CN107040316A - 一种多孔径低成本空间相干光接收机及信号接收解调方法 - Google Patents

一种多孔径低成本空间相干光接收机及信号接收解调方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及空间光通信领域的一种多孔径低成本空间相干光接收机及信号接收解调方法。光接收机包括多个独立的光信号直接探测单元和统一的数字信号处理(DSP)模块。每个光信号直接探测单元由单一孔径光学天线、光强度探测器和模数转换器组成，接收沿不同路径达到的光信号。在DSP模块内部采用Hilbert变换恢复各路光信号全场信息，进而通过相干合并算法对各路光信号进行叠加，最后进行解调。该接收机中直接探测单元结构简单，成本低，并可以通过增加其数量显著提高相干合并后信号的信噪比。本发明适合于损耗受限的空间光通信系统，具有成本低，性能稳定，抗大气湍流，便于维护升级等优点。

Description

一种多孔径低成本空间相干光接收机及信号接收解调方法
技术领域
本发明涉及空间光通信，光信号探测和数字信号处理技术领域，特别涉及高灵敏度空间相干光接收机及信号接收解调方法。
背景技术
目前无线通信主要采用微波通信手段，但是受载波频率限制，微波通信单通道传输速率在每秒百Mb/s量级，难以满足日益增长的海量数据传输的需求。空间光通信技术采用具有更高频率的激光作为载波，是提高无线通信速率的有效途径。激光的频率比微波高三个数量级以上，作为通信的载体意味着更大的可资利用频带，能够实现单信道10Gbps以上的数据传输。激光的发射角很小，能量高度集中，收发天线尺寸小，因此终端的功耗，体积和重量相对较低。此外激光发射波束纤细并且在短时间内能够传输大量数据，从而减少持续通信时间，提高了通信的保密性和抗干扰性。最后空间光通信不像射频通信那样频段由国家或国际机构管理，光频段的使用目前没受到限制。总之，空间光通信相比微波通信具有许多不可替代的优点，在军用和民用无线通信领域都有重要的研究意义和良好的应用前景。
目前空间光通信系统按照信号探测方式可以分为直接探测和相干探测系统。直接探测光接收机采用单一的PIN光电二极管和雪崩光电二极管将光信号转换为电信号，结构简单，成本低。但直接探测光接收机只能探测信号光的强度信息，光场相位无法传输信息，因此系统传输速率较低。一般相干探测光接收机包括2个光混频器，4个光平衡探测器和4个模数转换器，其结构较为复杂，成本很高。但是相干探测光接收机能够恢复信号光全场信息，支持高阶调制格式，因此能够实现较高的传输速率。此外相干探测光接收机具有较高的灵敏度，能够实现更远的传输距离。因此两者各有利弊。
空间光通信系统由于不便于采用光中继放大器补偿光信号传输损耗，因此传输距离一般受限于损耗。此外，光信号经过长距离传输达到接收端后信号光斑面积较之于发射端扩展较大，普通单一孔径的光接收机光学天线面积有限，不利于将信号光耦合到光探测器探测面上，导致光信号接收效率较低。最后，当光信号在大气传输时会受到大气湍流的影响导致信号光场相干性降低，影响光信号的耦合和相干探测效率。为克服上述问题，以往多采用提高光信号发射功率，增加接收机光学天线尺寸和光探测器探测面积，以及采用自适应光学系统对大气湍流进行补偿等各种手段。但是，由于一般无线通信终端电源功率有限，提高光学透镜和扩大光探测器尺寸也受限于的制备工艺和成本问题，因此难以获得满意的效果。自适应光学系统虽然可以一定程度补偿大气湍流影响，但是存在结构复杂，成本较高，体积较大的问题。如果开发和设计一种基于低成本直接探测，但支持高速率高级调制格式信号，且具有较大的空间光信号接收面积和较高灵敏度，并且不依赖于自适应光学系统就能抑制大气湍流效应的空间相干光接收机对于提高空间光通信系统的整体性能和实用性，降低系统成本具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种基于多个低成本直接探测单元并能够实现各路信号相干合并的空间相干光接收机，以大幅增加空间光信号的接收面积，支持高速率高级调制格式信号，实现更高的灵敏度，并抑制大气湍流影响。
