基于偏振位移键控调制的光通信中继传输方法及系统

摘要

本发明提供一种基于偏振位移键控调制的光通信中继传输系统，包括至少一个中继传输节点，所述中继传输节点包括信号接收处理组件、中继处理组件、信号调制发送组件；本发明还公开一种基于偏振位移键控调制的光通信中继传输方法，本发明综合了自由空间光通信、偏振位移键控调制、光信号的接收和处理的技术，通过利用受到大气信道影响较小的偏振调制方法将信号加载到光载波上，减少光信号在大气信道中受到的干扰；通过利用中继传输方法补偿光信号在传输过程中的损耗和衰减。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光通信中继传输方法及系统，涉及一种应用于自由空间的基于偏振位移键控调制的光通信中继传输方法及系统。  

背景技术

与传统的光纤通信和微波通信技术相比，自由空间光通信技术具有许多优点，如：数据传输带宽高；安全保密性强；波束很窄并且定向性非常好；空间光通信的终端设备小；激光光源的发光功率高、体积也很小，增加了机动灵活性；链路部署快捷方便；不占用现有频谱资源；无电磁干扰；成本低等。然而由于自由空间光通信系统是在开放的空间链路上进行通信的，其信号必然受链路的状况所影响。特别是在大气层中的链路部分，受大气湍流、自然界背景光等因素的影响，信号弱、畸变大、背景噪声很强。恶劣的信道环境造成了接收机处误码率的增加，降低了整个通信系统的性能，限制了自由空间光通信技术的广泛应用。而且当光束在大气信道中进行传播时会不可避免地发生损耗和衰减，导致无法进行长距离传输。 

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种应用于自由空间的基于偏振位移键控调制的光通信中继传输方法及系统。从而解决现有无线光通信技术中存在的问题：激光光束会在大气信道中受到光强衰减和大气湍流的影响，使得接收端接收到的光信号的强度减弱并产生光强随机闪烁，导致接收到的信号误码率提高，而且无法进行长距离传输。 

一种基于偏振位移键控调制的光通信中继传输系统，包括至少一个中继传输节点，所述中继传输节点包括信号接收处理组件、中继处理组件、信号调制发送组件； 

所述信号接收处理组件包括依次相连的光束准直收束透镜组、滤光装置、偏振分束装置及连接于所述偏振分束装置的第一光电探测装置、第二光电探测装置；

所述中继处理组件包括第一信号放大电路、第二信号放大电路、减法电路、数据采集卡，所述第一信号放大电路、第二信号放大电路连接于所述减法电路，所述减法电路连接于所述数据采集卡，所述第一信号放大电路用于接收由所述第一光电探测装置所发送的初始电信号，所述第二信号放大电路用于接收由所述第二光电探测装置所发送的初始电信号；

所述信号调制发送组件包括依次相连的激光发出装置、起偏装置、偏振调制装置、发射装置，所述偏振调制装置还连接于所述数据采集卡，所述偏振调制装置用于接收由所述数据采集卡输出的加载电信号，并在通入的电信号为额定半波电压时将线偏振光的偏振角度旋转90°。

进一步的，所述光束准直收束透镜组采用大口径长焦距凸透镜与短焦距凸透镜组成的望远镜组；所述滤光装置采用窄带滤光片。所述偏振分束装置采用偏振分束棱镜；所述第一光电探测装置、第二光电探测装置采用雪崩光电探测器模块。 

进一步的，所述偏振分束装置用于将偏振方向互相正交的S线偏振光和P线偏振光相互分离，并分别被所述第一光电探测装置、第二光电探测装置接收，且所述S线偏振光和P线偏振光所经过的光程相同。 

