CN118018121A

CN118018121A - 基于单平衡探测器的空间光高阶dpsk传输方法

Info

Publication number: CN118018121A
Application number: CN202410163890.1A
Authority: CN
Inventors: 刘业君; 冯淑华; 郭磊; 孙启明; 王希
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2024-02-05
Filing date: 2024-02-05
Publication date: 2024-05-10
Anticipated expiration: 2044-02-05
Also published as: CN118018121B

Abstract

本发明涉及一种基于单平衡探测器的空间光高阶DPSK传输方法，属于空间光通信技术领域。该方法在空间光DPSK通信系统的信号发送端，通过在每个信源符号后面添加一个辅助符号，该辅助符号与所述信源符号间的相位差为π/2，从而在相邻两个符号之间构建正交性来表征相位信息；在信号接收端，采用单平衡探测器对接收到的光信号及其延迟光信号进行混合拍频，获得每个符号的差分相位，利用相邻符号的正交性计算出相位的正切值；基于正切值对DPSK星座图进行几何整形；根据整形后的DPSK星座图进行符号判决：先通过计算出的正切值将符号范围限定为两个，再利用每个符号的正弦值的正负来区分两个象限内的符号，从而确定得到唯一的符号。

Description

基于单平衡探测器的空间光高阶DPSK传输方法

技术领域

本发明属于空间光通信技术领域，涉及一种基于单平衡探测器的空间光高阶DPSK传输方法。

背景技术

目前，射频通信和光纤通信是应用最广泛的通信技术。然而，射频通信的带宽是有限的，并且抗电磁干扰能力较弱；光纤通信虽然可以满足高速率、高带宽的需求，但在一些欠发达的偏远地区的铺设成本高，所以难以大规模的使用。自由空间光通信(Free SpaceOptics，FSO)可以作为射频和光纤通信的一种替代方案，作为满足下一代及以后无线系统高速传输需求的一种有前景的通信技术。自由空间光通信是将信息加载到激光上在自由空间的大气中进行传输，它具有很多优点：带宽大、部署灵活、成本小、传输安全性高等。FSO通信已经显示出了广阔的应用前景，可以成为通信的主链路、从链路等，近年来已成为研究的热点之一。

然而，FSO通信信道中对信号质量造成影响的因素主要有大气衰减和大气湍流。大气衰减主要来源于大气分子的吸收散射现象从而对光信号的功率衰减；大气湍流会使得空气的折射率发生改变从而使得光信号在大气信道中产生光强闪烁、光束偏移，这会使得光信号产生相位的变化，以致影响信号的传输可靠性。DPSK(Differential Phase ShiftKeying)调制技术作为FSO通信的主流调制格式而被得到广泛的研究。由于DPSK调制是将信息加载到相邻符号的相位差中进行传输的，所以与相位调制技术相比可以避免相位模糊的现象，而且高阶的DPSK调制具有更高的频谱效率。然而，光DPSK通信系统的接收机复杂度会随着调制阶数变大而逐渐变得复杂，这主要是由于接收端的判决逻辑是旋转判决轴来进行每个DPSK符号不同信息位的逐一判决，所以阶数升高的时候，每个符号所包含的比特位个数就增大，判决轴将被旋转的次数就增加，因此接收机结构会越来越复杂，并且不够灵活；又由于解调支路的增多，接收机的探测灵敏度会降低，这会使得系统的误码性能下降。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于单平衡探测器的空间光高阶DPSK传输方法，在发送端通过在相邻两个符号之间构建正交性来表征相位信息，因此接收端只需要一个平衡探测器即可实现差分相位解调，同时通过几何整形使星座点之间的欧氏距离增大，从而降低解码端分辨星座点的难度，降低误码率，提升光DPSK系统的传输可靠性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于单平衡探测器的空间光高阶DPSK传输方法，该方法在空间光DPSK通信系统的信号发送端，通过重建编码方案在相邻两个符号之间构建正交性来表征相位信息；在信号接收端，只采用一个平衡探测器来实现差分相位解调。

