CN104253653A - 一种四进制光偏振编码及自校准的无线光通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种四进制光偏振编码及自校准的无线光通信系统，所述系统的发射端通过四进制调制组件发送四进制偏振位移键控调制信号，所述系统的接收端通过偏振轴校正组件对偏振轴偏转进行自适应校正；本发明还公开了一种四进制光偏振编码及自校准的无线光通信方法，本发明通过对接收到的误差信号进行处理得到偏振轴的校正角度，进而控制接收端进行自动调整，增加了判决精确度；通过利用四进制偏振位移键控调制技术增加了通信速率。

Description

一种四进制光偏振编码及自校准的无线光通信方法及系统

技术领域

本发明涉及光通信传输领域，特别涉及一种自由空间光通信传输方法及系统。

背景技术

无线光通信是光通信与无线通信技术相结合的产物,与传统的无线电通信相比，无线光通信技术不占用宝贵的无线电频率资源；电磁兼容性好，抗电磁干扰能力强，保密性好；体积小，功耗低，重量轻，信息容量大，并且建网和维护价格低，建立速度快，具有可移动性等。受天气状况等条件的限制，传统的幅度调制的性能并不好，偏振位移键控是一种新兴的应用于无线光通信中的调制技术，由于大气湍流对于光信号的偏振态影响很小，这种技术很大地提高了无线光通信系统的性能，目前比较常用的是旋光调制，也就是利用圆偏振光的两个旋转方向进行调制。然而，单纯的圆偏振光只能在二进制系统中使用，如果采用多进制系统，虽然提高了信息速率，同时也会受偏振轴对准问题的影响，导致无法进行精确判决。

发明内容              

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种四进制光偏振编码及自校准的无线光通信方法及系统，从而解决现有无线光通信技术中存在的问题：旋光调制只能应用于二进制系统，多进制系统会受到偏振轴对准问题的影响，导致接收到的信号失真，无法进行精确判决。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种四进制光偏振编码及自校准的无线光通信系统，发射端包括四进制调制组件10和偏振调制装置20，接收端包括偏振轴校正组件30和偏振调制信号接收装置40；所述四进制调制组件10对原始信号进行处理并生成调制电平，由所述偏振调制装置20生成调制信号并发送，信号经过大气信道传输，由所述偏振调制信号接收装置40接收并进行处理，利用所述处理过程中的数据，所述偏振轴校正组件30检验系统是否存在偏振轴转动并将其校正。

所述四进制调制组件10包括原始信息源11、信号处理模块12，电平信号发生器13；电平信号发生器13与所述偏振调制装置20中的相位调制器相连，用以生成四进制偏振位移键控调制信号。

偏振调制信号接收装置40包括准直组件41、四分之一波片42、偏振分束器43、接收所述偏振分束器43的透射光束α的光电探测器I 44和接收所述偏振分束器43的反射光束β的光电探测器II 45、与所述光电探测器I 44和光电探测器II 45相连的信号处理组件46、判决装置47；其中，所述准直组件41用于接收光束的准直和滤除背景光干扰，所述四分之一波片42和偏振分束器43将接收光束分成透射光束α和反射光束β，由所述光电探测器I 44、光电探测器II 45分别接收，得到电流信号，所述信号处理组件46将所述两路电流信号进行差分运算和数据采集，为所述判决装置47和所述偏振轴校正组件30提供运算数据。

所述偏振轴校正组件30包括电动位移器件组32和可编程电机控制器31；所述电动位移器件组32由步进电机驱动并与可编程电机控制器相连，包括两个电动转角器，一个电动角位台和一个电动升降平台；所述两个电动转角器分别作为偏振调制信号接收装置40中的四分之一波片42和偏振分束器43的基座，所述电动角位台和电动升降平台重叠固定，作为偏振位移键控差分接收装置中接收反射光束β的光电探测器的基座，所述可编程电机控制器与偏振调制信号接收装置40中的信号处理组件46相连，根据其中数据进行计算。

