一种基于频域均衡的降低涡旋光信号抖动方法及系统

技术领域

本发明涉及一种信号处理方法，尤其涉及一种基于频域均衡的降低涡旋光信号抖动方法及系统。

背景技术

近年来，科学家和工程师们已经充分地利用大量的物理空间(例如：时间，频率，偏振和波长等)及其相应的各种各样的单个的或混合的复用技术，显著地提高了自由空间光通信(FSOC)和光纤光通信(OFC)的信道容量和频谱利用率。然而，在没有探索的新的可复用的物理量的情况下，层出不穷的各种各样的新颖的应用(例如：无人驾驶、元宇宙等)不久将会耗尽现有的信道容量和频谱利用率。幸运地，在1992年艾伦等科学家发现了具有螺旋相位的涡旋光能够携带光子轨道角量(OAM)。涡旋光也可被称为OAM光，可以被表示成一个旋转相位因子exp(ilθ)，其中l和θ分别表示拓扑电荷和方位角。与采用传统的物理量复用方法相比，由于不同l的OAM模式之间存在相互正交性和OAM模式数量理论上的无穷性，基于OAM复用的涡旋光通信方式也可被潜在地用于提高信道容量和频谱效率领域。尤其在自由空间，与传统的无线电射频通信相比，自由空间光通信具有更宽的频谱资源、更大的信道容量和更高的通信安全性[11-12]。因此，科学家们充分利用涡旋光和自由空间的各自优点，利用基于OAM空分复用(OAM-based SDM)的FSOC技术，实现了高达Terabit/s(Tb/s,太比特)的传输速率。在2012，王等人的项目组采用混合OAM复用(4个OAM模式)和频分复用(2个偏振方向)的方法，实现了一个传输速率可达Terabit/s(Tb/s,太比特)的自由空间涡旋光通信信道，极大地提高了自由空间光通信的信道容量和频谱效率。在2021年，Scaffardi的团队采用混合OAM复用(10个模式)和波分复用(16个波长)的方法，实现了传输速率高达19.2Tb/s的信道。然而，大气自由空间存在的不可避免的大气湍流扰动(AT)容易造成涡旋光螺旋相位失真，造成不同的OAM模式间能量相互泄漏(串扰，crosstalk)，导致符号间的信道抖动，严重地威胁到OAM-based SDM的FSOC系统通信质量。

为了降低AT对OAM-based的FSOC系统的不利影响，科学家和工程师们已经报道了大量的理论方法和实验方法。这些方法大致可分为两种类型：一种是光补偿法(OC)；另一种是数字信号处理方法(DSP)。OC方法已经获得了越来越多的关注和已经被广泛的研究，主要包括自适应光补偿(AOC)法和深度学习(DL)法。在2018年，Yin等人的课题组设计了一种混合的输入-输出算法，采用一个OAM探测光和AT传感器，实现了自适应地补偿中受损的涡旋光的螺旋相位，降低了AT的影响，提高了OAM-based的FOSC系统性能。在2021年，王等人项目组提出一种集成的DL方法的方法，采用一种卷积神经网络(CCN)模型，建立受损能量剖面和扰动相位之间的映射关系，实现了AT影响下的OAM-based FSOC相位补偿。然而，为了实现AOC，科学家和工程师们需要采够大量的贵重的仪器设备(例如：波前相位传感器，波前相位纠正器和反馈光路控制器等)，造成高额的实验成本和复杂的光路结构；DL方法需要依据输入的失真的OAM光的能量剖面，提取出失真相位，预测出正确的相位，纠正失真的相位，实现光补偿。因此，DL方法中的CCN模型需要事先分布进行训练和测试，且其复杂度随着随着复用的信道数增加而显著增加。除了上述的OC方法，DSP方法已经被认为是一个有效地降低AT影响的令人称赞的手段，主要包括多输入多输出(MIMO)方法，信道编/解码(coding/decoding)方法等。在2016年，王等人的项目组采用一种低密度奇偶校验码(LDPC)，降低AT对OAM传输和复用的影响。然而，采用的LDPC码中的纠正矩阵容易导致一定的冗余和有限的星座图汇聚度。在2019年，李等人课题组提出一种MIMO均衡方法，采用2中OAM模式和2×2的MIMO模型，抑制AT对地面站和无人机之间OAM复用的FSOC信道的影响。采用的MIMO均衡算法的复杂度随着复用的OAM信道数量增加而增加，制约了大规模信道复用技术的发展。然而，对于基于OAM复用的FSOC系统，AT不仅能造成OAM信道间的串扰，而且引起随机噪声导致的信号抖动问题。信号抖动问题也严重影响了基于OAM的FSOC系统的质量，需要被仔细地考虑和消除。

