CN109361456B - 双向大气湍流光信道的信号起伏相关系数测量方法 - Google Patents

双向大气湍流光信道的信号起伏相关系数测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种双向大气湍流光信道的信号起伏相关系数测量系统及方法。本方法通过同时在发射端测量激光器输出光强波动和在接收端测量经大气湍流信道传输后的激光信号起伏，可以在计算从收发端机A到收发端机B的信道的光信号起伏与从收发端机B到收发端机A的信道的光信号起伏的相关系数时，排除激光器输出光强波动的影响，从而有助于更加准确地研究大气湍流导致的从收发端机A到收发端机B的信道的光信号起伏与从收发端机B到收发端机A的信道的光信号起伏的相关性。

Description

双向大气湍流光信道的信号起伏相关系数测量方法
技术领域
本发明属于大气信道光信号传输与通信技术领域，涉及一种双向大气湍流光信道的信号起伏相关系数测量方法。
背景技术
对于双向大气湍流光信道来说，如果两个方向上的光信号随机起伏具有良好的相关性，则收发端机就可以利用这种相关性直接获得瞬时信道状态信息(无需从接收端向发射端反馈瞬时信道状态信息)，从而实现发射自适应技术(后面称为基于发端获取信道状态信息的发射自适应技术)。具体地说，如果收发端机A和收发端机B之间有一条双向传输信道，收发端机A通过测量从收发端机B发来的光信号的瞬时起伏就可以获得从收发端机A发送到收发端机B的光信号瞬时起伏信息。该方法能有效工作的前提是，从收发端机A发给收发端机B的光信号瞬时起伏与从收发端机B发给收发端机A的光信号瞬时起伏之间具有良好的相关性。实际测量双向大气湍流光信道的两个传输方向上的光信号起伏相关系数对研究和分析基于发端获取信道状态信息的发射自适应技术的适用性具有重要意义。在测量双向大气湍流光信道的两个传输方向上的光信号起伏相关系数时，可以同时在收发端机A和收发端机B记录接收到的光信号瞬时强度采样值，然后再对收发端机A和收发端机B记录的光信号瞬时强度采样值进行统计相关分析，以得到相关系数。然而，如果测量系统使用的激光器不是价格高昂的高端激光器，激光器的输出光强可能具有较大波动。收发端机A和收发端机B的激光器的输出光强波动通常不相关，这会导致双向大气湍流光信道的两个传输方向上的光信号起伏相关系数的测量结果包含激光器输出光强波动的影响，不利于准确研究和分析大气湍流造成的两个传输方向上的光信号起伏相关性。因此，在测量双向大气湍流光信道的两个传输方向上的光信号起伏相关系数时，在使用廉价激光器的条件下排除激光器输出光强波动影响非常必要。本发明提供一种双向大气湍流光信道的信号起伏相关系数测量系统及方法，可以排除激光器输出光强波动对双向大气湍流光信道的两个传输方向上的光信号起伏相关系数的测量结果的影响。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种双向大气湍流光信道的信号起伏相关系数测量系统及方法，其可以排除激光器输出光强波动对测量结果的影响。
本方法的技术方案是这样实现的：一种双向大气湍流光信道的信号起伏相关系数测量系统及方法，其特征在于，所需的硬件系统和执行步骤如下：
如图1所示，硬件系统包括收发端机A和收发端机B，收发端机A包括激光器A(101)、光纤分路器A(102)、光电探测器A1(103)、光纤环形器A(104)、光电探测器A2(105)、计算机A(106)和光学收发系统A(107)，收发端机B包括激光器B(201)、光纤分路器B(202)、光电探测器B1(203)、光纤环形器B(204)、光电探测器B2(205)、计算机B(206)和光学收发系统B(207)。
激光器A(101)发出的激光信号C001被耦合进入光纤分路器A(102)的端口FSA1并分成两路分别从光纤分路器A(102)的端口FSA2和光纤分路器A(102)的端口FSA3输出，从光纤分路器A(102)的端口FSA2输出的激光信号C001入射到光电探测器A1(103)上，从光纤分路器A(102)的端口FSA3输出的激光信号C001入射进入光纤环形器A(104)的端口FCA1并从光纤环形器A(104)的端口FCA2输出进入光学收发系统A(107)；光学收发系统A(107)把通过光纤环形器A(104)的端口FCA2输入的激光信号C001发射到大气湍流信道中。