其中，所述编码方案包括：在每个信源符号后面添加一个辅助符号，该辅助符号与所述信源符号间的相位差为π/2，从而将每个所述信源符号相位的同向幅度与正交幅度加载到一个符号序列的相邻符号中。

在空间光DPSK通信系统的信号接收端，通过单平衡探测器实现差分相位解调包括：采用单平衡探测器对接收到的光信号及其延迟光信号进行混合拍频，获得每个符号的差分相位，利用相邻符号的正交性计算出相位的正切值；在DPSK星座图中，确定出每个象限内正切值随相位变化较快及变化较慢的相邻星座点，并增加这些星座点的相位间隔；再根据经过整形的DPSK星座图进行符号判决，判决方式包括：先通过计算出的正切值将符号范围限定为两个，再利用每个符号的正弦值的正负来区分两个象限内的符号，从而确定得到唯一的符号。

进一步的，所述利用相邻符号的正交性计算出相位的正切值包括：经过所述信号发送端编码的信号在所述信号接收端减法器的输出电信号表示为：

式中，为解调后的DPSK符号的相位，因此通过每个符号的正弦值与余弦值的比值即得到正切值。

进一步的，该方法可对8PSK星座图进行整形，整形方式具体为：确定出每个象限内正切值随相位变化较快及变化较慢的相邻星座点，并增加这些星座点的相位间隔；即在8PSK星座图中，将同一个象限内的相位离I轴较近的符号的相位变小，将离Q轴较近的符号的相位变大，得到几何整形后的星座点与其对应的相位分别为：110→15°、111→71.6°、011→108.4°、010→165°、000→195°、001→251.6°、101→288.4°、100→345°。

进一步的，根据经过整形的8PSK星座图进行符号判决的方式具体为：

若且/>则判为符号110，若且/>则判为符号000；

若且/>则判为符号111，若且/>则判为符号001；

若且/>则判为符号010，若且/>则判为符号100；

若且/>则判为符号011，若且/>则判为符号101。

进一步的，该方法可对16PSK星座图进行整形，整形方式具体为：确定出每个象限内正切值随相位变化较快及变化较慢的相邻星座点，并增加这些星座点的相位间隔；即将靠近Q轴的符号的相位进行整形，使其相位更靠近Q轴，得到几何整形后的星座点与其对应的相位分别为：1110→11.25°、1111→33.75°、1101→60°、1100→85°、0100→95°、0101→120°、0111→146.25°、0110→168.75°、0010→191.25°、0011→213.75°、0001→240°、0000→265°、1000→275°、1001→300°、1011→326.25°、1010→348.75°。

进一步的，根据经过整形的16PSK星座图进行符号判决的方式具体为：

若且/>则判为符号1110，若且/>则判为符号0011；

若且/>则判为符号1111，若且/>则判为符号0011；

若且/>则判为符号1101，若且/>则判为符号0001；

若且/>则判为符号1100，若且/>则判为符号0000；

若且/>则判为符号0110，若且/>则判为符号1010；

若且/>则判为符号0111，若且/>则判为符号1011；

若且/>则判为符号0101，若且/>则判为符号0001；

若且/>则判为符号0100，若且/>则判为符号1000。

本发明的有益效果在于：本发明可适用于单平衡探测器简化系统，在大气湍流强度较小的时候，由于单平衡探测器简化系统所分的光功率增大使得光电探测器的灵敏度增加，所以较两路解调系统来说具有一定的BER性能增益，并且可以减少一半的解调器件，进一步地简化了接收机的复杂度；此外，本发明通过对DPSK星座图进行几何整形，将符号相位对应正切值变化大的符号和相邻符号的相位间隔增大，以此来增大相邻符号的相位间隔来获得更大的判决区间，从而可提升一路解调系统的BER性能。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为光DPSK基于双平衡探测器接收机系统的系统结构和编码规则图；

