一种无线相干CDMA光通信系统和通信方法与流程

本发明涉及无线光网络通信技术领域，尤其涉及一种针对大气信道的无线光通信多用户接入的无线相干CDMA(Code Division Multiple Access，码分多址)光通信系统和通信方法。

背景技术：

无线光通信系统作为一种新的通信方式，得到研究者越来越多的关注。相比于现有的无线通信技术，无线光通信具有高带宽、尺寸小、抗电磁干扰、易于架设以及高的保密性等优点。而CDMA由于其允许用户同步或者异步接入等优点，在光通信系统中也受到越来越多学者的关注。目前为止，光CDMA系统主要采用相干或者非相干调制两种方案。非相干调制考虑的是光正交码(OCCs)，但是要得到比较好的码间的正交性，必须采用足够长的码。有研究者提出在非相干调制中实现双极性码的使用，从而改善码正交性，但是，相比于非相干调制而言，相干光通信具有更好的信道利用率以及具有更高的灵敏度。因此，无线相干光通信作为一种新的通信方式受到了大家的广泛关注。已有研究者设计了需要使用本地激光源进行信号解调的相干光CDMA系统。但是，由于无线光通信系统的性能受到大气湍流的影响，尤其是大气湍流引起的相位起伏，对相干系统具有很大的限制，因此，无线光通信相干光CDMA接入系统面临的问题，一是准确的载波相位同步，二是湍流引起的相位起伏。

目前，现有一些针对相位起伏的解决方法可分为采用相位补偿算法和采用光锁相环方法。其中，大多数的相位补偿算法比较复杂，大多适于离线处理，很难在实时光通信系统中使用。还可采用光锁相环来跟踪相位的起伏，以利于提高相干系统的性能。但是，光锁相环不仅结构复杂，而且由于响应时间、传输延迟等因素，限制了其在实际光通信系统的使用。因此，现有通信系统和通信方法难以抑制大气信道引起的相位起伏，针对无线光通信多用户接入系统的适用性不高。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，针对无线光通信系统传输信道的特点，本发明提供一种新的无线光通信相干CDMA系统和通信方法，用相干CDMA的接入方式，抑制大气信道引起的相位起伏，更加适合无线光通信多用户接入系统，以解决无线光通信中多用户接入的问题。相比于现有传统的多用户接入方式，本发明具有较好的性能和较低的系统复杂度，更有利于系统的实用化，既能够提高系统信道利用率，又能够实现双极性码的使用，从而降低用户间的干扰。

本发明的原理是：针对每个用户而言，本发明将源于同一台激光器的两路光波用相互正交的正交码进行调制，其中一路加载用户信息。在接收机端，将用相互正交的正交码调制的信息进行干涉、判决，从而提取出信息序列。由于两束光均受到类似大气信道的影响，因此在干涉过程，可以在很大程度上将大气湍流引起的相位起伏降低，从而获得较好的性能。

本发明提供的技术方案是：

一种无线相干CDMA光通信系统，包括激光器、信号源、发射机模块和接收机模块；其中：

发射机模块包括相位调制器、1×2分束器，2×1耦合器和发射天线；其中1×2分束器、相位调制器与激光器之间通过光纤进行连接；从相位调制器输出到发射天线之间通过光纤进行连接；信号源与相位调制器之间通过微波线连接；

接收机模块包括接收天线、1×2分束器、相位调制器、2×2耦合器、平衡探测器、信号处理模块和控制链路；其中接收天线、1×2分束器、相位调制器、2×2耦合器、平衡探测器之间用光纤连接；平衡探测器探测后用微波线连接输出；控制链路采用微波线进行信号传输；

发射机模块在工作时，激光器输出的光通过1×2分束器分成为两束光波，重新设计信号源的传输信号，传输信号通过相位调制器分别调制于两束光波之上；调制后的两束光波通过2×1耦合器耦合为一束光波，通过发射天线将光波发送至大气信道中，成为空间光；

其中，通过1×2分束器分成的两束光波，由于得自于同一束光波，因此，具有相同的角频率和初始相位；采用相互正交的正交码来区分两路光波信号，即设计的两路传输信息来分别调制两路光信号；

重新设计信号源的传输信号，包括两路传输信号；其中一路信号由信号源产生的信息经过正交码1扩频构成，对应于直接扩频后的i用户所发送的信息；另一路信号由与正交码1正交的正交码2构成，对应采用和i用户扩频码相正交的信息序列；

接收机模块在工作时，接收天线将空间光耦合至光纤中；耦合入光纤中的光通过1×2分束器分为两束光，通过相位调制器调制不同的信号，所调制信号对应于发射机端的正交码；正交码根据信号处理模块通过控制链路控制，目的是为了减小用户间的干扰；经不同相位调制器调制的光波，再通过2×2耦合器和平衡探测器转换为光电流，在电域进行处理。