激光器B(201)发出的激光信号D001被耦合进入光纤分路器B(202)的端口FSB1并分成两路分别从光纤分路器B(202)的端口FSB2和光纤分路器B(202)的端口FSB3输出，从光纤分路器B(202)的端口FSB2输出的激光信号D001入射到光电探测器B1(203)上，从光纤分路器B(202)的端口FSB3输出的激光信号D001入射进入光纤环形器B(204)的端口FCB1并从光纤环形器B(204)的端口FCB2输出进入光学收发系统B(207)；光学收发系统B(207)把通过光纤环形器B(204)的端口FCB2输入的激光信号D001发射到大气湍流信道中。
光学收发系统A(107)收到的来自收发端机B的激光信号D001进入光纤环形器A(104)的端口FCA2并通过光纤环形器A(104)的端口FCA3入射到光电探测器A2(105)上，光电探测器A2(105)输出的电信号传送到计算机A(106)的信号采集卡1上。光电探测器A1(103)输出的电信号传送到计算机A(106)的信号采集卡2上。
光学收发系统B(207)收到的来自收发端机A的激光信号C001进入光纤环形器B(204)的端口FCB2并通过光纤环形器B(204)的端口FCB3入射到光电探测器B2(205)上，光电探测器B2(205)输出的电信号传送到计算机B(206)的信号采集卡1上。光电探测器B1(203)输出的电信号传送到计算机B(206)的信号采集卡2上。
1)本方法的第一部分使收发端机A和收发端机B正常工作，具体操作包括：
使收发端机A的光学收发系统A(107)和收发端机B的光学收发系统B(207)相互对准；使收发端机A和收发端机B包含的各个组成部分都正常工作。
2)本方法的第二部分在收发端机A中执行采样测量操作，具体步骤如下：
步骤Step201：在计算机A(106)的内存中创建一个列表LISTA1，列表LISTA1的元素用于存储计算机A(106)的信号采集卡1采集到的入射激光信号强度采样测量值；在计算机A(106)的内存中创建一个列表LISTA2，列表LISTA2的元素用于存储计算机A(106)的信号采集卡2采集到的入射激光信号强度采样测量值；令列表LISTA1为空；令列表LISTA2为空；令tA＝0；令IA＝1；
步骤Step202：在时刻tA，计算机A(106)通过信号采集卡1获得一个激光信号强度采样测量值E001，计算机A(106)通过信号采集卡2获得一个激光信号强度采样测量值E002；在列表LISTA1的末尾添加一个新元素EA1，新元素EA1是列表LISTA1的第IA个元素，把列表LISTA1的第IA个元素赋值为采样测量值E001的值；在列表LISTA2的末尾添加一个新元素EA2，新元素EA2是列表LISTA2的第IA个元素，把列表LISTA2的第IA个元素赋值为采样测量值E002的值；令IA＝IA+1；令tA＝tA+δs；δs表示采样时间间隔；
步骤Step203：如果IA≤NUM，NUM表示采集的采样测量值总数，则转步骤Step202，否则转步骤Step204；
步骤Step204：收发端机A的采样测量操作结束。
3)本方法的第三部分在收发端机B中执行采样测量操作，具体步骤如下：
步骤Step301：在计算机B(206)的内存中创建一个列表LISTB1，列表LISTB1的元素用于存储计算机B(206)的信号采集卡1采集到的入射激光信号强度采样测量数据；在计算机B(206)的内存中创建一个列表LISTB2，列表LISTB2的元素用于存储计算机B(206)的信号采集卡2采集到的入射激光信号强度采样测量数据；令列表LISTB1为空；令列表LISTB2为空；令tB＝0；令IB＝1；
