阅读说明：本技术 相干光学无线光通信传输方法、系统、存储介质、设备 (Coherent optical wireless optical communication transmission method, system, storage medium, and device ) 是由 朱敏 于 2020-07-24 设计创作，主要内容包括：本发明属于自由空间光通信技术领域,公开了一种相干光学无线光通信传输方法、系统、存储介质、设备,利用相位、偏振态和数据符号位这三种变量进行数据的符号映射,以产生X和Y偏振态上的基带符号流；四路基带信号先后经过I/Q失衡补偿、信道均衡、时序恢复、载波频率偏移补偿和载波相位偏移补偿后获得与产生的基带信号对应的两路符号数据流。本发明可以有效的抑制大气湍流引起的相位噪声,而且通过在正交偏振态上两个相邻符号周期内交叉调制符号信息可以有效避免在同一个符号时隙周期内偏振态之间的串扰。因此本发明可以有效提升基于PSK或QAM调制方式的传统大气相干光通信系统的性能,并大气激光通信系统的传输距离得到扩展。(The invention belongs to the technical field of free space optical communication, and discloses a coherent optical wireless optical communication transmission method, a system, a storage medium and equipment, wherein three variables of phase, polarization state and data sign bit are utilized to carry out data sign mapping so as to generate baseband sign streams on X and Y polarization states; the four paths of baseband signals are subjected to I/Q unbalance compensation, channel equalization, time sequence recovery, carrier frequency offset compensation and carrier phase offset compensation in sequence to obtain two paths of symbol data streams corresponding to the generated baseband signals. The invention can effectively inhibit phase noise caused by atmospheric turbulence, and can effectively avoid crosstalk between polarization states in the same symbol time slot period by cross-modulating symbol information in two adjacent symbol periods in orthogonal polarization states. Therefore, the invention can effectively improve the performance of the traditional atmosphere coherent optical communication system based on the PSK or QAM modulation mode, and the transmission distance of the atmosphere laser communication system is expanded.)

相干光学无线光通信传输方法、系统、存储介质、设备

技术领域

本发明属于自由空间光通信技术领域，尤其涉及一种相干光学无线光通信传输方法、系统、存储介质、设备。

背景技术

目前，自由空间光通信技术是发展快速部署系统、安全系统、通信系统、实时监视和监控系统的关键技术。自由空间光通信系统具有很多优点，如部署时间短、器件相对便宜、抗电磁干扰和不受无线电执照的限制等，尤其是具有射频通信不可比拟的高带宽。在商业领域可为因特网主干网提供宽带无线扩展，为无延迟网页浏览、数据库访问、电子商务、大数据的访问和传输、实时音频和视频、视频会议、实时医学图像传输和企业网络的快速发展提供高带宽链路；在国防领域中，目前卫星所需的高带宽仪器，如超光谱成像仪、合成孔径雷达(SAR)等，以及在将来的星际载人航天中需要实现实时的视频通信，需要进行大量高分辨率的高清图像、视频信息传输。例如，以美国NASA进行的火星全球勘测(MGS)任务为例，该任务已传回数百Tbits的数据，在整个主任务阶段，受到通信容量能力的限制，该任务仅能高分辨率绘制火星表面的很少一部分。现有的合成孔径雷达数据的实时传输容量需求也达数Gbps。受空间辐照的影响，目前星上数据存储及处理能力十分受限，而利用具有高频谱效率的空间相干激光通信技术可将空间应用中所获得的大容量高清图像信息、测控数据实时回传，有利于减轻星上数据存储及处理的设计压力。还有未来中继卫星的组网以及天地一体化网络的构建都需要利用空间相干激光通信技术提供高带宽的通信链路。因此，具有高频谱效率和高灵敏度的空间相干光通信技术在民用和军用领域都具有广阔的应用前景。但是，目前在星地激光通信链路中，大气湍流引起的相位噪声仍然是阻碍高频谱效率自由空间相干光通信系统发展的主要因素，传统的基于PSK或QAM调制方式的相干光通信要克服大气湍流引起的相位噪声必须借助昂贵的自适应光学设备，限制了自由空间相干光通信的推广和普及。