进一步的，所述激光发出装置采用激光器光源，所述起偏装置采用光纤型偏振片，所述偏振调制装置采用偏振旋转器，所述发射装置采用光纤扩束镜。 

进一步的，所述发射装置用于将光线中的光信号扩束为直径为1cm左右的平行光束，并发送至下一个中继节点的信号接收处理组件。 

一种基于偏振位移键控调制的光通信中继传输方法，包括如下步骤： 

步骤A、接收上一个中继传输节点所发出的光信号，并将所述光信号调制为偏振状态两种互相偏振方向正交的线偏振光，并分别形成两种线偏振光所对应的初始电信号；

步骤B、接收所述初始电信号，并对所述初始电信号进行放大、整形、差分运算，并通过数据采集卡进行采样、模数转换，得到加载电信号。

步骤C、将所述加载电信号通过所述偏振调制装置加载到由激光发出装置和起偏装置所形成的载波光，形成光信号。 

步骤D、通过所述发射装置将所述步骤C中的光信号向下一个中继传输节点发射出去。 

进一步的， 

所述步骤A中进一步包括以下步骤：

步骤A1、通过所述光束准直收束透镜组接收上一个中继传输节点所发出的带有光信号的光束，对光束进行收束以及准直。

步骤A2、通过所述滤光装置滤除光信号中的背景光。 

步骤A3、通过所述偏振分束装置将上述步骤A2中经过滤除背景光的光信号的分解为S偏振光和P偏振光。 

步骤A4、通过所述第一光电探测装置、第二光电探测装置，分别得到两路线偏振光所对应的初始电信号。 

进一步的，还包括以下步骤， 

将由发送端或前一中继传输节点入射的光信号中的左旋圆偏振光转化为偏振光S光、右旋圆偏振光转化为偏振光P光；

将光信号中线偏振光S光转化为左旋圆偏振光，线偏振光P光转化为右旋圆偏振光，并发送至下一中继传输节点。

相较于现有技术，本发明的基于偏振位移键控调制的光通信中继传输方法及系统综合了自由空间光通信、偏振位移键控调制、光信号的接收和处理的技术，通过利用受到大气信道影响较小的偏振调制方法将信号加载到光载波上，减少光信号在大气信道中受到的干扰；通过利用中继传输方法补偿光信号在传输过程中的损耗和衰减。本发明建立了一种适合在大气信道中长距离传输的自由空间光通信系统，为今后的远距离激光通信提供基础。 

 附图说明

图1是本发明的基于偏振位移键控调制的光通信中继传输系统的结构框图。

图2是本发明另一实施例中的信号接收处理组件的结构框图。

图3是本发明另一实施例中的信号调制发送组件的结构框图。 

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。 

请参阅图1至图3，本发明提供了一种基于偏振位移键控调制的光通信中继传输方法及系统。 

如图1所示，本发明的基于偏振位移键控调制的光通信中继传输系统包括至少一个中继传输节点。其设置于光信号的发送端及接收端之间的大气信道中，并将发送端所发送的光信号中继传输至接收端。 

所述中继传输节点包括：信号接收处理组件20、中继处理组件30、信号调制发送组件50。其中所述信号接收处理组件20接收由前一个中继节点发送的带有光信号的光束，所述信号接收处理组件20与所述中继处理组件30相连，所述中继处理组件30与所述信号调制发送组件50相连，所述信号调制与发送组件将处理后的光信号通过大气信道发送至下一个中继节点。 

如图1所示，所述信号接收处理组件20包括光束准直收束透镜组21、滤光装置22、偏振分束装置23、第一光电探测装置25、第二光电探测装置27。光束准直收束透镜组21、滤光装置22、偏振分束装置23依次相连，第一光电探测装置25、第二光电探测装置27分别连接于偏振分束装置23。在本实施例中，所述光束准直收束透镜组21采用大口径长焦距凸透镜与短焦距凸透镜组成的望远镜组；所述滤光装置22采用窄带滤光片。所述偏振分束装置23采用偏振分束棱镜；所述第一光电探测装置25、第二光电探测装置27采用雪崩光电探测器模块。 

光束准直收束透镜组21用于接收光束，对线偏振光进行收束以及准直。所述滤光装置22用于将滤除背景光。本发明中所述偏振分束装置23用于将偏振方向互相正交的S线偏振光和P线偏振光相互分离，并沿着两个不同放大方向出射。S线偏振光和P线偏振光分离并出射后分别被所述第一光电探测装置25、第二光电探测装置27接收，在此过程中，S线偏振光和P线偏振光所经过的光程相同。 

 如图1所示，所述中继处理组件30包括第一信号放大电路31、第二信号放大电路32、减法电路35、数据采集卡37。其中所述第一信号放大电路31用于接收由所述第一光电探测装置25所发送的初始电信号，所述第二信号放大电路32用于接收由所述第二光电探测装置27所发送的初始电信号。 

 所述第一信号放大电路31、第二信号放大电路32连接于所述减法电路35，所述减法电路35连接于所述数据采集卡37。所述第一信号放大电路31、第二信号放大电路32用于将其接收到的初始电信号进行放大以及整形，所述减法电路35用于对两路电信号进行差分运算，从而减少信号中的噪声影响。所述数据采集卡37用于将差分运算之后的电信号进行采样及模数转换，并输出加载电信号。 

由于在自由空间光通信中，光信号在传输了一定距离之后不可避免会发生损耗以及衰减。因此在传输了一定距离之后，通过中继处理组件30对还没有受到太大影响的光信号进行解调、整形、放大，然后再次发送出去，可以对光信号的损耗与衰减进行补偿。 

如图1所示，所述信号调制发送组件50包括依次相连的激光发出装置51、起偏装置52、偏振调制装置53、发射装置55。 

所述激光发出装置51用于发射激光至所述起偏装置52。所述起偏装置52用于激光发出装置51发出的激光转化为线偏振光。所述偏振调制装置53连接于所述数据采集卡37，用于接收由所述数据采集卡37输出的加载电信号。并在通入为额定半波电压的电信号时能够将线偏振光S光转化为偏振角度旋转90°的正交线偏振光P光，或将线偏振光P光转化为线偏振光S光。本发明通过利用线偏振光位于坐标轴上的偏振角代表相对应的数据状态进行调制并且发送，在接收端根据接收到的信号光在坐标轴上的不同偏振角度进行解调。 