进一步的，所述四进制调制组件给出的调制电平大小是根据实际发射端偏振调制装置中相位调制器的参数进行计算得出的，以确保接收端可以接收到相等间隔的电平。

进一步的，所述偏振轴校正组件中的两个电动转角器的转动圆心都位于接收光束的光轴上，以保证进行校正时不会产生光路偏差。

进一步的，所述偏振轴校正组件可以根据接收信号电平的大小比例关系计算出偏振轴转动角的大小，并控制所述电动位移器件组进行调整，直至接受到等间距的电平。

进一步的，所述偏振轴校正组件中的所述可编程电机控制器中预先存储了计算好的偏振轴偏转角与接收数据比值关系，用于数据对比。

一种四进制光偏振编码及自校准的无线光通信方法，包括如下步骤：

步骤A、所述原始信息源生成二进制数字信号，所述信号处理模块将所述二进制数字信号进行2/4进制转化和电平大小计算，由所述电平信号发生器给出四电平调制信号。

步骤B、用偏振调制装置对线偏振激光光源发出的光束进行调制并发送，所述调制信号来自四进制调制组件。

步骤C、所述接收端的偏振信号接收装置对接收信号进行处理，得到判决和校正用原始数据。

步骤D、所述原始数据输入到所述可编程电机控制器中，通过计算得到偏振轴的校正角度，并控制所述电动位移器件组进行调整。

进一步的，

所述步骤D中进一步包括以下步骤：

步骤D1、接收一定量的所述信号处理组件中的原始数据，比较大小，按照大小范围分为四组，取绝对值较小的两组求出平均值。

步骤D2、将得到的两个平均值进行求比值计算，得出比值。

步骤D3、根据事先计算得到的偏振轴偏转角与接收数据比值之间的关系，得出所述比值对应的偏转角大小。

步骤D4、根据所述对应偏转角，计算得出电动位移器件组的位移参数，并驱动所述电动位移器件组进行调整。

进一步的，还包括以下步骤：调整偏振轴角度后，所述偏振轴校正组件保持对数据进行采集和计算，当得到的电平比值以较小的误差接近于1时，在一定的误差范围内停止对偏振轴的校正，当偏振轴再次有较大转动时，根据数据的改变重新对偏振轴进行调整。

本发明的有益效果是：本发明的四进制光偏振编码及自校准的无线光通信方法及系统综合了自由空间光通信技术，多进制偏振位移键控调制技术以及自动控制技术，其有益效果是：通过对接收到了误差信号进行处理得到偏振轴的校正角度，进而控制接收端进行自动调整，增加了判决精确度；通过利用四进制偏振位移键控调制技术增加了通信速率。本发明建立了一种适用于高速通信无线光通信系统，为今后高速网络的发展提供了支持。

                    

附图说明

图1是本发明的四进制光偏振编码及自校准的无线光通信系统的结构框图；

图2是本发明的四进制光偏振编码及自校准的无线光通信系统的偏振轴校正组件的结构框图；

图3是本发明的四进制光偏振编码及自校准的无线光通信系统的偏振轴校正组件的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

请参阅附图1至附图3，本发明提供了一种四进制光偏振编码及自校准的无线光通信方法及系统。

如附图1所示，所述四进制光偏振编码及自校准的无线光通信系统包括四进制调制组件10，偏振调制装置20，偏振轴校正组件30，偏振调制信号接收装置40。其中所述四进制调制组件10对原始信号进行处理并生成调制电平，由所述偏振调制装置20生成调制信号并发送，信号经过大气信道传输，由所述偏振调制信号接收装置40接收并进行处理，利用所述处理过程中的数据，所述偏振轴校正组件30检验系统是否存在偏振轴转动并将其校正。

所述四进制调制组件10包括原始信息源11，信号处理模块12，电平信号发生器13， 所述原始信息源11产生伪随机码，传递给所述信号处理装置12，所述信号处理装置12将得到的二进制数字信号进行2/4进制转化，并根据所述偏振调制装置20采用的具体设备计算调制电平，将所述调制电平波形输入所述电平信号发生器13，生成相应的调制电平信号。

所述偏振调制装置20中的线偏振光源将被分成偏振方向相互正交的两束线偏振光，其中的一束线偏振光被调制电平信号调制，根据偏振调制信号接收装置40的接收原理，调制得到的四种相位变化情况分别为0°,70.5°,109.5°,180°时，传输的信号为左右旋圆偏振光和一对椭圆偏振光，在没有偏振轴转动的情况下，接收端可以接收到相等间距的四个电平，其中，绝对值较小的两个电平分别来自相位差为70.5°和109.5°的情况。

