大气湍流扰动自适应对消方法、装置及通信系统

摘要

本发明属于激光通信领域，针对大气湍流使得激光通信时信道衰落，大气湍流造成的扰动输的通信信息传递使得误码率高的问题，提出大气湍流扰动自适应对消方法、装置及通信系统；所述方法包括：根据获取的基准湍流干扰信号进行自适应滤波，得到第一湍流干扰信号；将光纤传输所收到的第一混合信号与所述第一湍流干扰信号进行对消，得到第二混合信号；提取第二混合信号的高通部分进行输出。

权利要求

1.大气湍流扰动自适应对消方法，其特征在于，包括：根据获取的基准湍流干扰信号进行自适应滤波，得到第一湍流干扰信号；

将光纤传输所收到的第一混合信号与所述第一湍流干扰信号进行对消，得到第二混合信号；提取第二混合信号的低通部分，得到误差信号；根据误差信号调整所述自适应滤波；

提取第二混合信号的高通部分进行输出。

2.根据权利要求1所述的大气湍流扰动自适应对消方法，其特征在于，在所述根据误差信号调整所述自适应滤波前，包括：将所述误差信号从光信号格式转化为电信号格式。

3.根据权利要求2所述的大气湍流扰动自适应对消方法，其特征在于，根据误差信号调整所述自适应滤波，具体为：调整所述自适应滤波的参数，以满足所述误差信号的方差值最小。

4.根据权利要求3中所述的大气湍流扰动自适应对消方法，其特征在于，调整所述自适应滤波，具体为：所述自适应滤波采用迭代模型，调整所述迭代模型中的权值，所述参数为所述权值。

5.根据权利要求1所述的大气湍流扰动自适应对消方法，其特征在于，根据获取的基准湍流干扰信号进行自适应滤波，得到第一湍流干扰信号，包括：采集基准湍流干扰信号；

将所述基准湍流干扰信号从光信号格式转化为电信号格式。

6.根据权利要求1所述的大气湍流扰动自适应对消方法，其特征在于：所述将光纤传输所收到的第一混合信号与所述第一湍流干扰信号进行对消，还包括：将光纤传输所收到的第一混合信号与所述第一湍流干扰信号进行反向等幅对消。

7.大气湍流扰动自适应对消装置，其特征在于，包括：采集模块，用于获取光信号格式的基准湍流干扰信号和第一混合信号；

光电转化模块，用于将采集模块所发送的基准湍流干扰信号进行光电转换；

自适应滤波模块，用于对光电转化模块所发送的基准湍流干扰信号进行自适应滤波，得到第一湍流干扰信号；

电光转化模块，用于讲自适应滤波模块所发送的第一湍流干扰信号进行电光转换；

对消模块，用于对采集模块所发送的第一混合信号和电光转化模块所发送的第一湍流干扰信号进行对消，得到第二混合信号；

分光模块，用于对第二混合信号进行高通和低通的分光，分光后的高通部分为第三混合信号，分光后的低通部分为误差信号；

输出模块，用于输出分光模块所发送的第三混合信号。

8.根据权利要求7所述的大气湍流扰动自适应对消装置，其特征在于：所述装置还包括反馈模块；

所述分光模块，还用于将误差信息发送给所述光电转化模块；

所述光电转化模块，还用于将分光模块所发送的误差信号进行光电转换；

所述反馈模块，用于根据所述光电转化模块所发送的误差信号，调整所述自适应滤波模块中自适应模型的参数。

9.大气湍流扰动自适应对消通信系统，其特征在于：包括如权利要求7‑8任一项所述的大气湍流扰动自适应对消装置。

说明书

大气湍流扰动自适应对消方法、装置及通信系统

技术领域

[0001] 本发明属于激光通信领域，具体涉及大气湍流扰动自适应对消方法、装置及通信系统。

背景技术

[0002] 随着第五代移动通信(5G)逐步覆盖，5G基站间的高速信息传输成为业内面临的重大难题，而空间激光通信(FSO)是缓解这一问题的有效途径。纵观国内外，大气层内激光通信性能不高，其原因是多方面的，其中大气湍流扰动问题尤为突出。大气湍流引起信道衰落，产生光强闪烁，对于接收机来说，降低了其探测灵敏度，FSO不得不需要额外的信噪比增量以保证误码率。