图2为本发明基于单平衡探测器简化系统的系统结构和编码规则图；

图3为光DPSK基于单平衡探测器简化系统的符号判决模块的符号判决规则流程图；

图4为未经几何整形的星座图，图4(a)为8DPSK星座图，图4(b)为16DPSK星座图；

图5为光8DPSK基于单平衡探测器简化系统的符号正切值判决门限示意图；

图6为光16DPSK基于单平衡探测器简化系统的符号正切值判决门限示意图；

图7为光8DPSK单平衡探测器简化系统和光8DPSK双平衡探测器系统在不同大气湍流和接收光功率下的BER性能对比曲线；

图8为光16DPSK单平衡探测器简化系统和光16DPSK双平衡探测器系统在不同大气湍流和接收光功率下的BER性能对比曲线；

图9为经过几何整形后的星座图，图9(a)为8DPSK几何整形星座图，图9(b)为16DPSK几何整形星座图；

图10为8DPSK几何整形的单平衡探测器简化系统和未整形的8DPSK单平衡探测器简化系统BER性能对比曲线；

图11为16DPSK几何整形单平衡探测器简化系统和未整形的16DPSK单平衡探测器简化系统BER性能对比曲线。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例1

如图1所示为基于两个平衡探测器的光DPSK系统结构。该系统在发送端，先将原始比特经过串并转换器转换为并行信息，然后经过预编码器进行DPSK的差分编码，生成上下两路多进制序列，通过脉冲生成器生成电信号，最后和光信号共同输入到马赫曾德尔调制器(Mach-Zehnder modulator，MZM)进行电光幅度调制，最后生成调制后的相位调制光信号。在接收端，首先将接收到的光信号通过分光器等比例分为四部分，第一、二部分进行上路(Q)的解调，第三、四部分进行下路(I)的解调。上路经过时延器、3dB耦合器、光电探测器和减法器后，输出符号在Q判决轴上的幅度值下支路需要多一个光相移器，将判决轴旋转至水平轴，减法器后输出符号在I判决轴上的幅度值/>

本实施例提出的光DPSK单平衡探测器的接收机结构及DPSK相邻符号的相位构建原理如图2所示。其中，接收机结构在图1基于两个平衡探测器的光DPSK系统结构的基础上，在接收端只保留上路(即Q路)，发送端结构保持不变，但改变DPSK编码器中的具体实现方法。

实施例2

本实施例提出了在实施例1所示的光DPSK单平衡探测器通信系统中，其发送端的DPSK编码器内部的具体实现方法，以及在接收端对信号的解调方法。

一、DPSK编码器内部的具体实现方法

假设信源的信号序列共有k个且表示为{S₁,S₂,...，S_k}，则具体实现方法包括：

1)在每个信源符号后面添加一个辅助符号000或0000(此符号无实际意义，仅用来辅助编码输出多进制信息，8DPSK为000，16DPSK为0000)，则添加冗余符号后的序列为{S₁,S_1a,S₂,S_2a,...，S_k,S_ka}，其中{S_1a,S_2a,...,S_ka}为辅助符号。

2)将符号序列{S₁,S_1a,S₂,S_2a,...，S_k,S_ka}的相对相位逐一变成绝对相位，如8DSPK的第一个符号S₁为110，相对相位为π/8，参考符号S₀固定为110，则S₁的绝对相位为2π/8，那么辅助符号S_1a的相对相位为π/8+π/2，则其绝对相位为2π/8+π/8+π/2，这样就完成一个符号及其辅助符号相对相位到绝对相位的变化。后面符号的绝对相位依次类推，直至所有符号生成绝对相位。其中，辅助符号的相对相位是根据其前面信源符号的相对相位来决定的，图2中的DPSK相邻符号的相位构建原理框图即表示了上述步骤1)和步骤2)的过程。

3)根据2)中生成的绝对相位的相位序列{φ₁,φ₂,...φ_2k}，分别取正弦和余弦值得到余弦和正弦序列{cos(φ₁),cos(φ₂),...cos(φ_2k)}、(sin(φ₁),sin(φ₂),...sin(φ_2k)}。