现有的基于PSK或QAM调制方式的相干光通信技术同时利用X和Y两个正交偏振态来传输信息，以增加传输速率，因此两个偏振态上分别调制了独立无关的信息符号，符号S₁、S₂、…、S_n之间是独立无关的。经过大气湍流信道传输后在接收端分别对X偏振态和Y偏振态上的进行独立解调，以恢复发送符号。由于发送的符号之间是独立无关的，即使符号上引入了相关的相位噪声，也无法在接收端利用这种噪声相关性进行噪声抑制。而且同一个符号时隙周期内两个偏振态之间也容易产生串扰，进一步降低了系统的性能。因此现有的基于PSK或QAM调制方式的相干光通信技术的缺点就是不能有效的抑制大气湍流引起的相位噪声，而且两个偏振态之间会产生串扰。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的基于PSK或QAM调制方式的相干光通信技术的不能有效的抑制大气湍流引起的相位噪声，而且两个偏振态之间会产生串扰。

解决以上问题及缺陷的难度为：为了有效的抑制大气湍流引起的相位噪声，现有的基于PSK或QAM调制方式的相干光通信技术不得不借助复杂且昂贵的自适应光学系统，该系统虽然有效，但其带来的系统成本的增加甚至超过通信系统自身的成本，是对成本敏感的商业通信系统所不能承受的。

解决以上问题及缺陷的意义为：通过本发明可有效抑制大气湍流引起的相位噪声，并且带来很少的系统成本增加，降低了大气相干激光通信的商业推广难度，对于利用自由空间光通信系统进行5G前传和未来6G通信都具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种相干光学无线光通信传输方法、系统、存储介质、设备。

本发明是这样实现的，一种相干光学无线光通信传输方法，所述相干光学无线光通信传输方法包括：

利用相位、偏振态和数据符号位这三种变量进行数据的符号映射，以产生X和Y偏振态上的基带符号流；

四路基带信号先后经过I/Q失衡补偿、信道均衡、时序恢复、载波频率偏移补偿和载波相位偏移补偿后获得与产生的基带信号对应的两路符号数据流。

进一步，所述利用相位、偏振态和数据符号位这三种变量进行数据的符号映射，以产生X和Y偏振态上的基带符号流包括：

第一步，将要发送的二进制数据流进行信息映射，其中比特0映射为-1，比特1映射为+1；

第二步，将第一步中信息映射产生的数据流进行分组，邻近的每四位组成一组；

第三步，将第二步分组后的每一组进行符号映射；其中每一组的前两位映射为QPSK符号S_i，第三位映射到X/Y偏振态上，即第三位为+1时前两位映射的符号S_i将在时隙T_i时在X或Y偏振态上发送，此时Y或X偏振态上不发送信息；当第三位为-1时前两位映射的符号S_i将在时隙T_i时在Y或X偏振态上发送，此时X或Y偏振态上不发送信息；每一组的第四位映射为符号b×(S_i)^*，其中b是第四位的值，为+1或-1；(S_i)^*表示每一组中前两位映射的QPSK符号S_i的复共轭，(·)^*表示求复共轭运算；第四位映射的符号b×(S_i)^*在紧随时隙T_i之后的T_i ^*时隙发送，并且其占用的偏振态与时隙T_i发送的符号S_i占用的偏振态是互斥关系，即如果S_i在X偏振态发送，则b×(S_i)^*在Y偏振态发送，反之，若S_i在Y偏振态发送，则b×(S_i)^*在X偏振态发送；每一组的四位就映射完毕，产生了X和Y偏振态上的基带符号流。

进一步，所述四路基带信号先后经过I/Q失衡补偿、信道均衡、时序恢复、载波频率偏移补偿和载波相位偏移补偿后获得与产生的基带信号对应的两路符号数据流包括：其中一路是X偏振态上的符号数据流0，0，0，

而另一路是Y偏振态上的符号数据流

0，0，

0；两路符号数据经过传输后受到了噪声的影响与发送端的符号数据之间存在误差；经过基带信号的前端处理后，对应X和Y偏振态上的两路基带信号符号流已经实现了同步，两路数据流在每个时隙上已经实现符号对齐；将这两路对齐的符号数据流进行判决恢复。