[0003] 现有技术中通常用来抑制大气湍流的波动及衰落给信号传输带来的影响，通常采用一下方法：其一，采用多口径发射以弱化强湍流效应，该方法仅能降低强湍流效应，并不能稳定湍流起伏，湍流波动仍然存在，仍然会导致误码；其二，采用大口径接收以平滑湍流起伏，首先激光通信终端体积质量限制，接收口径不能无限制增大，而目前的中小口径激光通信均对湍流的改善情况不佳；其三，电子学上加入主动自适应系统以抑制光斑破碎，这种采用变形镜的方法，能够起到均匀化光斑分布的目的，但是对于激光强度上的变化，改善效果不明显，且整个系统运算复杂，执行带宽低，存在湍流抑制的滞后，不足以改善误码率，加入精密跟踪系统以弱化光束抖动，虽然能够稳定光斑指向，但是这种靠单一振镜的跟踪，对于光功率起伏改善不明显。

发明内容

[0004] 本发明提供大气湍流扰动自适应对消方法、装置及通信系统，用以解决现有技术中，大气湍流使得激光通信时信道衰落，大气湍流造成的扰动输的通信信息传递使得误码率高的问题。

[0005] 本发明提供的基础方案为：大气湍流扰动自适应对消方法，包括：

[0006] 根据获取的基准湍流干扰信号进行自适应滤波，得到第一湍流干扰信号；

[0007] 将光纤传输所收到的第一混合信号与所述第一湍流干扰信号进行对消，得到第二混合信号；

[0008] 提取第二混合信号的高通部分进行输出。

[0009] 有益效果为：第一混合信号包括基准信号和湍流扰动所产生的基准湍流干扰信号，第一混合信号中的基准信号和基准湍流干扰信号是混合在一起的，代表了基准信号经过大气湍流后通信系统的信号接收装置所接收到的信号，其中基准信号为信源所发送的信号。本方案设置自适应滤波模拟由湍流扰动所产生的干扰信号进行光纤通信的过程，通过信号对消的方式得到第二混合信号，使得第二混合信号的高通部分接近基准信号。