其中，发射至空间中的空间光受到大气湍流的影响，在接收端采用光学天线接收，耦合至光纤中传输；在接收机模块中，不需要另一台激光器作为本振光，通过将发射端被正交码区分的、两束光进行耦合，即可以得到信息的解调。通过分束器得到的两路光波通过相位调制器调制不同的信息(信号)，其中一路光波的调制信息是对应于发射机的第一路信号的正交码，另一路光波的调制信息是对应于发射机的第二路信号的正交码；进一步地，通过平衡探测器探测的电信号通过采样后，在电域做相关，完成解调，得到发射机发射(传输)的信息。信号处理模块通过式1的信号处理数学模型进行信号处理：

其中，y[k]为接收端最终输出的信息序列(即接收端解调得到的信息序列)；k表示信号值在序列中出现的序号；I[l]表示采样得到的电信号；N表示系统中采用正交码的码长。

通过计算机进行上述处理，获得发射端所发射的信息序列。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种新的无线光通信相干CDMA系统和通信方法，用相干CDMA的接入方式，抑制大气信道引起的相位起伏。针对大气湍流引起的相位起伏等原因导致的相干无线光通信系统在解调时相位跟踪的复杂性，本发明技术方案简单有效，能够在不使用本地激光器的条件下完成调相信号的解调；而且，由于两路光经历相同的信道，因此，本发明能有效抑制相位噪声。本发明提供的系统尤其适合用于无线光通信系统多用户接入方式。

与现有的接入方式相比，本发明采用CDMA接入方式，允许用户之间的异步接入；在接收机模块中，不需要另一台激光器作为本振光。同时，针对无线光通信CDMA接入方式，通过采用相干通信技术，实现了双极性码的使用，和现有传统的单极性光正交码(optical orthogonal code,OOC)码相比，能够进一步降低用户间的干扰。

附图说明

图1为本发明实施例提供的无线相干CDMA光通信系统的结构框图；

其中，系统包括发射机模块和接收机模块；图中实线箭头表示光信号流向；虚线箭头表示电信号(包括控制信号)流向；01为信号源；02为激光器；03为正交码；04为与03相正交的码；05为1×2分束器；06为相位调制器；07为2×1耦合器；08为2×2耦合器；09为平衡探测器；10为控制链路模块；11为信号处理模块；12为发射天线；13为接收天线。

图2为本发明实施例中采用的通信方法的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明提供一种无线相干CDMA光通信系统和通信方法，用相干CDMA的接入方式，抑制大气信道引起的相位起伏，更加适合无线光通信多用户接入系统，以解决无线光通信中多用户接入的问题。相比于现有传统的多用户接入方式，本发明具有较好的性能和较低的系统复杂度，更有利于系统的实用化，既能够提高系统信道利用率，又能够实现双极性码的使用，从而降低用户间的干扰。

本发明提供的无线相干CDMA光通信系统如附图1所示，系统包括发射机和接收机两部分。其中，发射机部分包括相位调制器，1×2分束器，2×1耦合器和发射天线。接收机包括接收天线，1×2分束器，相位调制器，2×2耦合器以及平衡探测器。发射机部分的功能是将要传送的信息加载于光波上进行发送。附图1中，02表示激光器，激光器产生的光作为通信系统的载波，通过05所示的1×2分束器将激光器产生的光分成两部分；对应分别调制重新设计的两路信息(信号)，其中一路信息由01所示信号源产生的信息经过03所示的正交码扩频构成，另一路信息由04所示的正交码构成。由于03和04代表相互正交的码，因此，两路光波通过调制不同的正交码保持在正交状态。两路信息通过相位调制器分别调制于两路光波之上，采用双相移相键控(BPSK)调制。经过调制的两路光通过2×1耦合器合并为一路光，并通过发射天线发射于大气信道进行传输。

图2表示了本发明实施例采用的通信方法的工作流程，如上所述，发射天线将经耦合器合并为一路的光信号发射于大气信道进行传输；在接收机部分，将发射机发射至空间中的光进行接收，解调并完成判决，提取得到发射机所发射的信息。首先，通过13所示接收天线将空间信道中的光耦合至光纤传输；通过05所示1×2分束器分成两路光波；使用06所示相位调制器对两路光波分别进行调制，其中一路光波的调制信息是03所示正交码对应于发射机的第一路信号，另一路光波的调制信息是04所示的正交码，对应于发射机的第二路信号；两路信号通过11所示的信号处理模块和10所示的控制链路控制，以降低用户之间的干扰和保证两路信号之间的正交性。

将调制的两路光波通过08所示的2×2耦合器耦合干涉，并经平衡探测器探测转化为光电流输出。转化的光电流经11所示的信号处理模块采样并进行处理，最终输出结果。信号处理模块通过式1的信号处理数学模型进行信号处理：

其中，y[k]为接收端最终输出的信息序列(即接收端解调得到的信息序列)，k表示信号值在序列中出现的序号；I[l]表示采样得到的电信号；N表示系统中采用正交码的码长。

通过计算机的处理，最终获得发射端所发射的信息序列。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。