一种基于高阶光DPSK系统的低复杂度系统结构设计方法

摘要

本发明请求保护一种基于高阶光DPSK系统的低复杂度系统结构设计方法，属于自由空间光通信技术领域。此设计以高阶光DPSK解调原理为基础，根据每种比特序列在星座图上的对应分布，选择解调过程最复杂的比特位进行星座重构，将该比特位的0和1尽量分散，以简化解调结构，同时引入辅助位对进行变换的星座点标记，通过幅度调制随光信号传输到接收端，从而达到辅助解调其余比特位的目的，进一步简化系统结构。对应调制阶数越高的系统，其经过星座映射重构后的优化系统获得的简化程度更高，因而解调的每支路所分光功率越高，采用本发明的高阶光DPSK优化系统可以节省激光发射功率，具有更高的能量效率。

说明书

技术领域

本发明属于自由空间光通信(Free Space Optics，FSO)技术领域，涉及一种基于光通信的高阶的差分相移键控(Differential Phase Shift Keying，DPSK)的低复杂度系统结构设计。

背景技术

近年来，随着网络流量和设备的爆炸式增长，传统的射频(Radio Frequency，RF)频谱变得十分拥挤，已难以满足日益增长的网络需求。自由空间光通信技术作为我国空天地一体化发展战略关键技术之一，将光通信技术与无线通信技术相结合，以激光为载波、大气为传输介质，实现信息高速率的信息传递，具有频谱资源丰富、抗电磁干扰能力强、功耗低、安全性高、方向性强、安装灵活等优点。常用于军事等对信息安全性要求严格的领域。特别是在光纤无法到达的地区，如沙漠、森林等，FSO无需铺设光纤线路，减少了搭建的成本和时间，因此在应急通信领域也具有广泛的应用前景。

FSO是一种视距传输技术，对天气条件和大气湍流非常敏感，这对相位噪声提出了更严格的要求。如雨、雾、雪、霾等天气条件都会对传输过程中光信号造成影响。大气气体分子和气溶胶等的吸收散射会造成光信号功率衰减；而大气湍流造成的空气折射率不均匀会导致光学折射率的随机起伏，使光信号在传输过程中产生光强闪烁、光束偏移、光束扩展以及到达角起伏等现象，从而引起相位的起伏。为了抵抗信道衰落，学术界和工业界都在研究新的调制方案，以减少信道条件对传输性能的影响。DPSK技术由于其对光纤非线性的高耐受性以及与OOK技术相比具有3dB的接收机灵敏度改善，在光通信中得到了广泛的应用。高阶DPSK技术由于具有更高的频谱效率，在保证通信质量的前提下，常常代替低阶的DPSK技术在光通信中被深入研究。

随着光DPSK信号调制阶数的增加，通信系统结构复杂度表现出成正比的增长趋势，尤其体现在解调端结构，这往往增大了系统结构实现成本。针对高阶系统结构复杂度增大的问题，现有的研究主要通过幅度-相位联合调制的方法来获得同等的信息速率，达到降低系统结构的复杂度的目的。但是对于FSO信道而言，其具有的大气湍流和衰减特性对光信号功率的影响较大，光信号的通信质量极易受到大气条件和天气状况的影响，因此，和高阶DPSK调制相比，传输相同的信息时，采用幅度-相位联合调制的方法，不能很好的抵抗中强湍流所带来的大气影响。并且随着调制阶数进一步增大，为了控制系统结构不过于复杂，采用联合调制时，进行相位调制的信号阶数不易过高，所以往往通过增加幅度调制的阶数来达到平衡，这又进一步导致了系统可靠性降低。另外，还有研究表明，对星座图进行适当的改变可以达到简化系统结构的目的，但带来的代价往往也是导致系统可靠性的降低。因此，对于光通信高阶DPSK系统，在满足系统一定可靠性能的同时，寻找一种具有低结构复杂度的系统具有一定的研究意义。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于高阶光差分相移键控DPSK系统的星座重构设计方法。本发明的技术方案如下：

一种基于高阶光DPSK系统的低复杂度系统结构设计方法，其包括以下步骤：

根据每种比特序列在星座图上的对应分布，选择解调过程中的比特位进行星座重构，将该比特位的0和1尽量分散，根据系统的解调原理改变星座点的映射关系，使比特位所在的星座点按照一定的规则更加集中，以简化解调结构继而简化解调规则，并对发生映射关系变换的星座点予以辅助位标记，从而简化判决；通过幅度调制随光信号传输到接收端，辅助解调其余比特位，实现低系统结构复杂度的高阶光DPSK信号传输。