[0010] 进一步，所述方法还包括：

[0011] 提取第二混合信号的低通部分，得到误差信号；

[0012] 根据误差信号调整所述自适应滤波。

[0013] 进一步，在所述根据误差信号调整所述自适应滤波前，包括：

[0014] 将所述误差信号从光信号格式转化为电信号格式。

[0015] 进一步，根据误差信号调整所述自适应滤波，具体为：

[0016] 调整所述自适应滤波的参数，以满足所述误差信号的方差值最小。

[0017] 进一步，所述调整自适应滤波具体为：

[0018] 所述自适应滤波采用迭代模型，调整所述迭代模型中的权值，所述参数为所述权值。

[0019] 进一步，根据获取的基准湍流干扰信号进行自适应滤波，得到第一湍流干扰信号，包括：

[0020] 采集基准湍流干扰信号；

[0021] 将所述基准湍流干扰信号从光信号格式转化为电信号格式。

[0022] 进一步，所述将光纤传输所收到的第一混合信号与所述第一湍流干扰信号进行对消，还包括：

[0023] 将光纤传输所收到的第一混合信号与所述第一湍流干扰信号进行反向等幅对消。

[0024] 本发明还提供：大气湍流扰动自适应对消装置，包括：

[0025] 采集模块，用于获取光信号格式的基准湍流干扰信号和第一混合信号；

[0026] 光电转化模块，用于将采集模块所发送的基准湍流干扰信号进行光电转换；

[0027] 自适应滤波模块，用于对转化模块所发送的基准湍流干扰信号进行自适应滤波，得到第一湍流干扰信号；

[0028] 电光转化模块，用于讲自适应滤波模块所发送的第一湍流干扰信号进行电光转换；

[0029] 对消模块，用于对采集模块所发送的第一混合信号和电光转化模块所发送的第一湍流干扰信号进行对消，得到第二混合信号；

[0030] 分光模块，用于对第二混合信号进行高通和低通的分光，分光后的高通部分为第三混合信号，分光后的低通部分为误差信号；

[0031] 输出模块，用于输出分光模块所发送的第三混合信号。

[0032] 进一步，所述装置还包括反馈模块；

[0033] 所述分光模块，还用于将误差信息发送给所述电光转化模块；

[0034] 所述电光转化模块，还用于将分光模块所发送的误差信号进行光电转换；

[0035] 所述反馈模块，用于根据所述光电转化模块所发送的误差信号，调整所述自适应滤波模块中自适应模型的参数。

[0036] 本发明还提供：大气湍流扰动自适应对消通信系统，包括上述任一项所述的大气湍流扰动自适应对消装置。

附图说明

[0037] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

[0038] 图1为本发明第一实施方式提供的大气湍流扰动自适应对消方法的流程图；

[0039] 图2为本发明第一实施方式提供的大气湍流扰动自适应对消方法的理论示意图；

[0040] 图3为本发明第二实施方式提供的大气湍流扰动自适应对消装置的模块示意图；

[0041] 图4为本发明第三实施方式提供的大气湍流扰动自适应对消通信系统的结构示意图。

具体实施方式

[0042] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

[0043] 第一实施方式：

[0044] 本发明实施方式提供了大气湍流扰动自适应对消方法，包括：根据获取的基准湍流干扰信号进行自适应滤波，得到第一湍流干扰信号；将光纤传输所收到的第一混合信号与所述第一湍流干扰信号进行对消，得到第二混合信号；提取第二混合信号的高通部分进行输出。

[0045] 第一混合信号为基准信号和湍流扰动所产生的基准湍流干扰信号由信号接收器所收到的信号，第一混合信号中的基准信号和基准湍流干扰信号是混合在一起的，代表了基准信号经过大气湍流后通信系统的信号接收装置所接收到的信号，其中基准信号为信源所发送的信号。本方案设置自适应滤波模拟由湍流扰动所产生的干扰信号进行光纤通信的过程，通过信号对消的方式得到第二混合信号，使得第二混合信号的高通部分接近基准信号。

[0046] 下面对本实施方式的大气湍流扰动自适应对消方法的实现细节进行具体的说明，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必须，本实施方式的具体流程如图1所示，本实施方式应用于一种大气湍流扰动自适应对消装置。

[0047] 步骤101，获取基准湍流干扰信号v(n)。

[0048] 具体而言，基准湍流干扰信号是指大旗湍流所造成的干扰信号。本步骤101中基础湍流干扰信号可以是由工作人员设定的，也可以是测试的。其中，自行设定的方式方便于模拟，测试所得的方式方便于实践，即，实践过程中采用实地检测出的湍流干扰信号作为基准湍流干扰信号，保证了基准湍流干扰信号的实时性。例如图2所示，测试基准湍流干扰信号通常采用低通探测器PD1来执行。

[0049] 步骤102，根据获取的基准湍流干扰信号v(n)进行自适应滤波，得到第一湍流干扰信号

[0050] 具体而言，自适应滤波的过程中对信号进行处理的滤波函数是W(n)，自适应滤波函数W(n)的参数是可以变化的。自适应滤波采用迭代模型，调整所述迭代模型中的权值，所述参数为所述权值。调整参数使得 的平方差最小，即 的绝对值最小。

[0051] 步骤103，获取第一混合信号d(n)。

[0052] 具体而言，第一混合信号是指基准信号经过大气湍流后通信系统的信号接收装置所接收到的信号。s(n)是指基准信号，基准信号s(n)为信号源所传输信息的载体，v(n)为湍流干扰信号，信号接收器的光纤通道的信号传输函数式h(n)，信号接收器所接受到的第一混合信号就是d(n)＝s’(n)+v’(n)，其中s’(n)为s(n)通过光纤通道h(n)的信号，v’(n)为v(n)通过光纤通道h(n)的信号。

[0053] 步骤104，将第一混合信号d(n)＝s’(n)+v’(n)与第一湍流干扰信号 进行对消，得到第二混合信号。

[0054] 具体而言，将光纤传输所收到的第一混合信号与所述第一湍流干扰信号进行反向等幅对消，那么对消后的信号为 由于步骤102中在调整自适应滤波中迭代模型W(n)中的参数时保证了 的绝对值最小，那么对消后
的第二混合信号中高通部分 无线接近于基带信号s(n)。

[0055] 步骤105，提取第二混合信号的高通部分进行输出。

[0056] 具体而言，由于步骤104中对消后的第二混合信号的高通部分无限接近于基带信号，那么步骤105的实质是使得输出信号无线接近于基带信号。其目的是复原基带信号，便于基带信号上信息载体的读取。

