光信号并进行接收处理，所述接收运算包括光子计数、均衡处理、正变换处理，所述正变换处理包括开方运算；

所述spad接收机将经过接收处理的信号输出。

优选的，经过发射处理的信号具有符合泊松分布的噪声，经过正变换处理的信号具有符合高斯分布的噪声。

优选的，经过正变换处理的信号的噪声包括均值为0，方差为0.25的加性高斯白噪声。

优选的，所述发射处理还包括在逆变换处理之后的数模转换、光照度归一化和直流偏置；所述接收处理还包括在正变换处理之后的傅里叶变换以及ofdm解调。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种spad-ofdm光通信系统，包括：

发射机，包括依次处理对待发射信号的ofdm调制器、快速傅里叶反变换器、信号限幅器以及逆变换器，所述逆变换器用于对待发射信号进行逆变换处理，所述逆变换处理包括平方运算；

光信号源，接收所述发射机处理后的信号并产生可见光信号；

spad接收机，包括接收所述可见光信号并依次进行处理的光子计数器、均衡处理器以及正变换处理器，所述正变换处理对所接收到的信号进行正变换处理，所述正变换处理包括开方运算；

输出装置，连接所述spad接收机，用于输出经过处理后的信号。

优选的，经过发射处理的信号具有符合泊松分布的噪声，经过正变换处理的信号具有符合高斯分布的噪声。

优选的，经过正变换处理的信号的噪声包括均值为0，方差为0.25的加性高斯白噪声。

优选的，所述发射机还包括在数模转换模块、光照度归一化模块和直流偏置模块；所述接收机还包括在傅里叶变换模块以及ofdm解调模块。

由以上本申请实施例提供的技术方案可见，本申请实施例所提供的spad-ofdm光通信方法及系统，通过在发射机对待发射信号进行逆变换处理，在接收机对接收信号进行正变换处理，逆变换处理和正变换处理包括相对的平方处理和开方处理，通过正变换处理可以将spad接收机所带来的泊松噪声转换为便于处理的高斯噪声，使得spad接收机能够适用欧氏距离准则，保证其接收性能得以保证；同时逆变换处理可以解除正变换的影响，恢复原有波形。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例中spad-ofdm光通信方法的流程图；

图2为本申请实施例中spad-ofdm光通信系统的模块图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

图1为本申请实施例中spad-ofdm光通信方法的流程图，该方法可以应用于spad-ofdm光通信系统，所述光通信系统包括发射机和spad接收机。该方法具体包括步骤101至104。

在步骤101中，所述发射机对待发射的信号进行发射处理，所述发射处理包括ofdm调制、快速傅里叶反变换、信号限幅、逆变换处理，所述逆变换处理包括平方运算。

待发射的信号进入发射机后，首先经过调整ofdm调制，该信号被分拆、映射至ofdm各子载波上以实现并行传输。进而，再快速傅里叶反变换，dsp信号限幅，最终进入逆变换处理，逆变换处理包括平方运算。

在本申请实施例中，设定经过通过dsp信号限幅后信号为xclpped，则经过ar逆变换的信号xar(k)＝{xclipped(k)}²。

当然，所述发射处理还包括在逆变换处理之后的数模转换、光照度归一化和直流偏置等处理步骤，在此不做赘述。

在步骤102中，所述发射机将经过发射处理的信号发送至光信号源，以产生可见光信号。

光信号源可以是led光源，光信号源接收到经过发射处理的信号后，据此产生匹配的光信号并发射出去。

在步骤103中，所述spad接收机接收所述可见光信号并进行接收处理，所述接收运算包括光子计数、均衡处理、正变换处理，所述正变换处理包括开方运算。

spad接收机能在死时间内只能接收一个光子，而死时间由spad的结构决定，是指spad在接收一个光子后恢复到可以接收下一个光子的状态所需要的时间，通常由spad外部电路来实现。光子的计数过程建模为泊松计数过程，因此接收到的信号也具有符合泊松分布的噪声。spad接收机经过光子计数、均衡处理后，将信号进行正变换处理。正变换处理包括开方运算。

