一种自由空间光通信中大气湍流干扰的抑制方法技术

本发明专利技术涉及自由空间光通信中大气湍流干扰的抑制方法，首先将用户信号加载到OAM光上进行发送，再将多路加载信息的OAM光合并传输经过不同的大气湍流信道；其次，在接收端对每个大气湍流信道的输出多路发生扭曲变形的OAM光进行解复用和解调，由于该多路信号传输模型中发送端多路OAM光分别经过不同的大气湍流信道，各信道间衰落特性类似于多天线衰落信道模型，因此采用空间分集技术抑制大气湍流干扰，接收端经过解复用和解调的用户信息再通过空间分集合并技术最大限度恢复各用户的有用信号，降低了系统接收信号受大气湍流干扰的影响，提高了系统可靠性。因此，本发明专利技术为自由空间轨道角动量态复用光通信的实用化提供了参考。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种自由空间光通信中大气湍流干扰的抑制方法，更具体地说涉及一种轨道角动量态复用自由空间光通信的大气湍流干扰抑制方法，研究内容属于通信信号处理中的光通信

技术介绍
基于轨道角动量(OrbitalAngularMomentum,OAM)态复用系统已经成为自由空间光(Free-SpaceOptical,FSO)通信的研究热点之一。OAM态是光子角动量的一种，与波函数的空间分布有关。与光子自旋角动量(SpinAngularMomentum,SAM)不同，对于单个光子，理论上OAM可获得无穷多值的特征状态，且不同OAM态间相互正交。OAM态复用系统能极大地提升频带利用率。然而，自由空间光通信系统不可避免地受到空间环境的影响，特别是大气湍流对信号传输产生的影响。由于OAM态本质是一空间分布函数，基于OAM态的复用通信系统不可避免受到大气湍流的影响。大气湍流不仅影响单路OAM态，而且导致不同路OAM态之间产生串扰。2014年Ren等人提出利用Shark-Hadman波前校正方法抑制大气湍流对OAM光的干扰(RenY,XieG,HuangH,etal.Adaptiveopticscompensationofmultipleorbitalangularmomentumbeamspropagatingthroughemulatedatmosphericturbulence[J].Opticsletters,2014,39(10):2845-2848.)，2015年Xie等人提出用一种波前相位校正方法，改善了大气湍流信道下，OAM态复用通信系统的性能(XieG,RenY,HuangH,etal.PhasecorrectionforadistortedorbitalangularmomentumbeamusingaZernikepolynomials-basedstochastic-parallel-gradient-descentalgorithm[J].Opticsletters,2015,40(7):1197-1200.)，2016年专利技术人邹丽提出一种利用多用户检测的方法抑制大气湍流的干扰(ZouL,WangL,ZhaoSM,etal.Turbulencemitigationschemebasedonmultiple-userdetectioninorbital–angular-momentummultiplexedsystem[J].ChinesePhysicsB,2016.25(11):114215.)。然而这些方法单纯地把大气湍流做为一种仅仅影响OAM光的相位参数量的噪声干扰来对待，极力想去掉这个噪声干扰。然而，大气湍流干扰远不是单纯的引起OAM光的相位参数量改变的噪声，它会同时引起OAM光的光强的改变，并且大气湍流会引起信道衰落特性，这些因素以上论文都没有考虑。本专利技术把大气湍流干扰看成是OAM复用光传输经过大气湍流衰落信道的干扰，利用空间分集方法抑制大气湍流干扰，从而提升系统通信质量，因而具有重要的理论意义和应用价值。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提出了一种自由空间光通信中大气湍流干扰的抑制方法，步骤如下：第1步、OAM光作为调制载波，将用户信号sk(t)加载到OAM光上进行发送，k∈[1,N]，t代表时刻，各路OAM光互相正交；第2步、对N路用户信号的OAM光进行合成，得到OAM态复用光；第3步、所述OAM态复用光分别通过M个大气湍流信道，受大气湍流干扰；第4步、对每一路OAM态复用光进行解复用和OAM态转换，得到用户可接收信号ymk(t)，其中，k∈[1,N]，m∈[1,M]；第5步、利用空间分集合并方法去除各用户信号之间串扰，获得接收端恢复的用户信号本专利技术还具有进一步的特征：1、步骤1中，使用方位角指数各异的LG光作为OAM光进行OAM态转换，得到的OAM光为其中，LGlk(r,θ)=2p!π(p+|lk|)!1w0[2rw0]|lk|×Lplk[2r2w02]exp[-r2w02]exp(-ilkθ)]]>其中lk为第k路用户信号对应LG光的方位角指数，p为辐射指数，w0是高斯光束的束腰半径，r是光波传播的辐射半径，θ是光波传播的辐射角，是Laguerre多项式。2、第2步中，OAM态复用光的光强为OAM光的光圈同轴叠加，得到的复用OAM态信号表示为UMUX(r,θ,t)，UMUX(r,θ,t)=Σk=1Nsk(t)LGlk(r,θ).]]>3、第3步中，受大气湍流干扰后的OAM复用光信号输出为其中为第m个信道对应的大气湍流相位屏，nm(t)为第m个信道对应的高斯白噪声信号，m∈[1,M]。4、第4步中，将OAM复用光和LG光求内积，得到N路含有相关性的信号ymk(t)，是的共轭复数。此外，本专利技术还提出了一种实现上述方法的空间分集抑制OAM复用大气湍流干扰模型，其特征在于组成包括：N个OAM态转换器，用于将N路用户信号加载至OAM光，各路OAM光互相正交；1个OAM态复用器，用于将N路OAM光进行合成，得到OAM态复用光；M个大气湍流信道，用于分别对OAM态复用光进行大气湍流干扰空间分集；M个OAM态解复用器，用于对经过大气湍流干扰的OAM态复用光进行解复用，分别得到N路OAM光；M个OAM态转换器，分别解调对应的N路信道的OAM光，得到用户可接收信号ymk(t)，其中，k∈[1,N]，m∈[1,M]；1个OAM态空间分集合并接收机，利用空间分集合并方法去除各用户信号之间串扰，获得接收端恢复的用户信号其中，大气湍流信道采用Kolmogorov大气湍流模型。将大气湍流等效为多个随机产生的相位屏，相邻两个相位屏之间等间隔。本专利技术首先将高斯光通过空间光调制器转换成OAM光，做为调制载波，将用户信息加载到OAM光上进行发送，再将多路加载信息的OAM光合并传输经过不同的大气湍流信道，大气湍流采用一种Kolmogorov大气湍流模型，将大气湍流等效为多个随机产生的相位屏，相邻两个相位屏之间等间隔。其次，在接收端对每个大气湍流信道的输出多路发生扭曲变形的OAM光进行解复用和解调。由于该多路信号传输模型中发送端多路OAM光分别经过不同的大气湍流信道，各信道间大气湍流衰落特性类似于多天线衰落信道模型，因此采用空间分集技术抑制大气湍流干扰，接收端经过解复用和解调的用户信息再通过空间分集合并技术最大限度恢复各用户的有用信号，降低了系统接收信号受大气湍流干扰的影响，提高了系统可靠性。因此，本专利技术为自由空间轨道角动量态复用光通信的实用化提供了参考。综上，本专利技术的有益效果如下：1、本专利技术将OAM复用信号经过不同大气湍流信道传输，各路光信号干扰看成大气湍流衰落影响，可用空间分集模型处理。2、本专利技术利用空间分集合并技术，在接收端消除用户之间的相互干扰，达到提高接收信号正确性的目的。附图说明图1为本专利技术提出的一种空间分集抑制OAM复用大气湍流干扰模型。图2为本专利技术经过和不经过空间分集的QPSK星座图。图3为本专利技术接收误码率随大气湍流变化数值仿真图。具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自由空间光通信中大气湍流干扰的抑制方法，步骤如下：第1步、OAM光作为调制载波，将用户信号sk(t)加载到OAM光上进行发送，k∈[1,N]，t代表时刻，各路OAM光互相正交；第2步、对N路用户信号的OAM光进行合成，得到OAM态复用光；第3步、所述OAM态复用光分别通过M个大气湍流信道，受大气湍流干扰；第4步、对每一路OAM态复用光进行解复用和OAM态转换，得到用户可接收信号ymk(t)，其中，k∈[1,N]，m∈[1,M]；第5步、利用空间分集合并方法去除各用户信号之间串扰，获得接收端恢复的用户信号

