CN114640391A - 面向fso信道变化的高阶光dpsk系统的混合星座整形方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种面向FSO信道变化的高阶光DPSK系统的混合星座整形方法，属于自由空间光通信技术领域。以高阶光DPSK传统星座图为基础，通过几何星座整形降低某些比特信息的解调复杂度，并且采用GCS辅助位标记几何整形信息，通过对光信号进行幅度调制传输GCS辅助信息，同时，采用概率星座整形技术根据信道条件的不同，将低幅值星座点的分布概率降低，提高高幅值星座点的分布概率，或者将高幅值星座点的分布概率降低，提高低幅值星座点的分布概率。采用多进制的PAM实现混合星座整形的高阶DPSK信号传输。本发明在FSO信道中，采用PCS+GCS混合星座整形可以提升光高阶DPSK系统在不同信道条件下的抗衰减能力或者抗湍流能力，从而提高系统可靠性。

Description

面向FSO信道变化的高阶光DPSK系统的混合星座整形方法

技术领域

本发明属于自由空间光通信(Free Space Optics，FSO)技术领域，涉及一种基于光通信的高阶的差分相移键控(Differential Phase Shift Keying，DPSK)的混合星座整形方法设计。

背景技术

随着网络技术和通信技术的飞速发展，组建全球性立体、高速、安全、可靠的信息化网络成为当今科学研究的新热点，创建覆盖全球的高速无线通信网络是落实这一宗旨的重要组成部分。无线通信技术的高速发展，对高容量、高速率、高稳定性的无线通信需求日益增长，传统的射频(Radio Frequency，RF)通信频谱资源逐渐受限，难以满足不断增长的网络需求。因此，自由空间光通信技术应运而生，FSO通信技术采用激光作为传输载波，以自由空间为传输介质，可实现大容量高速率的信息传输且无须频谱许可，可弥补RF通信的不足。FSO通信技术是光通信技术与无线通信技术结合的产物，在具备光通信与无线通信优势的同时，可弥补光通信与无线通信现有的劣势。FSO通信作为我国空天地一体化发展战略关键技术之一，其在近地面和空间通常使用近红外波段，具有丰富的频谱资源。与RF通信和光纤通信相比，FSO通信技术采用激光作为传输载波，大气为传输介质，其抗电磁干扰能力更强，传输速率更高，架设更加灵活，保密性更好，方向性更强，对于军事领域、应急通信领域、深空通信领域以及天地一体化建设等领域有极大的应用前景。

FSO通信技术的发展也受到很多因素的限制。由于激光光束较窄，在提高抗干扰能力和保密性的同时，其对通信系统光学收发天线的对准要求很高。同时，大气信道中大气气体分子和气溶胶粒子的吸收和散射效应会引起光强衰减，而空气折射率的不均匀会引起光强波动和相位起伏。因此，FSO的通信质量受大气信道条件的影响十分明显。DPSK调制技术由于其可以避免相位模糊现象和其与OOK调制相比有3dB的接收灵敏度改善，是FSO中常用的调制技术，尤其高阶的DPSK调制技术具有更高的频谱效率，因此具有更高的研究价值。但是传统的高阶DPSK系统随着其调制阶数的增大，其系统结构越来越复杂，特别是在系统接收端，往往需要更多的差分解调器件和更复杂的逻辑判决电路，这对系统的可行性和可靠性带来一定的问题。现有的研究主要通过幅度-相位联合调制的方法来获得同等的信息速率，达到降低系统结构的复杂度的目的。由于幅度调制往往受大气信道影响严重，大气湍流和衰减效应都使得基于幅度调制的信号通信质量变差，不利于在中强湍流强度或者衰减较大的大气信道中传输。星座整形技术由于其具有抵抗光纤非线性和提升系统容量的优势，成为现在光纤通信领域的热点研究技术，可分为几何星座整形技术(GeometricConstellation Shaping，GCS)和概率星座整形(Probabilistic Constellation Shaping，PCS)技术。几何星座整形是改变星座点的空间位置，使得星座点的空间分布呈高斯分布，以逼近香农极限，提升系统容量；概率整形技术常用于正交幅度调制(QAM)信号，通过改变星座点的概率分布，使得星座点的概率以星座图坐标原点为中心呈高斯分布，从而降低平均符号能量，提高系统可靠性。但由于光DPSK信号的幅值恒定，因此PCS技术不能用于传统高阶光DPSK信号。并且，与光纤不同，FSO信道所特有的大气湍流还会带来光强的波动和相位起伏，进一步造成系统误比特率(Bit Error Rate，BER)的增大。因此，在FSO通信系统中高阶DPSK系统如何结合星座整形技术以及星座整形技术对于FSO的通信系统具有怎样的性能提升值得研究。

