基于元学习的多体制星地激光通信大气湍流信道估计系统

技术特征：
1.一种基于元学习的多体制星地激光通信大气湍流信道估计系统，其特征在于，包括：多体制数字相干解调星地激光通信系统、基于元学习的大气湍流信道估计模型离线训练系统、高速实时大气湍流信道估计模型在线部署系统；多体制数字相干解调星地激光通信系统在信号传输过程中与基于元学习的大气湍流信道估计模型离线训练系统和高速实时大气湍流信道估计模型在线部署系统相连。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，包括1550nm发射激光器、偏振分束器、信号发生器、双驱动放大器、马赫-曾德尔调制器、偏压控制器、偏振合束器、掺铒光纤放大器（edfa）、单模光纤、本振激光器、光分路器、90
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光混频器、平衡光电二极管、模拟数字转换器、dsp数字信号处理模块；dsp数字信号处理模块包括群同步系统、相位校正系统、频偏估计与补偿系统、相偏估计与补偿系统、信道估计系统、最大比值合并系统；其中：所述1550nm发射激光器，用于给通信系统提供能量；所述偏振分束器，用于将激光器发出的激光信号分成x/y两种偏振态；所述信号发生器，用于将调制好的二进制伪随机码转换成电信号；所述驱动放大器，用于对电信号进行放大，使其足以驱动马赫-曾德尔调制器；所述马赫-曾德尔调制器，用于生成相干光；所述偏压控制器，用于将马赫-曾德尔调制器生成的相干光保持正交性；所述偏振合束器，用于将x/y两种偏振态合并；所述掺铒光纤放大器，用于放大光信号；所述标准单模光纤，用于接收光信号；所述本振激光器，用于进行相干解调；所述光分路器，用于拆分本振激光；所述90
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混频器，用于混合本振光和接收光信号；所述平衡光电二极管，用于将光信号转换为电信号；所述模拟数字转换器，用于将模拟信号转换为数字信号；所述群同步系统，用于进行通信系统同步；所述相位校正系统，用于保证信号正交性；所述频偏估计与补偿系统，用于估计载波频率偏差并补偿此偏差；所述相偏估计与补偿系统，用于估计载波相位偏差并补偿此偏差；所述信道估计系统，用于估计通信信道特性；所述最大比值合并系统，用于进行空间分集波束的合并。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，各部分的连接关系及工作流程为：信号发生器产生调制源，并发送到双驱动放大器；双驱动放大器连接马赫-曾德尔调制器，使其输出信号用作马赫-曾德尔调制器的i沟道和q沟道信号；波长为1550nm的激光器与偏振分束器相连，将光载波信号分为x/y两种偏振状态；当偏置控制器控制马赫-曾德尔调制器的偏置点时，光信号和电信号分别通过两个电信号通道和一个光信号通道输入到马赫-曾德尔调制器，实现电光调制，产生4qam光信号；马赫-曾德尔调制器与edfa相连，发射放大激光信号；通过大气湍流通道后，4qam信号进入接收孔径；经过光束缩小和准直等光学处理后，通过edfa放大并通过单模光纤传输到偏振分束器；它分别分为x/y极化状态以进行解调；它与相应本振激光器输出的1550nm本振光一起进入90
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混频器进行混合相干解调，将信号光从
高频域转换为可检测的中频光信号，然后连接双频探测器，输出两个中频电信号；再连接模数转换器进行模数转换，得到离散采样值；最后，通过dsp模块进行一系列的定向校正和补偿，以提高信号的质量；这里的dsp数字信号处理模块包括信号同步、分集分支的相位校正、频率偏移估计和频率偏移补偿、相位偏移估计和相位偏移补偿、信道估计、最大比率组合、去映射、ber计算。