CN108599867B - 基于波形匹配的光学数字信号接收装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于波形匹配的光学数字信号接收装置，依次包括：光任意波形发生、电光调制、光电转换、电滤波、采样判决、数字信号处理单元和位定时提取模块。本发明可以在光域上有效地实现信号匹配滤波及采样判决，可以最大程度地消除噪声对信号接收的影响，实现信号的准确探测接收。同时相比于传统的电接收装置，突破了“电子瓶颈”的限制，大大提升了信号接收的带宽，实现更高速的数字信号接收。

Description

基于波形匹配的光学数字信号接收装置
技术领域
本发明涉及信号接收，具体是一种基于波形匹配的光学数字信号接收装置。
背景技术
在通信、雷达等领域，由于信道的自身限制或者是出于保密通讯、抗干扰等方面的需求，往往需要超低信噪比数字信号的探测接收。在接收端对信号进行匹配滤波，可以最大程度地消除噪声影响，是实现超低信噪比数字信号准确探测接收的有效途径。
目前，超宽带通信、雷达等对频率和带宽的需求越来越高。在电域宽带通信系统中，由于“电子瓶颈”的限制，实现高速串行数据匹配滤波接收面临处理频率、带宽和精度的挑战，已难以满足现有和未来的应用需求。
光子技术具有电子技术所不具备的超宽带、超高速、高精度等优点，能有效克服电子技术的不足。基于光子技术的高频宽带信号处理已成为目前研究关注的热点。但目前还没有见到基于光子技术实现匹配滤波数字信号接收的方案。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于光脉冲外形，在光域上实现信号匹配滤波的数字信号接收装置。该装置可以在光域上有效地实现信号匹配滤波及采样判决，可以最大程度地消除噪声对信号接收的影响，实现信号的准确探测接收。同时相比于传统的电接收装置，突破了“电子瓶颈”的限制，大大提升了信号接收的带宽，实现更高速的数字信号接收。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于波形匹配的光学数字信号接收装置，包括光任意波形发生模块，其特点在于产生任意脉冲外形的周期光脉冲序列，沿所述的光任意波形发生模块的光输出方向依次是电光强度调制器、光电转换器、电滤波器、采样判决模块和数字信号处理单元，所述的数字信号处理单元的第一输出端与所述的光任意波形发生模块的控制端相连，第二输出端与所述的采样判决模块的判决门限输入端相连，所述的光任意波形发生模块的同步输出端与位定时提取模块的第一端口相连接，所述的位定时提取模块的第二端口与所述的采样判决模块相连，所述的位定时提取模块的第三端口与所述的数字信号处理单元的第三输出端相连，所述的位定时提取模块通过第三端口接收所述的数字信号处理单元的控制，实现采样判决模块在电滤波信号每个周期的峰值处进行采样判决，待接收信号从所述的电光强度调制器的调制端输入；
所述的光任意波形发生模块根据数字信号处理单元的配置产生时域外形及相位可控的周期光脉冲序列，并输入电光强度调制器；电光强度调制器的调制端接收待接收电信号，输出强度经过待接收信号调制的光脉冲序列；该光脉冲序列先送入光电转换器转化为电信号后再送入电滤波器中进行滤波；采样判决模块提取电滤波器输出信号在每个周期内的峰值，并根据数字信号处理单元设定的判决门限进行“0”“1”判决；数字信号处理单元接收判决的结果，对判决结果进行处理恢复出发送端送出的数字信号。
所述的光任意波形发生模块产生的光脉冲序列周期Ts与待接收的数字信号周期相同，光任意波形发生模块在数字信号处理单元的控制下，使单个光脉冲的外形ps(t)与被接收数字信号中“1”码的电脉冲波形s1(t)相似，即ps(t)＝K1s1(t)，K1为常数，同时，使输出光脉冲序列的相位在电光强度调制时与接收到的信号中的数字信号相位在一个周期内一致。此外，光任意波形发生模块的同步输出端会输出一个周期信号，其周期与产生的光脉冲序列周期相同。
所述的位定时提取模块接收任意波形发生模块的同步端输出的周期脉冲信号，在数字信号处理单元的控制下，实现相位的调整与锁定，为采样判决模块提供采样时钟，使采样判决模块始终在滤波后的电信号每个周期的峰值处进行采样。
所述的电滤波器冲激响应的时域宽度大于单个光脉冲的时域脉宽且小于光脉冲序列的重复周期Ts，同时，电滤波器的带宽小于光电转换器的带宽。
所述的数字信号处理单元给采样判决模块提供的判决门限取在“1”码和“0”码采样结果的均值处。
通过调整光脉冲时域外形ps(t)，使系统等效冲激响应hA(t)与接收信号中“1”码的电脉冲波形s1(t)近似满足匹配滤波条件：hA(t)＝Kps(Ts-t)＝KK1s1(Ts-t)，K为常数。
所述的光任意波形发生模块与位定时提取模块根据数字信号处理单元的反馈来调整光脉冲序列的初始相位与采样判决模块的采样时钟。光脉冲序列与数字信号在调制器处相位对齐可以最好地实现匹配滤波，采样判决模块在滤波后的电信号每个周期的峰值处进行采样可以最大程度地消除噪声影响。