步骤Step302：在时刻tB，计算机B(206)通过信号采集卡1获得一个激光信号强度采样测量值F001，计算机B(206)通过信号采集卡2获得一个激光信号强度采样测量值F002；在列表LISTB1的末尾添加一个新元素EB1，新元素EB1是列表LISTB1的第IB个元素，把列表LISTB1的第IB个元素赋值为采样测量值F001的值；在列表LISTB2的末尾添加一个新元素EB2，新元素EB2是列表LISTB2的第IB个元素，把列表LISTB2的第IB个元素赋值为采样测量值F002的值；令IB＝IB+1；令tB＝tB+δs；δs表示采样时间间隔；
步骤Step303：如果IB≤NUM，NUM表示采集的采样测量值总数，则转步骤Step302，否则转步骤Step304；
步骤Step304：收发端机B的采样测量操作结束。
4)本方法的第四部分计算从收发端机A到收发端机B的信道的光信号起伏与从收发端机B到收发端机A的信道的光信号起伏的相关系数，具体步骤如下：
步骤Step401：分别针对i＝1,2,…,NUM，令列表LISTA1的第i个元素的值等于列表LISTA1的第i个元素的值除以列表LISTA2的第i个元素的值的结果；分别针对i＝1,2,…,NUM，令列表LISTB1的第i个元素的值等于列表LISTB1的第i个元素的值除以列表LISTB2的第i个元素的值的结果；
步骤Step402：从收发端机A到收发端机B的信道的光信号起伏与从收发端机B到收发端机A的信道的光信号起伏的相关系数μ为：
Figure GDA0002760576730000041
其中SA[i]表示列表LISTA1的第i个元素的值，SB[i]表示列表LISTB1的第i个元素的值，
Figure GDA0002760576730000042
表示列表LISTA1的所有元素的值的平均值，
Figure GDA0002760576730000043
表示列表LISTB1的所有元素的值的平均值。
在实施本方法时，首先执行本方法的第一部分，然后同时开始执行本方法的第二部分和第三部分，最后执行本方法的第四部分。
本发明的积极效果是，通过同时在发射端测量激光器输出光强波动和在接收端测量经大气湍流信道传输后的激光信号起伏，可以在计算从收发端机A到收发端机B的信道的光信号起伏与从收发端机B到收发端机A的信道的光信号起伏的相关系数时，排除激光器输出光强波动的影响，从而有助于更加准确地研究大气湍流导致的从收发端机A到收发端机B的信道的光信号起伏与从收发端机B到收发端机A的信道的光信号起伏的相关性。
附图说明
图1为双向大气湍流光信道的信号起伏相关系数测量系统示意图。
具体实施方式
为了使本方法的特征和优点更加清楚明白，下面结合具体实施例对本方法作进一步的描述。在本实施例中，收发端机A和收发端机B分别位于两栋高楼的屋顶，激光器A(101)选择波长为808nm的半导体激光器，激光器B(201)选择波长为793nm的半导体激光器，这两个波长都属于800nm波段。光电探测器A1(103)、光电探测器A2(105)、光电探测器B1(203)、光电探测器B2(205)都为PIN光电探测器。
本方法的技术方案是这样实现的：一种双向大气湍流光信道的信号起伏相关系数测量系统及方法，其特征在于，所需的硬件系统和执行步骤如下：
如图1所示，硬件系统包括收发端机A和收发端机B，收发端机A包括激光器A(101)、光纤分路器A(102)、光电探测器A1(103)、光纤环形器A(104)、光电探测器A2(105)、计算机A(106)和光学收发系统A(107)，收发端机B包括激光器B(201)、光纤分路器B(202)、光电探测器B1(203)、光纤环形器B(204)、光电探测器B2(205)、计算机B(206)和光学收发系统B(207)。
激光器A(101)发出的激光信号C001被耦合进入光纤分路器A(102)的端口FSA1并分成两路分别从光纤分路器A(102)的端口FSA2和光纤分路器A(102)的端口FSA3输出，从光纤分路器A(102)的端口FSA2输出的激光信号C001入射到光电探测器A1(103)上，从光纤分路器A(102)的端口FSA3输出的激光信号C001入射进入光纤环形器A(104)的端口FCA1并从光纤环形器A(104)的端口FCA2输出进入光学收发系统A(107)；光学收发系统A(107)把通过光纤环形器A(104)的端口FCA2输入的激光信号C001发射到大气湍流信道中。
