一种用于大气激光通信的混合调制解调方法与流程

本发明属于大气激光通信技术领域，具体涉及一种用于大气激光通信的混合调制解调方法。

背景技术：

激光通信具有频带宽、速率高、容量大等优势，随着现代社会的信息量日益膨胀，如何进一步提高激光通信系统通信容量、带宽利用率成为新的研究热点。大气激光通信易受到大气湍流的影响，导致误码率提高，直接影响了激光通信系统的通信质量，提高大气激光通信系统的抗干扰性能也成为了重中之重。调制解调技术是激光通信的一项关键技术，研究具有通信容量大、带宽利用率高、抗干扰性能强等优良性能的调制方式是提高激光通信系统性能的有效途径。

脉冲位置调制(ppm，pulsepositionmodulation)是大气激光通信系统中应用广泛的一种调制方式，基于脉冲位置调制，有人提出了差分脉冲位置调制(dppm，differentialpulsepositionmodulation)、多脉冲的脉冲位置调制(mppm，multiplepulsepositionmodulation)等，与脉冲位置调制相比，性能有一定程度的提高，但是仍然存在着带宽利用率低，通信容量不够高的不足，难以满足大容量通信的需求。大部分脉冲位置调制的解调都是利用光的强度作为判决依据进行解调，容易受到干扰。光的偏振状态经过大气传输后几乎不发生变化，偏振移位键控(polsk，polarizationshiftkeying)调制用光的偏振状态进行编码携带信息，是一种很有潜力的调制方式。但是偏振移位键控对光源的平均发射功率的要求很高，是其很大的一个不足。常见的偏振移位键控调制一般为二进制，即采用两个不同的偏振状态进行编码携带信息，导致偏振移位键控调制的带宽利用率和通信容量受到很大的限制。如何在保证解调端误码率保持在一定程度的条件下，寻找简单的调制解调方式把偏振移位键控推向多阶，充分利用光的偏振状态经过大气传输后几乎不发生变化这一优良性能，是本领域技术人员很想解决的问题。

现有的ppm-polsk调制技术，采用单脉冲，带宽利用率低，一般采用两个偏振态进行编码，通信容量有限。而且有人用偏振状态的不同排列方式来表示所携带的信息，增加了调制解调实现的技术难度。

所以，寻找进一步扩大通信容量、提高带宽利用率、抗干扰性能强的调制解调方法，是本领域技术人员关心的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于大气激光通信的混合调制解调方法，可以增强抗干扰性能，扩大通信容量以及提高带宽利用率。

一种用于大气激光通信的混合调制解调方法，包括：

1)在发送端，将通信数据以帧为单位进行划分，并确定每一帧通信数据的长度：比特；其中，n为每帧采用的脉冲数；为每帧2^m个时隙中n个脉冲的组合数，m为正整数，n为偏振移位键控混合调制用于调制的偏振状态的数量，表示向下取整函数；

2)、将通信数据的每一帧的前比特信息用脉冲位置调制，得到携带位置信息的自然光脉冲；

3)、将通信数据的每一帧的后比特信息用偏振移位键控混合调制，由此将步骤2)的自然光脉冲调制为偏振光脉冲，然后发射到大气信道中；

4)、在接收端，采用相干探测外差接收方式接收发送端发射的信号；每一个时隙接收的信号表示为针对每个时隙提取出接收信号，提取出斯托克斯参数(s0,s1,s2,s3)；

