CN102611506B - 光脉冲位置调制信号接收机及其数据处理方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于自由空间光通信的光脉冲位置调制信号接收机及其数据处理方法，该信号接收机由光电倍增管、电信号处理模块和液晶显示器组成，其中电信号处理模块由模拟数字转换器、先进先出阵列和数字信号处理器组成，光电倍增管将接收到的光信号转换为模拟电信号经过ADC转换为数字信号，并经FIFO输入到DSP中，DSP对数字信号进行匹配滤波、门限判决、帧检测和RS码快速译码，将纠错后的信息传输到显示器上显示。本发明可以解决在不同的信道环境下，基于RS码的光脉冲位置调制信号接收解调解码难题，该接收机运算速度快、可靠性高、使用方便、扩展性好。

Description

光脉冲位置调制信号接收机及其数据处理方法

技术领域

本发明涉及光脉冲调制信号(简称OPPM)的接收，尤其涉及基于里德-所罗门码(简称RS码)的光脉冲位置调制信号接收机及其数据处理方法。

背景技术

随着脉冲激光器的不断发展，激光越来越广泛的应用于光通信领域，其中光纤通信传输速度高、成本低，发展迅速。但是由于需要物理链路上实现光纤的连接，不适于无连接的空间通信和移动物体之间的通信。基于自由空间光通信，不仅避免了光纤通信对物理连接的要求，降低了通信成本，而且保密性好。由于激光在大气中传播时，由于受到大气衰减、大气湍流和大气色散的影响，接收到的光脉冲信号的强度、相位、波形和脉冲宽度都会发生变化，普通的开关键控方式虽然简单但是抗干扰能力差，不能满足长距离传输的要求。因此，在自由空间光通信中需采用抗干扰能力更强的OPPM。RS码是一种码长可调，码率高，纠错能力强的纠错码，不仅可以纠正多个分立错误，而且可以纠正突发错误。RS码已经被美国国家航空航天局NASA，欧洲航天局ESA，空间数据系统资讯委员会CCSDS等空间组织用于空间信道纠错。RS码与OPPM调制之间是完全匹配的，协同使用可进一步提高无线光通信的可靠性和适应性。

随着激光光源性能的不断提升和自由空间光通信信道理论的不断完善，对光脉冲信号的接收处理能力也提出了更多的要求：

①数据处理速度高，要求数据的接收处理速度能够达到数据的发送速度。

②可靠性高，能够在较强的背景噪声中提取出脉冲信号，从畸变的脉冲信号中正确的提取出脉冲位置信息，对于错误的码字，能够纠错恢复出发送信息。

③使用方便，体积小集成度高，能够方便地应用于多种硬件条件下。

④扩展性好，系统参数和指标调整方便。

现有的接收机多是基于单片机和比较器为核心的模拟电路实现的，通常称之为硬接收机。硬接收机电路复杂，处理速度低，适应性差，可靠性低，并且系统参数一经设置不能改变，缺乏扩展空间。基于计算机的接收处理系统体积庞大，不便使用。对于RS译码，一种硬件电路只能针对一种码，灵活性差，同时由于RS码译码算法比较复杂，普通单片机甚至数字信号处理器处理起来耗时长，难以达到快速的译码纠错，无法满足目前对于光信号接收处理能力的要求。

发明内容

本发明要解决的问题在于克服上述传统硬接收机和基于计算机的接收处理系统在自由空间光通信应用中所面临的问题，为满足目前对光通信接收处理能力的要求，提供一种光脉冲位置调制信号接收机及其数据处理方法，本接收机可以解决在不同的信道，背景噪声和脉冲畸变下，基于RS码的OPPM的接收解调解码难题，该接收机运算速度快、可靠性高、使用方便、扩展性好，适可用于自由空间光通信等领域。