进一步，所述将这两路对齐的符号数据流进行判决恢复包括：

1)在T_i时隙时，取X和Y偏振态上的两个符号和

的模和

若

或者其中Threshold是选择的阈值，则说明符号

在X偏振态上，此时第三位恢复的信息为+1；反之，若或者则说明符号

在Y偏振态上，此时第三位恢复的信息为-1；

2)在T_i时隙时，符号

的相位角0～π所处的象限为M；在T_i ^*时隙时，到与符号所处的偏振态互斥的偏振态上求符号或

的相位角0～π所处的象限N；若N位于M的共轭象限中，则T_i ^*时隙上的符号与T_i时隙上的符号

同号，即T_i ^*时隙上是符号此时判决第四位为+1；若N位于M的对角象限中，则则T_i ^*时隙上的符号与T_i时隙上的符号

异号，即T_i ^*时隙上是符号此时判决第四位为-1；

3)根据2)中判决的结果，如果T_i ^*时隙上的符号为则与T_i时隙上的符号进行如下运算：

如果T_i ^*时隙上的符号为则与T_i时隙上的符号

进行如下运算：

对

进行QPSK符号判决，恢复出前两位。

进一步，所述相干光学无线光通信传输方法基带信号的电光调制，在X和Y偏振态上产生的基带符号流要通过电光调制器的调制产生用于传输的光信号，产生的X和Y偏振态上的基带信号流可以包含同相分量I_X和I_Y，以及正交分量Q_X和Q_Y，这四路基带信号分别通过两个光学I/Q调制器进行调制；或者X和Y偏振态上的基带信号流也可以直接是两路相位信息，两路相位信息是分别是对I_X+j·Q_X和I_Y+j·Q_Y求相位角获得的，此时两路相位信息通过相位调制器进行调制。

进一步，所述相干光学无线光通信传输方法激光器输出的光信号通过偏振分束器分束后，产生一路X偏振态的光信号和一路Y偏振态的光信号，两路光信号经过调制器调制后，经过偏振合束器合束，之后再经过光学放大后，通过光学天线发射到自由空间信道中。

进一步，所述相干光学无线光通信传输方法自由空间光信号的相干接收由发射端发送的光信号在自由空间传输后，在接收端由光学天线接收并经过光学放大器放大后和本振激光器一起进入光学混频器进行混频，混频后的光信号经过四个平衡探测器转换为四路模拟电信号，这四路模拟电信号分别是X偏振态上的同相分量I_X和正交分量Q_X，以及Y偏振态上的同相分量I_Y和正交分量Q_Y；四路模拟电信号再经过模/数转换后转换为数字信号，并由基带信号处理和解调模块对数字信号进行处理。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

利用相位、偏振态和数据符号位这三种变量进行数据的符号映射，以产生X和Y偏振态上的基带符号流；

四路基带信号先后经过I/Q失衡补偿、信道均衡、时序恢复、载波频率偏移补偿和载波相位偏移补偿后获得与产生的基带信号对应的两路符号数据流。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

利用相位、偏振态和数据符号位这三种变量进行数据的符号映射，以产生X和Y偏振态上的基带符号流；

四路基带信号先后经过I/Q失衡补偿、信道均衡、时序恢复、载波频率偏移补偿和载波相位偏移补偿后获得与产生的基带信号对应的两路符号数据流。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述相干光学无线光通信传输方法的相干光学无线光通信传输系统，所述相干光学无线光通信传输系统包括：

基带信号的电光调制模块，用于利用相位、偏振态和数据符号位这三种变量进行数据的符号映射，以产生X和Y偏振态上的基带符号流；

基带信号处理模块，用于实现四路基带信号先后经过I/Q失衡补偿、信道均衡、时序恢复、载波频率偏移补偿和载波相位偏移补偿后获得与产生的基带信号对应的两路符号数据流。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明基于PSK或QAM调制方式的传统大气相干光通信技术的缺点是在正交偏振态上携带的都是信息符号，不能利用两个偏振态上相位噪声之间的相关性来抑制噪声，而且同一个符号周期内两个偏振态之间的符号容易产生串扰，而本发明在正交偏振态上两个相邻符号周期内交叉调制具有相位共轭关系的信息符号，经过大气湍流信道后两个偏振态上引入的相位噪声具有相关性，在接收端可利用该相关性消除相位噪声的影响，而且可以避免同一个符号周期内偏振态之间的串扰，解决了传统技术上的缺点。为了验证本发明技术方案的有效性我们在强大气湍流下对本技术方案的效果进行了仿真，并与传统方案的效果进行了对比。仿真中强湍流的大气结构常数为本发明技术方案和现有技术方案在这强湍流下的误码率如图8所示。从图中曲线可知，本发明的技术方案与现有技术方案相比可以带来显著的误码率改善。

本发明首先通过在正交偏振态上引入具有相位共轭关系的符号信息，可以有效的抑制大气湍流引起的相位噪声，而且通过在正交偏振态上两个相邻符号周期内交叉调制符号信息可以有效避免在同一个符号时隙周期内偏振态之间的串扰。因此本发明可以有效提升基于PSK或QAM调制方式的传统大气相干光通信系统的性能，并大气激光通信系统的传输距离得到扩展。

本发明通过在正交偏振调制中引入相位共轭调制格式，改进了传统基于PSK或QAM调制方式的相干光通信不能直接克服大气湍流引起的相位噪声的缺点，降低了系统成本，使大气中的自由空间相干激光通信的应用得到推广和普及。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的相干光学无线光通信传输方法流程图。

