CN112737686A - 一种基于几何概率整形技术的高性能空间光传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于几何概率整形技术的高性能空间光传输系统，其特征在于，所述空间光传输系统包括数字信号处理模块和光传输模块；数字信号处理模块包括分布适配器、星座映射单元、上采样单元、整形滤波器和加法器单元；分布适配器用于将二进制数据转化成经过概率整形计算后的分布形式；星座映射单元用于根据三维星座图进行星座映射，在三维空间内对星座点进行几何整形。本发明能够在空间光传输系统的发射端部分对电信号运用概率整形与三维几何整形，通过在发射端提高信号的抗干扰能力来应对大气湍流带来的影响，有效地提高了系统的抗噪声能力的同时减弱了大气湍流效应造成的影响，并且在一定程度上提高了系统的频谱利用率和传输速率。

Description

一种基于几何概率整形技术的高性能空间光传输系统

技术领域

本发明涉及光传输技术领域，具体而言涉及一种基于几何概率整形技术的高性能空间光传输系统。

背景技术

现代科技的不断发展使得大数据、云计算、智慧城市等新型业务不断兴起，这一切对网络信息容量提出了更高的要求。目前的技术中对光的物理维度，如幅度、相位、波长、频率、偏振和时间的运用已经十分充分，但对于空间光的研究涉及较少。涡旋光是具有特殊横向空间分布的光束，其携带螺旋相位因子

，光强呈现中空的圆环形分布，相位呈螺线型分布。其中相位涡旋光因为携带轨道角动量(OAM)又被称为OAM光束。OAM光束的独特之处在于不同模式之间相互正交，且理论上可承载的模式数量是无穷的，每个模式可以作为一个独立的信道使用，利用这一性质能极大地增加了可用信道的数量，从而提高通信系统的传输速率和信道容量。目前产生涡旋光束的主要方法有液晶空间光调制器(SLM)和螺旋相位板，SLM可以通过在电脑上加载不同的相位图来产生不同模式的涡旋光束，但光束转换效率相对较低，并且是由高斯光束照射器件后反射出涡旋光束，在实际操作中尤其是在多个模式OAM光束复用和解复用时增加了系统的复杂程度。而螺旋相位板是透射型器件，高斯光束照射后从元件的另一面产生涡旋光，在提高光束转换效率的同时降低了因为多个模式复用下提高的系统复杂程度。考虑到当涡旋光在自由空间中传输时，由于大气湍流尤其是强湍流的存在，不同模式的涡旋光相位之间会发生串扰，这会使传输距离和通信质量大大降低，所以本专利采用螺旋相位板来产生涡旋光束。

相比于普通的高斯光束，携带轨道角动量的光束可以对大气湍流带来的影响有一定的抑制作用，但是经过一段距离地传输后OAM光束会退化成普通高斯光束，大大降低通信的质量和能力。目前抑制大气湍流对携带轨道角动量光束的传输影响主要集中在利用自适应光学和编码技术在接收端对受到干扰的传输信号做修复和补偿。然而在复杂环境尤其是强湍流作用下，涡旋光束携带的螺旋相位结构会产生严重畸变，这会给信号的恢复带来巨大的困难。与这几项技术相比，几何整形（GS）与概率整形技术（PS）在大气信道传输前在运用，通过提高信号的抗干扰能力来减小大气湍流带来的影响，降低了误码率，增加了传输距离，尤其是在高阶星座调制和远距离传输时体现得更加明显。例如，CN111092663A的发明中提及一种基于比特加权分布的光正交频分复用系统和通信方法，可以有效提高信号在光纤传输时的非线性容忍度和光纤传输距离。又例如，专利号为CN111970221A的发明中提及一种基于多概率分布的高抗噪P比特光传输方法，通过对不同模式的子载波光信号进行多概率匹配，也能够同时获得传输效率高且抗噪声能力强的技术优点。但目前尚未发现将几何整形（GS）与概率整形技术（PS）与OAM光束进行有效结合的方案。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于几何概率整形技术的高性能空间光传输系统，在空间光传输系统的发射端部分对电信号运用概率整形与三维几何整形，通过在发射端提高信号的抗干扰能力来应对大气湍流带来的影响，有效地提高了系统的抗噪声能力的同时减弱了大气湍流效应造成的影响，并且在一定程度上提高了系统的频谱利用率和传输速率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于几何概率整形技术的高性能空间光传输系统，所述空间光传输系统包括数字信号处理模块和光传输模块；