进一步的，还包括对传统高阶光DPSK星座图的分析步骤，具体包括：

1)观察传统高阶光DPSK星座图，DPSK星座图每符号对应比特位数由调制阶数确定，比特位指每个符号中的第某个比特位；寻找星座图0、1交叉较多，即0、1的分界线较多的比特位；2)将该比特位所对应的星座点位置进行变换，使得其0、1的分界线尽可能减少；3)若存在比该比特位0、1分布复杂度更高的比特位，继续进行第2步，直至遍历所有比特位；同时，保证星座图各比特的0、1分界线数量是根据2

进一步的，还包括发射端星座符号变换的步骤，具体包括：将需要进行位置变换的星座点通过对星座点预编码后相邻符号之间的差值进行变换，从而实现该星座符号映射关系的变换；使得这些比特位的星座点以最少的0、1分界线在星座图上进行分布。

进一步的，所述对发生映射关系变换的星座点予以辅助位标记，具体包括：1)对进行了星座符号映射关系变换的符号进行标记；2)对辅助标记信息进行强度调制，通过光信号的强度信息来传递标记位的信息；3)此时完成星座重构，获得重构后的光信号在FSO信道上进行传输。

进一步的，还包括对星座座重构系统解调的步骤，具体包括：1)光分路器对接收到的光信号按解调支路数目等比例分配光功率；2)光信号的解调主要与MZI相移

进一步的，对于光8DPSK系统而言，根据权利要求1-5，可以对系统进行如下操作：

A1：在差分预编码之后，通过对相邻符号之间的差值进行交换，从而实现以下符号映射关系进行交换：

A2：同时，对进行了映射关系变换的符号标记为1，反之为0。通过光信号的幅值来传递标记位的信息；

A3：此时的系统解调端只需要第一、二两路MZI参与解调，MZI的相移

A4：最后经过低通滤波和判决后，b比特信息可以通过

进一步的，对于光16DPSK系统而言，根据权利要求1-5，可以对系统进行如下操作：

B1：为了简化系统结构，在系统差分预编码之后可以进行以下两次星座映射关系变换：

在第一次变换中，c比特位的0和1分别集中在半圆区域，可以通过正和负来判断。第二次变换基于第一次变换，因此d比特位的0和1信息各集中在1/4圆中并呈对角分布，以便通过异或来进行判决；

B2：同时，第一次变换的星座点被标记为1，否则为0；同样地通过调制到光信号幅值上来进行传输；

B3：此时的解调端结构进一步简化，于优化的光8DPSK系统相似，但相移不同,第一路MZI相移为

B4：第一路和第二路经低通滤波和正负判决后可直接还原a、c比特信息；第三路通过低通滤波和正负判决后还原标记位s信息，与c比特信息同或即可还原b比特信息；同时由得到的a、c比特信息经过简单的逻辑运算即可还原d比特信息，

本发明的优点及有益效果如下：

本发明提出的基于高阶光DPSK低复杂度系统结构设计方法的创新主要是：根据权利要求2中的星座分析，对传统高阶光DPSK系统进行权利要求3中的星座映射重构，巧妙地改变了比特位的解调复杂度，再结合权利要求4中的辅助标记方法，进一步简化比特位的解调规则，从而获得权利要求5中更为简化的解调过程，最终达到降低系统结构复杂度的目的。同时，随着调制阶数的增加，如权利要求7、8中的DPSK的调制阶数从8增大到16，本发明提出的高阶光DPSK系统在解调端的系统结构比传统系统结构简化程度更明显，分光支路显著减少，每支路所分得的光功率较传统系统有明显的增大，从而利于该路的信号解调，当系统解调规则简化带来的误比特率(Bit Error Rate，BER)的性能提升大于对辅助位传输所带来的BER的性能降低时，整个优化系统在简化了系统结构复杂度的同时，还提升了系统的可靠性。同时，在满足相同通信质量的条件下，本发明中低复杂度系统具有更低的发射功率和更高的能量效率，因此可节省激光器的发射功率。具有一定的应用前景。

附图说明

图1是传统光8DPSK和光16DPSK调制系统结构；

图2为MZM结构简图；

图3为MZM传输特性曲线及示例；

图4为传统光8DPSK解调系统结构；

图5为传统光16DPSK解调系统结构；

图6为MZI内部结构；

图7为光8DPSK信号和光16DPSK信号星座图；

图8为基于星座重构的光8DPSK和光16DPSK优化系统结构；

图9为星座重构后的光8DPSK星座图；

图10为星座重构后的光16DPSK星座图；

图11为光8DPSK系统优化前后随接收光功率变化的不同比特的BER对比；

图12为光16DPSK系统优化前后随接收光功率变化的不同比特的BER对比；

图13为光8DPSK系统和光16DPSK系统优化前后随接收光功率变化的系统BER对比；

图14为光16DPSK系统优化前后在不同湍流强度下随激光发射功率变化的系统BER对比；

图15为光16DPSK优化系统在不同湍流强度下随幅度调制的调制指数变化的系统BER对比。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

