[发明专利]一种基于几何概率整形技术的高性能空间光传输系统

权利要求书

1.一种基于几何概率整形技术的高性能空间光传输系统，其特征在于，所述空间光传输系统包括数字信号处理模块和光传输模块；

所述数字信号处理模块包括分布适配器、星座映射单元、N个上采样单元、N个整形滤波器和加法器单元；

其中，所述分布适配器用于对输入的二进制数据进行处理，使其从二进制比特流转化成经过概率整形计算后的分布形式，星座点的概率分布服从麦克斯韦玻尔兹曼分布；所述星座映射单元的输入端与分布适配器的输出端连接，用于根据三维星座图进行星座映射，在三维空间内对星座点进行几何整形，将原本信号中的信息转换成星座图中各个星座点的三维空间坐标；所述N个上采样单元呈并联结构，且每个上采样单元的输入端与星座映射单元的输出端连接，用于对星座映射单元输出的信号进行上采样，在星座点坐标后插入数值，并进入与之对应的整形滤波器进行整形滤波后，由加法器单元合并所有N条支路的电信号；

所述光传输模块用于基于无载波幅度相位调制，在发送端将加法器单元合并生成的电信号转换成对应的高斯光束，并采用螺旋相位板将高斯光束转换成携带轨道角动量的涡旋光束，利用电拓扑合数l=±2的两种不同模式的OAM光束在自由空间内进行复用传输，在接收端将涡旋光束转换成对应的电信号；

所述N为大于等于1的正整数；

所述光传输模块包括任意波形发生器、激光器、掺铒光纤放大器、耦合器、两个调制器、两组第一透镜、两个第一螺旋相位板、第一分束镜、第二分束镜、两个第二螺旋相位板、两组第二透镜、小孔、光电探测器和混合信号示波器；

所述任意波形发生器的输入端与数字信号处理模块的输出端连接，两个输出端分别与两个调制器的其中一个输入端连接；两个调制器的另一个输入端依次通过耦合器、掺铒光纤放大器与激光器连接；其中，原本的二进制数据在数字信号处理模块得到调制和整形后送入任意波形发生器中，作为两路电信号分别输出到两个调制器上；激光器作为光源，发出的光束经掺铒光纤放大器放大后进入耦合器分成两束强度相同的光载波，分别输送到两个调制器上与对应的电信号进行调制；

所述第一螺旋相位板的光学厚度呈螺旋状向中心增加，两个调制器发出的两束经过调制后携带信息的高斯光束由第一透镜汇聚、准直，入射到第一螺旋相位板中心位置，转换成携带螺旋相位因子的涡旋光束，由第一分束镜合二为一进入空间信道传输；涡旋光在自由空间中传输一段距离后再由第二分束镜均等分为两束，分别入射到两个第二螺旋相位板上重新转变成高斯光束，最后通过第二透镜和小孔后送至光电探测器中转换成对应的电信号，进入混合信号示波器。

2.根据权利要求1所述的基于几何概率整形技术的高性能空间光传输系统，其特征在于，所述空间光传输系统还包括逆数据信号处理模块；

所述逆数据信号处理模块包括分离器、N个匹配滤波器、N个下采样单元、星座解映射和逆分布适配器；

其中，分离器的输出端与N个匹配滤波器的输入端连接，用于针对光传输模块输出的电信号分离三个维度的坐标信息，分别送入相应的匹配滤波器以得到整形滤波前的信号；所述下采样单元与匹配滤波器一一对应连接，用于将匹配滤波器的信号合成一路后进行M倍下采样，去除在数据中添加的数值；所述星座解映射和逆分布适配器相互连接，用于按映射规则将星座点坐标解映射为二进制比特，再经过并串变化得到发送的二进制数据流。

3.根据权利要求1所述的基于几何概率整形技术的高性能空间光传输系统，其特征在于，所述星座点的概率分布服从麦克斯韦玻尔兹曼分布是指，

式中，参数用于使的概率之和为1；为星座点出现的概率大小，为星座点标号；为关键参数缩放因子，它的值是一个在0到1之间的标量，用来表示概率整形的程度和信息熵：

式中，为星座点出现概率，为星座点标号。

4.根据权利要求3所述的基于几何概率整形技术的高性能空间光传输系统，其特征在于，所述激光器采用1550nm激光器。

5.根据权利要求1所述的基于几何概率整形技术的高性能空间光传输系统，其特征在于，所述星座映射单元的星座图在三维空间内由正三角形和正四面体组成，以最大化星座增益指数为原则重新规定了星座点的位置分布。

6.根据权利要求1所述的基于几何概率整形技术的高性能空间光传输系统，其特征在于，所述整形滤波器采用FIR滤波器，且N个整形滤波器相互正交。