经过检索，申请公开号CN112737686B，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。

本发明中设计的几何星座整形方案和概率星座整形方案与上述专利中的整形方案不同，本发明从星座图本身的分布特点和高阶DPSK信号的解调原理出发，在二维上进行几何整形，使得高阶DPSK星座图在相位和幅值上均实现整形。同时，根据不同的信道条件，本发明设计的概率星座整形方案不再是一味地将分布概率向低幅值星座点集中，在低湍流高衰减的大气信道条件下，本发明设计的PCS方案将星座点的分布概率更多的集中在高幅值时，还可以提升系统的抗大气衰减性能。因此，本发明的优势在于设计的混合星座整形方法使得高阶DPSK系统面对FSO信道变化时，均可提升光接收灵敏度，使得系统达到良好的通信质量，且可针对性地提高系统的抗大气湍流能力或者抗大气衰减能力。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种面向FSO信道变化的高阶光DPSK系统的混合星座整形方法。本发明的技术方案如下：

一种面向FSO信道变化的高阶光DPSK系统的混合星座整形方法，其包括以下步骤：

设计的几何星座整形GCS方案的步骤：几何星座整形GCS方案的步骤是采用几何整形及辅助位标记来实现；几何星座整形方案分为两个步骤：1)对星座点相位整形：通过变换星座映射关系实现；2)对星座点幅值整形：通过辅助位幅度调制实现。经过以上两个步骤即得到GCS星座图；

设计的概率星座整形PCS方案的步骤；

采用GCS+PCS混合整形信号的方式进行传输；

以及对GCS+PCS混合整形信号的解调。

进一步的，所述设计的几何星座整形GCS方案的步骤具体包括：1)对于传统高阶光DPSK星座图，每个符号对应的比特位数由调制阶数确定，以下所说比特位皆指每个符号中的第某个比特位，寻找星座图分布复杂度较高的比特位；2)将该星座图分布复杂度较高的比特位所对应的星座点进行星座点的相位整形，通过变换星座点的映射关系，使得该比特位分布复杂度降低；3)将第2步进行星座点相位整形的符号进行GCS辅助位标记，用以标记星座点是否进行映射关系变换，GCS辅助信息通过幅度调制使得星座点进行幅值上的整形，4)经步骤1、2、3后得到GCS星座图，与传统的GCS星座图不同，本发明中的GCS星座图无须高斯分布，最终得到GCS后的高阶DPSK星座图具有多个幅值且比特位在星座图的相位分布上更加简化。

进一步的，所述设计的概率星座整形PCS方案的步骤具体包括：1)在低湍流高衰减的大气信道条件下，将GCS后的高阶DPSK星座图上低幅值的星座符号按一定概率整形到星座图高幅值星座点处，提高高幅值星座点的分布概率；2)在高湍流低衰减的大气信道条件下，将GCS后的高阶DPSK星座图上高幅值的星座符号按一定概率整形到星座图低幅值星座点处，提高低幅值星座点的分布概率。

进一步的，所述GCS+PCS混合整形信号传输的方式具体包括：

在对GCS之后的每个星座符号是否进行了概率整形进行PCS辅助标记；光信号需要对GCS和PCS辅助位信息进行传输，由于PCS设计方案是基于GCS后星座图幅值数量不变的前提下，因此采用双极性的多进制的脉冲幅度调制PAM，将GCS辅助位信息通过PAM调制到光信号的幅值上，将PCS辅助位信息通过产生π的相移调制到光信号的相位上，从而实现GCS+PCS混合整形信号在FSO信道中的传输。

进一步的，所述双极性的多进制的脉冲幅度调制PAM的PCS方案中的具体步骤包括：1)所述的GCS辅助位信息用双极性PAM信号的正极幅值表示；将所述的PCS辅助位信息用PAM信号的负极幅值表示，且负极幅值等于正极的最大幅值；2)将PAM信号作为马赫曾德尔调制器MZM的驱动电压，传统高阶光DPSK信号作为MZM的输入光信号；3)将MZM的偏置点置于传输曲线最低点，PAM信号的正极进行幅度调制，负极进行π的相移且幅值与正极最大幅值相等，从而实现PAM的调制。