激光器B(201)发出的激光信号D001被耦合进入光纤分路器B(202)的端口FSB1并分成两路分别从光纤分路器B(202)的端口FSB2和光纤分路器B(202)的端口FSB3输出，从光纤分路器B(202)的端口FSB2输出的激光信号D001入射到光电探测器B1(203)上，从光纤分路器B(202)的端口FSB3输出的激光信号D001入射进入光纤环形器B(204)的端口FCB1并从光纤环形器B(204)的端口FCB2输出进入光学收发系统B(207)；光学收发系统B(207)把通过光纤环形器B(204)的端口FCB2输入的激光信号D001发射到大气湍流信道中。
光学收发系统A(107)收到的来自收发端机B的激光信号D001进入光纤环形器A(104)的端口FCA2并通过光纤环形器A(104)的端口FCA3入射到光电探测器A2(105)上，光电探测器A2(105)输出的电信号传送到计算机A(106)的信号采集卡1上。光电探测器A1(103)输出的电信号传送到计算机A(106)的信号采集卡2上。
光学收发系统B(207)收到的来自收发端机A的激光信号C001进入光纤环形器B(204)的端口FCB2并通过光纤环形器B(204)的端口FCB3入射到光电探测器B2(205)上，光电探测器B2(205)输出的电信号传送到计算机B(206)的信号采集卡1上。光电探测器B1(203)输出的电信号传送到计算机B(206)的信号采集卡2上。
1)本方法的第一部分使收发端机A和收发端机B正常工作，具体操作包括：
使收发端机A的光学收发系统A(107)和收发端机B的光学收发系统B(207)相互对准；使收发端机A和收发端机B包含的各个组成部分都正常工作。
2)本方法的第二部分在收发端机A中执行采样测量操作，具体步骤如下：
步骤Step201：在计算机A(106)的内存中创建一个列表LISTA1，列表LISTA1的元素用于存储计算机A(106)的信号采集卡1采集到的入射激光信号强度采样测量值；在计算机A(106)的内存中创建一个列表LISTA2，列表LISTA2的元素用于存储计算机A(106)的信号采集卡2采集到的入射激光信号强度采样测量值；令列表LISTA1为空；令列表LISTA2为空；令tA＝0；令IA＝1；
步骤Step202：在时刻tA，计算机A(106)通过信号采集卡1获得一个激光信号强度采样测量值E001，计算机A(106)通过信号采集卡2获得一个激光信号强度采样测量值E002；在列表LISTA1的末尾添加一个新元素EA1，新元素EA1是列表LISTA1的第IA个元素，把列表LISTA1的第IA个元素赋值为采样测量值E001的值；在列表LISTA2的末尾添加一个新元素EA2，新元素EA2是列表LISTA2的第IA个元素，把列表LISTA2的第IA个元素赋值为采样测量值E002的值；令IA＝IA+1；令tA＝tA+δs；δs表示采样时间间隔；
步骤Step203：如果IA≤NUM，NUM表示采集的采样测量值总数，则转步骤Step202，否则转步骤Step204；
步骤Step204：收发端机A的采样测量操作结束。
3)本方法的第三部分在收发端机B中执行采样测量操作，具体步骤如下：
步骤Step301：在计算机B(206)的内存中创建一个列表LISTB1，列表LISTB1的元素用于存储计算机B(206)的信号采集卡1采集到的入射激光信号强度采样测量数据；在计算机B(206)的内存中创建一个列表LISTB2，列表LISTB2的元素用于存储计算机B(206)的信号采集卡2采集到的入射激光信号强度采样测量数据；令列表LISTB1为空；令列表LISTB2为空；令tB＝0；令IB＝1；
