CN101729142A - 一种fso系统中接收功率自动控制的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种FSO系统中接收功率自动控制的方法，在自由空间光通信系统的探测器接收装置中采用自动伸缩控制接收孔径角的方法来控制接收光功率，控制接收孔径角是通过可调孔径光阑来实现的，光功率采样系统对探测器定时采样，采样值输入微处理器，与微处理器中存储的可接收光功率范围值进行比较并进行处理：当接收光功率范围值低于定值时，使光阑孔径增大，当接收光功率范围值高于定值时，减少光阑孔径；处理结果用来控制步进电机对光阑的一端进行位置移动，从而改变光阑的通光孔径，实现对接收光功率接收范围的控制。通过调节探测光强的大小，有效降低接收端光功率的变化范围，进一步增强了系统的稳定可靠性。
Description
一、技术领域
本发明是一种采用自动伸缩控制接收孔径角的方法来控制接收光功率的设计，适合于自由空间光通信系统(FSO)。
二、背景技术
光纤通信与无线通信是当前的热门技术，自由空间光通信系统是二者结合的产物。
典型的FSO系统(如图1所示)主要由光学收、发天线和终端设备组成，长距离传送时增加相应的中继设备。发送终端的激光器经信号电流调制后，发射出带有信号的激光。经过大气信道传输后，到达接收终端，光信号被光电探测器处理后，还原为电信号，完成信号的传递。
不同于光纤通信，FSO是在大气信道中传输信号的。由于大气信道的特性以及接收端探测器的噪声影响，接收光功率有着很大的动态范围，带来较大的误码率。
1.接收功率动态范围分析
大气中存在着多种气体以及各种微粒，如尘埃、烟、雾、小水滴等。还可能要发生各种复杂的气象现象，如雨、雾、雪、风等。这些因素，对光波有衰减作用，会使激光能量大大减少，或者使激光偏离原来的传输方向，破坏了激光原有的特性。这些影响主要来自以下几个方面：大气中悬浮微粒的散射，大气中气体分子的吸收和大气湍流的偏折作用。
在整个信号传播过程中，大气信道造成的损耗最大，而且由于大气的不稳定性，如天气的变化，白天黑夜的不同等，使得大气损耗也很不稳定(表1是各种天气情况下大气传输信道衰耗的统计值)。可以看到在晴天通信距离能达到数十公里的通信系统，在大雾时，可能连一公里也保证不了。同样，如果保证了大雾天气的正常通信而对接收端不作任何调整的话，接收端的功率接收就有很大的动态范围。
表1各种气候条件下自由空间光通信传输信道的损耗
另外，对接收功率动态范围影响最大的就是距离问题。同一套FSO系统可以应用在不同的场合，也就是发射端和接收端的距离有了不同。从表1可以看出，尤其是在雨雾天气，不同距离造成的大气损耗相差很大。所以对同样结构的FSO产品，在不同应用距离时，接收功率动态范围很大。
2.探测器端编码的机理
接收端的光强分布由于湍流等因素的影响，出现闪烁的光斑分布，可以认为在接收面上是均匀分布的。入射光经光电探测器转换后，化为电信号。电脉冲信号的幅度与入射光强有函数关系：在一般的应用范围内，呈线性关系；光强过大时，受探测器件饱和效应的影响。
图2为一般探测器件的响应曲线。I为实际的光强信号，Ir为探测器件测出的光强信号。0-Ids为探测器件线性响应区；I＞Ids为探测器件饱和区。
经过探测器得到的电脉冲信号已经发生了畸变，为了提高接收系统的可靠性，通常要在输出端安排一个识别电路，常用的识别电路由限幅整形器和抽样判决器组成。限幅整形器是把接收信号整理成“近似的方波”，即把低于限幅门限的信号变成0电位，而把高于限幅门限的信号变成有电脉冲，如图3(b)。抽样判决器是在每一接收基带波形的中心附近，对其进行抽样，然后将抽样值与判决门限进行比较，若抽样值大于门限值，则判为“有”基带波形存在，否则就判为“无”基带波形存在。这样就获得一系列新的基带波形，如图3(c)。
3.误码率分析
由第一部分分析得知，由于全天候增强FSO通信系统中，大气空间衰耗非常不稳定，须留有较大的光传输功率预算。尽管光接收机可以有约20dB的动态范围，都难以保证光功率不过载。而经探测器端编码后，较大的光功率变化范围就出现编码判断错误：接收光功率值很大时，受探测器饱和效应的影响，其转化的电脉冲幅度可能不变，且容易对探测器造成伤害；接收光功率值较小时，在识别电路中会造成误判，带来误码率的增加。
综上可知，在全天候增强FSO通信系统中，由于大气空间衰耗的不稳定，在接收端接收光功率变化很大，带来误码率的增加。本发明采用自动伸缩控制接收孔径角的方法来控制接收光功率，使用电机适时控制可调光阑改变通光孔径，调节入射光强的大小，可以有效降低接收端光功率的变化范围，减小误码率。
光阑由不透光的相互平行的两块矩形片组成，矩形片的间距由步进电机控制，用来调整通光孔径。经过光阑后的入射光被光电探测器转换为电信号，被光功率采样系统等周期采样，采样值输入微处理器，经过微处理器的程序处理输出控制信号到步进电机，改变光阑通光孔径，完成整个闭环反馈回路。见图4。