4)根据3)中的正弦值序列与余弦值序列和MZM进行幅度调制时的数学模型，得到每个符号进入MZM前所需要的电压大小，即预编码模块输出的多进制信号的大小。

二、在接收端对信号的解调方法

如图2接收机的减法器后的输出电信号q可以表示为：

也即表示为其中/>为解调后的DPSK符号的相位。所以上述电信号采样序列的第奇数个相当于DPSK符号在Q判决轴上的值，第偶数个相当于DPSK符号在I判决轴上的值，因此又可以将上述电信号的值表示为{qs₁,is₁,qs₂,is₂,...,q_sk,i_sk}。

则图2中的符号判决模块可以由图3表示：减法器后得到的电信号采样序列值先进行I、Q两路的分离，然后将第j(j＝1,2,…,k)个符号的正弦值qs_j与余弦值比值is_j得到正切值利用正切值进行第一次判决，以将符号范围限定为两个；然后再利用正弦值qs_j的正负来区分两个象限内的符号。至此，可以唯一确定符号。其中，进行符号判决时，采用符号的相对相位。

图4(a)、图4(b)展示了8DPSK和16DPSK未经几何整形的星座图。图5为8DPSK单平衡探测器简化系统的正切值判决门限示意图，图6为16DPSK单平衡探测器简化系统的正切值判决门限示意图。如图5所示，相位π/8和相位9π/8所对应的正切值都在区间[0,1]内，所以时，可以将符号限定为110与000，第二次判决时，将qs_j与0进行比较，大于0则判为符号110，小于0则判为符号000。16DPSK的符号判决同理。

本实施例根据表1的参数设置，通过光学仿真软件OptiSystem对光8DPSK单平衡探测器简化系统和光16DPSK单平衡探测器简化系统行了仿真模拟，并对两个单平衡探测器系统与光8DPSK和16DPSK具有两个平衡探测器的系统分别进行BER性能的对比分析。

表1仿真系统的关键参数设置

如图7所示，本实施例比较了8DPSK的单平衡探测器简化系统和双平衡探测器系统在不同接收光功率和大气湍流下强度的误码率(Bit Error Rate,BER)性能。以下将两个系统简称为简化系统与传统系统。从图7可以看出，在大气折射率常数时，简化系统的BER性能是优于传统系统的，这是因为在相同的接收光功率的条件下，简化系统只有一个探测支路，所有的光功率都会用于这一路的信号解调，所以简化系统的接收机的探测灵敏度会提高，进而会有误码性能的提升；但是，在大气折射率常数/>时，简化系统相较于传统系统的BER性能增益是小于大气折射率常数为/>时的，这是因为简化系统的信息是在冗余符号中进行传输的，所以随着大气湍流的增大，误差就会越来越大；在大气折射率常数为/> 即较高大气湍流时，很明显简化系统的BER性能是不如传统系统的，这是因为接收光功率所带来的性能增益幅度小于此误差带来的性能下降幅度。

如图8所示，本实施例比较了16DPSK简化系统和传统系统在不同接受光功率和大气湍流下强度的BER性能。同样地，在较低大气湍流的时候，简化系统的BER性能优于传统系统，而大气湍流较高的时候相反。大气折射率常数为时，简化系统即使在较高接收光功率时，也已经无法正常通信。这是由于16DPSK的星座点相较于8DPSK来说数量加倍，所以星座点间的相位间隔减半，所以在相同的接收光功率和大气折射率常数的条件下，星座点间的距离会更大，所以16DPSK的BER会更大。