针对高阶光DPSK系统现有研究存在的不足，本发明提出一种基于光通信的高阶DPSK优化系统的星座重构方法，并且在光8DPSK和光16DPSK系统中进行了验证。该方法在高阶光DPSK系统解调原理的基础上，在发射端设计并实现了针对高阶DPSK信号星座图的重构方案，通过将相同比特所在的星座点按照一定规则集中起来，以达到简化判决的目的。同时，采用辅助位标记的方法对重构的星座点进行标记。从而辅助判决。综合两种方法，最终实现系统结构的简化。并且随着调制阶数的增大，系统结构复杂度降低愈发明显，所带来的误码性能改善也愈发显著。

图1为传统的光8DPSK和光16DPSK调制系统结构。初始比特序列通过串并转换后输入到差分预编码模块，该模块内需要对输入的绝对码进行差分编码，将绝对码编码为表示相邻符号之差的相对码信息，再通过脉冲生成器加载到电信号上。然后通过马赫曾德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator，MZM)，将携带相对码信息的电信号加载到光信号的相位上，以此实现电信号转变为光信号的过程，由于MZM只能实现0和π的相位变化，因此MZM的输出信号还需要经过不同相移的相位调制器(Phase Modulator，PM)来获得所需的光信号。其中，光8DPSK调制需要将比特序列通过串并行转换分为a、b和c三路进行并行传输，在差分预编码之后输出三路信息I、Q和D以携带相位信息；光16DPSK的调制需要将比特序列通过串并行转换分为a、b、c和d四路进行传输，进入差分预编码模块后输出I、Q、D和E四路携带差分信息的比特序列。差分信息经过脉冲生成器生成电信号，随后由MZM调制到光载波上。光8DPSK调制需要依次通过相移为π/2、π/4，PM，然后输出为光8DPSK信号。光16DPSK的调制需要依次通过相移为π/2、π/4、π/8的三个PM后可获得光16DPSK信号。

整个高阶光DPSK调制系统中最重要的器件就是MZM。它实现了电到光的转变。图2是MZM的结构图，采用铌酸锂(LiNbO

其中，E

高阶光DPSK信号经过FSO信道传输后，在接收端进行放大和滤波，随后进入解调端，由马赫曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer，MZI)进行相干解调，并转化为幅值信息，再经过平衡探测器输出电信号，经减法器得到差分信号，随后经过低通滤波和判决还原原始信息，其中传统解调系统MZI的数量N与调制阶数M(M＝2

其中，Δφ＝φ(t)-φ(t-τ)为光相位差，

但是通过图4和图5可以很明显的看出，随着调制阶数的增大，系统解调端的结构越来越复杂，这对系统的实现成本以及信号的传输质量都造成了很大影响。因此，本发明提出了一种适用于高阶光DPSK系统的星座重构思想，通过星座重构使比特位按照一定规则集中，从而达到简化判决的目的，同时采用辅助标记位进行星座重构点的标记，通过幅度调制传输到接收端，从而简化解调结构。并且随着调制阶数的增大，系统解调结构简化愈渐明显，解调端分光支路减少更多，每支路分得的光功率增大明显，从而使得系统的误码性能提升大于幅度调制所带来的代价，对于高阶光DPSK系统具有很强的可扩展性。

本发明现已经于光8DPSK系统和光16DPSK系统中进行验证。如图8为采用星座重构思想的光8DPSK和光16DPSK优化系统结构将以这两种系统。本发明将以这两种调制阶数为例进行说明。

对于光8DPSK系统而言，根据图4解调原理可知，c比特位的解调更复杂，是由于其所对应的星座点较为分散，使得解调复杂度较大，如图7(a)所示。因此，根据星座重构思想，可以对系统进行如下操作：

1：在差分预编码之后，通过对相邻符号之间的差值进行交换，从而实现以下符号映射关系进行交换：

2：同时，对进行了映射关系变换的符号标记为1，反之为0。通过光信号的幅值来传递标记位的信息。此时FSO信道传输的光信号星座图如图9所示。

3：此时的系统解调端只需要第一、二两路MZI参与解调，MZI的相移

4：最后经过低通滤波和判决后，b比特信息可以通过

对于光16DPSK系统而言，，根据图4解调原理可知，c比特位和d比特位的解调原理更为复杂，其传统星座图如图7(b)所示，根据星座重构思想，可以对系统进行如下操作：