大气湍流(AT)扰动引起的随机噪声导致了OAM光传输的信号发生抖动现象，导致符号之间相互干扰和误码率的增加，从而降低了自由空间OAM光通信系统的性能，严重制约了OAM光通信技术的普及和发展。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决上述的AT导致的OAM信道中的信号抖动问题，我们提出了一种新的频域均衡方法(EMFD)，改善基于OAM复用的FSOC系统性能。采用的EMFD方法主要利用最小二乘法，求出最小的随机噪声的估计信道响应矩阵，实现降低随机噪声的目的，抑制AT对基于OAM复用的FSOC系统的信道抖动的影响，从而提高系统性能。

技术方案如下：

一种基于频域均衡的降低涡旋光信号抖动方法，包括以下步骤：

步骤1：正交频分复用OFDM信号调制到高斯光载波上；

步骤2：利用步骤1获得的高斯光载波产生、复用和传输涡旋光信号，并在传输中加入AT扰动；

步骤3：解调涡旋光信号和线下数据处理；

步骤4：利用频域均衡方法降低AT扰动对涡旋光信号的影响。

进一步的，所述步骤1包括：

(1.1)伪随机序列PRBS数据产生；

(1.2)调制伪随机序列PRBS数据为正交调幅QAM信号；

(1.3)转换正交调幅QAM信号为正交频分复用OFDM信号；

(1.4)正交频分复用OFDM信号与高斯光载波一起被输入到强度直接调制模块，实现ODFM信号调制到高斯光载波上。

进一步的，所述步骤2包括：

(2.1)高斯光载波被光耦合器分成两路相同的子光路构建两个OAM信道；

(2.2)两个子光路经过不同长度的单模光纤传输后，减轻两条光路之间的相关性，实现两条独立的不相干的高斯光路；

(2.3)采用两个携带不同拓扑电荷的螺旋相位板VPP1和VPP2，转换两个独立的高斯光路为两个不同的OAM光路l

(2.4)采用光分离/合并器实现两路涡旋光合并成一路复用的涡旋光，实现两路涡旋光的复用l

(2.5)构建不同强度的AT信道，当入射光照射到装载AT相位屏的SLM上时，信道中传输光路受到AT扰动的影响，造成相位发生畸变，产生随机噪声和信道抖动的不利影响。

进一步的，所述步骤3包括：

(3.1)受AT干扰后的复用的OAM光被光分离/合并器分成两路相同的OAM光，它们分别照射到OAM解调模块的中的两个分别携带-l

(3.2)解调后的两路高斯光分别照到的光强度直接解调模块中的两个PD模块，转换光信道转为电信号，两个PD模块检测后电信号分别被输入线下处理模块，实现用户数据提取、性能分析和频域均衡。

进一步的，线下数据处理中，接收到OFDM帧信号中的训练序列TS信号是一个重要部分，可用于符号同步、信道估计、相位偏移纠正，所述步骤4包括：

接收到的OFDM帧信号中的TS信号被描述为：

其中y

Y

其中Y

其中上标*符号表示复数的共轭运算；在等式(3)中，当K值取最小值时，随机噪声项P

其中

/>

通过上述的最小化噪声方法，频域均衡方法可被用于减轻或消除AT对OAM光的影响。

进一步的，当所有载波都被采用时，总的信道估计矩阵CEM被表示为：

其中n

一种基于频域均衡的降低涡旋光信号抖动系统，包括激励信号产生模块，信号调制模块，信号解调模块，频域均衡处理模块；

所述激励信号产生模块将正交频分复用OFDM信号调制到高斯光载波上；

所述信号调制模块利用激励信号产生模块获得的高斯光载波产生、复用和传输涡旋光信号，并在传输中加入AT扰动；

所述信号解调模块解调涡旋光信号和线下数据处理；

所述频域均衡处理模块利用频域均衡方法降低AT扰动对涡旋光信号的影响。

进一步的，所述频域均衡处理模块对接收到的OFDM帧信号中的TS信号描述为：

其中y

Y

其中Y

其中上标*符号表示复数的共轭运算；在等式(3)中，当K值取最小值时，随机噪声项P

其中

通过上述的最小化噪声方法，频域均衡方法可被用于减轻或消除AT对OAM光的影响。

进一步的，当所有载波都被采用时，总的信道估计矩阵CEM被表示为：

其中n

一种基于频域均衡的降低涡旋光信号抖动装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现所述的基于频域均衡的降低涡旋光信号抖动方法。