因此，针对光DPSK单平衡探测器的简化系统BER性能下降的问题，本实施例提出一种接收端的8DPSK和16DPSK的几何整形方案，以提升简化系统的传输可靠性。从图5的正切值曲线可以看出，同一个象限内的两个符号，若发生相同大小的相位畸变时，此符号相位所对应的正切值变化大小的绝对值是不同的，相位为3π/8、5π/8、9π/8、11π/8的正切值变化更大，所以当大气湍流强度变大时，这四个符号的正切值变化幅度较其他四个符号的正切值变化幅度更大，就也会带来BER性能的下降。所以基于本实施例提出的使用正切值和正弦值进行联合判决的方法，对8DPSK的每个象限内的两个符号的相位间隔变大、对16DPSK每个象限内靠近Q轴的八个符号的相位变大，以增大这四个符号和其同象限的相邻符号间的相位间隔，如图9(a)和图9(b)所示，分别展示了经过几何整形后的8DPSK星座图和16DPSK星座图。

图10是在较高湍流下不同大气折射率常数、接收光功率范围为[-29dBm,-10dBm]的经几何整形的8DPSK单平衡探测器简化系统和未经几何整形的8DPSK单平衡探测器简化系统的性能对比曲线。从图10中可以看出，接收光功率约在-23dBm以上时，在相同的大气折射率常数下，经过几何整形的8DPSK系统的BER性能是明显优于未整形的8DPSK系统的，且接收光功率越大的时候，BER性能增益越大；当接收光功率小于-23dBm时，整形后的BER会比未整形的更大，这是因为整形后分别靠近I、Q的不同象限的相邻符号的之间的欧式距离更小，所以接收光功率较小时，更容易受到解调器件噪声的影响；当及时，一路解调系统几乎完全不能通信，经过几何整形后，在接收光功率约为-22dBm以上时，都可以正常地进行通信。

图11是在较高湍流下大气折射率常数为和/>接收光功率范围为[-26dBm,-10dBm]的经几何整形的16DPSK单平衡探测器简化系统和未经几何整形的16DPSK单平衡探测器简化系统的性能对比曲线。可以看出，几何整形后的系统BER性能也是优于未经几何整形的系统BER性能的，但是16DPSK几何整形的BER性能增益较8DPSK几何整形的要小，这是因为16DPSK的星座点数量多一倍，所以能进行星座整形的星座点的相位范围较小，BER性能增益有限。

实施例3

本实施例基于实施例2提出一种基于单平衡探测器的空间光高阶DPSK传输方法，该方法包括：

一、设计发送端的编码方案，将每个符号相位的同向幅度(I)与正交幅度(Q)分别加载到相邻的符号内，奇数符号承载相位的I路幅度，偶数符号承载相位的Q路幅度，然后在相邻的符号之间加载差分相位。其中，奇数符号传输当前符号的相对相位，偶数符号传输当前符号的相对相位加上90°的相位，那么在接收端进行差分相位解调后就可以分别得到符号在Q判决轴和I判决轴上的幅度信息，从而实现单个平衡探测器的接收机结构。

传统的光DPSK双平衡探测器系统的接收端可从Q路和I路信号分别得到DPSK符号在Q判决轴和I判决轴上的幅度信息，从而确定此符号在星座图上的相位，据此进行符号判决。相比之下，本发明提出的单平衡探测器简化系统只保留Q路解调，因此解调所需要的符号的同向幅度信息通过在信源DPSK符号后面添加冗余符号的方式来传输。

假设光DPSK系统的接收端只保留Q探测支路，那么接收机结构只有单个平衡探测器，所需的解调器件组成为：一个延时器、一个3dB耦合器、两个光电探测器、一个减法器和一个符号判决模块。

假设系统接收端的光信号被1:1的等功率分光器分成功率相等的两部分，分别表示成E₁(t)＝E₂(t)＝Ae^jΦ(t)，其中A为光信号的振幅(常数)。E₁(t)直接输入到3dB耦合器的上端口，E₂(t)进入耦合器的下端口之前经过一个时间差设定为τ的延时器，以形成前后两个符号差分相位解调所需要的时间差，那么经过3dB耦合器后的两个输出光信号E_1out(t)、E_2out(t)分别表示为：

式中，为耦合器的插入损耗，本实施例中规定/>以便于推导。

然后E_1out(t)、E_2out(t)分别经过两个光电探测器(PD)进行光信号到电信号的转换，输出的两个电信号i₁、i₂分别为：

i₁、i₂经过减法器后有：

i₁-i₂＝2A²sin(Φ(t)-Φ(t-π)) (4)