为解决上述技术问题，本发明提出一种基于直接探测的多孔径空间相干光接收机。
包括多个独立的光信号直接探测单元和统一的DSP模块，每个光信号直接探测单元又包括：光学天线，光强度探测器，以及模数转换器；
所述光学天线，用于收集空间光信号，并将其耦合到光强度探测器探测面上；
所述光强度探测器，用于将光信号强度信息转换为电信号；
所述模数转换器，用于将电信号转换为数字信号，以便于DSP处理；
所述DSP模块，用于对输入的各路信号进行处理，以恢复出各路信号对应的光场信息，并进行相干合并和信号解调。
所述DSP模块恢复出各路信号对应的光场信息，是在数字域内通过Hilbert变换恢复出各路光学信号的全场信息。
优选的，所述光学天线收集到的光信号通过光纤传输或空间耦合方式输入到所述光强度探测器。
优选的，所述光强度探测器可以采用PIN光电二极管和雪崩光电二极管。
更优的，所述光学天线收集到的光信号通过光纤传输，所述光强度探测器前设有光放大器，以对光信号进行放大。
所述数字域内Hilbert变换所采用的公式如下：
Pn(t)＝|En(t)+E0exp(iπBt)|2 (3)
其中En(t)(n＝1,2,…N)为所恢复出的第n路光信号光场，Pn(t)为直接探测单元输出电信号，Φn(t)表示由Pn(t)经Hilbert变换恢复出的信号光场相位信息，E0代表本振光场幅度，B代表所述光信号波特率，log代表自然对数，p.v.代表柯西主值；在恢复出各路光信号全场信息En(t)后，通过时钟同步和帧同步算法消除各路光信号之间的传输延时，进而通过导引序列和载波恢复算法消除各路光信号星座图之间的相对旋转，之后采用下述公式对各路信号光场进行相干叠加，
Es(t)＝E1(t)+E2(t)+…+En(t)+…+EN(t) (4)
由于En(t)中包含的原始信号光场具有一致的相位，而其包含的来源于传输和接收过程中积累的噪声信号相位是随机变化的，因而相干叠加后信号的信噪比提高了N倍。
在进行相干叠加后获得Es后，采用普通相干光接收机采用的解调算法恢复出信号携带的调制信息。
所述本振光场由光发射机中激光器产生并伴随信号传输，或由光接收机中激光器产生并与入射光信号在所述光信号直接探测单元前合并在一起。
本发明同时提出了所述多孔径低成本空间相干光接收机的信号接收解调方法，其涉及多个独立的光信号直接探测单元和统一的数字信号处理(DSP)模块，其中每个光信号直接探测单元由单一孔径光学天线、光强度探测器和模数转换器组成，信号的接收解调包括以下步骤：
空间光信号分别进入多个独立的光信号直接探测单元；
在每个光信号直接探测单元内，空间光信号被所述光学天线聚焦在光强度探测器上，由所述光强度探测器将光信号转换为电信号；再将电信号输入所述模数转换器转换为数字信号；
多个所述模数转换器输出的数字信号进入所述DSP模块；
所述DSP模块在数字域内通过Hilbert变换恢复出各路光学信号的全场信息，然后通过相干合并算法对各路光信号进行相干叠加，提高输出信号信噪比，最后进行相干解调，恢复出调制信息。
本发明中的光信号直接探测单元成本低，数量可根据需要选择，必要时增加其数量以获得更高的系统灵敏度。由于单个直接探测单元损坏并不会影响其它单元的工作，因此系统可靠性好，便于维护。此外，由于不同直接探测单元接收的光信号是沿不同路径传输的，因此可以有效防止大气湍流造成的信道衰落效应对接收机的影响，而且随着直接探测单元空间距离和数量的增加，其对大气湍流效应的抑制更加明显。