所述数字信号处理模块包括分布适配器、星座映射单元、N个上采样单元、N个整形滤波器和加法器单元；

其中，所述分布适配器用于对输入的二进制数据进行处理，使其从二进制比特流转化成经过概率整形计算后的分布形式，星座点的概率分布服从麦克斯韦玻尔兹曼分布；所述星座映射单元的输入端与分布适配器的输出端连接，用于根据三维星座图进行星座映射，在三维空间内对星座点进行几何整形，将原本信号中的信息转换成星座图中各个星座点的三维空间坐标；所述N个上采样单元呈并联结构，且每个上采样单元的输入端与星座映射单元的输出端连接，用于对星座映射单元输出的信号进行上采样，在星座点坐标后插入数值，并进入与之对应的整形滤波器进行整形滤波后，由加法器单元合并所有N条支路的电信号；

所述光传输模块用于基于无载波幅度相位调制，在发送端将加法器单元合并生成的电信号转换成对应的高斯光束，并采用螺旋相位板将高斯光束转换成携带轨道角动量的涡旋光束，利用电拓扑合数l=±2的两种不同模式的OAM光束在自由空间内进行复用传输，在接收端将涡旋光束转换成对应的电信号；

所述N为大于等于1的正整数。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，所述空间光传输系统还包括逆数据信号处理模块；

所述逆数据信号处理模块包括分离器、N个匹配滤波器、N个下采样单元、星座解映射和逆分布适配器；

其中，分离器的输出端与N个匹配滤波器的输入端连接，用于针对光传输模块输出的电信号分离三个维度的坐标信息，分别送入相应的匹配滤波器以得到整形滤波前的信号；所述下采样单元与匹配滤波器一一对应连接，用于将匹配滤波器的信号合成一路后进行M倍下采样，去除在数据中添加的数值；所述星座解映射和逆分布适配器相互连接，用于按映射规则将星座点坐标解映射为二进制比特，再经过并串变化得到发送的二进制数据流。

进一步地，所述星座点的概率分布服从麦克斯韦玻尔兹曼分布是指，

式中，参数

用于使

的概率之和为1；

为星座点

出现的概率大小，

为星座点标号；

为关键参数缩放因子，它的值是一个在0到1之间的标量，用来表示概率整形的程度和信息熵

：

式中，

为相应星座点出现概率，

为星座点标号。

进一步地，所述光传输模块包括任意波形发生器、激光器、掺铒光纤放大器、耦合器、两个调制器、两组第一透镜、两个第一螺旋相位板、第一分束镜、第二分束镜、两个第二螺旋相位板、两组第二透镜、小孔、光电探测器和混合信号示波器；

所述任意波形发生器的输入端与数字信号处理模块的输出端连接，两个输出端分别与两个调制器的其中一个输入端连接；两个调制器的另一个输入端依次通过耦合器、掺铒光纤放大器与激光器连接；其中，原本的二进制数据在数字信号处理模块得到调制和整形后送入任意波形发生器中，作为两路电信号分别输出到两个调制器上；激光器作为光源，发出的光束经掺铒光纤放大器放大后进入耦合器分成两束强度相同的光载波，分别输送到两个调制器上与对应的电信号进行调制；

所述第一螺旋相位板的光学厚度呈螺旋状向中心增加，两个调制器发出的两束经过调制后携带信息的高斯光束由第一透镜汇聚、准直，入射到第一螺旋相位板中心位置，转换成携带螺旋相位因子的涡旋光束，由第一分束镜合二为一进入空间信道传输；涡旋光在自由空间中传输一段距离后再由第二分束镜均等分为两束，分别入射到两个第二螺旋相位板上重新转变成高斯光束，最后通过第二透镜和小孔后送至光电探测器中转换成对应的电信号，进入混合信号示波器。

进一步地，所述激光器采用1550nm激光器。

进一步地，所述星座映射单元的星座图在三维空间内由正三角形和正四面体组成，以最大化星座增益指数为原则重新规定了星座点的位置分布。

进一步地，所述整形滤波器采用FIR滤波器，且N个整形滤波器相互正交。

本发明的有益效果是：

本发明以CAP传输系统为基础，额外利用两种不同模式的OAM光束进行复用传输，提高了系统的传输速率。光信号在传播中由于大气湍流效应造成巨大干扰，本发明在空间光传输系统的发射端部分对输入的原始二进制数据运用概率整形与三维几何整形，几何与概率整形技术在三维星座图上的运用使系统的抗噪声能力有一定程度地提升，改善了因大气湍流效应而下降的信号质量。