有益效果：本发明首次提出一种基于频域均衡的降低涡旋光信号抖动方法，其中采用最小二乘(LS)算法优化随机噪声，获得最佳的估计响应矩阵，从而降低AT导致的OAM信号的抖动，降低符号间相互干扰的概率，提高OAM通信系统的性能，能有效推动自由空间OAM通信技术发展。

附图说明

图1为本发明所述一种基于频域均衡的降低涡旋光信号抖动方法流程图；

图2为传输10米后中等强度AT干扰下的采用/未采用EMFD方法接收到的信号幅度和信号相位；其中(a)-信号幅度，(b)-信号相位；

图3为本发明实施例所述实验平台，其中PC：偏振控制器，EDFA：掺珥光纤放大器，BPF：带通滤波器，OC：光耦合器，C：准直器，P：偏振片，H：半波片，SLM：空间光调制器，BS：光分离器，SMF：单模光纤，ECL：电吸收激光器，VOA：可变的光衰减器，M：反光镜，CCD：摄像机，AWG：任意波形发送器，L：透镜，IFFT：快速傅里叶逆变换，S/P：串并转换，P/S：并串转换，VPP：螺旋相位板，PD：光电检测器，CP：冗余前缀；

图4为捕获到的l＝+1和l＝-1OAM光的能量剖面图和干涉图，其中(a1)W/O AT条件下的l＝+1能量剖面图，(a2)W.AT条件下的l＝+1能量剖面图，(a3)S.AT条件下的l＝+1能量剖面图，(c1)W/O AT条件下l＝+1OAM光和高斯光的干涉图，(a1)W/O AT条件下的l＝-1能量剖面图，(b2)W.AT条件下的l＝-1能量剖面图，(b3)S.AT条件下的l＝-1能量剖面图，(c2)W/O AT条件下l＝-1OAM光和高斯光的干涉图，(d1)图(C1)的TC分析图，(d2)图(C2)的TC分析图；

图5为测量到的不同强度AT下的(a)噪声和信号分布和(b)OAM模式谱分布；

图6为复用的OAM光传输不同AT强度信道后测量到的信道误码率(a)l＝+1和(b)l＝-1,和星座图分布(c)l＝+1和(d)l＝-1；

图7为l＝+1信道在S.AT条件下和不同传输速率影响下测量到的BER；

图8为l＝+1信道在S.AT条件下和不同传输距离影响下测量到的BER。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示,本专利提供了一种基于频域均衡的降低涡旋光信号抖动方法流程图

步骤1：产生正交频分复用(OFDM)的信号和直接能量调制OFDM信号到高斯光载波上。

在图1中，图1(a)中主要包括伪随机序列(PRBS)数据产生模块，正交调幅信号产生模块(QAM)，高斯光载波模块和直接强度调制(IM)模块。依据伪随机多项式x

步骤2：产生、复用和传输涡旋光调制信号

如图1(b)所示，本步骤主要包括OAM调制模块1、OAM调制模块2、OAM复用模块和AT扰动信道。调制后高斯光载波被光耦合器分成两路相同的子光路用于构建两个OAM信道。两个子光路经过不同长度的单模光纤(SMF)传输后，减轻两条光路之间的相关性，实现两条独立的不相干的光路。OAM调制模块1和2采用两个携带不同拓扑电荷的螺旋相位板(VPP1和VPP2)，转换两个独立的高斯光路为两个不同的OAM光路(l

步骤3：解调涡旋光和线下数据处理

如图1(c)所示，OAM光解调和线下处理模块主要包括三个子模块，它们分别是OAM解调模块，光强度直接解调(DD)模块和线下处理模块。受AT干扰后的复用的OAM光被BS分成两路相同的OAM光，它们分别照射到OAM解调模块的中的两个分别携带-l

针对TS信号，本发明提出一种频域均衡方法降低涡旋光信号抖动方法，降低TS信号受到AT的影响，降低符号间的干扰，提高OAM光的通信质量。在接收端，接收到的OFDM帧中的TS信号可被描述为：

其中y

Y

其中Y

K＝||W

其中上标*符号表示复数的共轭运算。在等式(3)中，当K值取最小值时，随机噪声项P

其中

因此，通过上述的最小化噪声方法，本发明所提出的频域均衡方法(EMFD)可被用于减轻或消除AT对OAM光的影响。上述的研究只针对单个载波，当所有载波都被采用时，总的信道估计矩阵(CEM)能被表示为：