综上所述，本发明适用于损耗受限的空间光通信系统，能够有效抑制大气湍流效应，具有系统成本低，灵敏度高，稳定性好，支持高级调制格式，便于维护升级的优点。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。
图1为本发明具体实施的空间相干光接收机系统结构示意图。
图2(a)为某一路光信号直接探测单元输出的与光信号强度成正比的电信号。
图2(b)为由某一路光信号直接探测单元输出的电信号恢复出的该路光信号的相位信息，其中虚线代表发射端光信号的原始相位信息。
图3(a)为相干叠加前的光接收机恢复出的信号星座图。
图3(b)、(c)、(d)分别为直接探测单元数量为N＝2，4，8，即相干叠加信号路数为2，4，8时光接收机恢复出的信号星座图。
具体实施方式
如图1所示的空间相干光接收机软硬件系统包括多个独立的光信号直接探测单元和统一的DSP模块4，其中每个光信号直接探测单元又包括：光学天线1，光强度探测器2，以及模数转换器3。
光学天线，用于收集空间光信号，并将其耦合到光强度探测器探测面上；
光强度探测器采用PIN光电二极管和雪崩光电二极管，用于将光信号强度信息转换为电信号；
模数转换器用于将电信号转换为数字信号，以便于DSP处理；
DSP模块，用于对输入的各路信号进行处理，以恢复出各路信号对应的光场信息，并进行相干合并和信号解调。
DSP模块恢复出各路信号对应的光场信息，是在数字域内通过Hilbert变换恢复出各路光学信号的全场信息。
光学天线收集到的光信号通过光纤传输或空间耦合方式输入到光强度探测器。
光学天线收集到的光信号通过光纤传输时，光强度探测器前设有光放大器，以对光信号进行放大。
本发明具体实施的空间相干光接收机信号接收解调方法，具体包括如下步骤：
1)各个独立的直接探测单元首先通过其内部的光学天线将经过不同路径达到接收端的空间光信号聚焦到其单元内的光强度探测器上，由光强度探测器将光信号转换为电信号并输出到模数转换器，从而转换为数字信号；光强度探测器可采用PIN光电二极管和雪崩光电二极管。
2)DSP模块在数字域内通过下式对各路直接探测单元产生的信号进行Hilbert变换恢复出各路光学信号的全场信息En(t)：
Pn(t)＝|En(t)+E0exp(iπBt)|2 (3)
其中Φn(t)表示由Pn(t)经过Hilbert变换恢复的信号光场相位信息。此外，E0代表频率与信号截止频率重合的本振光场幅度，B代表所述光信号波特率，log代表自然对数，p.v.代表柯西主值。本振光场由光发射机中激光器产生并伴随信号传输，或由光接收机中激光器产生并与入射光信号在所述光信号直接探测单元前合并在一起。
3)DSP模块通过时钟同步和帧同步算法消除各路光信号之间的传输延时，进而通过帧头导引序列和载波恢复算法消除各路光信号星座图之间的相对旋转，之后采用下述公式对各路信号光场进行相干叠加。
Es(t)＝E1(t)+E2(t)+…+En(t)+…+EN(t) (4)
由于En(t)中包含的原始信号光场具有一致的相位，同时En(t)中包含的噪声光场相位是随机变化的，因而相干叠加后信号Es(t)的信噪比提高了N倍。
4)DSP模块基于Es(t)采用普通单孔径相干光接收机采用的解调算法恢复出信号携带的调制信息。
图2(a)为某一路光信号直接探测单元输出的与光信号强度成正比的电信号，图2(b)为由某一路光信号直接探测单元输出的电信号恢复出的该路光信号的相位信息，并用实线表示。虚线代表发射端光信号的原始相位信息。可以看到两者基本重合，显示相位恢复是成功的。
图3(a)为相干叠加前的光接收机恢复出的信号星座图。图3(b)、(c)、(d)分别直接探测单元数量为N＝2，4，8，即相干叠加信号路数为2，4，8时光接收机恢复出的信号星座图，可以看到输出信号星座图质量随直接探测单元数量N的增加明显改善，不同符号点云团间距扩大，误码率降低。相应输出信号信噪比提高了2.95，5.98和8.96dB，与理论预期接近。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施示例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种多孔径低成本空间相干光接收机，其特征在于，包括多个独立的光信号直接探测单元和统一的DSP模块，每个光信号直接探测单元又包括：光学天线，光强度探测器，以及模数转换器；