5)、利用每个时隙接收信号的斯托克斯参数，判断(s1,s2,s3)是否在以(0,0,0)为球心，为半径的球内：

如果在所述球内，则判定该时隙接收的信号为加性高斯白噪声，即为非脉冲信号；如果不在所述球内，则不是加性高斯白噪声，即该时隙接收的为脉冲信号；

每一帧信号各个时隙判断完毕后，即完成该帧的脉冲位置解调；

6)、对于步骤5)判定出的脉冲信号，利用提取出的斯托克斯参数解出各脉冲的偏振状态，由此实现偏振态的解调。

较佳的，所述偏振状态的数量为4、6、8、12或20。

较佳的，所述偏振状态的数量为4；偏振态分别为右旋圆偏振光，左旋-60°椭圆偏振光、左旋0°椭圆偏振光以及左旋60°椭圆偏振光。

较佳的，在步骤5)中，利用提取出的斯托克斯参数解出各脉冲的偏振状态时，斯托克斯参数呈正四面体星座分布。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明的一种用于大气激光通信的混合调制解调方法，可以增强抗干扰性能：将多脉冲的脉冲位置调制(mppm)与高阶偏振移位键控调制(npolsk)混合在一起，mppm调制所发射的脉冲不是自然光脉冲而是偏振光脉冲，解调时对光的偏振状态提取出斯托克斯参数，属于三维解调方法，一方面偏振状态经过大气传输后几乎不变，另一方面，利用斯托克斯参数的三维解调与一维解调或二维解调相比具有更大的编码空间和判决空间，因此mppm-npolsk调制具有很强的抗干扰性能，而且，采用三维解调扩大了编码空间和判决空间，在保证误码性能的前提下，能将polsk推向多阶使用。

(2)在接收端利用提取出的斯托克斯参数判断各时隙接收信号是否为加性高斯白噪声信号，由此可判定此时隙是否接收到脉冲，最终实现对脉冲位置的解调；该方法避免使用了传统方法中采用信号幅度解调位置，简便了解调过程，还提高了解调效率。

(3)扩大通信容量。本调制解调方法不止利用偏振光传输mppm的脉冲，而且偏振光本身也携带信息，这样起到了扩大通信容量的效果。

(4)扩大通信容量的同时，不占用额外带宽，带宽利用率很高。

附图说明

图1为mppm-npolsk调制解调系统发送端示意图；

图2为4polsk的斯托克斯参数的正方形星座分布图；

图3为4polsk的斯托克斯参数的正四面体星座分布图；

图4为6polsk的斯托克斯参数的正八面体星座分布图；

图5为8polsk的斯托克斯参数的正方体星座分布图；

图6为几种调制方式的通信容量曲线；

图7为几种调制方式的带宽利用率曲线；

图8为mppm-npolsk调制解调系统接收端示意图；

图9为球坐标系示意图；

图10为正四面体4polsk某一顶点处判决区域的划分；

图11为正八面体6polsk某一顶点处判决区域的划分；

图12为正方体8polsk某一顶点处判决区域的划分；

图13为正四面体4polsk某一顶点处误码区域的划分方式；

图14为解调流程图；

图15为不考虑大气湍流时几种调制方式的误码率曲线；

图16为在不考虑大气湍流、弱湍流、中湍流、强湍流条件下(m，m/4)mppm-4polsk误码率曲线。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

一种用于大气激光通信的混合调制解调方法，激光通信系统包括发送端和接收端两个部分。

发送端主要实现以下过程：1)将输入的通信数据以帧为单位进行划分并调制，以为一帧对激光载波进行多脉冲的脉冲位置调制(mppm)和偏振移位键控混合(npolsk)调制，其中为mppm调制每帧2^m个时隙中n个脉冲的组合数，m为正整数，n为npolsk中用于调制的偏振状态的数量，表示向下取整函数。2)每一帧的前信息用mppm调制。3)每一帧的后信息用npolsk，把2)中调制后的自然光脉冲调制为偏振光脉冲。4)调制完成后把调制的光信号发射到大气信道中。

接收端采用相干探测外差接收方式，主要实现以下过程：1)接收到的光信号经过光学带通滤波器后，用偏振分束器分为x方向和y方向的线偏振光。2)本振光为45°线偏振光，经过偏振分束分为x方向和y方向的线偏振光分别与信号光的x方向和y方向的线偏振分量进行叠加。3)两个方向的信号分别经过光电探测器和带通滤波器进行滤波后，经过斯托克斯参数提取单元提取出斯托克斯参数。4)对提取出的斯托克斯参数进行两步判断：①根据判决标准1，判定提取出的斯托克斯参数如果为加性高斯白噪声，则解调出非信号时隙；如果不是加性高斯白噪声，进行第二步解调；②根据判决标准2，判断是何偏振状态，解调出信号时隙的偏振状态。