附图说明

图1是本发明实施例的基于几何概率整形技术的高性能空间光传输系统的结构示意图。

图2是本发明实施例的DSP与逆DSP系统流程图。

图3是本发明实施例的不同能量层次星座点出现概率图。

图4是本发明实施例的三维星座示意图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

结合图1，本发明提及一种基于几何概率整形技术的高性能空间光传输系统，本系统采用无载波幅度相位调制(CAP)，在传输上采用螺旋相位板将高斯光束转换成携带轨道角动量的涡旋光束，利用电拓扑合数l=±2的两种不同模式的OAM光束在自由空间内进行复用传输。利用几何/概率整形技术提高整体系统的抗噪声能力，以降低大气湍流造成系统误码率过高的问题，同时对系统传输速率和频谱利用率有一定程度地提升。

如图1所示，在本发明中，二进制数据首先经过数字信号处理，经过调制后的电信号分两路通过马赫曾德调制器3(MZM)加载到两路高斯光束上，准直后由螺旋相位板转换成涡旋光束在自由空间中传输。携带信息的涡旋光重新变为高斯光束后由光电检测器(PD)转换成电信号，之后的解调过程是发送端调制的逆过程。可以将整个系统结构大体分为发送端、光束转换和接收端三个部分。

一、发送端部分

发送端的结构可以分为电路和光路两个不同单元。原本的二进制数据在DSP部分得到调制和整形后送入任意波形发生器2(AWG)中，作为两路信号分别输出到两个MZM上。光路部分由1550nm激光器15作为光源，经掺铒光纤放大器16放大后进入光纤耦合器4分成两束强度相同的光载波，分别输送到MZM上与电信号进行调制。应当理解，光路部分的结构不局限于此，也可以采用其他形式，只要能够将整形后的电信号调整成对应的光信号即可。

其中，发送端的电路部分最主要的器件为数字信号处理模块1。本发明在空间光传输系统的发射端部分主要是通过数字信号处理模块1对输入的原始二进制数据运用概率整形与三维几何整形后，再将对应的电信号调制成光信号进行传输。

DSP流程大致可以分为四个部分：分布适配器(DM)部分、星座映射部分、上采样部分和整形滤波器部分，逆DSP流程则按照匹配滤波器、下采样、星座解映射和逆分布适配器展开。

示例性地，数据首先进过DM和星座映射后从二进制比特流变成按需要非均等概率分布的信号，接着按不同维度分别进行上采样后送入三个相互正交的整形滤波器，最后通过一个加法器单元合成一路信号进入传输系统。传输完成过后首先将信息送入相应匹配滤波器中进行匹配滤波，进行下采样后按发送端的逆过程将调制后的信号重新恢复成二进制比特流。

（1）分布适配器部分

与传统的CAP调制与解调相比，本专利中由于概率整形的需要在二进制信号进行星座映射前和解映射后分别加上一个DM和逆DM，使数据原本的二进制比特流转化成经过概率整形计算后的分布形式，这也体现出概率整型技术与其他降低误码率和提高抗噪声能力方法的优势，即并没有改变系统原本的结构或增加系统的复杂程度，在实际中容易操作。

星座点的概率分布服从麦克斯韦玻尔兹曼分布，具体表达式如下：

，

，

式中

为关键参数缩放因子，它的值是一个在0到1之间的标量，用来表示概率整形的程度和信息熵

：

参数

确保

的概率之和为1。令

的值为0.241，此时的信息熵为3.8。通过上述公式计算出星座图中每个能量层次的概率如图3所示，从低能量层次到高能量层次的概率分别为0.1225、0.0888、0.0514、0.0293。

（2）星座映射部分

传统的星座映射大多在二维空间中展开，然而将二维空间上升到三维空间后可以为星座点的位置分布提供更大的空间，在最小欧式距离不变的情况下三维空间内的星座点平均能量比二维空间内的星座点平均能量更小，大大提高系统的抗干扰能力。星座图中各个星座点出现概率原本是相同的，由于处于不同能量层次的星座点之间欧式距离不同，具有的能量也不同，因此利用概率整形技术改变原本星座点均等的出现概率，使能量高的星座点出现的概率低，能量低的星座点出现的概率高，通过改变星座点位置来进行几何整形同样可以有效提升调制体系的误码率性能，在三维空间内可以通过设计新型星座图实现。

本发明采用的星座图如图4所示。该星座图在三维空间内以正三角形和正四面体组成，并以最大化星座增益指数为原则重新规定了星座点的位置分布，即在三维空间内对星座点进行几何整形。根据三维星座图进行星座映射，将原本信号中的信息转换成星座图中各个星座点的三维空间坐标，完成经过几何与概率整型后的三维星座映射部分。