1：为了简化系统结构，在系统差分预编码之后可以进行以下两次星座映射关系变换：

在第一次变换中，c比特位的0和1分别集中在半圆区域，可以通过正和负来判断。第二次变换基于第一次变换，因此d比特位的0和1信息各集中在1/4圆中并呈对角分布，以便通过异或来进行判决。

2：同时，第一次变换的星座点被标记为1，否则为0。同样地通过调制到光信号幅值上来进行传输。经过星座重构后的光16DPSK星座图如图10所示。

3：此时的解调端结构进一步简化，于优化的光8DPSK系统相似，但相移不同。第一路MZI相移为

4：第一路和第二路经低通滤波和正负判决后可直接还原a、c比特信息；第三路通过低通滤波和正负判决后还原标记位s信息，与c比特信息同或即可还原b比特信息；同时由得到的a、c比特信息经过简单的逻辑运算即可还原d比特信息，

从图8可以看出，星座重构后的光16DPSK系统结构类似于光8DPSK系统结构。实线连接的即为光8DPSK优化系统结构，可以明显看出，在调制端，优化的系统结构只多采用一个幅度调制器，但在解调端，优化后的系统结构节省了50％的MZI、37.5％的PIN、50％的电减法器、25％的低通滤波器和25％的判决设备。虚线部分为传输光16DPSK系统需要添加的结构，对于光16DPSK系统，采用星座重构后的优化系统节省了66.7％的MZI、58.3％的PIN、50％的加减法器、50％的低通滤波器和37.5％的判决器。对于整个系统来说，随着调制阶数的增加，采用本发明的系统结构复杂度降低趋势明显。

同时，根据表1的参数设置，通过Optisystem软件模拟了传统的光8DPSK系统、光16DPSK系统和使用本发明提出的星座重构思想的光8DPSK优化系统以及光16DPSK优化系统并对其系统性能进行了测试。

图11和图12分别显示了光8DPSK和光16DPSK系统优化前后不同比特信息的BER。当大气湍流强度为1×10

图13表明，当p

图14比较了光16DPSK传统系统和优化系统在不同激光输出功率下的系统BER。同时，比较了两种系统在分别湍流强度较高时和湍流强度较低时的系统BER。当湍流强度为1×10

图15比较了不同湍流强度和AM调制指数下的BER。激光输出功率和信道衰减分别设置为20dBm和22dB/km。图中标出了四种湍流强度下最低的BER以及对应的调幅指数。如图所示，在相同的湍流条件下，随着调幅指数的增加，BER曲线呈现先减小后增大的趋势。这是由于当调幅指数相对较低时，两幅值之间的差异很小，这很容易导致误判。随着调幅指数的增加，基于AM的部分符号的判断阈值增大，导致误判的概率减小。随着调幅指数的持续增加，较低幅值的光功率损失明显，造成低幅值的光信号受大气信道的影响严重，继而使得BER提升。因此，BER曲线呈现先减小后增大的趋势。此外，可以看出，随着湍流强度的减小，系统的最小BER降低，相应的调幅指数也降低。当湍流强度相对较低时，幅度调制受湍流的影响较小，因此可以通过适当降低调幅指数来提高系统的平均符号功率。当湍流强度较大时，幅度调制受湍流影响较大。通过适当提高调制效率，可以增加幅度信息的判决域，从而提高系统的BER性能。

综上所述，本发明提出的方法适用于高阶光DPSK系统，用以简化系统结构复杂度。基于高阶光DPSK系统的解调原理，针对具体的调制阶数，可灵活的对星座点进行重构变换，以上实例所进行的星座重构方案并不唯一。只需满足本发明提出的星座重构方案，即可构造不同的星座重构方案。即通过改变映射关系，使解调复杂度较高的比特位所对应的星座点，按照该比特位相同取值集中的原则，合理的交换星座点的位置，并通过辅助位标记该交换信息，来达到辅助解调的目的。使系统的结构得到简化，并且随着调制阶数的增大，系统结构的简化程度增大，在中低湍流时，系统的BER性能还能获得一定的提升。由于随着光信号的调制阶数增大，系统的简化程度更高，系统可获得的BER性能可能进一步增大，因此，本发明还具有一定的可拓展性。

表1

还需要说明的是，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、商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、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。