一种基于相干BPOLSK调制的MIMO自由空间光通信设计方法

本发明涉及自由空间光通信，是一种基于相干bpolsk调制的mimo自由空间光通信设计方法。

背景技术：

1、随着激光通信的发展，自由空间光通信越来越受到人们的重视，与传统的射频(rf)通信系统相比，自由空间光通信不需要无线频谱资源，并且部署简单，有着高安全，高数据率的特点。由于固有的特性，fso受到了重大关注，产生了各种应用包括最后一公里网络接入连接，光纤备份，蜂窝回程，高速电视(hdtv)等等新型产业。

2、然而激光在大气信道的传输过程中面临着严峻的挑战，其中包括大气的湍流效应以及发射机和接收机之间的指向性误差等。由于大气的湿度、压力、温度的波动以及雨雪天气等等条件会引起大气折射率的变化从而导致光信号衰落，这种衰落效应也称为闪烁，严重降低了系统的性能。

技术实现思路

1、本发明为克服现有技术的不足，本发明要解决的是传统的基于强度调制/直接检测(im/dd)调制方式的单输入单输出模式受湍流影响严重，不适合长距离传输。现基于相干bpolsk调制的多输入多输出(mimo)模式能够大大降低湍流的影响，相比于传统方式降低了fso系统的误码率(ber)，提高系统的性能。

2、本发明提供一种基于相干bpolsk调制的mimo自由空间光通信设计方法。

3、需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物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、物品或者设备所固有的要素。

4、本发明提供了一种基于相干bpolsk调制的mimo自由空间光通信设计方法，本发明提供了以下技术方案：

5、一种基于相干bpolsk调制的mimo自由空间光通信设计方法，所述方法包括以下步骤：

6、步骤1：搭建起基于相干bpolsk调制的mimo模型的发射端；

7、步骤2：搭建基于相干bpolsk调制的mimo模型的接收端；

8、步骤3：在不同湍流条件下、有无指向性误差情况多输入多输出自由空间光通信技术与传统的单输入单输出系统的平均误码率进行对比。

9、优选的，所述步骤1具体为：

10、基于bplosk调制的mimo模型的发射端包括一个激光发射器、一个偏振光分束器、一个偏振光束合束器用和两个马赫-曾德尔调制器；激光器产生光载波信号使用偏振光分束器将光载波信号分裂成光学载流子和光学载流子和分别通过马赫-曾德尔调制器进行光强度调制，将两个调制器的输出结果用偏振光合束器结合起来形成bpolsk信号，并模拟大气湍流条件将信号发射到接收端；

11、调制之后得到的bpolsk信号通过下式表示：

12、

13、其中，是射频载波，a是光载波的振幅、ω是光载波的角频率，是相位噪声。

14、优选的，所述步骤2具体为：

15、基于bplosk调制的mimo模型的接收端包括一个大孔径的透镜、一个光带通滤波器、一个偏振光分束器、一个偏振光合束器和两个高灵敏度的光电探测器以及解调器组成；经过大气传输过后的bpolsk信号首先被接收端的大孔径的透镜采集到，紧接着将收集到的光信号采用光带通滤波器进行滤波，过滤出背景光干扰，滤光过的信号经过两个完全相同的光电检测器来检测光场，检索出的电信号再经过电带通滤波器，最后将输出的信号通过解调器把原始光信号中携带的信息复原；

16、电信号再次通过理想电带通滤波器过滤出噪声，输出结果通过下式表示：

17、

18、

19、其中，r是光电探测器响应率，ωif＝ω-ωlo是中频信号的频率噪声，是中频信号的相位噪声，最后将得到的电信号使用平方律解调器将原始信号的信息剥离出来，解调器由电子混频器、阈值检测器、采样器等部分组成。

20、优选的，所述步骤3具体为：

21、在验证过程中，搭建好整个发送端和接收端之后，模拟不同条件对系统性能进行验证，对于mimo系统采用最大比合并增强接收端信号的质量，提高了mimo fso系统的误码率性能，验证发生在两个不同的系统之间，一个是传统的单输入单输出系统，另外一个是基于最大合并比的mimo系统；