如附图1所示，所述偏振调制信号接收装置40包括准直组件41，四分之一波片42，偏振分束器43，接收所述偏振分束器43的透射光束α的光电探测器I 44和接收所述偏振分束器43的反射光束β的光电探测器II 45，与所述光电探测器I 44、光电探测器II 45相连的信号处理组件46、判决装置47。 

其中，所述准直组件41用于接收光束的准直和滤除背景光干扰。所述四分之一波片42和偏振分束器43将接收光束分成透射光束α和反射光束β，由所述光电探测器I 44, 光电探测器II 45分别接收，得到电流信号，所述信号处理组件46将所述两路电流信号进行差分运算和数据采集，为所述判决装置47和所述偏振轴校正组件30提供运算数据。

如附图2所示，所述偏振轴校正组件30包括电动位移器件组32和可编程电机控制器31。所述电动位移器件组32由步进电机驱动并与所述可编程电机控制器31相连，包括电动转角器321、322，电动角位台和电动升降平台323，所述四分之一波片42和所述偏振分束器43分别固定于所述电动转角器321、322上，所述光电探测器II 45固定于叠加组合的所述电动角位台和电动位移平台323上。

如附图3所示，所述电动转角器321和所述电动转角器322采用相同的设备，且需要将固定在其上的所述四分之一波片42和所述偏振分束器43的光轴处于其转动的圆心上，这样可以保证校正时只出现旋转，不出现光轴平移，同理，所述光电探测器II 45固定的位置也要确保接收端口相对对准所述偏振分束器43出射S光的光轴没有水平位移，叠加组合的所述电动角位台和电动位移平台323通过进行俯仰角调整也保证了出射的S光束能够准确入射所述光电探测器II 45。

当偏振轴旋转时，所述信号处理组件46得到的数据经过所述可编程电机控制器31运算后得到校正转动的角度θ，并控制所述电动转角器321和所述电动转角器322进行转动。同时，根据固定的所述电动转角器322与所述叠加组合的电动角位台和电动位移平台323的距离L，所述电动位移平台的初始高度h和所述电动角位台的初始角度Ψ，以及校正转动的角度θ，可以计算出调整后的所述电动位移平台的高度H和所述电动角位台的角度Φ，并做出相应调整。

由于所述光电探测器I 44用于接收偏振分束器43的透射光束α，光轴始终与经过准直后的光轴一致，故偏振轴旋转对其不产生影响，不需要进行校正。偏振轴校正可以使接收端的电平始终保持等间隔，即保证了最小电平差的最大化，有利于精确判决。

所述基于本发明的四进制光偏振编码及自校准的无线光通信系统的无线光通信方法，包括如下步骤：

步骤A、所述原始信息源11生成二进制数字信号，所述信号处理模块12将所述二进制数字信号进行2/4进制转化和电平大小计算，由所述电平信号发生器13给出四电平调制信号。

步骤B、用偏振调制装置20对线偏振激光光源发出的光束进行调制并发送，所述调制信号来自四进制调制组件10，以确保接收端在无偏振轴旋转时能够接收到等电平信号。

步骤C、所述接收端的偏振调制信号接收装置40对接收信号进行处理，包括接收光束的分束、光电转换，差分，模数转换和采样，得到判决和校正用原始数据。

步骤D、所述原始数据输入到所述可编程电机控制器31中，通过计算得到偏振轴的校正角度θ，并控制所述电动位移器件组32进行调整。

在步骤D中进一步包括以下步骤，

步骤D1、接收一定量的所述信号处理组件46中的原始数据，比较大小，按照大小范围分为四组，取绝对值较小的两组求出平均值。

步骤D2、将得到的两个平均值进行求比值计算，得出比值。

步骤D3、根据事先计算得到的偏振轴偏转角与接收数据比值之间的关系，得出所述比值对应的偏转角大小θ。

步骤D4、根据所述对应偏转角θ，计算得出电动位移器件组32的位移参数，并驱动所述电动位移器件组32进行调整。

目前市面上的电动转角器能够调整的范围最大为±15°，故受设备限制，能够提供的校正角度范围即为±15°，但偏振轴偏转角较大的情况下可以通过肉眼观察发现并及时手动调整，所以该调整范围满足应用要求。

