CN103973367A - 全双工调制回复反射无线光通信系统及其通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种全双工调制回复反射无线光通信系统及其通信方法。此系统由光收发器端和调制回复反射器端构成。光收发器端向调制回复反射器端发射经过调制的光束。一部分光束将被调制回复反射器端的光探测器接收并解调出光束所携带的数据，此为前向链路；一部分光束将被调制回复反射器端的调制回复反射器接收并调制上此终端的数据，接着此光束将被逆向反射回光收发器端，光收发器端的光探测器则将接收到逆向反射光并解调出回传数据，此为后向链路。本发明的调制回复反射器端功耗低，结构紧凑，适合工作在资源有限的场合。另外，本发明的前向和后向数据传输是同时进行的。因此，本发明有着非常多的重要应用，如无人机通信、目标识别、环境监测等。

Description

全双工调制回复反射无线光通信系统及其通信方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种激光通信技术，具体涉及一种全双工调制回复反射无线光通信系统及其通信方法。

背景技术

无线光通信通常被定义为一种利用激光光束将信息从一点传送到另一点的通信技术。它结合了无线电通信和光纤通信的优点，既具有信道容量大、抗干扰能力强、防窃听能力强以及无需频谱许可证等优点，又无需铺设通信线缆且安装维护便捷。因此，无线光通信不失为一种解决“最后一公里”问题的有效途径，也可作为无线电通信和光纤通信的一种补充技术，并可用于光纤备份、灾后通信恢复、临时的和移动的高速数据链路等。

传统的全双工无线光通信链路两端都需要装备有光收发器，其包含光发射器、光探测器、高精度跟踪瞄准设备、以及相关的信号处理系统等。这些部件使得光收发器的功耗较大、技术复杂度较高、重量及尺寸较大。事实上存在一种非对称应用场合，即当通信链路的一端无法提供较多的能量并要求其结构紧凑轻便时，一种基于调制回复反射器的无线光通信系统被提出，并已经应用于这种场合。由于这种系统只使用一束激光，单工和半双工传输是可以顺利实现的。但是，大多数的实际应用场合需要高效的全双工数据传输，因而阻碍了基于调制回复反射器的无线光通信系统的推广应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于调制回复反射器的全双工无线光通信系统，并给出两种全双工通信方法。

本发明所采用的技术方案如下：

一种实现全双工通信的调制回复反射无线光通信系统，由光收发器端和调制回复反射器端构成。其中，所述光收发器端包含光发射器、跟踪瞄准设备、光探测器；所述调制回复反射器端则包含光探测器、调制回复反射器。

进一步，所述光发射器由红外激光器、直流偏置电源、信号调制器、带孔弧形反光镜及望远镜系统组成。其中，所述直流偏置电源和信号调制器加载在红外激光器上，激光器将发射出一束携带数据的光束。在直流偏置电源提供一个直流偏置电压时，此光束包含一个强度恒定的光分量和一个强度经调制的光分量；在直流偏置电源不提供直流偏置电压时，此光束只包含一个强度经调制的光分量。激光光束将穿过所述带孔弧形反光镜，然后进入所述望远镜系统，望远镜系统则将对光束进行扩束和整形。

进一步，所述跟踪瞄准设备将使光收发器端始终对准调制回复反射器端。

进一步，所述光收发器端的光探测器由望远镜系统、带孔弧形反光镜、光电二极管、信号处理电路及信号解调器。其中，所述望远镜系统和带孔弧形反光镜是与此终端的光发射器共用的。望远镜系统将接收到的光投射到带孔弧形反光镜上，从而将接收到的光会聚在所述光电二极管感光区域内，光电二极管则将光信号转换为电信号。所述信号处理电路将对电信号进行滤波和放大处理，并将其传送到所述信号解调器，信号解调器则将从电信号中恢复出其所携带的数据。

进一步，所述调制回复反射器端的光探测器由望远镜系统、光电二极管、信号处理电路及信号解调器。其中，所述望远镜系统将接收到的光会聚在所述光电二极管感光区域内，光电二极管则将光信号转换为电信号。所述信号处理电路将对电信号进行滤波和放大处理，并将其传送到所述信号解调器，信号解调器则将从电信号中恢复出其所携带的数据。

