多格式兼容空间激光通信接收装置及方法

本发明属于自由空间光通信，具体涉及一种多格式兼容空间激光通信接收装置及方法。

背景技术：

1、自由空间光通信具有高速率、保密好、轻量化等优点，是未来无线通信领域里重要组成部分。目前远距离高速空间激光通信多采用高灵敏度相干通信体制，相干通信体制可以解调各类先进调制格式。考虑到未来通信网络的兼容性，多格式兼容的接收机得到了快速发展。

2、多格式兼容的接收机主要由光学混频器、平衡探测器、本振激光器等组成，硬件复杂，成本较高且可靠性差，在某些轻小型及动态信道的场景下无法适用。为此，提出了基于kramers-kronig算法的直接探测方式实现多格式兼容接收，同时考虑空间激光通信系统中动态信道（湍流、吸收及散射）等问题，提出基于接收光强抖动及湍流测试混合自适应均衡的方法，该方法改善湍流强度变化下通信信号畸变，提高抗湍流性能。

3、参见赵贺的硕士学位论文“多调制格式兼容高速激光调制发射技术研究”，该论文在发射端利用双iq调制器发射、在接收端采用相干探测，可兼容接收多种通信格式；该接收机由两个光学混频器、四个平衡探测器、两个本振激光器组成，该装置能够有效兼容多种通信格式发射，同时可以兼容接收多种通信格式，具有高速率和高适用性，然而，该方案增加了系统复杂性且维护成本高昂，同时未考虑到在空间激光通信系统中动态信道（湍流等）问题。

4、另外传统基于kramers-kronig算法的接收机可以通过直接探测方式实现对相位调制格式解调，不过基于kramers-kronig算法的接收机都没有实现多格式兼容接收。另外传统接收机面向光纤通信应用场景，面对空间激光通信系统中动态信道（湍流等）特性适用性差。

技术实现思路

1、本发明解决现有系统复杂性高且维护成本高昂，面对空间激光通信系统中动态信道特性适用性差的问题，提出一种基于kramers-kronig算法的自适应均衡多格式兼容空间激光通信接收装置及方法。

2、本发明解决技术问题的技术方案是：

3、多格式兼容空间激光通信接收装置，该装置包括信号源、c波段可调谐激光器、iq调制器、功率放大器、发射天线、接收天线、光纤耦合器、前置放大器、光电探测器、模数转换器、光功率模块、温度脉动仪和fpga；

4、所述信号源与iq调制器通过射频线连接，c波段可调谐激光器与iq调制器通过光纤连接，iq调制器与功率放大器连接，功率放大器与发射天线光纤连接，发射天线与接收天线无线传输，接收天线与光纤耦合器光纤连接，光纤耦合器分别与前置放大器和光功率模块光纤连接，前置放大器、光电探测器、模数转换器依次光纤连接，模数转换器和fpga用射频线连接，光功率模块和温度脉动仪分别通过usb数据线与fpga连接。

5、由信号源产生并发射单边带电信号，并通过iq调制器加载到c波段可调谐激光器产生的光信号上，同时调节iq调制器偏压工作点，将光信号调节为单边带光信号，经过功率放大器放大功率后，将单边带光信号传输给发射天线，发射天线发射单边带光信号经过大气信道被接收天线接收，接收天线将接收的单边带光信号传输给光纤耦合器；光纤耦合器分成两路传输，第一路光信号经过前置放大器将功率放大，放大后的单边带光信号通过光纤接入光电探测器的解调恢复，把光信号转换为电信号，再经过模数转换器把模拟信号转换为数字信号，再将信号传输至fpga进行信号恢复；第二路光信号经过光功率模块连接fpga计算接收光强抖动的闪烁指数实时反馈给fpga，温度脉动仪将大气折射率结构常数实时反馈fpga，fpga针对光强抖动和大气折射率结构常数赋予权重并进行自适应均衡。