一种发送端的具体实施方式的示意图如图1所示，主要进行以下步骤：1)将输入数据以帧为单位进行划分并调制，以为一帧对激光载波进行多脉冲的脉冲位置调制(mppm)和偏振移位键控混合(npolsk)调制，其中为mppm调制每帧2^m个时隙中n个脉冲的组合数，m为正整数，n为npolsk中用于调制的偏振状态的数量，表示向下取整函数。2)在脉冲位置调制单元，将每一帧的前信息首先转换为mppm序列，根据mppm序列对激光进行调制，使之携带脉冲位置信息。3)将mppm调制的信号时隙所发送的光脉冲，经过偏振分束器分为偏振方向分别x方向和y方向的线偏振光。

4)光的偏振状态可以用斯托克斯参数来描述，若光的电场矢量的两个正交分量ex，ey分别为：

则斯托克斯参数为：

其中，ax表示ex方向电场矢量的振幅，ay表示ey方向电场矢量的振幅，为ex方向光场的相位，为ey方向光场的相位。斯托克斯参数之间满足:s0²＝s1²+s2²+s3²，若把(s1,s2,s3)作为笛卡尔坐标系的三个坐标(x,y,z)，可以得到以(0,0,0)为球心，半径为s0的球面，这就是邦加球。球面上的点表示不同偏振状态的偏振光，球面以内或球面以外的点表示部分偏振光，球心表示自然光。球面赤道上的点表示线偏振光，南北两级表示右旋或左旋圆偏振光，其他点则表示椭圆偏振光。

对于高阶偏振移位键控调制，采用的偏振态的数量可以为4，6，8，12，20及以上。图2为4polsk的斯托克斯参数的正方形星座分布图，即采用四种偏振方向不同的线偏振光携带信息。图3为4polsk的斯托克斯参数的正四面体星座分布图，即采用右旋圆偏振光和三种不同状态(左旋-60°椭圆偏振光、左旋0°椭圆偏振光以及左旋60°椭圆偏振光)的椭圆偏振光携带信息。图4为6polsk的斯托克斯参数的正八面体星座分布图，采用右旋、左旋圆偏振光和四种偏振方向不同的线偏振光携带信息。图5为8polsk的斯托克斯参数的正方体星座分布图，采用八种不同偏振状态的椭圆偏振光携带信息。已有成果证明，采用正四面体星座分布比采用正方形星座分布具有更好的性能。

5)偏振态调制以4polsk的斯托克斯参数正四面体星座分布和8polsk的斯托克斯参数正方体星座分布为具体实施实例。对于4polsk，一种可能的星座点分布组合为(0,0,s0)，对于8polsk，一种可能的星座点分布组合为相应的调制参数(ax,ay,δ)可通过联立、求解方程组得到。

6)按照4)5)6)中的调制参数，用振幅调制器和相位调制器对3)中得到的x方向和y方向的线偏振光进行调制。

7)发送端进行了以上步骤之后，调制后的光信号发射至大气信道中。所发送的信号时隙的光波函数为：其中p，ωs，分别为每帧发送光载波的平均功率，发送光载波的角频率和相位噪声，和分别为沿x方向和y方向偏振的单位矢量。δ＝α-β，只需满足α与β的差为δ即可，对α和β的具体值没有要求。

8)由于在相同条件下不同调制方式传输速率的比值即为每帧携带的信息位数之比，本实施方式采用的速率比较方法为：以m＝2^m个时隙为一帧的单脉冲ppm调制每帧携带的信息位数为分母，(m，m/4)mppm，(m，m/2)mppm，(m，m/4)mppm-4polsk，(m，m/4)mppm-8polsk，(m，m/2)mppm-4polsk，(m，m/2)mppm-8polsk，每帧m＝2^m个时隙所携带的信息数分别做为分子，用比值来比较不同调制方式的传输速率。不同调制方式每帧所携带的信息数如下表所示：