（3）上采样部分

为了使映射后的信号在整形滤波时方便判决，在进入滤波器之前先进行M倍上采样，具体的做法是在星座点坐标后插入数值，M的数值就是插入的个数。

（4）整形滤波器部分

经过上采样后的数据将三个维度上的坐标数值分别送入三个相互正交的FIR滤波器中进行整形滤波，之后由一个加法器单元将三路信号合并，最终将几何/概率整形后的信号后送入AWG中。

二、光束转换部分

本发明中采用螺旋相位板产生涡旋光束。第一螺旋相位板6的光学厚度呈螺旋状向中心增加，高斯光入射后由于光程不同产生相位差，从而产生沿传播方向螺旋前进的相位涡旋光。两束经过调制后携带信息的高斯光束由第一透镜5汇聚、准直，入射到第一螺旋相位板6中心位置，转换成携带螺旋相位因子的涡旋光束，之后由第一分束镜7(BS)合二为一进入空间信道传输。涡旋光在自由空间中传输一段距离后再由第二分束镜8BS均等分为两束，分别入射到两个第二螺旋相位板9上重新转变成高斯光束，最后通过第二透镜10和小孔11后送至PD中。

本发明的光传输模块能够完成光束转换部分和一部分发送端的光路功能。具体的，光传输模块包括任意波形发生器2、激光器15、掺铒光纤放大器16、耦合器4、两个调制器3、两组第一透镜5、两个第一螺旋相位板6、第一分束镜7、第二分束镜8、两个第二螺旋相位板9、两组第二透镜10、小孔11、光电探测器12、混合信号示波器13和逆数据信号处理模块14。

所述任意波形发生器2的输入端与数字信号处理模块的输出端连接，两个输出端分别与两个调制器3的其中一个输入端连接；两个调制器3的另一个输入端依次通过耦合器4、掺铒光纤放大器16与激光器15连接；其中，原本的二进制数据在数字信号处理模块得到调制和整形后送入任意波形发生器2中，作为两路电信号分别输出到两个调制器3上；激光器15作为光源，发出的光束经掺铒光纤放大器16放大后进入耦合器4分成两束强度相同的光载波，分别输送到两个调制器3上与对应的电信号进行调制。

所述第一螺旋相位板6的光学厚度呈螺旋状向中心增加，两个调制器3发出的两束经过调制后携带信息的高斯光束由第一透镜5汇聚、准直，入射到第一螺旋相位板6中心位置，转换成携带螺旋相位因子的涡旋光束，由第一分束镜7合二为一进入空间信道传输；涡旋光在自由空间中传输一段距离后再由第二分束镜8均等分为两束，分别入射到两个第二螺旋相位板9上重新转变成高斯光束，最后通过第二透镜10和小孔11后送至光电探测器12中转换成对应的电信号，进入混合信号示波器13。

三、接收端部分

在接收端由PD将光信号转换成电信号后进行处理，随后信号进入混合信号示波器13(MSO)，再经过与发送端DSP相反的过程进行解调，最终得到原始的发送数据。

示例性地，逆数据信号处理模块14包括分离器、N个匹配滤波器、N个下采样单元、星座解映射和逆分布适配器。

其中，分离器的输出端与N个匹配滤波器的输入端连接，用于针对光传输模块输出的电信号分离三个维度的坐标信息，分别送入相应的匹配滤波器以得到整形滤波前的信号；所述下采样单元与匹配滤波器一一对应连接，用于将匹配滤波器的信号合成一路后进行M倍下采样，去除在数据中添加的数值；所述星座解映射和逆分布适配器相互连接，用于按映射规则将星座点坐标解映射为二进制比特，再经过并串变化得到发送的二进制数据流。

（1）匹配滤波器部分

经过传输后的信号先分离三个维度上的坐标信息，分别送入与相应整形滤波器对应的匹配滤波器，得到经过整形滤波前的信号。

（2）下采样部分

下采样过程与上采样相对应，经过三个正交的匹配滤波器的信号合成一路后进行M倍下采样，去除在数据中添加的数值。

（3）星座解映射和逆分布适配器部分

最后几步流程与发送端相对应流程相反，按映射规则将星座点坐标解映射为二进制比特，再经过并串变化得到发送的二进制数据流。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于几何概率整形技术的高性能空间光传输系统，其特征在于，所述空间光传输系统包括数字信号处理模块和光传输模块；