进一步的，所述双极性的多进制的脉冲幅度调制PAM在步骤2的PCS方案中的具体步骤包括：1)将所述的GCS辅助位信息用双极性PAM信号的正极幅值表示；将所述的PCS辅助位信息用PAM信号的负极幅值表示，且负极幅值等于正极的最小幅值；2)将PAM信号作为马赫曾德尔调制器MZM的驱动电压，传统高阶光DPSK信号作为MZM的输入光信号；3)将MZM的偏置点置于传输曲线最低点，PAM信号的正极进行幅度调制，负极进行π的相移且幅值与正极最小幅值相等，从而实现PAM的调制。

进一步的，混合星座整形信号的系统解调端结构为：采用马赫曾德尔干涉仪MZI对星座重构后的高阶光DPSK信号进行差分相位解调，相位解调支路由一个MZI、两个光电二极管、一个减法器、一个低通滤波器和一个判决器组成；MZI用于信号的差分解调，光电二极管用于对解调后信号进行光电探测，减法器用于解调差分信息，低通滤波器用于滤除低频噪声，判决器用于信号的还原。

PAM解调支路采用相干解调，由一个激光源、一个DSP模块、一个3dB耦合器、两个光电二极管、一个减法器、一个低通滤波器和一个判决器组成；激光源和3dB耦合器用于相干解调，DSP模块用于补偿相位噪声；

PCS+GCS后的解调端系统由多条相位解调支路、一条PAM相干解调支路以及相关的逻辑判决电路组成。

进一步的，混合星座整形信号的系统解调步骤为：1)GCS后的系统依据GCS星座图的各比特位分布情况，通过相位解调支路和简单的逻辑运算实现部分比特位的解调；2)剩余比特位的解调通过PAM解调支路解调出GCS辅助信息和PCS辅助信息，并将辅助信息与已解调的比特信息进行简单的逻辑运算实现；3)将解调出的并行比特位转换为串行输出，即可还原原始信号，完成混合星座整形系统的信息传输。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明针对FSO通信中高阶光DPSK系统现有研究存在的不足，本发明提出了一种基于FSO通信的高阶光DPSK系统的混合星座整形方法，根据星座图和解调原理，对解调较复杂的比特位进行几何星座整形，调整该比特位对应星座点的映射关系，使得该比特位分布复杂度降低，简化该比特位的解调原理。同时，对进行GCS的符号进行辅助位标记，采用幅度调制对GCS辅助位进行传输。此时FSO信道中传输的光信号星座图呈现多个幅值，因此，可采用PCS技术对不同幅值上的星座点进行概率整形，针对不同的大气信道条件，设计不同的PCS方案，将发射端需要进行概率整形的星座符号进行PCS辅助位标记，与原有的GCS辅助位相结合，一并传输。由于提出的PCS方案是在原有的GCS方案基础上进行，在传输过程中不能改变GCS之后的信号幅值个数，因此，本发明采用多进制的脉冲幅度调制对辅助位进行传输，从而实现幅值阶数不变的条件下两种辅助位的同时传输。采用PCS技术对高阶DPSK星座再次进行整形，可以适当应对不同大气条件下信道所带来的影响，进一步提高系统性能。

本发明提出的一种面向FSO信道变化的高阶光DPSK系统的混合星座整形方法的创新主要为：通过权利要求2和3所述的对几何星座整形方案和概率星座整形方案的设计，对高阶DPSK系统在不同FSO信道中传输的光信号星座图进行了如权利要求3所述不同的混合星座整形方法。设计了权利要求2和4中的辅助标记方法，使得信号可以实现混合整形星座图的解调。同时采用权利要求5、6中的双极性PAM技术，将几何星座整形方案与概率整形方案巧妙地结合起来，从而实现了混合星座整形信号的传输。根据FSO的信道特性，设计的不同混合星座整形方案可以针对信道的特点，适应性地提高高阶光DPSK系统的抗衰减能力或抗湍流能力。由于本发明提出的混合星座整形方法可以提高高阶光DPSK系统的接收灵敏度，使得本发明中的系统在不同的FSO信道条件下均具有良好的通信质量。