其中n

为了评估本发明所提出的方法，我们分析了接收到信号的幅度和相位，其传输距离和AT强度分别被设置为10米和中等强度的扰动

如图3所示，为了验证上述方法的可行性和正确性，我们建立了一个实验验证平台。在没有其它说明情况下，实验中的光波长，传输距离和数据速率分别被设置为1550nm，10m和10Gb/s。整个实验步骤可分为三个步骤，它们分别是OFDM信号产生，涡旋光的调制和传输，涡旋光的解调和性能分析。

首先，一个PRBS模块采用多项式x

其次，为了便于OFDM信号的传输，上一步产生的OFDM数字信号被任意波形发生器(AWG)被转换为OFDM模拟信号。一个直流(DC)偏置模块和偏置电源(bias-tee)组合成一个能量调制(IM)控制器，控制一个电吸收调制器(EML)实现OFDM模拟信号调制光载波上。通过上述步骤，OFDM信号能够成功调制到光载波上并沿着单模光纤(SMF)传输。为了提高光信号传输质量，一个掺珥光纤放大器(EDFA1)和一个带通滤波器(BPF1)分别被用于放大单模光纤中传输的光信号和滤除放大器自发发射的噪声。随后，调理后光信号被一个光耦合器(OC1)均等地分成三个支路，其中上支路和中间支路被用于调制出两个OAM光(例如l＝+1和l＝-1)，最后一个支路通过与OAM光干涉的方式被用于识别OAM模式的参考光支路。经过不同长度SMF传输后，三者支路的相关性被减弱，可被认为三条互不相关的独立光支路。三个准直器(C1，C2和C3)分别被用于耦合三个支路光纤光为三束自由空间光。在每条光路上，焦距为“2f”的透镜(L1/L3/L5)和焦距为“f”的透镜(L2/L4/L6)组成一个“3f”光束放大器，提高光束尺寸。较大光束尺寸不仅有利于提高高斯光转换为OAM光的效率而且还有利高斯光和OAM光的相互干涉。为了保证传输光的线性偏振性，每天支路上的一个偏振器(P1/P2/P4)和一个半波片(H1/H2/H4)被组成一个光束偏振控制器，调整每条支路传输的自由空间光为线性偏振光。在上、中两个支路，两个螺旋相位片(VPP1和VPP2)分别被用于转换上、中两个支路传输的高斯光为l＝+1OAM光和l＝-1OAM光。通过一个光分离/合成器(BS1)产生的l＝+1OAM光和l＝-1OAM光被复用成一束OAM光。通过装载不同强度的AT相位屏，一个空间光调制器(SLM1)被用于模拟AT信道，其中强度

最后，受AT干扰的OAM光按照10：90的比例被BS2分成两份，其中10％部分通过BS3被用于与参考高斯光相干涉，90％部分被用于OAM光的解调。经过P3和H3组成的偏正器后，90％部分涡旋光被调制为线性偏正光。一个摄像机(CCD)被用于捕获10％部分OAM光的能量图和其与高斯参考光的干涉图。线性偏正调制后的OAM光被BS4均匀地分成相等的两个支路，其中一条支路通过照射VPP3后，其携带的l＝+1OAM光被转换为高斯光，另一条支路通过照射VPP4后，其携带的l＝-1OAM光也被转换成高斯光。解调后的两路高速光分入照射进两个光电检测器,其光信号分别被转换为电信号。一个线下模块被用于分析和处理两路电信号，评估系统性能。

在实验中，两种OAM模式(l＝+1和l＝-1)分别被选择和复用为两路OAM光载波信道。当两路涡旋光复用传输不同强度AT后，图4显示了CCD捕获到的不同AT强度下的OAM光能量剖面和干涉图.图4(a1)～图4(a4)分别显示了没有使用EMFD时不同AT强度下捕获到的OAM光能量剖面图，表明了随着AT强度的增加OAM光的能量剖畸变程度变越来越严重。图4(c1)描述了在无AT影响下的捕获到的图(a1)OAM光和高斯参考光的干涉图，显示只有一个干涉条纹，表明接收到的OAM模式的绝对值是1。通过在图4(C1)中添加两条不同半径的天蓝色参考圆Cir.1和红色Cir.2,图4(d1)描述了图(C1)中两个参考圆上的能量分布图，显示了Cir.1的能量峰值出现早于Cir.2的峰值，表明了接收到的涡旋光相位旋转方位为逆时针方向。结合前面分析的图4(a1)的OAM值的绝对值1和逆时针旋转的相位方向，我们可以得出图4(a1)描述的涡旋光为l＝+1的OAM光。采用相似的方法，图4(b1)～图4(b4)分别显示了没有使用EMFD时不同AT强度下捕获到的OAM光能量剖面图，表明了随着AT强度的增加OAM光的能量受干扰越来越严重。图4(c2)描述了在无AT影响下的捕获到的图(b1)OAM光和高斯参考光的干涉图，其显示只有一个干涉条纹，表明接收到的OAM模式的绝对值也是1。通过在图4(C2)中添加两条不同半径的天蓝色参考圆Cir.1和红色Cir.2,图4(d2)描述了图(C2)中两个参考圆上的能量分布图，显示了Cir.2的能量峰值出现早于Cir.1的峰值，表明了接收到的涡旋光相位旋转方位为顺时针方向。根据前面分析的图4(b1)的OAM值绝对值为1和顺时针旋转的相位方向，我们可以得出图3(b1)描述的涡旋光为l＝-1的OAM光。上述分析结果表明发送的OAM光经过不同前度AT干扰后能被成功地捕获到。