所述光学天线，用于收集空间光信号，并将其耦合到光强度探测器探测面上；
所述光强度探测器，用于将光信号强度信息转换为电信号；
所述模数转换器，用于将电信号转换为数字信号，以便于DSP处理；
所述DSP模块，用于对输入的各路信号进行处理，以恢复出各路信号对应的光场信息，并进行相干合并和信号解调。
2.根据权利要求1所述的多孔径低成本空间相干光接收机，其特征在于，所述DSP模块恢复出各路信号对应的光场信息，是在数字域内通过Hilbert变换恢复出各路光学信号的全场信息。
3.根据权利要求1所述的多孔径低成本空间相干光接收机，其特征在于，所述光学天线收集到的光信号通过光纤传输或空间耦合方式输入到所述光强度探测器。
4.根据权利要求1所述的多孔径低成本空间相干光接收机，其特征在于，所述光强度探测器可以采用PIN光电二极管和雪崩光电二极管。
5.根据权利要求3所述的多孔径低成本空间相干光接收机，其特征在于，所述光学天线收集到的光信号通过光纤传输，所述光强度探测器前设有光放大器，以对光信号进行放大。
6.根据权利要求2所述的多孔径低成本空间相干光接收机，其特征在于，所述采用Hilbert变换所采用的公式如下：
Pn(t)＝|En(t)+E0 exp(iπBt)|2 (3)
其中En(t)(n＝1,2,…N)为所恢复出的第n路光信号光场，Pn(t)为直接探测单元输出电信号，Φn(t)表示由Pn(t)经Hilbert变换恢复出的信号光场相位信息，E0代表本振光场幅度，B代表所述光信号波特率，log代表自然对数，p.v.代表柯西主值；在恢复出各路光信号全场信息En(t)后，通过时钟同步和帧同步算法消除各路光信号之间的传输延时，进而通过导引序列和载波恢复算法消除各路光信号星座图之间的相对旋转，之后采用下述公式对各路信号光场进行相干叠加，
Es(t)＝E1(t)+E2(t)+…+En(t)+…+EN(t) (4)
由于En(t)中包含的原始信号光场具有一致的相位，而其包含的来源于传输和接收过程中积累的噪声信号相位是随机变化的，因而相干叠加后信号的信噪比提高了N倍。
7.根据权利要求6所述的多孔径低成本空间相干光接收机，其特征在于，在进行相干叠加后获得Es后，采用普通相干光接收机采用的解调算法恢复出信号携带的调制信息。
8.根据权利要求6所述的多孔径低成本空间相干光接收机，其特征在于，所述本振光场由光发射机中激光器产生并伴随信号传输，或由光接收机中激光器产生并与入射光信号在所述光信号直接探测单元前合并在一起。
9.一种权利要求1所述的多孔径低成本空间相干光接收机的信号接收解调方法，其特征在于，涉及多个独立的光信号直接探测单元和统一的数字信号处理(DSP)模块，其中每个光信号直接探测单元由单一孔径光学天线、光强度探测器和模数转换器组成，信号的接收解调包括以下步骤：
空间光信号分别进入多个独立的光信号直接探测单元；
在每个光信号直接探测单元内，空间光信号被所述光学天线聚焦在光强度探测器上，由所述光强度探测器将光信号转换为电信号；再将电信号输入所述模数转换器转换为数字信号；
多个所述模数转换器输出的数字信号进入所述DSP模块；
所述DSP模块在数字域内通过Hilbert变换恢复出各路光学信号的全场信息，然后通过相干合并算法对各路光信号进行相干叠加，提高输出信号信噪比，最后进行相干解调，恢复出调制信息。
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