如图6所示，横坐标为m，纵坐标为上文中提出的不同调制方式传输速率的比值，为简便，图例用调制方式的名称表示该调制方式与m时隙单脉冲ppm调制的每帧所携带的信息位数之比。由图6可见，对于mppm，每帧采用的时隙数越多，每帧中的脉冲数越多，mppm的传输容量越大。8polsk比4polsk每个脉冲多携带1bit信息，mppm-8polsk比mppm-4polsk每一帧多携带几倍的信息量，mppm-npolsk的相对于mppm，传输容量扩大了几倍，mppm-npolsk比传统的单脉冲ppm的的传输容量大了几十倍。

11)各调制方式的带宽利用率为用每帧所携带的信息数与每帧的时隙数m的比值，各调制方式的带宽利用率如下表所示：

本实施实例对单脉冲ppm，(m，m/4)mppm，(m，m/2)mppm，(m，m/4)mppm-4polsk，(m，m/4)mppm-8polsk，(m，m/2)mppm-4polsk，(m，m/2)mppm-8polsk几种调制方式的带宽利用率进行了比较。如图7所示，横坐标为m，纵坐标为带宽利用率。由图7可见，mppm-npolsk与ppm相比带宽利用率提高了十倍左右，与mppm相比提高了几倍。(m，m/2)mppm-4polsk，(m，m/2)mppm-8polsk的带宽利用率达到了200％以上。

(二)一种解调的具体实施方式的示意图如图8所示，主要分为以下步骤：1)接收到的光首先经过光学带通滤波器，其带宽取决于激光器的线宽，其作用是滤除大气环境中的背景光噪声的干扰使光信号通过，接收端接收到光信号表示为本振光采用与发射光源相同的激光光源，其电场分量为接收光和本振光经过偏振分束其x偏振分量和y偏振分量分别混合后得到和用两个相同的光电探测器分别对x方向和y方向的混合光分别进行探测，输出的电信号经过带通滤波器(其带宽和中心频率分别为2rs和ωif，rs为时隙速率)滤出中频信号，得到x(t)和y(t)。5)在发送端，信号时隙发送偏振脉冲，非信号时隙不发送脉冲。因此，在接收端，对应信号时隙和非信号时隙，所接收到的信号有不同的表达式，如下表所示：

5)对于信号时隙，不考虑加性高斯白噪声时，经过光电探测器和带通滤波器后，产生差频信号，经过斯托克斯提取单元，解调出(s10,s20,s30)，

令则

(s10,s20,s30)在以s1,s2,s3为坐标轴的球心为(0，0，0)、半径为s00(s00＝s10²+s20²+s30²)的球面上。经过接收后，产生的加性高斯白噪声，表示为(nx,ny,nz)，其均值为0，方差为σ²，附加有高斯白噪声的信号表示为(s10+nx,s20+ny,s30+nz)。

6)对于非信号时隙，和只包含本振光的偏振分量，经过光电探测器之后转化成为的电信号无法通过带通滤波器，因此经过斯托克斯参数提取后，非信号时隙得到的是加性高斯白噪声，即5)中的(nx,ny,nz)。

7)判决标准1：根据已有研究结果，偏振光的偏振度和偏振状态经过传输后几乎不发生变化。接收到的斯托克斯参数(s10,s20,s30)在以s1,s2,s3为坐标轴的球心为(0，0，0)、半径为s00的球面上。考虑(s10,s20,s30)也会存在高斯白噪声的影响，取以(0,0,0)为球心，为半径的球内为判决区域，如果(nx,ny,nz)处于判决区域内，则将(nx,ny,nz)判决为加性高斯白噪声。

8)判决标准2：偏振态的编码方式如图2-图5所示，对于不同的n-polsk编码方式，使误码率最低的判决区域为：从球心向正多边形或正多面体的每一条棱做垂线，再以球心为圆心，经过这条垂线，做垂直于棱的圆，依次方法就可以将球面划分为n个全等的球面多边形，对应各调制方式理想的斯托克斯参数分别位于这些球面多边形的中心，这些球面多边形就是相应的偏振状态的判决区域，这样的判决方式根据不同的npolsk充分利用了整个球面作为判决区，可以使误码率最低。