步骤Step302：在时刻tB，计算机B(206)通过信号采集卡1获得一个激光信号强度采样测量值F001，计算机B(206)通过信号采集卡2获得一个激光信号强度采样测量值F002；在列表LISTB1的末尾添加一个新元素EB1，新元素EB1是列表LISTB1的第IB个元素，把列表LISTB1的第IB个元素赋值为采样测量值F001的值；在列表LISTB2的末尾添加一个新元素EB2，新元素EB2是列表LISTB2的第IB个元素，把列表LISTB2的第IB个元素赋值为采样测量值F002的值；令IB＝IB+1；令tB＝tB+δs；δs表示采样时间间隔；
步骤Step303：如果IB≤NUM，NUM表示采集的采样测量值总数，则转步骤Step302，否则转步骤Step304；
步骤Step304：收发端机B的采样测量操作结束。
4)本方法的第四部分计算从收发端机A到收发端机B的信道的光信号起伏与从收发端机B到收发端机A的信道的光信号起伏的相关系数，具体步骤如下：
步骤Step401：分别针对i＝1,2,…,NUM，令列表LISTA1的第i个元素的值等于列表LISTA1的第i个元素的值除以列表LISTA2的第i个元素的值的结果；分别针对i＝1,2,…,NUM，令列表LISTB1的第i个元素的值等于列表LISTB1的第i个元素的值除以列表LISTB2的第i个元素的值的结果；
步骤Step402：从收发端机A到收发端机B的信道的光信号起伏与从收发端机B到收发端机A的信道的光信号起伏的相关系数μ为：
Figure GDA0002760576730000071
其中SA[i]表示列表LISTA1的第i个元素的值，SB[i]表示列表LISTB1的第i个元素的值，
Figure GDA0002760576730000072
表示列表LISTA1的所有元素的值的平均值，
Figure GDA0002760576730000073
表示列表LISTB1的所有元素的值的平均值。
在实施本方法时，首先执行本方法的第一部分，然后同时开始执行本方法的第二部分和第三部分，最后执行本方法的第四部分。
在本实施例中，NUM＝20000，δs＝1毫秒。

Claims (1)

1.双向大气湍流光信道的信号起伏相关系数测量方法，其特征在于，所需的硬件系统和执行步骤如下：
硬件系统包括收发端机A和收发端机B，收发端机A包括激光器A、光纤分路器A、光电探测器A1、光纤环形器A、光电探测器A2、计算机A和光学收发系统A，收发端机B包括激光器B、光纤分路器B、光电探测器B1、光纤环形器B、光电探测器B2、计算机B和光学收发系统B；
激光器A发出的激光信号C001被耦合进入光纤分路器A的端口FSA1并分成两路分别从光纤分路器A的端口FSA2和光纤分路器A的端口FSA3输出，从光纤分路器A的端口FSA2输出的激光信号C001入射到光电探测器A1上，从光纤分路器A的端口FSA3输出的激光信号C001入射进入光纤环形器A的端口FCA1并从光纤环形器A的端口FCA2输出进入光学收发系统A；光学收发系统A把通过光纤环形器A的端口FCA2输入的激光信号C001发射到大气湍流信道中；
激光器B发出的激光信号D001被耦合进入光纤分路器B的端口FSB1并分成两路分别从光纤分路器B的端口FSB2和光纤分路器B的端口FSB3输出，从光纤分路器B的端口FSB2输出的激光信号D001入射到光电探测器B1上，从光纤分路器B的端口FSB3输出的激光信号D001入射进入光纤环形器B的端口FCB1并从光纤环形器B的端口FCB2输出进入光学收发系统B；光学收发系统B把通过光纤环形器B的端口FCB2输入的激光信号D001发射到大气湍流信道中；
光学收发系统A收到的来自收发端机B的激光信号D001进入光纤环形器A的端口FCA2并通过光纤环形器A的端口FCA3入射到光电探测器A2上，光电探测器A2输出的电信号传送到计算机A的信号采集卡1上；光电探测器A1输出的电信号传送到计算机A的信号采集卡2上；
光学收发系统B收到的来自收发端机A的激光信号C001进入光纤环形器B的端口FCB2并通过光纤环形器B的端口FCB3入射到光电探测器B2上，光电探测器B2输出的电信号传送到计算机B的信号采集卡1上；光电探测器B1输出的电信号传送到计算机B的信号采集卡2上；
1)本方法的第一部分使收发端机A和收发端机B正常工作，具体操作包括：
使收发端机A的光学收发系统A和收发端机B的光学收发系统B相互对准；使收发端机A和收发端机B包含的各个组成部分都正常工作；