所述数字信号处理模块包括分布适配器、星座映射单元、N个上采样单元、N个整形滤波器和加法器单元；

其中，所述分布适配器用于对输入的二进制数据进行处理，使其从二进制比特流转化成经过概率整形计算后的分布形式，星座点的概率分布服从麦克斯韦玻尔兹曼分布；所述星座映射单元的输入端与分布适配器的输出端连接，用于根据三维星座图进行星座映射，在三维空间内对星座点进行几何整形，将原本信号中的信息转换成星座图中各个星座点的三维空间坐标；所述N个上采样单元呈并联结构，且每个上采样单元的输入端与星座映射单元的输出端连接，用于对星座映射单元输出的信号进行上采样，在星座点坐标后插入数值，并进入与之对应的整形滤波器进行整形滤波后，由加法器单元合并所有N条支路的电信号；

所述光传输模块用于基于无载波幅度相位调制，在发送端将加法器单元合并生成的电信号转换成对应的高斯光束，并采用螺旋相位板将高斯光束转换成携带轨道角动量的涡旋光束，利用电拓扑合数l=±2的两种不同模式的OAM光束在自由空间内进行复用传输，在接收端将涡旋光束转换成对应的电信号；

所述N为大于等于1的正整数。

2.根据权利要求1所述的基于几何概率整形技术的高性能空间光传输系统，其特征在于，所述空间光传输系统还包括逆数据信号处理模块；

所述逆数据信号处理模块包括分离器、N个匹配滤波器、N个下采样单元、星座解映射和逆分布适配器；

其中，分离器的输出端与N个匹配滤波器的输入端连接，用于针对光传输模块输出的电信号分离三个维度的坐标信息，分别送入相应的匹配滤波器以得到整形滤波前的信号；所述下采样单元与匹配滤波器一一对应连接，用于将匹配滤波器的信号合成一路后进行M倍下采样，去除在数据中添加的数值；所述星座解映射和逆分布适配器相互连接，用于按映射规则将星座点坐标解映射为二进制比特，再经过并串变化得到发送的二进制数据流。

3.根据权利要求1所述的基于几何概率整形技术的高性能空间光传输系统，其特征在于，所述星座点的概率分布服从麦克斯韦玻尔兹曼分布是指，

式中，参数

用于使

的概率之和为1；

为星座点

出现的概率大小，

为星座点标号；

为关键参数缩放因子，它的值是一个在0到1之间的标量，用来表示概率整形的程度和信息熵

：

式中，

为星座点出现概率，

为星座点标号。

4.根据权利要求1所述的基于几何概率整形技术的高性能空间光传输系统，其特征在于，所述光传输模块包括任意波形发生器、激光器、掺铒光纤放大器、耦合器、两个调制器、两组第一透镜、两个第一螺旋相位板、第一分束镜、第二分束镜、两个第二螺旋相位板、两组第二透镜、小孔、光电探测器和混合信号示波器；

所述任意波形发生器的输入端与数字信号处理模块的输出端连接，两个输出端分别与两个调制器的其中一个输入端连接；两个调制器的另一个输入端依次通过耦合器、掺铒光纤放大器与激光器连接；其中，原本的二进制数据在数字信号处理模块得到调制和整形后送入任意波形发生器中，作为两路电信号分别输出到两个调制器上；激光器作为光源，发出的光束经掺铒光纤放大器放大后进入耦合器分成两束强度相同的光载波，分别输送到两个调制器上与对应的电信号进行调制；

所述第一螺旋相位板的光学厚度呈螺旋状向中心增加，两个调制器发出的两束经过调制后携带信息的高斯光束由第一透镜汇聚、准直，入射到第一螺旋相位板中心位置，转换成携带螺旋相位因子的涡旋光束，由第一分束镜合二为一进入空间信道传输；涡旋光在自由空间中传输一段距离后再由第二分束镜均等分为两束，分别入射到两个第二螺旋相位板上重新转变成高斯光束，最后通过第二透镜和小孔后送至光电探测器中转换成对应的电信号，进入混合信号示波器。

5.根据权利要求4所述的基于几何概率整形技术的高性能空间光传输系统，其特征在于，所述激光器采用1550nm激光器。

6.根据权利要求1所述的基于几何概率整形技术的高性能空间光传输系统，其特征在于，所述星座映射单元的星座图在三维空间内由正三角形和正四面体组成，以最大化星座增益指数为原则重新规定了星座点的位置分布。

7.根据权利要求1所述的基于几何概率整形技术的高性能空间光传输系统，其特征在于，所述整形滤波器采用FIR滤波器，且N个整形滤波器相互正交。

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