在本实施例中，所述激光发出装置51采用红外激光光源，所述起偏装置52采用光纤型偏振片，所述偏振调制装置53采用偏振旋转器，所述发射装置55采用光纤扩束镜。所述发射装置55用于光线中的光信号扩束为平行光束，在本实施例中，所述发射装置55将光线中的光信号扩束为直径为1cm左右的平行光束，并发送至下一个中继节点的信号接收处理组件20。 

本发明还揭示一种基于偏振位移键控调制的光通信中继传输方法。 

本发明的基于偏振位移键控调制的光通信中继传输方法利用线偏振的两种偏振状态代表两种数据状态并进行编码调制。两种偏振状态包括偏振方向位于坐标轴一三象限与坐标轴呈45°角的线偏振光S光、偏振方向位于坐标轴二四象限与坐标轴呈45°的线偏振光P光。 

在大气信道传输过程中，外部干扰对光信号的偏振状态的影响很小，可以长距离保持不变。在接收端处，根据信号光的偏振状态进行解调，可以恢复传输的信息。这样大气信道对光信号的影响可以得到很好的抑制。 

所述基于偏振位移键控调制的光通信中继传输方法包括如下步骤： 

步骤A、接收上一个中继传输节点所发出的带有光信号的光束，并将所述带有光信号的光束调制为偏振状态两种互相偏振方向正交的线偏振光，并分别形成两种线偏振光所对应的初始电信号。两种线偏振光分别对应相位差状态0、相位差状态π。

在此步骤中进一步包括以下步骤： 

步骤A1、通过所述光束准直收束透镜组21接收上一个中继传输节点所发出的带有光信号的光束，对光束进行收束以及准直。

步骤A2、通过所述滤光装置22滤除光信号中的背景光。 

步骤A3、通过所述偏振分束装置23将上述步骤A2中经过滤除背景光的光信号的分解为S偏振光和P偏振光。 

步骤A4、通过所述第一光电探测装置25、第二光电探测装置27，分别得到两路线偏振光所对应的初始电信号。 

步骤B、接收所述初始电信号，并对所述初始电信号进行放大、整形、差分运算，并通过数据采集卡37进行采样、模数转换，得到加载电信号。 

步骤C、将所述加载电信号通过所述偏振调制装置53加载到由激光发出装置51和起偏装置52所形成的载波光，形成光信号。 

步骤D、通过所述发射装置将所述步骤C中的光信号向下一个中继传输节点发射出去。 

本发明中所述偏振位移键控调制方法可以设计成圆偏振位移键控调制方法，即利用圆偏振光的左旋、右旋两种偏振状态来表示“0”、“1”信号。如图2及图3所示，在本发明的另一实施例中，所述信号接收处理组件60包括光束准直与收束透镜组61、滤光装置62、偏振分束装置63、第一光电探测装置65、第二光电探测装置67。所述信号接收处理组件60还设有第一四分之一波片69。所述第一四分之一波片69设置于所述滤光装置62与所述偏振分束装置63之间。 

所述信号调制发送组件70包括依次相连的激光发出装置71、起偏装置72、偏振调制装置73、发射装置75。所述信号调制发送组件70还设有第二四分之一波片79。所述第二四分之一波片79连接于所述发射装置75。 

所述基于圆偏振位移键控调制的光通信中继传输系统方法进一步包括以下步骤： 

通过所述第一四分之一波片69将由发送端或前一中继传输节点入射的光信号中的左旋圆偏振光转化为-45°线偏振光、右旋圆偏振光转化为45°线偏振光，并发送至偏振分束装置63；

通过所述第二四分之一波片79将光信号中-45°偏振光转化为左旋圆偏振光，45°线偏振光转化为右旋圆偏振光，并发送至下一中继传输节点。

在本实施例中采用圆偏振光的偏振状态代表所传输的数据状态，可以允许发射端和接收端的坐标轴方向出现一定的角度差，同时大气湍流的附加相位状态对圆偏振光的偏振态无影响，能够更好地保证传输数据的正确性。 

本发明的基于偏振位移键控调制的光通信中继传输方法及系统采用线偏振光的不同偏振态进行编码传输信息，在大气信道中偏振态可以长距离保持不变化，因此该方法受到大气信道的影响很小，保证了传输信息的准确性。针对普通空间光通信传输方法，本发明采用了中继传输的方法，补偿了自由空间中传输的光信号必然会发生的损耗和衰减，增加了通信传输的有效距离。与现有技术相比，本发明能够有效抑制大气湍流对信号的影响，明显减少系统的误码率并且提高通信传输距离。 

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。