附图说明

图1是混合星座整形后的光16DPSK调制系统结构；

图2为MZM调制原理图；

图3为传统光16DPSK解调系统结构；

图4为传统光16DPSK信号星座图；

图5为GCS后的光16DPSK信号星座图；

图6为混合星座整形后的光16DPSK解调系统结构；

图7为光16DPSK系统混合星座整形前后随接收光功率变化的不同比特的BER对比；

图8为光16DPSK系统混合星座整形前后随接收光功率变化的系统BER对比；

图9为光16DPSK系统混合星座整形前后随激光器发射功率变化的系统BER对比；

图10为接收光功率相同时，光16DPSK传统系统和混合星座整形后的优化系统不同湍流强度下各比特的BER情况；

图11为接收光功率相同时，光16DPSK传统系统和混合星座整形后的优化系统不同湍流强度下系统BER情况；

图12为激光器发射功率功率相同时，光16DPSK传统系统和混合星座整形后的优化系统不同湍流强度下各比特的BER情况；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

高阶光DPSK系统主要采用马赫曾德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator，MZM)进行光电相位调制，对应的解调器件为马赫曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer，MZI)。传统解调端所需的MZI个数N与调制阶数M(M＝2ⁿ，n≥2)存在以下关系：

因此，随着调制阶数的增大，系统结构和逻辑判决规则会愈渐复杂，使得系统的可靠性降低，这主要是由于DPSK信号星座点增多，各比特位分布愈渐复杂，所对应的星座点最小欧氏距离减小，容易受到信道的影响造成误码情况。

基于以上目的，本发明根据高阶DPSK系统的解调原理和星座图分布，提出了一种GCS方法，将高阶DPSK的星座点分布在多个幅值上，以降低平均符号能量。通过将比特位分布较复杂的星座点进行星座映射关系变换，从而调整该比特位的分布情况，同时，对于进行了映射变换的星座符号进行GCS辅助标记，采用幅度调制传输GCS辅助位信息，使得星座点变换信息加载到信号幅值。实现高阶DPSK信号的几何星座整形。

经过GCS之后的星座图呈现多种幅值，在降低平均符号能量的同时，幅值较低的星座点间的距离减小，因此会造成低幅值符号在大气衰减较高时错误率增大，而高幅值的星座符号由于星座点间的距离减小，其对抗衰减的能力较传统高阶DPSK星座图更强；同时，低幅值的星座符号由于其幅值较低，受到大气湍流的幅值波动较小，因此低幅值符号抵抗大气湍流的能力更强，而高幅值符号受大气湍流影响，其幅值波动较大，因而高幅值的符号在大气湍流较强时的误码率更高。因此，针对这种情况，在应对不同的信道条件时，可以采用PCS技术对不同幅值的星座符号进行概率整形。当大气信道为低衰减高湍流时，通过设计PCS方案，使得星座点出现概率随着幅值的降低而增大，更多的星座符号往低幅值集中，用以在衰减较低情况下，抵抗高湍流带来的影响；当大气信道为高衰减低湍流时，通过设计PCS方案，使得星座点出现概率随着幅值的增大而增大，更多的星座符号往高幅值集中，用以在湍流较低情况下，抵抗高衰减带来的影响。

基于以上目的，本发明在经过几何星座整形之后，在发射端同样地对需要进行概率整形的符号进行PCS辅助标记，与GCS辅助位相结合形成多进制的信息序列。若采用常见的幅度调制，则会导致星座图幅值的增加，与PCS方案矛盾，因此，需要保证GCS之后的星座图的幅值阶数不变的同时，实现PCS辅助位的信息传输。本发明采用了多进制脉冲幅度调制技术，实现了GCS辅助信息加载幅值上的进行传输的同时，PCS辅助信息加载到相位上随着同一光信号进行传输。进行PCS的符号通过MPAM调制实现π的相移后，在星座图上表现该符号落在了角度相差π的另一幅值的星座符号位置上，从而实现概率分布的改变。

本发明针对FSO通信中高阶DPSK系统提出了一种GCS和PCS混合星座整形的方法，通过MPAM调制技术实现两种星座整形方法的结合。本发明中的混合星座整形方法从星座点欧氏距离和FSO信道特性的角度出发，与光纤通信中的星座整形不同，在FSO通信系统中，星座整形主要用于抵抗不同信道条件的影响，因此星座整形设计的出发点不再是为了抵抗光纤非线性，对于提升FSO通信系统性能具有很大的研究意义。

本发明已于FSO通信中的16DPSK系统中进行验证，本发明提出的混合星座整形方法在光16DPSK系统中的具体实现过程如下：

对于发射端来说，经过混合星座整形的16DPSK系统的结构与传统结构相似，如图1所示。主要的区别在于发射端需要多使用一个MZ调制器实现PAM调制，以下为发射信号的产生过程：

