CN101299101A - 无线光通信调制方法及调制信号收发装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线光通信调制方法及调制信号收发装置。无线光通信调制信号发出装置包括光源发出单元、偏振单元、旋光调制单元、编码单元和发射单元；无线光通信调制信号接收装置包括接收单元、滤光单元、四分之一波片、偏振分束单元、光电探测单元和解调单元；无线光通信调制方法利用偏振的旋光状态代表相对应的数据状态进行调制发送，根据接收到的信号光的旋光状态进行解调。本发明技术中采用圆偏振光进行通信，不要求接收端与发射端的坐标轴方向一致；同时，利用圆偏振光的两种旋光状态(左旋、右旋)进行编码，大气湍流的附加相位对旋光状态无影响，这就保证了传输数据的正确性，很好的抑制了大气湍流的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线光通信的调制方法及装置，具体涉及一种可抑制大气湍流等随机扰动的无线光通信信号调制方法及装置。
背景技术
与传统的通信技术相比，无线光通信技术具有传输带宽高、成本低、保密性强、不占用现有频谱资源等优点，因而成为未来楼宇通信、空间通信，特别是卫星通信的优选方案。然而，由于无线光通信系统是在开放的空间链路上进行通信的，其信号受链路的状况影响很大。特别是在大气链路部分，受大气湍流、自然界背景光等因素的影响，接收机处的信号会产生光强的随机闪烁和相位畸变。这导致误码率的增加，降低了整个通信系统的性能，限制了无线光通信技术优势的发挥。
目前的无线光通信系统一般采用光强度调制/解调(如OOK、PPM等)调制方案，此类调制方法受大气扰动和各种天气情况的影响，通信性能不够稳定。为了提高无线光通信系统的可靠性，世界各国的研究者提出了许多方案，如提高发射机性能、相干发射接收、结合自适应光学技术、时间空间分集、纠错码编码、微波系统冗余备份等。但是这些方案均或多或少的存在一些缺点，不能完全解决无线光通信实用化遇到的问题。
目前，利用偏振光进行无线光通信的研究并不是太多，而且大多集中在偏振复用的研究方向，如美国JPL实验室和清华大学的朱钧小组分别利用线偏振光和圆偏振光进行了偏振复用通信实验。偏振复用能提高通信速率，但不具备抑制大气扰动的功能。为提高无线光通信系统的可靠性，美国马里兰大学的Davis小组对偏振键控(PolSK：Polarization Shift Keying)调制方法进行了研究，他们利用两束正交线偏振光代表两种数据状态，通过控制两线偏光的交替通断，实现信息的传输。在国内，也出现了利用偏振态进行调制的初步思想，西安理工大学的柯熙政等提出了“PPM偏振调制”方案，通过调节两正交线偏振光的振幅，来改变椭圆偏光的偏振角，利用偏振角度进行编码通信。但是以上两种偏振调制方案都要求接收端与发射端的偏振态坐标轴方向一致，而这在实际应用中是很难保证的，因此两方案的推广应用受到了限制。
发明内容
为了解决现有技术中采用提高发射机性能、相干发射接收、结合自适应光学技术、时间空间分集、纠错码编码、微波系统冗余备份等技术方案不能完全解决无线光通信实用化遇到的技术问题和利用线偏振光进行偏振键控调制及PPM偏振调制中遇到的要求接收端与发射端的偏振态坐标轴方向一致，而在实际应用中很难保证的技术问题，本发明提供了一种无线光通信调制信号收发装置。
为了解决现有技术中采用提高发射机性能、相干发射接收、结合自适应光学技术、时间空间分集、纠错码编码、微波系统冗余备份等技术方案不能完全解决无线光通信实用化遇到的技术问题和利用线偏振光进行偏振键控调制及PPM偏振调制中遇到的要求接收端与发射端的偏振态坐标轴方向一致，而在实际应用中很难保证的技术问题，本发明还提供了一种无线光通信调制方法。