令也就是接收到的两个绝对相位符号之间的相位差，即代表DPSK符号的相位，则式(4)可表示为：

其中，q为当前符号的相位所对应的正弦值。

为了实现只保留Q探测支路的目的，则还需要DPSK符号在I轴上的幅值i，即当前符号的相位所对应的余弦值：

由式(6)可知，若想得到当前符号在I判决轴上的幅度信息，可以在每个信源符号的后面添加一辅助符号，其相对相位为那么在解调端差分相位解调后，得到的电信号幅值序列可以表示为：{q_s1,i_s1,q_s2,i_s2,...，q_sk,i_sk}，即k个符号分别在两个判决轴上的幅值大小。那么在信源符号后面添加辅助符号后的符号序列可以表示为：{S₁,S_1a,S₂,S_2a,...，S_k,S_ka}，其中，{S₁,S₂,...，S_k}为信源符号，{S_1a,S_2a,...,S_ka}为辅助符号。

因此，根据单平衡探测器接收机的需求，只需要在发送端通过添加冗余符号的方式来进行同向幅度信息的辅助传输，即可实现只用一个探测支路即可完成信号的解调。

二、在接收端，将接收到的光信号及延迟光信号进行混合拍频后得到每个符号的差分相位，相邻符号的相位是正交的，因此可以计算出DPSK符号相位的正切值，再联合每个符号相位的正弦值，即可进行符号的判决。

本实施例中提供了8DPSK系统的符号判决规则和16DPSK系统的符号判决规则。

1)规定8DPSK的星座图对应的星座点与相位的映射关系为：

{110,111,011,010,000,001,101,100)

↓

{π/8,3π/8,5π/8,7π/8,9π/8,11π/8,13π/8,15π/8}

相邻符号间的相位间隔为π/4，每个象限内有两个符号，这两个符号间进行等相位的分割后共形成四个辅助判决轴，联合I、Q两个判决轴在星座图上对应相位生成四个辅助判决轴，共有八个判决轴。这八个判决轴在星座图上的相位所对应的正切值即为符号判决的第一个门限，由于每个正切值所对应的符号都有两个，所以要想将其进一步区分，还需要用此符号的正弦值作为第二个判决的门限。

若将q_sk/i_sk的值表示为即第k个DPSK符号相位所对应的正切值，第k个DPSK符号相位所对应的正弦值为/>那么8DPSK的符号判决规则为：

若且q_sk≥0，则判为符号110，若/>且q_sk＜0，则判为符号000；

若且q_sk≥0，则判为符号111，若/>且q_sk＜0，则判为符号001；

若且q_sk≥0，则判为符号010，若/>且q_sk＜0，则判为符号100；

若且q_sk≥0，则判为符号011，若/>且q_sk＜0，则判为符号101。

2)规定16DPSK的星座图对应的星座点与相位的映射关系为：

1110→π/16 0010→17π/16

1111→3π/16 0011→19π/16

1101→5π/16 0001→21π/16

1100→7π/16 0000→23π/16

0100→9π/16 1000→25π/16

0101→11π/16 1001→27π/16

0111→13π/16 1011→29π/16

0110→15π/16 1010→31π/16

相邻符号间的相位间隔为π/8，每个象限内有四个符号，每个象限内的四个符号间进行等相位的分割后共形成十二个辅助判决轴，联合I、Q两个判决轴在星座图上对应相位生成四个辅助判决轴，共有十六个判决轴。这十六个判决轴在星座图上的相位所对应的正切值即为符号判决的第一个门限；同样的，由于每个正切值所对应的符号都有两个，所以要想将其进一步区分，还需要用此符号的正弦值作为第二个判决的门限。