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述基于元学习的大气湍流信道估计模型离线训练系统，包括仿真模拟多信噪比受大气湍流污染导频信号训练数据收集系统、仿真模拟多信噪比大气湍流信道生成系统、基于被污染导频估计信道矩阵全连接网络系统、信道估计模型估计结果损失评估体系、基于元学习策略的lstm优化器系统、lstm优化器梯度下降反馈全连接网络模型联动系统；所述基于元学习的大气湍流信道估计模型离线训练系统中，各部件具体功能如下：所述仿真模拟多信噪比受大气湍流污染导频信号训练数据收集系统，在计算机仿真平台进行通信系统模拟，并导出接收端受污染的导频信号，生成训练集；所述仿真模拟多信噪比大气湍流信道生成系统，用于模拟真实场景的大气湍流信道特性，并生成标签集；所述基于被污染导频估计信道矩阵全连接网络系统，用于估计信道特性，生成相应的信道矩阵；所述信道估计模型估计结果损失评估体系，用于生成代价函数，给下一步调整模型网络参数奠定基础；所述基于元学习策略的lstm优化器系统，用于根据代价函数结果，计算出模型网络参数的调整量；所述lstm优化器梯度下降反馈全连接网络模型联动系统，用于更新模型网络参数。5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述基于元学习的大气湍流信道估计模型离线训练系统各部分的连接关系及工作流程为：离线训练阶段，先由仿真模拟多信噪比受大气湍流污染导频信号训练数据收集系统对接收机处的污染先导信号进行采集和整理，再连接仿真模拟多信噪比大气湍流信道生成系统，利用计算机模拟生成大量不同mimo系统的不同大气湍流通道矩阵，并利用构建的卫星-地面激光mimo通信模拟平台进行虚拟通信，并与相应的大气湍流通道矩阵逐一配对，形成样本和标签，分为训练数据集和测试数据集；连接基于被污染导频估计信道矩阵全连接网络系统，让被大气湍流污染的先导数据传输矩阵通过元学习网络得到基础训练模型；然后再连接信道估计模型估计结果损失评估体系、并根据基于元学习策略的lstm优化器系统、lstm优化器梯度下降反馈全连接网络模型联动系统更新优化网络参数；最后需要将基于元学习的大气湍流信道估计模型离线训练系统得到的网络模型加载到高速实时大气湍流信道估计模型在线部署系统中。6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述高速实时大气湍流信道估计模型在线部署系统，包括实际数字相干解调星地激光通信系统接收端导频信号获取系统、受污染导频信号预处理模块、训练完成在线部署高效模型估计信道特征系统、信道特性反馈激光通信系统进行数字信号处理模块；各部件具体功能如下：所述实际数字相干解调星地激光通信系统接收端导频信号获取系统，用于接收从实验平台接收端传来的数据；
所述受污染导频信号预处理模块，用于处理接收信号，分离导频信号并进行预处理数学计算；所述训练完成在线部署高效模型估计信道特征系统，用于估计真实场景下的信道特性；所述信道特性反馈激光通信系统进行数字信号处理模块，用于将估计出的信道特性传回通信系统，为后续的数字信号处理提供数据。7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述基于元学习的大气湍流信道估计模型离线训练系统各部分的连接关系和工作流程为：在线部署阶段，首先需要将基于元学习的大气湍流信道估计模型离线训练系统中的基于被污染导频估计信道矩阵全连接网络系统部件训练得到的网络模型传入基于元学习的大气湍流信道估计模型离线训练系统中；接着将实际数字相干解调星地激光通信系统与接收端导频信号获取系统与受污染导频信号预处理模块相连，得到处理好的导频信号，再连接训练完成在线部署高效模型估计信道特征系统，在不同的信噪比和不同的环境参数下测试系统性能，并将meta-ce输出的估计信道矩阵用于均衡、最大比率组合等操作，以优化系统性能；再通过信道特性反馈激光通信系统进行数字信号处理模块，让高速实时大气湍流信道估计模型在线部署系统与多体制数字相干解调星地激光通信系统相连，为后续的数字信号处理提供数据。

技术总结
本发明属于激光通信的技术领域，具体为一种基于元学习的多体制星地激光通信大气湍流信道估计系统：利用污染先导数据等在各种湍流信道条件下建立训练数据集，通过元学习网络拟合，让初始数据逐渐拟合并近似于实际标签值，最终实现高精度信道特征估计，重建高精度信道传输矩阵。本发明系统包括：多体制数字相干解调星地激光通信系统、基于元学习的大气湍流信道估计模型离线训练系统、高速实时大气湍流信道估计模型在线部署系统。本发明的信道估计系统简便、高效，在低信噪比、低开销、信道环境恶劣的条件下能快速准确估计出当前信道环境。劣的条件下能快速准确估计出当前信道环境。劣的条件下能快速准确估计出当前信道环境。


技术研发人员：林志霖 谷若诗 周小林 王涵
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：2022.02.28
技术公布日：2022/6/14