图10、图11、图12是从某一顶点看过去的俯视图，分别表示正四面体4polsk、正八面体6polsk，正方体8polsk的判决区域划分，图10、11和12中弧q1q2q3、弧q1q2q3q4和弧q1q2q3分别为以上三种编码方式的对该顶点对应的偏振状态的判决区域。n取值不同的polsk寻找判决区域的方式相同，判决区域也都为球面正多边形，区别是球面正多边形的边数不同。

以图13中的4polsk的正四面体编码方式为例，对于如图9所示的球坐标系对于以d点所在直线为竖直的球坐标系，圆c1为弧q1q2q3的内切圆，所在坐标为θ1，圆c2为弧q1q2q3的外接圆所在坐标为θ2，定义判决产生误码的区域为弧q1q2q3以外的区域，分为两部分，一部分为圆c2以外的部分(θ∈[θ2,π],φ∈[0,2π])，一部分为圆c2以内弧q1q2q3以外的部分(θ∈[θ1,θ2]，φ的大小为3α(θ))。

不同的npolsk的判决区域的参数如下表所示：

9)在解调单元进行两步解调：首先根据7)中的判决标准1判断是否为加性高斯白噪声，如果是，则该信号为非信号时隙，如果不是，则该信号对应信号时隙；第二步，根据8)中的判决标准2，解调出第一步得到的信号时隙的偏振状态。解调流程图如图14所示。

10)经过以上步骤的解调，产生误码的情况为：经过判决标准1把加性高斯白噪声判决为stokes参数，对应的误码率为pe1；在判决标准1不发生错误的前提下，经过判决标准2，错判脉冲的偏振状态，对应的误码率为pe2。所以，总的误码率为：

pe＝pe1+(1-pe1)pe2

11)定义信噪比为：snr＝μ²/2σ²，μ²＝r²pplo(ax²+ay²)，其中p为每帧的平均发射功率。

12)把(nx,ny,nz)正确判决为加性高斯白噪声的概率为：

其中表示在正确判决范围内积分，为(nx,ny,nz)的联合概率密度分布。所以pe1＝1-pc1。

12)激光载波经过大气传输，受弱、中、强大气湍流影响而产生的光强起伏概率分布模型均符合gamma-gamma分布，其概率密度函数为：

其中，kn(·)是n阶第二类修正贝塞尔函数，γ(·)是伽马函数，α和β分别代表大规模和小规模的光强起伏，表示为：

其中，为无量rytov方差，可用来判定光强起伏强度。δr²<1时，大气湍流为弱湍流；δr²≈1时，大气湍流为中湍流；δr²>1时，大气湍流为强湍流。cn²为大气折射率结构常数，k＝2π/λ为波数，l为传播距离。

13)(s1,s2,s3)的联合概率密度分布为

ρ＞0,θ∈[0,π],φ∈[0,2π]，其中，i0是0阶修正的第一类贝塞尔函数，ρ和θ与是独立的，在[0,2π]上均匀分布。使用判决准则2判决的误码率为对于n-polsk，每个偏振状态发送的概率相等，则对任意一个偏振状态解调与其他偏振状态解调时的正确或错误概率都相等，所以

其中，

在大气湍流的影响下，

所以，mppm-npolsk的总的误码率表达式为：

14)不考虑大气湍流时，(m，m/4)mppm-4polsk，(m，m/4)mppm-8polsk，(m，m/2)mppm-4polsk，(m，m/2)mppm-8polsk四种调制方式的误码率曲线如图14所示，其中4polsk的星座图分布为正四面体，8polsk的星座图分布为正方体。在相同条件下，四种调制方式的误码性能按(m，m/2)mppm-8polsk，(m，m/2)mppm-4polsk(m，m/4)mppm-8polsk，，(m，m/4)mppm-4polsk的顺序依次变优，对于(m，m/4)mppm-4polsk，在信噪比只需25db时，误码率即可达到10^-10。

15)分别在不考虑大气湍流，弱湍流：α＝14.55，β＝13.00，中湍流：α＝6.05，β＝4.47强湍流：α＝4.52，β＝1.40的条件下，(m，m/4)mppm-4polsk误码率曲线如图15所示。由图可见弱湍流时，该调制方式几乎不受影响，在中湍流和强湍流条件下误码率会升高，提高信噪比可以降低误码率。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。