本發(fā)明涉及信號(hào)傳輸領(lǐng)域，尤其涉及一種降低信號(hào)中斷概率的多路接收融合方法及其驗(yàn)證系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著大量新應(yīng)用(如無人技術(shù)、人工智能、在線互動(dòng)等)對(duì)信道容量的需求增加，傳統(tǒng)的多路復(fù)用方法(如時(shí)間、極化、模式、波長等)在不久的將來將無法滿足這些需求。為了減輕上述情況疑慮，最有效的方法就是探索一個(gè)新的獨(dú)立自由空間多路復(fù)用的維度，這有望提高信道容量(cc)和頻譜效率(se)。由于不同oam模式之間的正交性以及hilbert所估測的oam模式數(shù)量是無限的，所以每個(gè)oam模式都可以視為一個(gè)獨(dú)立通道，然后通過空分復(fù)用(sdm)來使用。此外，oam模式與其他傳統(tǒng)物理空間無關(guān)，這意味著基于oam的sdm兼容其他傳統(tǒng)的多路復(fù)用方法，從而顯著提高信道容量和頻譜效率。雖然通過將基于oam的sdm與傳統(tǒng)復(fù)用技術(shù)結(jié)合，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超過現(xiàn)有tbit/s數(shù)據(jù)速率，但在oam基礎(chǔ)通信系統(tǒng)中，由串?dāng)_、湍流、光纖損耗等引起的信號(hào)中斷或衰落是不可避免的。當(dāng)接收到的比特錯(cuò)誤率(ber)達(dá)到高水平并超過誤碼糾正能力時(shí)，依舊可能導(dǎo)致通信中斷。

2、特別是對(duì)基于oam的sdm和長距離通信系統(tǒng)，通常采用弱耦合oam光纖作為傳播介質(zhì)，具有較低的傳播損耗，其中設(shè)計(jì)了芯層和包層之間的折射率對(duì)比度(ric)較低。雖然在基于omg的sdm中，可以在不同的oam模式組(omg)之間實(shí)現(xiàn)較大的有效折射率差(δneff)，但在同一omg內(nèi)的oam模式之間有效折射率差較小是不可避免的。這容易導(dǎo)致同一omg內(nèi)的oam模式之間產(chǎn)生嚴(yán)重的串?dāng)_，特別是在低階omg中，從而增加信號(hào)中斷的概率。緩解信號(hào)中斷問題，主要可以分為三種，包括自適應(yīng)光學(xué)、基于mimo的數(shù)字信號(hào)處理和深度學(xué)習(xí)。然而，當(dāng)基于oam的sdm與傳統(tǒng)的多路復(fù)用技術(shù)聯(lián)合多路復(fù)用時(shí)，隨著數(shù)字信號(hào)處理中多路復(fù)用通道數(shù)量的增加mimo的復(fù)雜性明顯增加。此外，在傳統(tǒng)的omg復(fù)用系統(tǒng)中，僅選擇和接收一種oam模式進(jìn)行解調(diào)，而傳播的信號(hào)可能會(huì)由于不同oam模式之間的串?dāng)_而被中斷。因此，需要一種簡潔而有效的方法來降低長距離oam通信系統(tǒng)中的信號(hào)中斷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種降低信號(hào)中斷概率的多路接收融合方法及其驗(yàn)證系統(tǒng)。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明所述的降低信號(hào)中斷概率的多路接收融合方法，包括如下步驟：

3、(1)dmt信號(hào)調(diào)制、oam多路同時(shí)調(diào)制；

4、(2)oam模式組復(fù)用；

5、(3)oam模式組內(nèi)多路解調(diào)、融合接收和數(shù)據(jù)分析。

6、進(jìn)一步地，所述步驟(1)dmt信號(hào)調(diào)制通過dmt信號(hào)射頻信號(hào)調(diào)制模塊實(shí)現(xiàn)，完成用戶原始隨機(jī)數(shù)據(jù)的qam調(diào)制和dmt封裝。

7、進(jìn)一步地，所述步驟(1)中dmt信號(hào)調(diào)制包括：

8、(1.1)采用二進(jìn)制偽隨機(jī)多項(xiàng)式x20+x3+1產(chǎn)生隨機(jī)的長度為220-1比特的串行數(shù)據(jù)，模擬用戶實(shí)際的數(shù)據(jù)；

9、(1.2)將產(chǎn)生的串行用戶數(shù)據(jù)依次轉(zhuǎn)換為一系列連續(xù)的長度為4比特長的并行數(shù)據(jù)組；

10、(1.3)將產(chǎn)生的4比特長的偽隨機(jī)數(shù)據(jù)映射成一個(gè)16進(jìn)制的符號(hào)，并采用正交幅度調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)4比特?cái)?shù)據(jù)的qam-16調(diào)制；