本发明解决现有技术问题所采用的技术方案为提供一种无线光通信调制信号发出装置，所述无线光通信调制信号发出装置包括光源发出单元、偏振单元、旋光调制单元、编码单元和发射单元，其中所述光源发出单元与所述偏振单元连接，所述偏振单元与所述旋光调制单元连接，所述旋光调制单元与所述发射单元连接，所述编码单元与所述旋光调制单元连接。
根据本发明的一优选方案：所述光源发出单元为激光器；所述偏振单元为偏振片；所述编码单元为编码器；所述发射单元为发射天线。
根据本发明的一优选方案：所述无线光通信调制信号发出装置为机械调制式无线光通信调制信号发出装置，所述旋光调制单元为四分之一波片或四分之一波片与半波片的组合。
根据本发明的一优选方案：所述四分之一波片的快轴与所述偏振单元的起偏方向夹角为45°。
根据本发明的一优选方案：所述无线光通信调制信号发出装置为电光调制式无线光通信调制信号发出装置，所述旋光调制单元为LiNbO3调制器。
根据本发明的一优选方案：所述LiNbO3调制器采用Z向施加电场，光场沿横向传播，所述LiNbO3调制器的主轴与所述偏振片的起偏方向夹角为45°。
本发明还提供了一种与所述无线光通信调制信号发出装置相配合使用的无线光通信调制信号接收装置，所述无线光通信调制信号接收装置包括接收单元、滤光单元、四分之一波片、偏振分束单元、光电探测单元和解调单元，其中所述接收单元与所述滤光单元连接，所述滤光单元与所述四分之一波片连接，所述四分之一波片与所述偏振分束单元连接，所述偏振分束单元与所述光电探测单元连接，所述光电探测单元与所述解调单元连接。
根据本发明的一优选方案：所述接收单元为接收天线；所述滤光单元为窄带滤光片；所述偏振分束单元为偏振分束棱镜；所述光电探测单元为光电探测器。
根据本发明的一优选方案：所述四分之一波片的快轴与所述偏振分束单元的P偏振方向夹角为45°。
为了解决现有技术中存在的问题本发明还提供了一种无线光通信调制方法，所述无线光通信调制方法利用偏振的旋光状态代表相对应的数据状态进行调制发送，根据接收到的信号光的旋光状态进行解调。
根据本发明的一优选方案：所述无线光通信调制方法具体为利用圆偏振的两种旋光状态代表相对应的两种数据状态进行调制发送，在接收端根据接收到的信号光的旋光状态进行解调。
根据本发明的一优选方案：所述无线光通信调制方法具体包括步骤：一、通过所述光源发出单元发出的光经所述偏振单元起偏为线偏振光；二、通过所述旋光调制单元对所述线偏振光进行调制，并根据所述编码单元中的信息，将所述线偏振光调制成旋光状态对应于π/2、-π/2两种相位差状态的左旋或右旋圆偏振光；三、通过所述发射单元进行发送；四、通过所述接收单元将所述圆偏振光进行接收，并将得到的所述圆偏振光信号通过所述滤光单元滤除背景光；五、通过所述四分之一波片将圆偏振光转为线偏振光；六、通过所述偏振分束单元将所述步骤五中的所述线偏振光分解为S偏振光和P偏振光；七、通过所述光电探测器根据所述S偏振光和所述P偏振光状态进行计数；八、所述光电探测器将信号发送到所述解调单元进行信息提取。
本发明的有益效果在于：技术中采用圆偏振光进行通信，不要求接收端与发射端的坐标轴方向一致；同时，利用圆偏振光的两种旋光状态(左旋、右旋)进行编码，大气湍流的附加相位对旋光状态无影响，这就保证了传输数据的正确性，很好的抑制了大气湍流的影响，与现有技术相比，本发明结构简单、易于实现，同时对大气的随机扰动有很好的抑制效果。
附图说明
图1.本发明无线光通信调制方法及调制信号收发装置中无线光通信调制信号发出装置结构框图；