图2是本发明实施例提供的相干光学无线光通信传输系统的结构示意图；

图中：1、基带信号的电光调制模块；2、基带信号处理模块。

图3是本发明实施例提供的信息符号映射流程图。

图4是本发明实施例提供的基带信号前端处理流程图。

图5是本发明实施例提供的基带信号的电光调制原理框图1。

图6是本发明实施例提供的基带信号的电光调制原理框图2。

图7是本发明实施例提供的自由空间光信号的相干接收原理框图。

图8是本发明实施例提供的不同大气结构常数下接收光场光强的分布示意图；图8中：(a)(b)

图9是本发明实施例提供的强湍流下本发明技术方案和现有技术方案的误码率对比示意图。

图10是本发明实施例提供的弱湍流下本发明技术方案和现有技术方案的误码率对比示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种相干光学无线光通信传输方法、系统、存储介质、设备，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明提供的相干光学无线光通信传输方法包括以下步骤：

S101：利用相位、偏振态和数据符号位这三种变量进行数据的符号映射，以产生X和Y偏振态上的基带符号流。

S102：四路基带信号先后经过I/Q失衡补偿、信道均衡、时序恢复、载波频率偏移补偿和载波相位偏移补偿后获得与产生的基带信号对应的两路符号数据流。

本发明提供的相干光学无线光通信传输方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的相干光学无线光通信传输方法仅仅是一个具体实施例而已。

如图2所示，本发明提供的相干光学无线光通信传输系统包括：

基带信号的电光调制模块1，用于利用相位、偏振态和数据符号位这三种变量进行数据的符号映射，以产生X和Y偏振态上的基带符号流。

基带信号处理模块2，用于实现四路基带信号先后经过I/Q失衡补偿、信道均衡、时序恢复、载波频率偏移补偿和载波相位偏移补偿后获得与产生的基带信号对应的两路符号数据流。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

1.基带信号产生

本发明充分利用相位、偏振态和数据符号位这三种变量进行数据的符号映射，以产生X和Y偏振态上的基带符号流。这里以QPSK为例进行符号映射方法的具体描述，如图3所示。

第一步：将要发送的二进制数据流(由0和1组成)进行信息映射，其中比特0映射为-1，比特1映射为+1。如图1中假设二进制比特流为010100101100，则映射后变为-1，+1，-1，+1，-1，-1，+1，-1，+1，+1，-1，-1。

第二步：将第一步中信息映射产生的数据流(由+1和-1组成)进行分组，邻近的每四位组成一组。如图中的-1，+1，-1，+1，-1，-1，+1，-1，+1，+1，-1，-1数据流分为三组，第一组为+1，-1，+1，-1；第二组为-1，+1，-1，+1；第三组为+1，+1，-1，-1。

第三步：将第二步分组后的每一组进行符号映射。其中每一组的前两位映射为QPSK符号S_i，第三位映射到X/Y偏振态上，即第三位为+1时前两位映射的符号S_i将在时隙T_i时在X(或Y)偏振态上发送，此时Y(或X)偏振态上不发送信息；当第三位为-1时前两位映射的符号S_i将在时隙T_i时在Y(或X)偏振态上发送，此时X(或Y)偏振态上不发送信息。每一组的第四位映射为符号b×(S_i)^*，其中b是第四位的值，为+1或-1。(S_i)^*表示每一组中前两位映射的QPSK符号S_i的复共轭，(·)^*表示求复共轭运算。第四位映射的符号b×(S_i)^*在紧随时隙T_i之后的T_i ^*时隙发送，并且其占用的偏振态与时隙T_i发送的符号S_i占用的偏振态是互斥关系，即如果S_i在X偏振态发送，则b×(S_i)^*在Y偏振态发送，反之，若S_i在Y偏振态发送，则b×(S_i)^*在X偏振态发送。这样每一组的四位就映射完毕，产生了X和Y偏振态上的基带符号流。例如图1中的第二步分组后的第一组数据-1，+1，-1，+1，其中前两位-1，+1映射为QPSK符号S₁，第三位-1映射到Y偏振态上，即前两位-1，+1映射的符号S₁将在时隙T₁时在Y偏振态上发送，此时X偏振态上不发送信息，用0表示。第四位+1映射为符号并且将在紧随时隙T₁之后的T₁ ^*时隙发送，并且其在X偏振态上发送，此时Y偏振态上不发送信息，用0表示；第二组的-1，-1，+1，-1按照同样的映射方法映射后，在时隙T₂时在X偏振态上发送符号S₂，在时隙T₂ ^*时在Y偏振态上发送符号第三组的+1，+1，-1，-1映射后，在时隙T₃时在Y偏振态上发送符号S₃，在时隙T₂ ^*时在X偏振态上发送符号