进一步，所述调制回复反射器由光学回复反射器和电光调制器组成，可对入射光进行调制并将其逆向反射回去。

在所述全双工调制回复反射无线光通信系统中，光收发器端的光发射器向调制回复反射器端发射经过调制的光束。一部分光束将被调制回复反射器端的光探测器接收并解调出光束所携带的数据，此为前向数据传输链路；一部分光束将被调制回复反射器端的调制回复反射器接收并调制上此终端的数据，接着此光束将被逆向反射回光收发器端，光收发器端的光探测器则将接收到逆向反射光并解调出回传数据，此为后向数据传输链路。为了实现前向和后向链路数据的同时传输，本发明所涉及的全双工通信的方法，包括以下两种：

1）在前向链路中，使用在直流偏置电压上叠加开关键控（OOK）调制信号来驱动红外激光器，将此调制方式称为DC-OOK调制；在后向链路中，对回复光束进行OOK调制。

2）在前向链路中，不加载直流偏置电压，而直接使用脉冲位置调制（PPM）信号来驱动红外激光器；在后向链路中，对回复光束进行OOK调制。

本发明有益效果是：

本发明的调制回复反射器端功耗低，结构紧凑，适合工作在资源有限的场合。调制回复反射器的应用还降低了系统两终端跟踪瞄准的困难程度。

本发明的前向和后向数据传输是同时进行的，增加了信道利用率。通过前向链路可以实时向调制回复反射器端发送指令和高层错误控制机制等。通过后向链路则可将调制回复反射器端的数据实时传回光收发器端。

本发明有着很多的重要应用，如星星/星地间通信、无人机通信、目标识别、环境监测、水下通信等。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细的描述。

图1为一种全双工调制回复反射无线光通信系统的结构示意图。

图2为光收发器端的光发射器和光探测器的结构示意图。

图3为回复反射器端的光探测器的结构示意图。

图4(a)为一个DC-OOK与OOK组合的全双工信号传输的具体示例。

图4(b)为一个4-PPM与OOK组合的全双工信号传输的具体示例。

图中：光收发器端10、光发射器11、光探测器12、跟踪瞄准设备13、调制回复反射器端20、光探测器21、调制回复反射器22、前向链路31、后向链路32、红外激光器111、直流偏置电源112、信号调制器113、望远镜系统114、带孔弧形反光镜115、光电二极管121、信号处理电路122、信号解调器123、望远镜系统211、光电二极管212、信号处理电路213、信号解调器214、前向链路数据41、后向链路数据42、DC-OOK调制信号43、OOK调制信号44、前向链路数据51、后向链路数据52、4-PPM调制信号53、OOK调制信号54。

具体实施方式

如图1所示，本发明所提出的一种全双工调制回复反射无线光通信系统由光收发器端10、前向链路31、后向链路32及调制回复反射器端20组成。

光收发器端10包含光发射器11、光探测器12、跟踪瞄准设备13。其中，光发射器11由红外激光器111、直流偏置电源112、信号调制器113、望远镜系统114及带孔弧形反光镜115组成，如图2 所示。信号调制器113的调制信号直接驱动红外激光器111；或者加载在直流偏置电源112提供的直流电压上来驱动红外激光器111。所发出的激光束穿过带孔弧形反光镜115，并经过望远镜系统114的扩束和整形，然后射向调制回复反射器端20。光探测器12由望远镜系统114、带孔弧形反光镜115、光电二极管121、信号处理电路122及信号解调器123组成，如图2 所示。望远镜系统114接收来自调制回复反射器端的回复反射光，带孔弧形反光镜115将接收到光会聚在光电二极管121的感光区域内，光信号则将转换成电信号。电信号经过信号处理电路122的滤波和放大等处理后输入到信号解调器123，信号所携带的数据将被信号解调器123解调恢复出来。跟踪瞄准设备13的功能是使光收发器端发出的激光束对准调制回复反射器端，并一直跟踪对准。