11、(1.4)通過光束分離器，將qam-16調(diào)制信號(hào)分成相等的兩路；

12、(1.5)采用共軛轉(zhuǎn)換方法，一路qam-16調(diào)整信號(hào)轉(zhuǎn)化為其共軛信號(hào)；

13、(1.6)采用加法器，將qam-16與qam-16’相加，抵消掉信號(hào)中的虛數(shù)部分，獲得僅包含實(shí)數(shù)部分2倍的信號(hào)，形成64路離散多音調(diào)信號(hào)；

14、(1.7)通過傅里葉逆變換，將dmt信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)域信號(hào)；

15、(1.8)在產(chǎn)生的dmt信號(hào)前面，按照一定的時(shí)序要求，插入固定開銷循環(huán)前綴字節(jié)(cp)，實(shí)現(xiàn)不同符號(hào)間的隔離；

16、(1.9)在cp前部直接插入長訓(xùn)練序列，便于信號(hào)同步和信道估計(jì)；

17、(1.10)通過一個(gè)并串轉(zhuǎn)換模塊，封裝后的dmt信號(hào)被轉(zhuǎn)化為串行的信號(hào)；

18、(1.11)采用一個(gè)矢量信號(hào)發(fā)生器，將dmt信號(hào)調(diào)制到模擬的射頻信號(hào)；

19、(1.12)產(chǎn)生的攜帶dmt信號(hào)的射頻信號(hào)和一個(gè)激光器一起驅(qū)動(dòng)一個(gè)馬赫曾德爾調(diào)制器，從而實(shí)現(xiàn)用戶信號(hào)調(diào)制到高斯光載波上，實(shí)現(xiàn)用戶信號(hào)的光傳輸。

20、進(jìn)一步地，所述步驟(1)中oam多路同時(shí)調(diào)制包括：

21、(2.1)將傳輸?shù)膅b光入射到一個(gè)多螺旋相位調(diào)制片上；

22、(2.2)設(shè)計(jì)一個(gè)多螺旋相位調(diào)制片，其中包括l＝1，tc＝1、l＝2，tc＝2和l＝3，tc＝3三個(gè)oam螺旋相位，按照衍射角0度，90度和180度排列，從而構(gòu)建三角形排列的多螺旋相位調(diào)制片；

23、(2.3)調(diào)制出的oam光分別沿不同的衍射角度輸出，完成不同oam模式光同時(shí)調(diào)制。

24、進(jìn)一步地，所述步驟(2)中oam模式組復(fù)用包括：

25、(3.1)通過物鏡調(diào)制后的3路oam模式組光分別被耦合進(jìn)光纖陣列耦合器的3個(gè)輸入端口光纖；

26、(3.2)采用一個(gè)光纖陣列耦合器，實(shí)現(xiàn)3路不同oam模式光耦合或復(fù)用為1路oam光；

27、(3.3)光纖陣列耦合器主要包含兩個(gè)部分，一個(gè)是輸入部分，一個(gè)是錐化耦合部分。其中輸入部分主要功能是實(shí)現(xiàn)接收自由空間oam光耦合進(jìn)光纖陣列耦合器的3路接口光纖，錐化部分功能主要是實(shí)現(xiàn)復(fù)用3路oam光為1路oam光。采用光纖錐化法分別錐化傳輸?shù)?路oam光纖直徑為微米，微米，微米，其中neff表示不同模式的等效折射系數(shù)，并與一根oam光纖相熔接，從而實(shí)現(xiàn)不同傳輸路徑的oam光耦合和復(fù)用。

28、進(jìn)一步地，所述oam光纖為三層結(jié)構(gòu)，它們的半徑分別為r1＝1.82um，r2＝7.80um和r3＝62.5um，折射系數(shù)分別為n1，n1＝1.448，n2，n2＝1.455和n3，n3＝1.444。

29、進(jìn)一步地，所述oam光纖性能的驗(yàn)證包括：

30、采用有限元方法分析光纖支持的oam模式等效折射系數(shù)分布；

31、依據(jù)等效折射系數(shù)分布，分析不同模式組間的群延遲；

32、采用光時(shí)域反射法，分析oam光纖支持的模式組的傳輸損耗。

33、進(jìn)一步地，所述步驟(3)中oam模式組內(nèi)多路解調(diào)、融合接收和數(shù)據(jù)分析通過oam模式組內(nèi)多路oam模式解調(diào)和融合模塊實(shí)現(xiàn)，解調(diào)和融合模塊解調(diào)模式組內(nèi)一對(duì)共軛模式，并采用最大比率融合方法制定不同oam模式間的權(quán)重系數(shù)，恢復(fù)出用戶信號(hào)，避免信號(hào)中斷；傳輸oam模式可表示為或者其中上標(biāo)±表示左/右圓偏振，下標(biāo)±表示左/右旋轉(zhuǎn)相位，m表示徑向系數(shù)，|l|表示tc的絕對(duì)值。

