[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

说明书

本发明公开了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；数字信号处理模块包括分布适配器、星座映射单元、上采样单元、整形滤波器和加法器单元；分布适配器用于将二进制数据转化成经过概率整形计算后的分布形式；星座映射单元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。本发明能够在空间光传输系统的发射端部分对电信号运用概率整形与三维几何整形，通过在发射端提高信号的抗干扰能力来应对大气湍流带来的影响，有效地提高了系统的抗噪声能力的同时减弱了大气湍流效应造成的影响，并且在一定程度上提高了系统的频谱利用率和传输速率。

技术领域

本发明涉及光传输技术领域，具体而言涉及一种基于几何概率整形技术的高性能空间光传输系统。

背景技术

现代科技的不断发展使得大数据、云计算、智慧城市等新型业务不断兴起，这一切对网络信息容量提出了更高的要求。目前的技术中对光的物理维度，如幅度、相位、波长、频率、偏振和时间的运用已经十分充分，但对于空间光的研究涉及较少。涡旋光是具有特殊横向空间分布的光束，其携带螺旋相位因子，光强呈现中空的圆环形分布，相位呈螺线型分布。其中相位涡旋光因为携带轨道角动量(OAM)又被称为OAM光束。OAM光束的独特之处在于不同模式之间相互正交，且理论上可承载的模式数量是无穷的，每个模式可以作为一个独立的信道使用，利用这一性质能极大地增加了可用信道的数量，从而提高通信系统的传输速率和信道容量。目前产生涡旋光束的主要方法有液晶空间光调制器(SLM)和螺旋相位板，SLM可以通过在电脑上加载不同的相位图来产生不同模式的涡旋光束，但光束转换效率相对较低，并且是由高斯光束照射器件后反射出涡旋光束，在实际操作中尤其是在多个模式OAM光束复用和解复用时增加了系统的复杂程度。而螺旋相位板是透射型器件，高斯光束照射后从元件的另一面产生涡旋光，在提高光束转换效率的同时降低了因为多个模式复用下提高的系统复杂程度。考虑到当涡旋光在自由空间中传输时，由于大气湍流尤其是强湍流的存在，不同模式的涡旋光相位之间会发生串扰，这会使传输距离和通信质量大大降低，所以本专利采用螺旋相位板来产生涡旋光束。

相比于普通的高斯光束，携带轨道角动量的光束可以对大气湍流带来的影响有一定的抑制作用，但是经过一段距离地传输后OAM光束会退化成普通高斯光束，大大降低通信的质量和能力。目前抑制大气湍流对携带轨道角动量光束的传输影响主要集中在利用自适应光学和编码技术在接收端对受到干扰的传输信号做修复和补偿。然而在复杂环境尤其是强湍流作用下，涡旋光束携带的螺旋相位结构会产生严重畸变，这会给信号的恢复带来巨大的困难。与这几项技术相比，几何整形（GS）与概率整形技术（PS）在大气信道传输前在运用，通过提高信号的抗干扰能力来减小大气湍流带来的影响，降低了误码率，增加了传输距离，尤其是在高阶星座调制和远距离传输时体现得更加明显。例如，CN111092663A的发明中提及一种基于比特加权分布的光正交频分复用系统和通信方法，可以有效提高信号在光纤传输时的非线性容忍度和光纤传输距离。又例如，专利号为CN111970221A的发明中提及一种基于多概率分布的高抗噪P比特光传输方法，通过对不同模式的子载波光信号进行多概率匹配，也能够同时获得传输效率高且抗噪声能力强的技术优点。但目前尚未发现将几何整形（GS）与概率整形技术（PS）与OAM光束进行有效结合的方案。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于几何概率整形技术的高性能空间光传输系统，在空间光传输系统的发射端部分对电信号运用概率整形与三维几何整形，通过在发射端提高信号的抗干扰能力来应对大气湍流带来的影响，有效地提高了系统的抗噪声能力的同时减弱了大气湍流效应造成的影响，并且在一定程度上提高了系统的频谱利用率和传输速率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于几何概率整形技术的高性能空间光传输系统，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；