[0057] 在一些实施例中，基准干扰信号v(n)在步骤101和步骤102之间，还将所述基准湍流干扰信号从光信号格式转化为电信号格式，便于后续步骤102中对基准湍流干扰信号进行迭代的自适应滤波处理。

[0058] 在一些实施例中，步骤102中自适应滤波的迭代模型中参数的改变遵循了以下规则：

[0059] S2‑1，提取上个循环周期内提取第二混合信号的低通部分，得到误差信号[0060] S2‑2，对误差信号e(n)进行光电转换；

[0061] S2‑3，根据误差信号调整所述自适应滤波中的参数，以满足所述误差信号的方差值最小。

[0062] 第二实施方式：

[0063] 本发明的第二实施方式提供了大气湍流扰动自适应对消装置，如图3所示，包括：

[0064] 采集模块201，用于获取光信号格式的基准湍流干扰信号和第一混合信号；

[0065] 光电转化模块202，用于将采集模块201所发送的基准湍流干扰信号进行光电转换，将分光模块206所发送的误差信号进行光电转换；

[0066] 自适应滤波模块203，用于对光电转化模块202所发送的基准湍流干扰信号进行自适应滤波，得到第一湍流干扰信号；

[0067] 电光转化模块204，用于将适应滤波模块203所发送的第一湍流干扰信号进行电光转换；

[0068] 对消模块205，用于对采集模块201所发送的第一混合信号和电光转化模块204所发送的第一湍流干扰信号进行对消，得到第二混合信号；

[0069] 分光模块206，用于对第二混合信号进行高通和低通的分光，分光后的高通部分为第三混合信号，分光后的低通部分为误差信号，将第三混合信号发送给输出模块207，将误差信号发送给光电转换模块202；

[0070] 输出模块207，用于输出分光模块206所发送的第三混合信号；

[0071] 反馈模块208，用于根据所述光电转化模块所发送的误差信号，调整所述自适应滤波模块中自适应模型的参数。

[0072] 不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的系统实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

[0073] 值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。

[0074] 第三实施方式：

[0075] 本发明还提供大气湍流扰动自适应对消通信系统，包括第二实施方式中所述的大气湍流扰动自适应对消装置。

[0076] 如图4所示，采集模块201通过前馈探测器探测低频大气湍流的干扰信号v(n)；自适应滤波器包括了光电转换模块202、自适应滤波模块203和电光转化模块4，光电转化模块202通过ADC量化器实现，自适应滤波模块203中采用了迭代模型公式W(n)，电光转化模块
204采用DAC转化器实现；对消模块205采用对消激光器、对消通道和光纤合束，光纤合束的第一个输入端是主激光通信通道中所发送的第一混合信号，第二个输入端是对消激光器通过对消通道发送的经过自适应滤波模块203和电光转化模块204所发送的电光转换后的第一湍流干扰信号，输出端通过光纤合束连接到主探测器，对消模块205中的光纤合束所输出的信号为第二混合信号；分光模块206采用主探测器，从而可以将信号分成高通信号和低通信号，主要探测器的输入信号为第二混合信号，主探测器所输出的高通信号为第三混合信号，主探测器所输出的低通信号为误差信号。

[0077] 对应的，空间激光通信光端机瞄准捕获跟踪装置完成空间对准后，将空间光束耦合进多模光纤通道，多模光纤通道进行1:9光纤分束，将90％通信光进入主激光通信通道，10％进入对消通道。在对消通道，前馈探测器探测低频大气湍流光强闪烁起伏信号v(n)，该v(n)为基准湍流干扰信号，经过光电转换，进入自适应滤波器，自适应滤波器调整权值后，通过DAC控制对消激光器加载反相等幅对消信号至光纤合束，此信号与主激光通信通道在主探测器靶面前完成对消，此时主探测器高通部分得到通信基带信号，低通部分得到对消误差信号，自适应滤波器再根据该误差信号，反馈调节自身传递函数和权值，使对消激光器信号与主激光通信信号具有最高的相关性。着重建立主激光通信通道、对消通道的路径方程，建立前馈探测器‑自适应滤波器‑对消激光器‑主探测器的传递函数，采用等效正弦激励测试系统频带响应，并采用湍流分布信号测试系统抑制能力。根据前述方案进行迭代，完成收敛和对消，实现抑制湍流，提高信噪比。

[0078] 以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。