产生的X偏振态上的基带符号流为0，

S₂，0，0，

Y偏振态上的基带符号流为S₁，0，0，S₃，0。

2.基带信号处理

基带信号前端处理流程如图4所示。四路基带信号先后经过I/Q失衡补偿、信道均衡、时序恢复、载波频率偏移补偿和载波相位偏移补偿后获得与图1产生的基带信号对应的两路符号数据流。其中一路是X偏振态上的符号数据流0，0，0，

而另一路是Y偏振态上的符号数据流

0，0，

0。这两路符号数据经过传输后受到了噪声的影响与发送端的符号数据之间存在误差。尽管经过了图5中的各种信号处理过程，这两路符号数据仍然与发送的符号数据之间存在较大噪声。经过基带信号的前端处理后，对应X和Y偏振态上的两路基带信号符号流已经实现了同步，两路数据流在每个时隙上已经实现符号对齐。此时将这两路对齐的符号数据流经过以下步骤进行判决恢复：

1)在T_i时隙时，取X和Y偏振态上的两个符号

和的模

和

若或者其中Threshold是选择的阈值，则说明符号在X偏振态上，此时第三位恢复的信息为+1；反之，若

或者

则说明符号

在Y偏振态上，此时第三位恢复的信息为-1。

2)在T_i时隙时，符号的相位角(范围：0～π)所处的象限为M；在T_i ^*时隙时，到与符号

所处的偏振态互斥的偏振态上求符号

或的相位角(范围：0～π)所处的象限N；若N位于M的共轭象限中，则T_i ^*时隙上的符号与T_i时隙上的符号

同号，即T_i ^*时隙上是符号

此时判决第四位为+1；若N位于M的对角象限中，则则T_i ^*时隙上的符号与T_i时隙上的符号

异号，即T_i ^*时隙上是符号

此时判决第四位为-1。

3)根据2)中判决的结果，如果T_i ^*时隙上的符号为

则与T_i时隙上的符号

进行如下运算：

如果T_i ^*时隙上的符号为

则与T_i时隙上的符号进行如下运算：

对进行QPSK符号判决，恢复出前两位。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。

本发明实施例提供的相干光学无线光通信传输方法包括以下步骤：

1、基带信号的电光调制

在X和Y偏振态上产生的基带符号流要通过电光调制器的调制产生用于传输的光信号。整个调制系统组成框图如图5或图6所示。由图3流程产生的X和Y偏振态上的基带信号流可以包含同相分量I_X和I_Y，以及正交分量Q_X和Q_Y，这四路基带信号分别通过两个光学I/Q调制器进行调制，如图5所示。或者X和Y偏振态上的基带信号流也可以直接是两路相位信息，这两路相位信息是分别是对I_X+j·Q_X和I_Y+j·Q_Y求相位角获得的，此时两路相位信息通过相位调制器进行调制，如图6所示。

在图5和图6中，激光器输出的光信号通过偏振分束器分束后，产生一路X偏振态的光信号和一路Y偏振态的光信号，两路光信号经过调制器(图5的光学I/Q调制器，图6的相位调制器)调制后，经过偏振合束器合束，之后再经过光学放大后，通过光学天线发射到自由空间信道中(大气信道或真空信道)。

2、自由空间光信号的相干接收

由发射端发送的光信号在自由空间传输后，在接收端由光学天线接收并经过光学放大器放大后和本振激光器一起进入光学混频器进行混频，混频后的光信号经过四个平衡探测器转换为四路模拟电信号，这四路模拟电信号分别是X偏振态上的同相分量I_X和正交分量Q_X，以及Y偏振态上的同相分量I_Y和正交分量Q_Y。四路模拟电信号再经过模/数转换后转换为数字信号，并由基带信号处理和解调模块对数字信号进行处理。

下面结合实验对本发明的技术效果作详细的描述。

为了验证本发明技术方案的有效性我们在不同强度的大气湍流下对本技术方案的效果进行了仿真，并与传统方案的效果进行了对比。仿真中强湍流的大气结构常数为弱湍流的大气结构常数为在强湍流和弱湍流下在接收端获得的光强分布如图8所示。

利用本发明技术方案和现有技术方案对上图中接收的光信号进行处理后获得的误码率如图9和图10所示。从图9和图10中曲线可知，本发明的技术方案与现有技术方案相比可以带来显著的误码率改善。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。