34、進(jìn)一步地，所述步驟(3)包括：

35、(4.1)光纖中傳輸?shù)囊环Noam模式光oaml，m的能量更容易泄露到其它模式組內(nèi)的其它oam模式導(dǎo)致能量分裂，造成信道中實(shí)際傳輸?shù)臑?種oam模式；

36、(4.2)通過1個(gè)四分之一波片，左圓/右圓偏振的oam光分別被轉(zhuǎn)化為x水平/y垂直偏振oam組合光oam|l|，m+oam-|l|，m；

37、(4.3)通過1個(gè)半波片，y垂直偏振支路的oam組合光被轉(zhuǎn)位x水平偏振的oam組合光；

38、(4.4)通過1個(gè)光束合并分離器，兩路x水平偏振光被合并成一路只包含x水平偏振的oam光組合oam|l|，m+oam-|l|，m，并被均等分成6路；

39、(4.5)當(dāng)6路光束分別照射進(jìn)攜帶l＝±1～±3螺旋光束相位的螺旋片1～6后，6路傳輸?shù)膐am光束，p1～6，被相應(yīng)地轉(zhuǎn)換為高斯光束1～6；

40、(4.6)當(dāng)6路高斯光束分別照射6個(gè)光電探測器后，6高斯光束攜帶的射頻信號(hào)分別被轉(zhuǎn)化為電信號(hào)1～6，其中光電探測器只對(duì)射頻信號(hào)起作用，對(duì)6路光載波信號(hào)是無效的；

41、(4.7)根據(jù)接收到的3個(gè)模式組|l|＝1,2,3內(nèi)的6路電信號(hào)1～6分別進(jìn)行dmt解幀和獲得l＝±1～±3攜帶的原始用戶數(shù)據(jù)，其主要包括串并轉(zhuǎn)換、幀頭搜索與定位、去除訓(xùn)練序列、去除冗余循環(huán)前綴、傅里葉變換、qam解調(diào)。

42、(4.8)采用誤差矢量幅度法，聯(lián)合每個(gè)模式組內(nèi)2路共軛，l＝±1/±2/±3，輸入的電信號(hào)1-2/3-4/5-6，測量它們聯(lián)合獲得的evm，并確定evm最小點(diǎn)處的電信號(hào)1/3/5，l＝+1/+2/+3，和電信號(hào)的2/4/6，l＝-1/-2/-3占的百分比，并把這個(gè)百分比作為模式組內(nèi)兩個(gè)電信號(hào)的權(quán)重系數(shù)；

43、(4.9)按照獲得的權(quán)重系數(shù)，采用dsp方法，提出初始每個(gè)模式組攜帶的數(shù)據(jù)，|l|＝1,2,3；

44、(4.10)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行誤碼率ber分析和星座圖cp分析；

45、(4.11)根據(jù)獲得的ber和cp圖，分析信號(hào)中斷概率和進(jìn)行系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)，其中當(dāng)誤碼率大于3.8×10-3時(shí)，誤碼是不可糾正的且導(dǎo)致信號(hào)中斷，得出系統(tǒng)是否可以可靠的傳輸數(shù)據(jù)。

46、本發(fā)明所述的降低信號(hào)中斷概率的多路接收融合方法的驗(yàn)證系統(tǒng)，包括：載波上的用戶數(shù)據(jù)調(diào)制模塊、oam模式調(diào)制與傳播模塊以及oam解調(diào)和離線處理模塊；

47、所述載波上的用戶數(shù)據(jù)調(diào)制模塊包括ea：電放大器，pc：偏振控制器，q：四分之一波片，h：半波片，bpf：帶通濾波器，ol：物鏡，oc：光耦合器，c：準(zhǔn)直器，p：偏振器，bs：分束器，m：反射鏡，smf：單模光纖，ecl：外腔激光器；

48、所述oam模式調(diào)制與傳播模塊包括m：反射鏡，fac：光纖陣列耦合器，edfa：摻鉺光纖放大器；

49、所述oam解調(diào)和離線處理模塊包括voa：可變光衰減器，ccd：電荷耦合器，vpp：渦流相位片，awg：任意波形發(fā)生器，l：透鏡。

50、有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)：在omg中接收一對(duì)共軛oam模式，用于解調(diào)由我們?cè)O(shè)計(jì)的wcof傳播的多路復(fù)用omg；設(shè)計(jì)并制備了一種具有三層結(jié)構(gòu)的wcof，其中芯層和包層之間的ric小于1％，降低了所支持矢量模式的傳播損耗，并可以獲得不同omg之間的最小有效折射率差；在所支持的模式下，實(shí)現(xiàn)了最大0.289db/km的傳播損耗，所提出的wcof可以用于基于oam的omg多路復(fù)用，具有較低的傳播損耗；且提升了基于omg的多路復(fù)用光纖系統(tǒng)的信道容量，減輕了信號(hào)的中斷。