【技术特征摘要】
1.一种自由空间光通信中大气湍流干扰的抑制方法，步骤如下：第1步、OAM光作为调制载波，将用户信号sk(t)加载到OAM光上进行发送，k∈[1,N]，t代表时刻，各路OAM光互相正交；第2步、对N路用户信号的OAM光进行合成，得到OAM态复用光；第3步、所述OAM态复用光分别通过M个大气湍流信道，受大气湍流干扰；第4步、对每一路OAM态复用光进行解复用和OAM态转换，得到用户可接收信号ymk(t)，其中，k∈[1,N]，m∈[1,M]；第5步、利用空间分集合并方法去除各用户信号之间串扰，获得接收端恢复的用户信号2.根据权利要求1所述的自由空间光通信中大气湍流干扰的抑制方法，其特征在于：步骤1中，使用方位角指数各异的LG光作为OAM光进行OAM态转换，得到的OAM光为其中，LGlk(r,θ)=2p!π(p+|lk|)!1w0[2rw0]|lk|×Lplk[2r2w02]exp[-r2w02]exp(-ilkθ)]]>其中lk为第k路用户信号对应LG光的方位角指数，p为辐射指数，w0是高斯光束的束腰半径，r是光波传播的辐射半径，θ是光波传播的辐射角，是Laguerre多项式。3.根据权利要求1所述的自由空间光通信中大气湍流干扰的抑制方法，其特征在于：第2步中，OAM态复用光的光强为OAM光的光圈同轴叠...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹丽，张士兵，邵蔚，季云云，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32