根据上述的分析，AT导致的随机噪声和串扰是威胁OAM光通信的两个重要参数和具有非常大的研究价值。图5(a)分别描述了不同强度AT下测量到的噪声和信号分布。与没有AT干扰相比，随着AT强度的增加，l＝+1/l＝-1信道噪声分别增加了2.04/2.02dB,5.56/5.55dB和9.17/9.11dB。相反地，与没有AT干扰相比，随着AT强度的增加，l＝+1/l＝-1信道信号分别减少了0.72/0.71dB,2.03/2.06dB,3.55/3.53dB。图4(b)描述了强度归一化后的测量到的OAM模式谱，其发散的OAM模式谱可被近似地认为OAM的串扰。在图4(b)中，由于AT的影响，两个OAM光l＝+1和l＝-1携带的能量被泄露到它们相邻的OAM模式(l＝-3,-2,0,1,2,3)，从而造成OAM模式间的串扰。图5(b)也表明了随着AT强度的增加，串扰越来越严重，其与图4(a)中描述的噪声强度的增加或信号强度的减小是高度一致的。图4捕获到的l＝+1和l＝-1OAM光的能量剖面图和干涉图，(a1)W/O AT条件下的l＝+1能量剖面图，(a2)W.AT条件下的l＝+1能量剖面图，(a3)S.AT条件下的l＝+1能量剖面图，(c1)W/O AT条件下l＝+1OAM光和高斯光的干涉图，(a1)W/O AT条件下的l＝-1能量剖面图，(b2)W.AT条件下的l＝-1能量剖面图，(b3)S.AT条件下的l＝-1能量剖面图，(c2)W/O AT条件下l＝-1OAM光和高斯光的干涉图，(d1)图(C1)的TC分析图，(d2)图(C2)的TC分析图.

为了证明本发明所提方案的可行性和正确性，误码率(BER)和星座图(CP)分布被用于分析不同强度下使用EMFD方法和未使用EMFD方法下的OAM光通信系统的性能。当两束OAM光l＝+1和l＝-1复用后传输通过不同强度AT信道时，图6描述了测量到的两个OAM信道的误码率和QAN-16信号星座图。当随着AT强度从W/O AT增加到W/S.AT时，图6(a)表明测量到的l＝+1信道的误码率性能随AT强度的增加而不断恶化。与无AT干扰(W/O AT)相比，随着复用的OAM信号分别经过W.AT,M.AT,S.AT信道后，没有采用EMFD方法测量到的l＝+1信道的误码率曲线在硬前向可纠错码阈值处(HFEC，3.8×10

对一个FSOC系统来说，传输速率(PR)也是一个评价通信系统性能的重要参数。为了研究不同PR对BER性能的影响，不同传输速率下(10Gbps，20Gbps和40Gbps)使用/未使用EMFD方法的BER性能被研究。由于l＝+1信道和l＝-1具有相似的性能，我们仅仅分析S.AT下的l＝+1信道在不同PR下的BER性能。当复用的OAM光传分别以10Gbps，20Gbps和40Gbps的PR通过S.AT信道后，图7描述了测量到的l＝+1信道BER性能。在图6中，与PR＝10Gbps相比，当复用的OAM以20Gbps和40Gbps的PR通过S.AT信道后，使用EMFD方法测量到误码率性能在3.8×10

此外，传输距离(D)也是FSOC系统的一个重要的参数，一个较长的传输距离意味OAM光在自由空间传输的容易遭受更多的干扰。因此研究不同传输距离对OAM光通信系统性能的影响是非常有必要的。当复用的OAM光在S.AT条件下分别传输10，50和100m后，图8显示了采用EMFD方法测量到的l＝+1信道的BER。在图8中，与D＝10m条件下获得的BER相比，当复用的OAM光在S.AT条件下分别传输50和100m后，采用EMFD方法测量到的BER性能在3.8×10

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。