本发明的技术解决方案如下：

一种光脉冲位置调制信号接收机，其特点在于该接收机由光电倍增管、电信号处理模块和液晶显示器组成，其中电信号处理模块由模拟数字转换器、先进先出阵列和数字信号处理器组成并集成在一块电路板上，所述的光电倍增管将接收到的光信号转换为模拟电信号经过模拟数字转换器转换为数字信号，并经先进先出阵列输入到数字信号处理器中，该数字信号处理器对数字信号进行匹配滤波、门限判决、帧检测和RS码快速译码，将纠错后的信息传输到液晶显示器上显示。

所述的数字信号处理器的芯片是TMS320C64XX系列芯片。

所述的光脉冲位置调制信号接收机对数字信号的处理方法，包括下列步骤：

①光电倍增管输入的模拟信号由所述的模拟数字转换器)转换成数字信号输入所述的先进先出阵列；

②所述的数字信号处理器判断先进先出阵列中数据是否达到半满，当达到半满时，数字信号处理器接收所述的先进先出阵列一半容量的数据；

③匹配滤波：数字信号处理器以5个分立值表示信号脉冲采样波形序列，按照时间顺序对所接收的数字信号序列进行卷积，得到匹配滤波后的数字信号序列；

④门限判决：当所述的匹配滤波后的数字信号序列低于门限值N，认为没有脉冲信号，当匹配滤波后的数字信号序列超过门限值N，认为收到脉冲信号，并存储该脉冲信号的位置信息；

⑤帧检测：将脉冲位置信息转换为码元；

⑥RS码快速译码：对所述的码元进行RS码快速译码，成功进入步骤⑦，否则返回①；

⑦输出译码送液晶显示器显示；

⑧判断是否停止接收数据，不停止则返回①，停止则关闭数字信号处理器(123)。

所述的RS码快速译码是在4个周期内并行实现4次伽罗华域乘法，伽罗华域乘法第一操作数由4个1字节二进制无符号数组成，分别为伽罗华域乘法第一操作数的最高字节、伽罗华域乘法第一操作数的次高字节、伽罗华域乘法第一操作数的次低字节、伽罗华域乘法第一操作数的最低字节，伽罗华域乘法第二操作数也由4个1字节二进制无符号数组成，分别为伽罗华域乘法第二操作数的最高字节、伽罗华域乘法第二操作数的次高字节、伽罗华域乘法第二操作数的次低字节、伽罗华域乘法第二操作数的最低字节，这两个操作数并行实现4次伽罗华域乘法，伽罗华域乘法结果也由4个1字节二进制无符号数组成，分别为伽罗华域乘法结果的最高字节、伽罗华域乘法结果的次高字节、伽罗华域乘法结果的次低字节、伽罗华域乘法结果的最低字节。

所述的RS码快速译码的过程包括下列步骤：

①计算伴随式；

②根据伴随式，判断码字中是否存在错误，当没错误则转入步骤⑧；当存在错误则进入步骤③；

③对错误进行判断：

当只有一个错误，则判断错误位置是否在信息位，当只存在一个错误且错误位置不在信息位，则转步骤⑧；

当只存在一个错误且错误位置在信息位，则计算错误值，再转入步骤⑦；

当存在多个错误，则进入步骤④；

④通过BM算法求错误位置多项式；

⑤钱搜索求错误位置；

⑥福尼算法求错误值；

⑦按位异或求正确码字；

⑧截取正确的信息位。

本发明的优点在于：

①本发明的数据处理速度高，采用TMS320C64XX系列DSP芯片，时钟频率高并且能并行实现伽罗华域乘法，数据的接收处理速度能够达到数据的发送速度。

②本发明的可靠性高，采用匹配滤波，更能在较强的背景噪声中提取出脉冲信号，从畸变的脉冲信号中正确的提取出脉冲位置信息，采用RS码译码，对于错误的码字，能够纠错恢复出发送信息。