图2.本发明无线光通信调制方法及调制信号收发装置中无线光通信调制信号接收装置结构框图；
图3.机械调制式无线光通信调制信号发出装置结构框图；
图4.电光调制式无线光通信调制信号发出装置结构框图；
图5.本发明无线光通信调制方法及调制信号收发装置中无线光通信调制方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明：
请参阅图1本发明无线光通信调制方法及调制信号收发装置中无线光通信调制信号发出装置结构框图，如图1所示，所述无线光通信调制信号发出装置包括光源发出单元1、偏振单元2、旋光调制单元3、编码单元4和发射单元5，其中所述光源发出单元1与所述偏振单元2连接，所述偏振单元2与所述旋光调制单元3连接，所述旋光调制单元3与所述发射单元5连接，所述编码单元4与所述旋光调制单元3连接。在本发明技术的优选实施方案中所述光源发出单元1为激光器；所述偏振单元2为偏振片；所述旋光调制单元3为旋光调制器；所述编码单元4为编码器；所述发射单元5为发射天线。
本发明技术中所述无线光通信调制信号发出装置可以设计成机械调制式无线光通信调制信号发出装置或电光调制式无线光通信调制信号发出装置。
其中，所述机械调制式无线光通信调制信号发出装置结构框图可以参阅图3，如图3所示，所述机械调制式无线光通信调制信号发出装置包括光源发出单元1、偏振单元2、旋光调制单元3、编码单元4和发射单元5。在本发明技术的实施方案中机械调制式无线光通信调制信号发出装置中的所述旋光调制单元3为四分之一波片31或四分之一波片31与半波片32的组合。
本发明技术中所述无线光通信调制信号发出装置也可以设计成电光调制式无线光通信调制信号发出装置，所述电光调制式无线光通信调制信号发出装置的结构框图可以参阅图4，如图4所示，所述电光调制式无线光通信调制信号发出装置包括光源发出单元1、偏振单元2、旋光调制单元3、编码单元4和发射单元5。在本发明技术的实施方案中所述电光调制式无线光通信调制信号发出装置中的所述旋光调制单元3为LiNbO3调制器33。
对于以上所述两种形式的无线光通信调制信号发出装置，其接收端设计的无线光通信调制信号接收装置的结构是相同的，其结构框图请参阅图2本发明无线光通信调制方法及调制信号收发装置中无线光通信调制信号接收装置结构框图，如图2所示，所述无线光通信调制信号接收装置包括接收单元6、滤光单元7、四分之一波片8、偏振分束单元9、光电探测单元10、11和解调单元12，其中所述接收单元6与所述滤光单元7连接，所述滤光单元7与所述四分之一波片连接，所述四分之一波片8与所述偏振分束单元9连接，所述偏振分束单元9与所述光电探测单元10、11连接，所述光电探测单元10、11与所述解调单元12连接。在本发明技术的优选实施方案中，所述接收单元6为接收天线；所述滤光单元7为窄带滤光片；所述偏振分束单元9为偏振分束棱镜；所述光电探测单元10、11为光电探测器。
本发明无线光通信调制方法是利用圆偏振的两种旋光状态(左旋、右旋)代表两种数据状态，进行编码调制。圆偏振光可以分解为相互正交且具有π/2相位差的两束线偏振光，两种旋光状态对应于π/2、-π/2两种相位差状态。在大气传输过程中，两个线偏振光的传输路径相同，大气湍流附加在二者上的随机相位也完全相同，因此它们之间的相位差始终保持不变。在接收机处，根据信号光的旋光状态进行解调，就可以恢复传送的信息。这样，大气湍流的随机干扰可以得到很好的抑制。