6、所述光纤耦合器，将输入光信号按1：99比例分割成两个输出光信号。

7、所述前置放大器，是增益可调型掺铒光纤放大器。

8、多格式兼容空间激光通信接收装置的通信接收方法，该方法包括以下步骤：

9、步骤1，发射多格式单边带光信号；

10、由信号源1产生并发射多格式单边带电信号，通过iq调制器3加载到c波段可调谐激光器2产生1550nm的单边带光信号上，后进入功率放大器4放大单边带光信号的功率，放大后的单边带光信号进入发射天线5中传输；

11、同时切换iq调制器3的偏置点，将偏置点调整正交偏置点时，此时进行各个信号单边带光调制。

12、步骤2，将单边带光信号接收并处理信号为电信号；

13、从iq调制器3发射的单边带光信号利用发射天线5传输到接收天线6后，通过光纤耦合器7分成两路光信号，第一路光信号经过前置放大器8将功率放大，放大后的单边带光信号通过光纤接入光电探测器9的解调恢复，把光信号转换为电信号，再经过模数转换器把模拟信号转换为数字信号，将数字信号传输至fpga13进行信号恢复，第二路光信号经过光功率模块11连接fpga13计算接收光强抖动的闪烁指数实时反馈给fpga13，温度脉动仪12将大气折射率结构常数实时反馈fpga13，fpga13针对光强抖动和大气折射率结构常数赋予权重并进行自适应均衡；

14、步骤3，恢复并自适应均衡解调非相干信号；

15、首先，基于kramers-kronig算法恢复完整信号；然后，先后对信号进行非相干解调方式和相干解调方式；如图2所示；

16、非相干解调方式如下：采用光功率模块11实时获取接收光强抖动，采用温度脉动仪12实时获取了大气折射率结构常数数值；fpga13基于接收光强抖动和湍流测试的结果，采用rls算法进行自适应均衡；经过自适应均衡、阈值判决，比特同步与误码率计算完成非相干解调；

17、自适应均衡具体内容如下：基于接收光强抖动和湍流测试rls算法的自适应均衡，实时更新遗忘因子，通过这种方式能够更好适应湍流环境变化：

18、  （一）；

19、其中，表示代价函数，用于最小化加权误差平方和，是时间序列，表示误差信号，是期望输出，是滤波器系数向量，是输入信号，是遗忘因子；

20、遗忘因子更新公式如下：

21、  （二）；

22、其中，是更新遗忘因子，是初始值，是光强抖动闪烁指数，和是更新权重；

23、如果非相干解调方式解出信号，误码率符合条件，即完成ook解调，如出现误码率大于0.1直接进入相干解调方式（步骤4），依次进入psk解调过程。

24、步骤4，恢复并自适应均衡解调相干信号；

25、信号依次经过时钟恢复、恒模均衡、频偏估计、相位恢复得到判决前信号，该信号经过与步骤3相同的自适应均衡后，进行比特同步与误码率计算完成解调；

26、步骤5，判定通信状态并重启解调系统；

27、若步骤4仍未完成解调（误码率仍大于0.1），判定当前信道环境差，无法实现无差错传输，默认当前调制格式为psk，等待一段时间后重新进入步骤3。

28、本发明的有益效果是：

29、本发明主要实现的功能有：基于kramers-kronig算法实现多格式信号的调制与解调；基于接收光强抖动及湍流测试混合自适应均衡。

30、1）相比与传统相干探测的多格式信号解调，基于kramers-kronig算法的解调结构和算法在无需格式识别情况下完成多格式信号解调，节省硬件逻辑资源和系统功耗，同时减少了本振激光器、平衡探测器、光学混频器等硬件，降低了对系统硬件的要求，成本较低且可靠性高。

31、2）本发明基于接收光强抖动和湍流测试混合自适应均衡的方法，能够有效改善湍流强度变化下通信信号畸变，从而有利于多格式的判决并提高通信误码性能。