③本发明使用灵活，所述的电信号处理模块由模拟数字转换器、先进先出阵列和数字信号处理器组成并集成在一块电路板上，体积小集成度高，能够方便地应用于多种硬件条件下。

④本发明扩展性好，利用DSP实现对ADC和FIFO的控制，可以在不改变硬件连接的情况下方便的调整设置，满足不同的系统参数和指标要求。

附图说明

图1为本发明光脉冲位置调制信号接收机的整体结构示意图；

图2为本发明光脉冲位置调制信号接收机的匹配滤波示意图；

图3为本发明光脉冲位置调制信号接收机的DSPC64XX芯片并行实现4次伽罗华域乘法的示意图；

图4为本发明光脉冲位置调制信号接收机的DSP对数字信号处理的流程图；

图5为本发明光脉冲位置调制信号接收机的DSP对数字信号的RS快速译码的流程图。

图中：110—光电倍增管、120—电信号处理模块、130—液晶显示器、121—模拟数字转换器ADC、122—先进先出阵列FIFO、123—数字信号处理器DSP、201—信号脉冲采样波形、202—输入数字信号序列、203—匹配滤波后的数字信号序列、300—伽罗华域乘法第一操作数、310—伽罗华域乘法第二操作数，320—伽罗华域乘法结果、301—伽罗华域乘法第一操作数的最高字节、302—伽罗华域乘法第一操作数的次高字节、303—伽罗华域乘法第一操作数的次低字节、304—伽罗华域乘法第一操作数的最低字节、311—伽罗华域乘法第二操作数的最高字节、312—伽罗华域乘法第二操作数的次高字节、313—伽罗华域乘法第二操作数的次低字节、314—伽罗华域乘法第二操作数的最低字节、321—伽罗华域乘法结果的最高字节、322—伽罗华域乘法结果的次高字节、323—伽罗华域乘法结果的次低字节、324—伽罗华域乘法结果的最低字节。

具体实施方式

本发明装置以某场合下的自由空间激光通讯为实施例，采用16进制光脉冲位置调制方式，RS(15,9)码。预期背景噪声光和探测器内部噪声在ADC输入端折合为均值μ_n为500mV，标准差σ_n为100mV的电压信号；接收的信号脉冲宽度为500ns，信号脉冲在模拟数字转换器ADC输入端折合为均值分别μ_p为500、3500、4500、2500、500mV，标准差均σ_p为100mV的电压信号序列。下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应该以此限制本发明的保护范围。

首先请参照图1，图1为本发明光脉冲位置调制信号接收机的整体机构示意图，由图可见，本发明光脉冲位置调制信号接收机，由光电倍增管110、电信号处理模块120和液晶显示器130组成，其中电信号处理模块120由模拟数字转换器121、先进先出阵列122和数字信号处理器123组成并集成在一块电路板上，所述的光电倍增管110将接收到的光信号转换为模拟电信号经过模拟数字转换器121转换为数字信号，并经先进先出阵列122输入到数字信号处理器123中，该数字信号处理器123对数字信号进行匹配滤波、门限判决、帧检测和RS码快速译码，将纠错后的信息传输到液晶显示器130上显示。

其次请参考图2，图2为本发明光脉冲位置调制信号接收机的匹配滤波示意图，用于从输入数字信号序列202中提取脉冲信号。由图2可见，信号脉冲采样波形201滑动窗口由5个分立的脉冲值组成，依次通过输入数字信号序列202，数据序列卷积之后得到匹配滤波后的数字信号序列203，脉冲位置更加清晰的凸显出来。

然后请参考图3，图3为本发明光脉冲位置调制信号接收机的DSPC64XX芯片并行实现4次伽罗华域乘法的示意图。由图3可知，两个伽罗华域乘法操作数(300和310)分别打包4组8比特二进制无符号数(分别为301,302,303,304和311,312,313,314)，并行实现4次伽罗华域乘法，伽罗华域乘法结果(320)也为4组8比特二进制无符号数(分别为321,322,323,324)，在4个周期内并行实现4次伽罗华域乘法可显著提高解码速度。