本发明的四进制光偏振编码及自校准的无线光通信方法及系统采用四种偏振态的偏振光作为传输信号，传输速率比传统的二进制传输系统提高了一倍；另一方面，针对椭圆偏振光传输存在的偏振轴相对转动的问题给出了解决方案，保证了用于判决的数据的最优化，有利于提高判决的精确度。与现有的技术相比，本发明能够有效的提高传输速率，增加系统装置的环境适应能力。

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 (5)

1.一种四进制光偏振编码及自校准的无线光通信系统，其特征在于：所述系统的发射端包括四进制调制组件10和偏振调制装置20，接收端包括偏振轴校正组件30和偏振调制信号接收装置40；所述四进制调制组件10对原始信号进行处理并生成调制电平，由所述偏振调制装置20生成调制信号并发送，信号经过大气信道传输，由所述偏振调制信号接收装置40接收并进行处理，利用所述处理过程中的数据，所述偏振轴校正组件30检验系统是否存在偏振轴转动并将其校正；

所述四进制调制组件10包括原始信息源11、信号处理模块12，电平信号发生器13；电平信号发生器13与所述偏振调制装置20中的相位调制器相连，用以生成四进制偏振位移键控调制信号；

偏振调制信号接收装置40包括准直组件41、四分之一波片42、偏振分束器43、接收所述偏振分束器43的透射光束α的光电探测器I 44和接收所述偏振分束器43的反射光束β的光电探测器II 45、与所述光电探测器I 44和光电探测器II 45相连的信号处理组件46、判决装置47；其中，所述准直组件41用于接收光束的准直和滤除背景光干扰，所述四分之一波片42和偏振分束器43将接收光束分成透射光束α和反射光束β，由所述光电探测器I 44、光电探测器II 45分别接收，得到电流信号，所述信号处理组件46将所述两路电流信号进行差分运算和数据采集，为所述判决装置47和所述偏振轴校正组件30提供运算数据；

所述偏振轴校正组件30包括电动位移器件组32和可编程电机控制器31；所述电动位移器件组32由步进电机驱动并与可编程电机控制器相连，包括两个电动转角器，一个电动角位台和一个电动升降平台；所述两个电动转角器分别作为偏振调制信号接收装置40中的四分之一波片42和偏振分束器43的基座，所述电动角位台和电动升降平台重叠固定，作为偏振位移键控差分接收装置中接收反射光束β的光电探测器的基座，所述可编程电机控制器与偏振调制信号接收装置40中的信号处理组件46相连，根据其中数据进行计算。

2.根据权利要求1所述的光通信系统，其特征在于：所述四进制调制组件给出的调制电平大小是根据实际发射端偏振调制装置中相位调制器的参数进行计算得出的，以确保接收端可以接收到相等间隔的电平。

3.根据权利要求1所述的光通信系统，其特征在于：所述偏振轴校正组件可以根据接收信号电平的大小比例关系计算出偏振轴转动角的大小，并控制所述电动位移器件组进行调整，直至接受到等间距的电平。

4.一种基于权利要求1-3中任一项所述的四进制光偏振编码及自校准的无线光通信系统的无线光通信方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤： 

步骤A、所述原始信息源生成二进制数字信号，所述信号处理模块将所述二进制数字信号进行2/4进制转化和电平大小计算，由所述电平信号发生器输出四电平调制信号；

步骤B、使用偏振调制装置对线偏振激光光源发出的光束进行调制并发送，所述调制信号来自所述四进制调制组件；

步骤C、所述接收端的偏振信号接收装置对接收信号进行处理，得到判决和校正用原始数据；

步骤D、所述原始数据输入到所述可编程电机控制器中，通过计算得到偏振轴的校正角度，并控制所述电动位移器件组进行调整。

5.根据权利要求4所述的光通信方法，其特征在于：所述步骤D中进一步包括以下步骤：

步骤D1、接收一定量的所述信号处理组件中的原始数据，比较大小，按照大小范围分为四组，取绝对值较小的两组求出平均值；

步骤D2、将得到的两个平均值进行求比值计算，得出比值；

步骤D3、根据事先计算得到的偏振轴偏转角与接收数据比值之间的关系，得出所述比值对应的偏转角大小；

步骤D4、根据所述对应偏转角，计算得出电动位移器件组的位移参数，并驱动所述电动位移器件组进行调整。