1.初始序列经过串并转换后进行差分预编码，将初始序列编码为表示相邻两个符号差的相对码；

2.在光16DPSK信号解调原理的基础上，发射端对16DPSK信号星座图的进行几何星座整形，GCS方案主要是通过将解调过程较复杂的比特所在的星座点的映射关系改变，本例中改变了c比特在星座图上的分布，使之的0、1对半分布；

3.对进行了星座映射变换的符号进行GCS辅助标记，GCS辅助位的进制数为二，因此整形后的16DPSK星座点存在两种幅值；

4.与此同时，结合PCS技术对16DPSK信号进行概率整形。在发射端将经过概率整形的符号进行整形位标记，记为PCS辅助位；

5.PCS和GCS辅助标记位相结合形成三进制的信息序列。分别为11、10、00。其中，11表示原本的高幅值符号；10表示经过了概率整形的符号，可能是从高幅值变为低幅值，或者从低幅值变为高幅值；00表示原本的低幅值符号；由于辅助标记位决定了16DPSK信号只能有两种幅值，因此可采用PAM调制格式实现三进制的信息传输，实现信号在幅值上传输辅助位信息，同时在相位上传输整形位信息。

6.三进制的PAM信号随着16DPSK信号一同加载到同一光波上，其中GCS辅助位信息被调制到光信号的幅度上；进行PCS的符号通过PAM调制实现π的相移后，在星座图上表现该符号落在了另一种星座符号位置上，从而实现概率分布的改变。输出16DPSK联合三进制PAM调制的信号，三进制的PAM信号在MZM上的调制原理如图2所示，从而实现将低幅值的符号整形为相位相差π的高幅值符号。

光信号经过FSO信道后到达接收端，经过光放大器进行放大，低通滤波器滤波除部分背景光噪声后，由分光器将收到的光信号等功率分配给解调端，解调端对星座整形后的16DPSK进行解调，由于信号星座图经过了GCS和PCS，因此对16DPSK的和传统的解调不同，图3为传统的16DPSK系统解调结构。传统的16DPSK系统解调端需要六条结构相似的支路，每条支路由一个MZI进行干涉解调，解调出相位信息，一个平衡探测器进行光电探测，将光信号转化为电信号输出，经减法器得到差分电信号，然后经过低通滤波器和判决器输出比特序列。最后经过一系列的逻辑运算还原初始比特。其中，每条支路的MZI相移不同，这主要取决于16DPSK的星座图，如图4所示。相移使得星座图沿水平轴逆时针旋转相应角度，等效于将水平轴顺时针旋转相应角度。第一条支路的相移使得星座图旋转之后可以直接解调出a比特信息，第二条支路可以解调出b比特信息，c比特信息由a比特和b比特进行相应的逻辑运算得到。而d比特信息的解调相对复杂许多，需要由第三到第六条支路一起经过相应逻辑运算得到。

因此，经过GCS的星座图如图5所示，星座点分布在两种幅值上，并且，根据PCS方案的不同，本实例中星座点的概率分布为：1)低幅值星座符号出现概率为25％，高幅值星座符号出现概率为75％；2)低幅值星座符号出现概率为75％，高幅值星座符号出现概率为25％。因此，经过星座整形后的16DPSK信号的解调结构如图6所示，解调过程如下：

1.解调端由两路结构相同的MZI支路和一路相干解调支路组成。对于星座点的解调，假设整形后的星座点符号为a′b′c′d′第一和第二MZI支路分别解调出a′比特信息和c′比特信息，d′比特信息由得到的a′、c′比特信息经过简单的逻辑运算得到：

而此时b′比特可通过c′与GCS辅助位异或解出。

2.PAM进行相干解调可得初始的三进制辅助信息，根据辅助信息，可得到高低幅值信息和概率星座整形信息。其中，高低幅值信息与c′进行同或可解出b′信息。

3.b′和d′分别与整形前的初始比特序列b、d相等；a′、c′比特信息在进行了概率星座整形的符号位上取反，即可还原a、c初始比特信息。

根据表1的参数设置，通过Optisystem软件模拟了传统光16DPSK系统和使用本发明提出的星座整形后的光16DPSK系统并对其系统性能进行了测试。

图7比较了大气信道在低湍流高衰减下的传统光16DPSK系统和PCS+GCS优化的系统各比特信息的BER。当大气湍流强度为1×10^-16m^-23时，可以发现，采用的GCS+PCS混合星座整形的光16DPSK系统，随着大气衰减的增大，系统的接收光功率减小，系统各比特信息的BER均低于传统系统，比只采用了几何星座整形的优化系统进一步获得了各比特可靠性能的提升。由于此时的PCS方案为了抵抗低湍流高衰减的大气信道条件，将出现在低幅值处的星座符号往高幅值上集中，此时低幅值星座点的分布概率为0.25，高幅值星座点的分布概率为0.75。低湍流的大气环境带来高幅值符号的幅值波动较小，更多的高幅值符号有利于抵抗高衰减带来的光功率损耗，因此混合星座整形后的光16DPSK系统各比特的BER性能均得到提升。