接着请参考图4，图4为本发明光脉冲位置调制信号接收机的DSP对数字信号处理的流程图。由图4可知，在FIFO122中数据半满时，DSP123将其中数据接收并进行匹配滤波，将得到匹配滤波后的数字信号序列与判决门限N相比确定脉冲信号的位置，检测帧头并将其后的脉冲位置信息转换为码元，RS码快速译码后将正确的信息在显示器上显示。

最后请参考图5，图5为本发明光脉冲位置调制信号接收机的DSP123对数字信号的RS码快速译码的流程图。由图5可知，对于接收到的码字，首先进行有无错误、是否只有一个错误以及这一个错误是否在信息位三个判断，并针对没有错误、仅有一个错误且不在信息位、仅有一个错误且在信息位以及存在多个错误，分别采用直接截取正确信息位、直接截取正确信息位、求错误值+求正确码字+截取正确的信息位和BM算法求错误位置多项式+钱搜索求错误位置+福尼算法求错误值+按位异或求正确码字+截取正确的信息位等四种不同的处理方式。

本实施例采用的具体器件有，采样率为10Mbps的14位ADC121，深度为512K、宽度为18位的FIFO122，时钟频率为720MHz的TMS320C6416的DSP123。

结合图1、图2、图3、图4和图5，本实施例的光脉冲位置调制信号接收机的工作具体过称是：

①参数设置和器件准备：编写程序并烧入DSP123，设置ADC122的采样率为10Mbps，以FIFO122的半满标志位为查询位，半满则进行DMA传输，并为数据开辟内存空间，帧头检测和脉冲检测需要与信号发送端相匹配，设帧头为{1高，22低，1高，23低，1高，24低，1高，2低}的脉冲序列，每个码元进行16为脉冲位置调制PPM，后面紧跟4个低脉冲作为静默时间，一帧信号长为175个脉冲周期，设定信号脉冲采样波形201序列的相对值为{1,9,7,5,1}。由于有脉冲信号和无脉冲信号的概率比为1:19，利用最小平均错误概率准则，判决门限N满足计算可得N＝26407mV，此时误码率低于2.5×10^-7，编写程序并烧入DSP123。

②DSP123接收FIFO122的数据：运行DSP123，判断FIFO122中数据是否达到半满，如果没有半满则等待继续判断，若果已达到半满则DSP123接收FIFO122一半容量(即526K，14位)的数据。

③匹配滤波：信号脉冲采样波形201序列的相对值{1,9,7,5,1}按照时间顺序对DSP122输入数字信号序列卷积202，经过匹配滤波之后的数字信号序列203脉冲值更加凸显，脉冲位置更加准确，其最大值对应于脉冲中间位置，对比更加明显，匹配滤波之后噪声呈均值μ_n为17500mV，标准差σ_n为1253mV的正态分布，信号脉冲呈均值μ_p为78500mV，标准差σ_p为9792mV的正态分布。

④门限判决：根据参数设置，如果匹配滤波之后的数字信号序列(203)高于门限N，则认为有脉冲信号，低于门限N则认为没有脉冲信号，有脉冲则相应位置标记为高，没有脉冲则相应位置标记为低。

⑤帧检测：如果接收的脉冲是{1高，22低，1高，23低，1高，24低，1高，2低}的脉冲序列，则证明检测到帧头，如果不是，则舍弃第一个脉冲信号的位置信息并添加再次接收的脉冲信号的位置信息，继续与帧头脉冲位置信息比对，直到检测到帧头。将脉冲位置信息转换为码元，对于第i位脉冲位置信息L_i按照C_i＝(L_i-3)mod(20)方式求出对应的第i位的码元C_i。