若将q_sk/i_sk的值表示为即第k个DPSK符号相位所对应的正切值，第k个DPSK符号相位所对应的正弦值为/>那么16DPSK的符号判决规则为：

若且q_sk≥0，则判为符号1110，若/>且q_sk＜0，则判为符号0011；

若且q_sk≥0，则判为符号1111，若/>且q_sk＜0，则判为符号0011；

若且q_sk≥0，则判为符号1101，若/>且q_sk＜0，则判为符号0001；

若且q_sk≥0，则判为符号1100，若/>且q_sk＜0，则判为符号0000；

若且q_sk≥0，则判为符号0110，若/>且q_sk＜0，则判为符号1010；

若且q_sk≥0，则判为符号0111，若/>且q_sk＜0，则判为符号1011；

若且q_sk≥0，则判为符号0101，若/>且q_sk＜0，则判为符号0001；

若且q_sk≥0，则判为符号0100，若/>且q_sk＜0，则判为符号1000。

三、利用相位正切函数的非线性特征对DPSK星座点进行整形。分别设计8DPSK星座和16DPSK星座的几何整形方案，降低光DPSK单平衡探测器接收机系统的误码率。

根据利用符号相位的正切值和正弦值来进行符号判决的规则，每个象限内不同的符号在受到相同的相位噪声的影响下，正切值的变化大小是不一样的，如8DPSK星座点上的符号110与符号111，它们的相位分别是π/8与3π/8，在第一象限内，正切值大小随相位变大而变化地越来越快，所以假设相位噪声所带来的相位变化对两个符号来说是相同的且都设为Δθ，那两个符号的正切值变为tan(π/8+Δθ和tan(3π/8+Δθ)，而{tan(π/8+Δθ)-tan(π/8)}＜{tan(3π/8+Δθ)-tan(3π/8)}，所以在大气信道的湍流较大的时候，除了符号自身的信息加载到不同的符号中传输所带来的误差，由于Δθ的变大，正切值随相位变化大的符号离门限的距离更近，符号的判决若还维持原来的判决规则，那么发生符号错判的几率就会更大。所以要想在一定范围内去提升单平衡探测器简化系统的误码性能，可以将每个象限内受到相位噪声而正切值变化快的符号和其相邻的符号的相位间隔变大，这样就会带来更大的判决容忍度，有利于提升系统的误码性能。

本实施例针对8DPSK和16DPSK分别提出了整形方案。

1)8DPSK的整形方案如下：

原始星座图的星座点与其对应的相位分别为，110→22.5°、111→67.5°、011→112.5°、010→157.5°、000→202.5°、001→247.5°、101→292.5°、100→337.5°。将同一个象限内的相位离I轴较近的符号的相位变小，将离Q轴较近的符号的相位变大，得到几何整形后的星座点与其对应的相位分别为，110→15°、111→71.6°、011→108.4°、010→165°、000→195°、001→251.6°、101→288.4°、100→345°。

几何整形后，每个象限内的两个符号的正切值的门限也是根据两个符号之间的相位间隔进行相位平分后确定的，其中符号110和符号000对应的正切值的区间为[0,0.9)，符号111和符号001对应的正切值的区间为[0.9,∞)，符号010和符号100对应的正切值的范围为[-0.9,0)，符号011和符号101对应的正切值的区间为(-∞,-0.9)。确定为两个符号后再根据符号相位正弦值的正负极性完成符号的唯一相位恢复。

2)16DPSK的整形方案如下：

原始星座图的星座点与其对应的相位分别为，1110→11.25°、1111→33.75°、1101→56.25°、1100→78.75°、0100→101.25°、0101→123.75°、0111→146.25°、0110→168.75°、0010→191.25°、0011→213.75°、0001→236.25°、0000→258.75°、1000→281.25°、1001→303.75°、1011→326.25°、1010→348.75°。将八个靠近Q轴的符号(正切值随相位变化幅度大的八个符号)进行几何整形，经过整形的八个符号的相位变为，1101→60°、1100→85°、0100→95°、0101→120°、0001→240°、0000→265°、1000→275°、1001→300°。