其中，传统系统因为a、b比特的解调结构相同且复杂度最低，所以其a、b比特的BER在其所有比特中最小，而d比特的解调结构需要四条解调支路，判决域较小，因此d比特信息的BER最大。

对于混合星座整形优化后的光16DPSK系统，由于改变了星座点的几何分布，因此原来用于解调b比特的解调结构此时用于c比特信息解调，优化系统的a、c比特的解调结构相同且复杂度最低，所以a、c比特的BER曲线相近且最小，b比特由GCS辅助信息与c比特信息同或得到，采用相干解调对GCS信号的可靠性有进一步提升，因此GCS辅助信息的BER较小，系统b比特信息的BER与c比特信息BER接近。此时的d比特解调结构与传统系统的c比特解调结构相同，满足

因此优化系统的d比特信息BER曲线同传统系统c比特信息的BER曲线趋势相似，并且为优化系统中BER最高的比特序列。

系统整体的BER为各比特信息BER的整合，图8比较了传统光16DPSK系统和采用PCS+GCS的混合星座整形的优化系统的系统BER。由图8可知，采用混合星座整形后的优化系统在低湍流高衰减的大气信道中的通信质量更高，其系统BER明显低于传统系统。这主要在于优化系统采用GCS将星座符号分为高低两种幅值，在同一接收光功率下，接收端采用GCS后信号的高幅值会高于传统系统的信号幅值，GCS后信号的低幅值会低于传统系统幅值，并且系统结构得到很大的简化，进一步提升了各比特解调的可靠性。在GCS基础上加入PCS，使得低幅值的符号按0.5的概率整形为相位相差π的高幅值星座符号，使得高幅值星座符号的分布概率为0.75，而低幅值星座符号的分布概率为0.25，因此高幅值符号的光功率增大，其抗信道衰减的能力增强。因此，采用PCS+GCS混合整形在低湍流高衰减的FSO信道条件下可以提升系统的可靠性能。

图9比较了传统光16DPSK系统和混合星座整形系统随激光器发射功率变化时的系统BER。可以看出，随着激光器发射功率的增大，两种系统的BER均减小。并且，在同一激光器发射功率下，PCS+GCS混合星座整形后的优化系统BER明显低于传统的系统。虽然对于PCS+GCS混合星座整形的优化系统来说，由于其存在两种幅值的星座符号，低幅值处的星座符号在调制时就已损耗了一部分光功率，造成优化系统的平均符号光功率降低，但是GCS所带来的系统解调端的结构简化，以及PCS让高幅值符号分布概率增加带来的系统抗湍流能力增强，都使得优化系统的整体可靠性能提升，这说明优化系统具有更高的能量效率，可以用更低的平均符号能量来获得更高的系统BER性能。

并且，从图9还可以分析出，在满足相同的BER要求时，混合星座整形的优化系统所需的激光发射功率低于传统系统，这进一步说明了优化系统可以采用更低的激光发射功率来达到相同的通信质量，节省了激光发射功率。

同样地，根据表2的参数设置，在Optisystem中仿真了两种系统的信号在高湍流低衰减的大气信道条件下的传输。

图10比较了在接收光功率为-10dBm时，光16DPSK传统系统和混合星座整形后的优化系统不同湍流强度下各比特的BER情况。由图10可知，在湍流强度相同时，传统系统中a、b比特的解调结构相同且复杂度最低，所以a、b比特的BER曲线相近且最小，随着c、d解调复杂度的增大，BER也依次增大。随着湍流的增大，传统系统各比特BER均增大。对于优化系统来说，其a、c比特的解调结构相同且复杂度最低，所以a、c比特的BER曲线相近且最小。同时，由于优化系统的b比特由c比特与GCS辅助序列异或得到，而GCS辅助序列由于相干解调提升的可靠性优势，使得b比特信息的BER与c比特略高。而此时解调最复杂的d比特的成为优化系统BER最高的比特信息。但是在相同的湍流强度和接收光功率下，由于优化系统将更多的符号落在低幅值处，提高了低幅值符号的抗湍流性能，因此各比特表现出更高的可靠性。