⑥RS码快速译码：当接收的码元个数已达到15或者接收时间已达到175个脉冲间隔，认为接收完毕，接收的码元按照时间循序排列即为接收到的码字，进行RS码快速译码。首先求伴随式S₀，S₁，S₂，S₃，S₄，S₅，如果S₀＝S₁＝S₂＝S₃＝S₄＝S₅＝0，则码字没有错误，其前9位就是信息位；S₀，S₁，S₂，S₃，S₄，S₅中有一个或多于一个值不为0，则认为码字有错误，接下来判断是否只有一个错误，如果则表明有一个错误位置为i，当i≥9时，错误位置不在信息位，其前9位就是信息位，如果i≤8，则错误位置在信息位，需要利用e_i＝S₁αⁱ求错误值，再将e_i与C_i按位异或求出正确码字，其前9位信息位。如果错误值多于1个，则依次进行BM算法求错误位置多项式、钱搜索求错误位置、福尼算法求错误值、按位异或求正确码字，最后截取正确的信息位。

⑦显示：如果RS码译码成功则将数据显示，否则返回②继续进行数据处理。

Claims (3)

1.一种光脉冲位置调制信号接收机对数字信号的处理方法，其特征是，该方法包括下列步骤：

①光电倍增管(110)输入的模拟信号由模拟数字转换器(121)转换成数字信号输入先进先出阵列(122)；

②数字信号处理器(123)判断先进先出阵列(122)中数据是否达到半满，当达到半满时，数字信号处理器(123)接收所述的先进先出阵列(122)一半容量的数据；

③匹配滤波：数字信号处理器(123)以5个分立值表示信号脉冲采样波形序列(201)，按照时间顺序对所接收的数字信号序列(202)进行卷积，得到匹配滤波后的数字信号序列(203)；

④门限判决：当匹配滤波后的数字信号序列(203)低于门限值N，认为没有脉冲信号，当匹配滤波后的数字信号序列(203)超过门限值N，认为收到脉冲信号，并存储该脉冲信号的位置信息；

⑤帧检测：将脉冲信号的位置信息转换为码元；

⑥RS码快速译码：对所述的码元进行RS码快速译码，成功进入步骤⑦，否则返回①；

⑦输出译码送液晶显示器(130)显示；

⑧判断是否停止接收数据，不停止则返回①，停止则关闭数字信号处理器(123)。

2.根据权利要求1所述的数字信号的处理方法，其特征是：所述的RS码快速译码是在4个周期内并行实现4次伽罗华域乘法，伽罗华域乘法第一操作数(300)由4个1字节二进制无符号数组成，分别为伽罗华域乘法第一操作数(300)的最高字节(301)、伽罗华域乘法第一操作数(300)的次高字节(302)、伽罗华域乘法第一操作数(300)的次低字节(303)、伽罗华域乘法第一操作数(300)的最低字节(304)，伽罗华域乘法第二操作数(310)也由4个1字节二进制无符号数组成，分别为伽罗华域乘法第二操作数(310)的最高字节(311)、伽罗华域乘法第二操作数(310)的次高字节(312)、伽罗华域乘法第二操作数(310)的次低字节(313)、伽罗华域乘法第二操作数(310)的最低字节(314)，这两个操作数并行实现4次伽罗华域乘法，伽罗华域乘法结果(320)也由4个1字节二进制无符号数组成，分别为伽罗华域乘法结果(320)的最高字节(321)、伽罗华域乘法结果(320)的次高字节(322)、伽罗华域乘法结果(320)的次低字节(323)、伽罗华域乘法结果(320)的最低字节(324)。

3.根据权利要求1所述的数字信号的处理方法，其特征是：所述的RS码快速译码的过程包括下列步骤：

ⅰ.计算伴随式；

ⅱ.根据伴随式，判断码字中是否存在错误，当没错误则转入步骤ⅷ；当存在错误则进入步骤ⅲ；

ⅲ.对错误进行判断：

当只有一个错误，则判断错误位置是否在信息位，当只存在一个错误且错误位置不在信息位，则转步骤ⅷ.；

当只存在一个错误且错误位置在信息位，则计算错误值，再转入步骤ⅶ；

当存在多个错误，则进入步骤ⅳ；

ⅳ.通过BM算法求错误位置多项式；

ⅴ.钱搜索求错误位置；

ⅵ.福尼算法求错误值；

ⅶ.按位异或求正确码字；

ⅷ.截取正确的信息位。