所述无线光通信调制方法的具体步骤可以参阅图5，如图5所示，所述无线光通信调制方法的步骤为：一、通过所述光源发出单元1发出的光经所述偏振单元2起偏为线偏振光；二、通过所述旋光调制单元3对所述线偏振光进行调制，并根据所述编码单元4中的信息，将所述线偏振光调制成旋光状态对应于π/2、-π/2两种相位差状态的左旋或右旋圆偏振光；三、通过所述发射单元5进行发送；四、通过所述接收单元6将所述圆偏振光进行接收，并将得到的所述圆偏振光信号通过所述滤光单元7滤除背景光；五、通过所述四分之一波片8转为线偏振光；六、通过所述偏振分束单元9将所述步骤五中的所述线偏振光分解为S偏振光和P偏振光；七、通过所述光电探测器根据所述S偏振光和所述P偏振光状态进行计数；八、所述光电探测器将信号发送到所述解调单元12进行信息提取。
以下结合实施例对本发明做进一步说明：
所述机械调制式无线光通信调制信号发出装置中通过所述激光器发出的部分偏振光，经过所述偏振片起偏，产生线偏振光，然后线偏振光再经过所述四分之一波片，使所述四分之一波片31的快轴与所述偏振片的起偏方向夹角为45°，则在所述四分之一波片31后光的偏振态改变为圆偏振，最后，圆偏振光经所述发射天线发送到空间通信链路中。改变圆偏振光旋光方向有两种方法：一是是如上述实施方案中所述的将所述四分之一波片31旋转，另一种方法是在所述四分之一波片31后插入半波片32，这两种方法都可以实现左旋-右旋的相互变化，完成对偏振态的调制。
所述电光调制式无线光通信调制信号发出装置的工作过程是通过所述激光器发出的部分偏振光，经过所述偏振片起偏，产生线偏振光，利用所述编码器将信息转变为LiNbO3调制器33的驱动电压，通过所述LiNbO3调制器33将线偏振光调制为对应旋光状态的圆偏振光，最后信号光经所述发射天线5发送到空间通信链路中。在本发明技术方案中，所述LiNbO3调制器33采用Z向施加电场，光场沿横向传播。同时，需保证线偏振光的偏振方向与所述LiNbO3调制器33的主轴夹角为45°。
对于以上两种无线光通信调制信号发出装置，接收端装置的结构是相同的，通过所述接收天线接收到的圆偏振信号光首先经过所述窄带滤光片滤除背景光，再经过所述四分之一波片8变为线偏振光，然后通过所述偏振分束棱镜分解为S偏振光和P偏振光，分别由两个所述光电探测器转换为电信号，最后输入到所述信号解调单元12进行信息提取。由于左旋圆偏振光和右旋圆偏振光经过所述四分之一波片8后所得到的线偏振光是相互垂直的，调节所述四分之一波片8和所述偏振分束棱镜之间的夹角，使两种旋光状态分别与S光、P光相对应，左旋时仅S光探测器有计数、右旋时仅P光探测器有计数，这样就完成了对两种旋光状态的检测，实现了利用圆偏振光的两种旋光状态进行调制的无线光通信。
如上所述，本发明技术中进行可抑制大气湍流影响的无线光通信调制方法通过利用圆偏振的两种旋光状态(左旋、右旋)代表两种数据状态，进行编码调制。圆偏振光可以分解为相互正交且具有π/2相位差的两束线偏振光，两种旋光状态对应于π/2、-π/2两种相位差状态。在大气传输过程中，两个线偏振光的传输路径相同，大气湍流附加在二者上的随机相位也完全相同，因此它们之间的相位差始终保持不变。在接收机处，根据信号光的旋光状态进行解调，就可以恢复传送的信息。这样，大气湍流的随机干扰可以得到很好的抑制。本发明技术中采用圆偏振光进行通信，不要求接收端与发射端的坐标轴方向一致；同时，利用圆偏振光的两种旋光状态(左旋、右旋)进行编码，大气湍流的附加相位对旋光状态无影响，这就保证了传输数据的正确性，很好的抑制了大气湍流的影响，与现有技术相比，本发明结构简单、易于实现，同时对大气的随机扰动有很好的抑制效果。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种无线光通信调制信号发出装置，其特征在于：所述无线光通信调制信号发出装置包括光源发出单元(1)、偏振单元(2)、旋光调制单元(3)、编码单元(4)和发射单元(5)，其中所述光源发出单元(1)与所述偏振单元(2)连接，所述偏振单元(2)与所述旋光调制单元(3)连接，所述旋光调制单元(3)与所述发射单元(5)连接，所述编码单元(4)与所述旋光调制单元(3)连接。