2)本方法的第二部分在收发端机A中执行采样测量操作，具体步骤如下：
步骤Step201：在计算机A的内存中创建一个列表LISTA1，列表LISTA1的元素用于存储计算机A的信号采集卡1采集到的入射激光信号强度采样测量值；在计算机A的内存中创建一个列表LISTA2，列表LISTA2的元素用于存储计算机A的信号采集卡2采集到的入射激光信号强度采样测量值；令列表LISTA1为空；令列表LISTA2为空；令tA＝0；令IA＝1；
步骤Step202：在时刻tA，计算机A通过信号采集卡1获得一个激光信号强度采样测量值E001，计算机A通过信号采集卡2获得一个激光信号强度采样测量值E002；在列表LISTA1的末尾添加一个新元素EA1，新元素EA1是列表LISTA1的第IA个元素，把列表LISTA1的第IA个元素赋值为采样测量值E001的值；在列表LISTA2的末尾添加一个新元素EA2，新元素EA2是列表LISTA2的第IA个元素，把列表LISTA2的第IA个元素赋值为采样测量值E002的值；令IA＝IA+1；令tA＝tA+δs；δs表示采样时间间隔；
步骤Step203：如果IA≤NUM，NUM表示采集的采样测量值总数，则转步骤Step202，否则转步骤Step204；
步骤Step204：收发端机A的采样测量操作结束；
3)本方法的第三部分在收发端机B中执行采样测量操作，具体步骤如下：
步骤Step301：在计算机B的内存中创建一个列表LISTB1，列表LISTB1的元素用于存储计算机B的信号采集卡1采集到的入射激光信号强度采样测量数据；在计算机B的内存中创建一个列表LISTB2，列表LISTB2的元素用于存储计算机B的信号采集卡2采集到的入射激光信号强度采样测量数据；令列表LISTB1为空；令列表LISTB2为空；令tB＝0；令IB＝1；
步骤Step302：在时刻tB，计算机B通过信号采集卡1获得一个激光信号强度采样测量值F001，计算机B通过信号采集卡2获得一个激光信号强度采样测量值F002；在列表LISTB1的末尾添加一个新元素EB1，新元素EB1是列表LISTB1的第IB个元素，把列表LISTB1的第IB个元素赋值为采样测量值F001的值；在列表LISTB2的末尾添加一个新元素EB2，新元素EB2是列表LISTB2的第IB个元素，把列表LISTB2的第IB个元素赋值为采样测量值F002的值；令IB＝IB+1；令tB＝tB+δs；δs表示采样时间间隔；
步骤Step303：如果IB≤NUM，NUM表示采集的采样测量值总数，则转步骤Step302，否则转步骤Step304；
步骤Step304：收发端机B的采样测量操作结束；
4)本方法的第四部分计算从收发端机A到收发端机B的信道的光信号起伏与从收发端机B到收发端机A的信道的光信号起伏的相关系数，具体步骤如下：
步骤Step401：分别针对i＝1,2,…,NUM，令列表LISTA1的第i个元素的值等于列表LISTA1的第i个元素的值除以列表LISTA2的第i个元素的值的结果；分别针对i＝1,2,…,NUM，令列表LISTB1的第i个元素的值等于列表LISTB1的第i个元素的值除以列表LISTB2的第i个元素的值的结果；
步骤Step402：从收发端机A到收发端机B的信道的光信号起伏与从收发端机B到收发端机A的信道的光信号起伏的相关系数μ为：
Figure FDA0001870960510000031
其中SA[i]表示列表LISTA1的第i个元素的值，SB[i]表示列表LISTB1的第i个元素的值，
Figure FDA0001870960510000032
表示列表LISTA1的所有元素的值的平均值，
Figure FDA0001870960510000033
表示列表LISTB1的所有元素的值的平均值；
在实施本方法时，首先执行本方法的第一部分，然后同时开始执行本方法的第二部分和第三部分，最后执行本方法的第四部分。
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