FSO技术始于六十年代军事通信，近年卷土重来并广泛应用于城域接入、应急通信等众多场合，2001年被评为世界十大电信热点技术，具有广阔的市场前景。接收端系统的改进可降低系统的误码率，提高通信的可靠性，有着非常重要的意义。
三、发明内容
本发明目的是：提出一种FSO系统中接收功率自动控制的方法，尤其是利用电机适时控制可调光阑改变通光孔径，调节入射光强的大小，可以有效降低接收端光功率的变化范围，减小误码率，从而增加FSO系统传输距离，提高信噪比，同时进一步增强了系统的稳定可靠性。
本发明的目的是这样实现的：FSO系统中接收功率自动控制的方法，在自由空间光通信系统的探测器接收装置中采用自动伸缩控制接收孔径角的方法来控制接收光功率，控制接收孔径角是通过可调孔径光阑来实现的，光功率采样系统对探测器定时采样，采样值输入微处理器，与微处理器中存储的可接收光功率范围值进行比较并进行处理：当接收光功率范围值低于定值时，使光阑孔径增大，当接收光功率范围值高于定值时，减少光阑孔径；处理结果用来控制步进电机对光阑的一端进行位置移动，从而改变光阑的通光孔径，实现对接收光功率接收范围的控制。
本发明由可调孔径光阑，光功率探测器，光功率采样系统，微处理器及步进电机组合成具有适时调节接收光功率的探测器接收系统。
相应的设计参数有：根据通信速率和步进电机参数的要求设定采样周期(Hz量级)；根据探测器性能和误码率要求可接收光功率范围段(红外波段，主要通信波长780nm-850nm，1310nm，1550nm，接收光功率范围-40～0dBm，)。由于大气损耗对光功率的影响最大，且天气的变化频率远小于采样频率，所以在相同的天气内，接收光功率变化比较平缓。微处理器对每个采样周期初进行判断，控制光阑可移端的移动方向。对于恒速的步进电机，每个周期的孔径变化都相等，可被用来对电机参数作出选择。而接收光功率的变化则不确定，与光阑位置有关，但随光阑孔径的变化有固定的单调变化关系。
本发明的有益效果是：采用可调孔径光阑改变通光孔径，调节接收光强大小。用微处理器控制步进电机调节光阑孔径，程序简单，设计简洁，控制方便，精度高，即时性好。本发明中，光阑位置的不同会造成接收光功率受光阑调制变化速率的不同，可用来针对不同外在因素带来的接收光功率变化率的情况。光阑位于光学天线与探测器之间，独立于两者，不改变原有光路，不对既有探测结构作任何改变。本发明特点还在于实现降低接收端光功率范围，减小误码率，增强了系统的稳定可靠性。
四、附图说明
图1FSO系统示意图
图2一般探测器件响应曲线
图3接收端识别电路原理图
图4本发明结构框图
五、具体实施方式
本发明所采用的设计制作步骤是：
1.根据系统整体设计要求确定光阑位置和光阑可调孔径大小。涉及的设计参数有接收光学天线的孔径和焦距，光功率探测器的接收孔径(典型PIN和APD在155M至2.5G速率下为100-300um)，光功率探测器的灵敏度(-30～-50dBm)和动态范围(20～30dBm)。
2.光阑位于接收光学天线和光功率探测器之间，采用矩形片结构，分隔成两个相互平行的上下两端，如一端在上部固定，一端在下部受步进电机控制向上或向下运动。
3.光功率采样采用脉冲定时采样的方式，采样周期根据使用情况进行设置，由于大气损耗对光功率的影响最大，且天气的变化频率远小于采样频率，所以在相同的天气内，接收光功率变化比较平缓。采样频率一般在Hz量级，采样间隔为秒或分。
4.光功率采样到的光能量转变为电压(或电流)信号，经A/D转换器后至微处理器。为防止电机频繁启动和降低短时随机干扰的影响，采样信号进行平均化处理，采用5-10个连续采样信号进行平均。
5.微处理器对采样得到的信号值进行判断，与设定参数做差值等运算，根据差值的正负和大小控制光阑可移端的移动方向和移动距离。
6.根据光阑可调孔径范围和采样周期确定步进电机的行程和转速。步进电机的控制参数由采样值和设定值之差以及采样周期决定，实际运行前需进行实验定标。
7.本发明装置构成，调试系统，优化各设计参数，使系统正常化。
Claims (2)
1.FSO系统中接收功率自动控制的方法，其特征是在自由空间光通信系统的探测器接收装置中采用自动伸缩控制接收孔径角的方法来控制接收光功率，控制接收孔径角是通过可调孔径光阑来实现的，光功率采样系统对探测器定时采样，采样值输入微处理器，与微处理器中存储的可接收光功率范围值进行比较并进行处理：当接收光功率范围值低于定值时，使光阑孔径增大，当接收光功率范围值高于定值时，减少光阑孔径；处理结果用来控制步进电机对光阑的一端进行位置移动，从而改变光阑的通光孔径，实现对接收光功率接收范围的控制。
2.根据权利要求1所述的FSO系统中接收功率自动控制的方法，其特征是所述可调孔径光阑采用矩形结构，由两片相互平行的矩形挡光板组成，分隔成两个相互平行的上下两端，一端在上部固定，一端在下部受步进电机控制向上或向下运动。
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