图11比较了光16DPSK传统系统和混合星座整形后的优化系统在不同湍流下的系统BER。结果表明，在接收光功率都为-10dBm时，混合星座整形优化系统的BER明显低于传统系统。这说明，优化系统具有更好的接收灵敏度，在达到相同的BER性能时，其所需的接收光功率更低。随着湍流增大，湍流引起的光强起伏变得强烈，此时造成误码的因素由湍流占主导。在平均接收光功率相同时，高幅值的符号虽然光强起伏比传统系统更剧烈，但是此时高幅值符号数量变少，更多的符号处于低幅值处，因此低幅值符号受到湍流的影响更小，低幅值符号的高分布概率带来的抗湍流性能弥补了其功率较低以及高幅值符号易受湍流影响的劣势，从而在整体上表现出更低的BER。

图12比较了在激光器发射功率同为20dBm时，传统系统与优化系统随湍流变化时的BER情况。与图11不同，在激光器发射功率相同时，优化系统由于经过了混合星座整形，在幅值上呈现出高低两种情况，高幅值符号的光功率与传统系统相同，由于调幅指数为0.5，此时低幅值星座符号的光功率为传统系统的一半。因此，优化系统在调制原理上就损失了相当一部分的光功率，使得其平均符号功率低于传统系统。但是从图12表现出的系统BER情况来看，随着湍流强度的增大，优化系统与传统系统的系统BER较为接近，具有更低平均符号功率的优化系统并没有表现出明显的劣势，从侧面说明了此时的混合星座整形优化系统对于光功率的灵敏度更有优势。

综上所述，本发明提出的混合星座整形方法适用于高阶光DPSK系统，用以提升光高阶DPSK信号在低湍流高衰减的FSO信道中传输的通信质量。基于高阶光DPSK系统的解调原理，针对具体的调制阶数，可灵活的对星座点进行GCS和PCS变换，以上实例所进行的混合星座整形方案并不唯一。即通过改变星座符号的映射关系，使解调复杂度较高的比特位所对应的星座点聚集，合理的交换星座点的位置，并通过GCS辅助位标记该交换信息，来达到辅助解调的目的。使系统的结构得到简化，并且随着调制阶数的增大，系统结构的简化程度增大。同时，对GCS后的星座符号进行概率整形，根据信道条件的不同设计不同的概率整形方案，以提升系统的抗衰减性能或接收灵敏度，使得优化系统在不同信道条件时均可获得良好的通信质量。由于随着光信号的调制阶数增大，系统通过混合星座整形降低的结构复杂度更多，获得的BER性能可能进一步增大，因此，本发明还具有一定的可拓展性。

表1为本发明实施例在低湍流高衰减信道条件下系统参数设置表；

表2为本发明实施例在高湍流低衰减信道条件下系统参数设置表

表1

表2

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种面向FSO信道变化的高阶光DPSK系统的混合星座整形方法，其特征在于，包括以下步骤：

设计的几何星座整形GCS方案的步骤：几何星座整形GCS方案的步骤是采用几何整形及辅助位标记来实现；几何星座整形方案分为两个步骤：1)对星座点相位整形：通过变换星座映射关系实现；2)对星座点幅值整形：通过辅助位幅度调制实现。经过以上两个步骤即得到GCS星座图；

设计的概率星座整形PCS方案的步骤；

采用GCS+PCS混合整形信号的方式进行传输；

以及对GCS+PCS混合整形信号的解调。

2.根据权利要求1所述的一种面向FSO信道变化的高阶光DPSK系统的混合星座整形方法，其特征在于，所述设计的几何星座整形GCS方案的步骤具体包括：1)对于传统高阶光DPSK星座图，每个符号对应的比特位数由调制阶数确定，以下所说比特位皆指每个符号中的第某个比特位，寻找星座图分布复杂度较高的比特位；2)将该星座图分布复杂度较高的比特位所对应的星座点进行星座点的相位整形，通过变换星座点的映射关系，使得该比特位分布复杂度降低；3)将第2步进行星座点相位整形的符号进行GCS辅助位标记，用以标记星座点是否进行映射关系变换，GCS辅助信息通过幅度调制使得星座点进行幅值上的整形，4)经步骤1、2、3后得到GCS星座图，与传统的GCS星座图不同，本发明中的GCS星座图无须高斯分布，最终得到GCS后的高阶DPSK星座图具有多个幅值且比特位在星座图的相位分布上更加简化。