2.根据权利要求1所述无线光通信调制信号发出装置，其特征在于：
所述光源发出单元(1)为激光器；
所述偏振单元(2)为偏振片；
所述编码单元(4)为编码器；
所述发射单元(5)为发射天线。
3.根据权利要求1所述无线光通信调制信号发出装置，其特征在于：所述无线光通信调制信号发出装置为机械调制式无线光通信调制信号发出装置，所述旋光调制单元(3)为四分之一波片(31)或四分之一波片(31)与半波片(32)的组合，所述四分之一波片(31)的快轴与所述偏振单元(2)的起偏方向夹角为45°。
4.根据权利要求1所述无线光通信调制信号发出装置，其特征在于：所述无线光通信调制信号发出装置为电光调制式无线光通信调制信号发出装置，所述旋光调制单元(3)为LiNbO3调制器(33)，所述LiNbO3调制器(33)采用Z向施加电场，光场沿横向传播，所述LiNbO3调制器(33)的主轴与所述偏振片的起偏方向夹角为45°。
5.一种无线光通信调制信号接收装置，其特征在于：所述无线光通信调制信号接收装置包括接收单元(6)、滤光单元(7)、四分之一波片(8)、偏振分束单元(9)、光电探测单元(10、11)和解调单元(12)，其中所述接收单元(6)与所述滤光单元(7)连接，所述滤光单元(7)与所述四分之一波片(8)连接，所述四分之一波片(8)与所述偏振分束单元(9)连接，所述偏振分束单元(9)与所述光电探测单元(10、11)连接，所述光电探测单元(10、11)与所述解调单元(12)连接。
6.根据权利要求5所述无线光通信调制信号接收装置，其特征在于：
所述接收单元(6)为接收天线；
所述滤光单元(7)为窄带滤光片；
所述偏振分束单元(9)为偏振分束棱镜；
所述光电探测单元(10、11)为光电探测器。
7.根据权利要求5所述无线光通信调制信号接收装置，其特征在于：所述四分之一波片(8)的快轴与所述偏振分束单元(9)的P偏振方向夹角为45°。
8.一种无线光通信调制方法，其特征在于：所述无线光通信调制方法利用偏振的旋光状态代表相对应的数据状态进行调制发送，根据接收到的信号光的旋光状态进行解调。
9.根据权利要求8所述无线光通信调制方法，其特征在于：所述无线光通信调制方法具体为利用圆偏振的两种旋光状态代表相对应的两种数据状态进行调制发送，在接收端根据接收到的信号光的旋光状态进行解调。
10.根据权利要求8所述无线光通信调制方法，其特征在于：所述无线光通信调制方法具体包括步骤：
A：通过所述光源发出单元(1)发出的光经所述偏振单元(2)起偏为线偏振光；
B：通过所述旋光调制单元(3)对所述线偏振光进行调制，并根据所述编码单元(4)中的信息，将所述线偏振光调制成旋光状态对应于π/2、-π/2两种相位差状态的左旋或右旋圆偏振光；
C：通过所述发射单元(5)进行发送；
D：通过所述接收单元(6)将所述圆偏振光进行接收，并将得到的所述圆偏振光信号通过所述滤光单元(7)滤除背景光；
E：通过所述四分之一波片(8)将圆偏振光转为线偏振光；
F：通过所述偏振分束单元(9)将所述步骤E中的所述线偏振光分解为S偏振光和P偏振光；
G：通过所述光电探测器根据所述S偏振光和所述P偏振光状态进行计数；
H：所述光电探测器将信号发送到所述解调单元(12)进行信息提取。
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