以下结合已有的数学结论，证明服从泊松分布的随机变量，经开方后近似服从高斯分布，以明确通过正变换处理，可以将信号内泊松噪声转换为高斯噪声。相关证明如下：

假定随机变量r服从泊松分布，且均值为m。

现引入如下变换其中c为一常数。

令r-m＝t且m+c＝m′，参数as定义为，对于s＝1，2，3，…

则，对于任何t≥-m′，由泰勒公式有，

如果t＞0，由拉格朗日公式，余项rs满足

考虑|t|≤m′，则从公式(1)可以得到

由级数收敛，有

式中右侧为收敛且有界的。如果g(s)为其一个边界的绝对值，

将此不等式与式(2)进行比较，可见对于所有t＞m′均成立

由于当m→∞时，n阶的时刻值为所以当m→∞时，对于y时刻，有

当c＝3/8时，

此时，如令

则

当m很大时，有则表明该信号为内泊松噪声已经转换为均值为0，方差近似为1的加性高斯白噪声。从而可以得到，经过正变换处理的信号的噪声也包括均值为0，方差为0.25的加性高斯白噪声。

当然，所述接收处理还包括在正变换处理之后的傅里叶变换以及ofdm解调等处理工序，在此不做赘述。

在步骤104中，所述spad接收机将经过接收处理的信号输出。

综上，本申请实施例所提供的spad-ofdm光通信方法，通过在发射机对待发射信号进行逆变换处理，在接收机对接收信号进行正变换处理，逆变换处理和正变换处理包括相对的平方处理和开方处理，通过正变换处理可以将spad接收机所带来的泊松噪声转换为便于处理的高斯噪声，使得spada接收机能够适用欧氏距离准则，保证其接收性能得以保证；同时逆变换处理可以解除正变换的影响，恢复原有波形。

图2为本申请实施例中spad-ofdm光通信系统的模块图。参图2所示，spad-ofdm光通信系统包括发射机201、光信号源202、spad接收机203以及输出装置204，该光通信系统的工作原理可以参考前述光通信方法，在此不做展开描述。

发射机201用于接收待输入信号并传输，包括依次处理对待发射信号的ofdm调制器211、快速傅里叶反变换器212、信号限幅器213以及逆变换器214，所述逆变换器214用于对待发射信号进行逆变换处理，所述逆变换处理包括平方运算。逆变换处理的具体原理可参前述方法内容，在此不做展开描述。

ofdm调制器211、快速傅里叶反变换器212、信号限幅器213分别对待发射信号实现ofdm调制、快速傅里叶反变换、信号限幅。经过前述处理的信号进入逆变换器214并进行后续处理。

当然，所述发射机201还包括在数模转换模块215、光照度归一化模块216和直流偏置模块217，以分别进行数模转换、光照度归一化和直流等处理步骤，在此不做赘述。

光信号源202接收所述发射机201处理后的信号并产生可见光信号。光信号源可以是led光源，光信号源202接收到经过发射处理的信号后，据此产生匹配的光信号并发射出去。

spad接收机203包括接收所述可见光信号并依次进行处理的光子计数器231、均衡处理器232以及正变换处理器233，所述正变换处理对所接收到的信号进行正变换处理，所述正变换处理包括开方运算。

光子计数器231、均衡处理232分别用于对spad接收机203所接收到信号进行光子技术和均衡处理，进而通过正变换处理器233进行后续流程。

当然，接收机203还包括在傅里叶变换模块234以及ofdm解调模块235，以对经过正变换处理器233处理后的信号进行傅里叶变换和ofdm解调处理，以恢复出待发射的信息。

输出装置204连接所述spad接收机，用于输出经过处理后的信号。这些信号可以被传输至相关用户，从而实现通过信号的通信。

综上，本申请实施例所提供的spad-ofdm光通信系统，通过在发射机对待发射信号进行逆变换处理，在接收机对接收信号进行正变换处理，逆变换处理和正变换处理包括相对的平方处理和开方处理，通过正变换处理可以将spad接收机所带来的泊松噪声转换为便于处理的高斯噪声，使得spada接收机能够适用欧氏距离准则，保证其接收性能得以保证；同时逆变换处理可以解除正变换的影响，恢复原有波形。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。