3.根据权利要求2所述的一种面向FSO信道变化的高阶光DPSK系统的混合星座整形方法，其特征在于，所述设计的概率星座整形PCS方案的步骤具体包括：1)在低湍流高衰减的大气信道条件下，将GCS后的高阶DPSK星座图上低幅值的星座符号按一定概率整形到星座图高幅值星座点处，提高高幅值星座点的分布概率；2)在高湍流低衰减的大气信道条件下，将GCS后的高阶DPSK星座图上高幅值的星座符号按一定概率整形到星座图低幅值星座点处，提高低幅值星座点的分布概率。

4.根据权利要求2和3所述的一种面向FSO信道变化的高阶光DPSK系统的混合星座整形方法，其特征在于，所述GCS+PCS混合整形信号传输的方式具体包括：

在对GCS之后的每个星座符号是否进行了概率整形进行PCS辅助标记；光信号需要对GCS和PCS辅助位信息进行传输，由于PCS设计方案是基于GCS后星座图幅值数量不变的前提下，因此采用双极性的多进制的脉冲幅度调制PAM，将GCS辅助位信息通过PAM调制到光信号的幅值上，将PCS辅助位信息通过产生π的相移调制到光信号的相位上，从而实现GCS+PCS混合整形信号在FSO信道中的传输。

5.根据权利要求4所述的一种面向FSO信道变化的高阶光DPSK系统的混合星座整形方法，其特征在于，所述双极性的多进制的脉冲幅度调制PAM的PCS方案中的具体步骤包括：1)所述的GCS辅助位信息用双极性PAM信号的正极幅值表示；将所述的PCS辅助位信息用PAM信号的负极幅值表示，且负极幅值等于正极的最大幅值；2)将PAM信号作为马赫曾德尔调制器MZM的驱动电压，传统高阶光DPSK信号作为MZM的输入光信号；3)将MZM的偏置点置于传输曲线最低点，PAM信号的正极进行幅度调制，负极进行π的相移且幅值与正极最大幅值相等，从而实现PAM的调制。

6.根据权利要求4所述的一种面向FSO信道变化的高阶光DPSK系统的混合星座整形方法，其特征在于，所述双极性的多进制的脉冲幅度调制PAM在步骤2的PCS方案中的具体步骤包括：1)将所述的GCS辅助位信息用双极性PAM信号的正极幅值表示；将所述的PCS辅助位信息用PAM信号的负极幅值表示，且负极幅值等于正极的最小幅值；2)将PAM信号作为马赫曾德尔调制器MZM的驱动电压，传统高阶光DPSK信号作为MZM的输入光信号；3)将MZM的偏置点置于传输曲线最低点，PAM信号的正极进行幅度调制，负极进行π的相移且幅值与正极最小幅值相等，从而实现PAM的调制。

7.根据权利要求5或6所述的一种面向FSO信道变化的高阶光DPSK系统的混合星座整形方法，其特征在于，混合星座整形信号的系统解调端结构为：采用马赫曾德尔干涉仪MZI对星座重构后的高阶光DPSK信号进行差分相位解调，相位解调支路由一个MZI、两个光电二极管、一个减法器、一个低通滤波器和一个判决器组成；MZI用于信号的差分解调，光电二极管用于对解调后信号进行光电探测，减法器用于解调差分信息，低通滤波器用于滤除低频噪声，判决器用于信号的还原。

PAM解调支路采用相干解调，由一个激光源、一个DSP模块、一个3dB耦合器、两个光电二极管、一个减法器、一个低通滤波器和一个判决器组成；激光源和3dB耦合器用于相干解调，DSP模块用于补偿相位噪声；

PCS+GCS后的解调端系统由多条相位解调支路、一条PAM相干解调支路以及相关的逻辑判决电路组成。

8.根据权利要求7所述的一种面向FSO信道变化的高阶光DPSK系统的混合星座整形方法，其特征在于，混合星座整形信号的系统解调步骤为：1)GCS后的系统依据GCS星座图的各比特位分布情况，通过相位解调支路和简单的逻辑运算实现部分比特位的解调；2)剩余比特位的解调通过PAM解调支路解调出GCS辅助信息和PCS辅助信息，并将辅助信息与已解调的比特信息进行简单的逻辑运算实现；3)将解调出的并行比特位转换为串行输出，即可还原原始信号，完成混合星座整形系统的信息传输。

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