调制回复反射器端20包含光探测器21和调制回复反射器22。其中，光探测器21由望远镜系统211、光电二极管212、信号处理电路213及信号解调器214组成，如图3 所示。望远镜系统211接收来自光收发器端发出的携带数据的激光，并将接收到的光会聚在光电二极管212的感光区域内，光信号则将转换成电信号。电信号经过信号处理电路213的滤波和放大等处理后输入到信号解调器214，信号所携带的数据将被信号解调器214解调恢复出来。调制回复反射器22由光学回复反射器和电光调制器组成。通过电光调制器将调制回复反射器端20的数据信号调制到入射光上，而光学回复反射器则将经过调制的光束逆向反射回光收发器端。

前向链路31是指光收发器端10通过发射经过调制的激光光束来完成向调制回复反射器端20传送数据的链路。

后向链路32是指调制回复反射器端20通过调制和逆向反射前向链路中的激光光束来完成向光收发器端10传送数据的链路。

如图4所示，本发明所涉及的在调制回复反射无线光通信系统中实现全双工通信的方法有两种。

第一种全双工通信方法如图4(a)所示，其具体步骤如下：

1)在前向链路31中，给红外激光器111加上一个直流偏置电压，使得红外激光器111可以发出一个恒定光强；再给红外激光器111加上一个OOK调制信号，使得红外激光器111还可以产生一个OOK调制光强。这样，最终形成一个恒定光强加OOK调制光强的复合光信号。为了方便阐述，我们称之为DC-OOK调制信号。

2)一部分DC-OOK调制光信号被调制回复反射器端20的光探测器21接收到并将其转换为电信号。通过隔直电路滤掉直流分量并提取出OOK分量，然后信号解调器214将从OOK电信号中解调出携带的数据。

3)在后向链路32中，一部分DC-OOK调制光信号被调制回复反射器端20的调制回复反射器22接收到，并使用OOK调制将此终端数据加载在接收到的光信号上。其实，就是将OOK信号调制到复合光信号的直流分量上。经过再次调制的光信号将被调制回复反射器22反射回光收发器端，光收发器端将进行回传数据的解调恢复。

至此，前向和后向链路的数据是可以同时传输的，也就实现了系统的全双工通信。图4(a)上半部分给出一个前向数据传输的具体示例，前向链路数据41对应DC-OOK调制信号43。图4(a)下半部分给出一个后向数据传输的具体示例，后向链路数据42对应OOK调制信号44。

第二种全双工通信方法如图4(b)所示，其具体步骤如下：

1)在前向链路31中，直接在红外激光器111上加载一个PPM调制信号，从而产生一个PPM调制光信号。

2)一部分PPM调制光信号被调制回复反射器端20的光探测器21接收到并将其转换为电信号，信号解调器214将从电信号中解调出携带的数据。

3)在后向链路32中，一部分PPM调制光信号被调制回复反射器端20的调制回复反射器22接收到并对其进行OOK调制。特别指出，PPM符号与OOK符号之间是时间同步的，即一个PPM符号对应一个OOK符号。经过再次调制的光信号将被调制回复反射器22反射回光收发器端，光收发器端将进行回传数据的解调恢复。

至此，前向和后向链路的数据是可以同时传输的，也就实现了系统的全双工通信。图4(b)上半部分给出一个前向数据传输的具体示例，前向链路数据51对应4-PPM调制信号53。图4(b)下半部分给出一个后向数据传输的具体示例，后向链路数据52对应OOK调制信号54。

本领域技术人员可显见，本发明上述概述并不意味着阐述了本发明的每一个示例性的实施例或每一种实施方式，容易对本发明进行各种修改和形式替换而不偏离本发明的精神和范围。因此，旨在使本发明覆盖落在所附权利要求书及其等效技术方案范围内的对本发明的修改、替换及其等同形式。

Claims (4)

1. 全双工调制回复反射无线光通信系统，包括光收发器端和调制回复反射器端，其特征在于：所述光收发器端包含光发射器、第一光探测器、跟踪瞄准设备；所述调制回复反射器端包含第二光探测器、调制回复反射器；