几何整形后的正切值门限为，符号1110和符号0010的正切值区间为[0,0.4)，符号1111和符号0011的正切值区间为[0.4,1.1)，符号1101和符号0001的正切值区间为[1.1,3.2)，符号1100和符号0000的正切值区间为[3.2,∞)，0100和符号1000的正切值区间为(-0.4,0)，符号0101和符号1001的正切值区间为[-1.1,-0.4)，符号0111和符号1011的正切值区间为[-3.2,-1.1)，符号0111和符号1011的正切值区间为[-∞,-3.2)。确定为两个符号后再根据符号相位正弦值的正负极性完成符号的唯一相位恢复。

其中，8DPSK由于有八个星座点，而16DPSK有十六个星座点，所以8DPSK相对于16DPSK来说，符号间的相位间隔更大，所以有更大的几何整形上限。所以上述方案提出的16DPSK星座只对每个象限内离Q轴最近的八个符号进行整形，而8DPSK对八个符号都进行了整形。

综上，本发明提出的基于单平衡探测器的空间光高阶DPSK传输方法，在大气湍流强度较小的时候，由于单平衡探测器简化系统所分的光功率增大使得光电探测器的灵敏度增加，所以较两路解调系统来说是有一定的BER性能增益，并且可以减少一半的解调器件，进一步地简化了接收机的复杂度；但是由于单平衡探测器简化系统是通过添加了一倍数量的冗余符号进行辅助信息的传输，会增加一倍的传输带宽；由于光DPSK一路解调系统的DPSK符号的信息是加载到不同的绝对符号中进行传输的，所以在大气湍流较大的时候，会带来判决误差使得一路解调简化系统的BER性能下降，为此再结合几何整形，将符号相位对应正切值变化大的符号和相邻符号的相位间隔增大，以此来增大相邻符号的相位间隔来获得更大的判决区间，从而提升一路解调系统的BER性能。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种基于单平衡探测器的空间光高阶DPSK传输方法，其特征在于：该方法在空间光DPSK通信系统的信号发送端，通过重建编码方案在相邻两个符号之间构建正交性来表征相位信息；在信号接收端，只采用一个平衡探测器来实现差分相位解调；

所述编码方案包括：在每个信源符号后面添加一个辅助符号，该辅助符号与所述信源符号间的相位差为π/2，从而将每个所述信源符号相位的同向幅度与正交幅度加载到一个符号序列的相邻符号中；

在所述空间光DPSK通信系统的信号接收端，通过单平衡探测器实现差分相位解调包括：采用单平衡探测器对接收到的光信号及其延迟光信号进行混合拍频，获得每个符号的差分相位，利用相邻符号的正交性计算出相位的正切值；在DPSK星座图中，确定出每个象限内正切值随相位变化较快及变化较慢的相邻星座点，并增加这些星座点的相位间隔；再根据经过整形的DPSK星座图进行符号判决，判决方式包括：先通过计算出的正切值将符号范围限定为两个，再利用每个符号的正弦值的正负来区分两个象限内的符号，从而确定得到唯一的符号。

2.根据权利要求1所述的空间光高阶DPSK传输方法，其特征在于：所述利用相邻符号的正交性计算出相位的正切值包括：经过所述信号发送端编码的信号在所述信号接收端减法器的输出电信号表示为：

3.根据权利要求1所述的空间光高阶DPSK传输方法，其特征在于：该方法对8PSK星座图进行整形的方式具体为：确定出每个象限内正切值随相位变化较快及变化较慢的相邻星座点，并增加这些星座点的相位间隔；即在8PSK星座图中，将同一个象限内的相位离I轴较近的符号的相位变小，将离Q轴较近的符号的相位变大，得到几何整形后的星座点与其对应的相位分别为：110→15°、111→71.6°、011→108.4°、010→165°、000→195°、001→251.6°、101→288.4°、100→345°。

4.根据权利要求3所述的空间光高阶DPSK传输方法，其特征在于：根据经过整形的8PSK星座图进行符号判决的方式具体为：