22、系统验证包括在基于不同湍流强度两种系统平均误码率性能对比，基于相同湍流强度下同一系统在有无收发端指向性误差的系统平均误码率对比以及相同湍流条件下mimo系统的平均误码率受不同个数激光源或不同个数的光探测器的影响；

23、多个信号从每个分支获得相应的增益因子信号重新组合后相干解调器输入处的电信号信噪比(snr)为γt，定义为：

24、

25、其中，arij表示通过第i个发射机和第j个接收孔径之间的光湍流通道接收到的信号振幅，基于大气湍流信道gamma-gamma分布建模，计算出mimo系统的平均误码率：

26、

27、为提高接受端信号质量，对mimo系统在接收端采用了一种分集接收技术最大合并比，即对各接收路径上的信号进行加权汇总，信号好的路径分配最高的权重，从而实现接收端的信号改善，mimo系统最优信噪比如下：

28、

29、基于最大合并比的mimo系统平均误码率为：

30、

31、一种基于相干bpolsk调制的mimo自由空间光通信设计系统，所述系统包括：

32、发射端建立模块，所述发射端建立模块搭建起基于相干bpolsk调制的mimo模型的发射端；

33、接收端建立模块，所述接收端建立模块搭建基于相干bpolsk调制的mimo模型的接收端；

34、对比模块，所述对比模块在不同湍流条件下、有无指向性误差情况多输入多输出自由空间光通信技术与传统的单输入单输出系统的平均误码率进行对比。

35、一种基于相干bpolsk调制的mimo自由空间光通信设计方法，包括以下步骤；

36、步骤s1：对大气湍流通道进行建模，分析传播过程大气湍流衰落函数；

37、步骤s2：搭建基于bpolsk调制的自由空间光通信模型的发送端；

38、步骤s3：搭建基于bpolsk调制的自由空间光通信模型的接收端；

39、步骤s4：验证在不同湍流条件下、有无指向性误差等情况mimo自由空间光通信技术与siso的信噪比，平均误码率对比。

40、优选的，所述步骤s1具体为：

41、通过考虑半径为r的圆形检测孔径和高斯光束，确定概率密度：

42、

43、其中，r表示径向距离,ξ是接收端的等效波束半径和接收端指向误差位移标准偏差之间的比值，a0表示在r＝0时收集功率比率；基于以上几种衰减，在强大气湍流情况下的联合信道分布通过下式表示为：

44、

45、一种基于相干bpolsk调制的mimo自由空间光通信设计系统，所述系统包括：

46、建模模块，所述建模模块对大气湍流通道进行建模，分析传播过程大气湍流衰落函数；

47、发射端建立模块，所述发射端建立模块搭建基于bpolsk调制的自由空间光通信模型的发送端；

48、接收端建立模块，所述接收端建立模块搭建基于bpolsk调制的自由空间光通信模型的接收端；

49、对比模块，所述对比模块验证在不同湍流条件下、有无指向性误差等情况mimo自由空间光通信技术与siso的信噪比，平均误码率对比。

50、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现一种基于相干bpolsk调制的mimo自由空间光通信设计方法。

51、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现一种基于相干bpolsk调制的mimo自由空间光通信设计方法。

52、本发明具有以下有益效果：

53、本发明与现有技术相比：

54、本发明属于自由空间光通信领域，特别涉及了一种基于相干二元偏振位移键控(bpolsk)调制的mimo自由空间光通信技术，包括大气传输信道的建模、发射端模型的建立、接收端模型的建立、模拟不同场景下的系统性能仿真分析等4个步骤；本发明主要以提高自由空间光通信系统抗干扰性，平均误码率以及传输距离为目标，同时考虑了大气传输过程中湍流引起的信号的衰减。利用本发明与传统的单通道调制方式进行对比，结果表明，本发明系统性能更优。

55、1、本发明采用bpolsk调制，对激光相位噪声具有较强的干扰能力，该通信系统受大气湍流作用小，与传统的强度调制/直接检测(im/dd)调制方式相比，传输距离更远，误码率性能更优。

56、2、本发明系统采用的多输入多输出(mimo)传输，利用空间多分集技术，增加了对大气衰落的抗干扰性，与传统的单输入单输出系统相比，系统性能更好。

57、3、本发明验证了在发射端和接收端有无指向性误差的情况下，系统平均误码率的不同，说明了指向性误差对系统性能的影响。