所述光发射器由红外激光器、直流偏置电源、信号调制器、带孔弧形反光镜及望远镜系统组成；所述直流偏置电源和所述信号调制器一同加载在所述红外激光器上，红外激光器将向所述调制回复反射器端发射出一束光束；所述红外激光器出射光束在穿过所述带孔弧形反光镜后进入所述望远镜系统，其将对光束进行扩束和整形，望远镜系统将接收到的光再投射到带孔弧形反光镜上；

所述第一光探测器由第一光电二极管、第一信号处理电路及第一信号解调器组成；带孔弧形反光镜出来的光会聚在所述第一光电二极管感光区域内，第一光电二极管则将光信号转换为电信号；所述第一信号处理电路将对电信号进行滤波和放大处理，并将其传送到所述第一信号解调器，第一信号解调器则将从电信号中恢复出其所携带的数据；

所述跟踪瞄准设备将使光收发器端始终对准调制回复反射器端；

所述第二光探测器由第二望远镜系统、第二光电二极管、第二信号处理电路及第二信号解调器组成；所述第二望远镜系统将接收到的光会聚在所述第二光电二极管感光区域内，第二光电二极管则将光信号转换为电信号；所述第二信号处理电路将对电信号进行滤波和放大处理，并将其传送到所述第二信号解调器，第二信号解调器则将从电信号中恢复出其所携带的数据；

所述调制回复反射器由光学回复反射器和电光调制器组成，对入射光进行调制并将其逆向反射回去。

2.根据权利要求1所述的全双工调制回复反射无线光通信系统，其特征在于：根据所述直流偏置电源是否提供直流偏置电压，有以下两种情况：一、所述直流偏置电源提供一定直流电压，那么激光器出射光束则将包含一个强度恒定的光分量和一个强度经调制的光分量，其中强度经调制的光分量包含着通信数据；二、所述直流偏置电源不提供直流电压，那么激光器出射光束则仅包含一个强度经调制的光分量，此光分量包含着通信数据。

3.全双工调制回复反射无线光通信方法，使用如权利要求1所述的通信系统，其特征在于该方法具体是：

在前向链路中，给红外激光器加上一个直流偏置电压，使得红外激光器发出一个恒定光强；再给红外激光器加上一个OOK调制信号，使得红外激光器还产生一个OOK调制光强；这样，最终形成一个恒定光强加OOK调制光强的复合光信号；称之为DC-OOK调制信号；

一部分DC-OOK调制光信号被调制回复反射器端的第二光探测器接收到并将其转换为电信号；通过隔直电路滤掉直流分量并提取出OOK分量，然后第二信号解调器将从OOK电信号中解调出携带的数据；

在后向链路中，一部分DC-OOK调制光信号被调制回复反射器端的调制回复反射器接收到，并使用OOK调制将此终端数据加载在接收到的光信号上；经过再次调制的光信号将被调制回复反射器反射回光收发器端，光收发器端将进行回传数据的解调恢复；

至此，前向和后向链路的数据同时传输，也就实现了系统的全双工通信；

所述的前向链路是指光收发器端通过发射经过调制的激光光束来完成向调制回复反射器端传送数据的链路；

所述的后向链路是指调制回复反射器端通过调制和逆向反射前向链路中的激光光束来完成向光收发器端传送数据的链路。

4.全双工调制回复反射无线光通信方法，使用如权利要求1所述的通信系统，其特征在于该方法具体是：

在前向链路中，直接在红外激光器上加载一个PPM调制信号，从而产生一个PPM调制光信号；

一部分PPM调制光信号被调制回复反射器端的第二光探测器接收到并将其转换为电信号，第二信号解调器将从电信号中解调出携带的数据；

在后向链路中，一部分PPM调制光信号被调制回复反射器端的调制回复反射器接收到并对其进行OOK调制，经过再次调制的光信号将被调制回复反射器反射回光收发器端，光收发器端将进行回传数据的解调恢复；所述的PPM调制信号与OOK调制信号之间时间同步；

至此，前向和后向链路的数据同时传输，也就实现了系统的全双工通信；

所述的前向链路是指光收发器端通过发射经过调制的激光光束来完成向调制回复反射器端传送数据的链路；

所述的后向链路是指调制回复反射器端通过调制和逆向反射前向链路中的激光光束来完成向光收发器端传送数据的链路。