基于以上技术特点，本发明具有以下优点：
本发明可以在光域上有效地实现信号匹配滤波及采样判决，可以最大程度地消除噪声对信号接收的影响，实现信号的准确探测接收。同时相比于传统的电接收装置，突破了“电子瓶颈”的限制，大大提升了信号接收的带宽，实现更高速的数字信号接收。
附图说明
图1是本发明基于波形匹配的光学数字信号接收装置的框图。
图2是信号接收过程的示意图(以0-1归零码型为例)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
本实施例的系统框图如图1所示，本发明基于波形匹配的光学数字信号接收装置包括：光任意波形发生模块1、电光强度调制器2、光电转换器3、电滤波器4、采样判决模块5、数字信号处理单元6和位定时提取模块7。
所述的光任意波形发生模块1(为光任意波形发生器，OAWG)，产生周期光脉冲序列，重复频率与待接收数字信号的速率相同，均为fs，在数字信号处理单元6控制下，根据待接收数字信号所对应的波形(本实施例中采用0-1归零码型)，对光脉冲序列的脉冲外形及相位进行调整。最终，光任意波形发生模块1输出重复频率为fs且脉冲外形及相位可控的光脉冲序列，如图2(c)所示。
所述的电光强度调制器2(为马赫-曾德尔电光调制器)将受到噪声影响的待接收信号，如图2(b)所示，调制在光脉冲序列上。电光强度调制器2的输出为强度经待接收信号调制的光脉冲序列，如图2(d)所示。
所述光电转换器3与电滤波器4将光信号转换为电信号，并完成对电信号的滤波，将滤波信号，如图2(e)所示，输入采样判决模块5。
所述的采样判决模块5包含采样与判决两个部分，采样器根据位定时提取模块7输入的时钟信号，在采样时刻对输入信号进行采样并将采样结果分别送入判决器与数字信号处理单元6，判决器根据数字信号处理单元6设定的判决门限(“1”码和“0”码采样结果的均值处)对采样结果进行判决，并将判决结果送入数字信号处理单元6。
所述的数字信号处理单元6接收用户指令对光任意波形发生模块1进行配置，控制光脉冲序列的脉冲外形与相位。使单个光脉冲外形与数字信号中“1”码的电脉冲波形相似，同时根据采样判决模块5输出的采样结果控制光脉冲序列的相位，在一个周期内进行微调，使光脉冲序列在电光强度调制时与接收到的信号中的数字信号在一个周期内相位一致。
所述的位定时提取模块7，接收任意波形发生模块1的同步端输出的周期信号，在数字信号处理单元6的控制下，实现相位的调整与锁定，为采样判决模块5提供采样时钟，使采样判决模块5始终在滤波后的电信号每个周期的峰值处进行采样。
数字信号处理单元6对采样判决模块5输入的判决结果进行处理后即可得到发送端所发送的数字信号。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于波形匹配的光学数字信号接收装置，包括光任意波形发生模块(1)，其特征在于产生任意脉冲外形的周期光脉冲序列，沿所述的光任意波形发生模块(1)的光输出方向依次是电光强度调制器(2)、光电转换器(3)、电滤波器(4)、采样判决模块(5)和数字信号处理单元(6)，所述的数字信号处理单元(6)的第一输出端与所述的光任意波形发生模块(1)的控制端相连，第二输出端与所述的采样判决模块(5)的判决门限输入端相连，所述的光任意波形发生模块(1)的同步输出端与位定时提取模块(7)的第一端口相连接，所述的位定时提取模块(7)的第二端口与所述的采样判决模块(5)相连，所述的位定时提取模块(7)的第三端口与所述的数字信号处理单元(6)的第三输出端相连，所述的位定时提取模块(7)通过第三端口接收所述的数字信号处理单元(6)的控制，实现采样判决模块(5)在电滤波信号每个周期的峰值处进行采样判决，待接收信号从所述的电光强度调制器(2)的调制端输入；
所述的光任意波形发生模块(1)根据数字信号处理单元(6)的配置产生时域外形及相位可控的周期光脉冲序列，并输入电光强度调制器(2)；电光强度调制器(2)的调制端接收待接收电信号，输出强度经过待接收信号调制的光脉冲序列；该光脉冲序列先送入光电转换器(3)转化为电信号后再送入电滤波器(4)中进行滤波；采样判决模块(5)提取电滤波器(4)输出信号在每个周期内的峰值，并根据数字信号处理单元(6)设定的判决门限进行“0”“1”判决；数字信号处理单元(6)接收判决的结果，对判决结果进行处理恢复出发送端送出的数字信号；
所述的光任意波形发生模块(1)产生的光脉冲序列周期Ts与待接收的数字信号周期相同，光任意波形发生模块(1)在数字信号处理单元(6)的控制下，使单个光脉冲的外形ps(t)与被接收数字信号中“1”码的电脉冲波形s1(t)相似，即ps(t)＝K1s1(t)，K1为常数，同时，使输出光脉冲序列的相位在电光强度调制时与接收到的信号中的数字信号相位在一个周期内一致，此外，光任意波形发生模块(1)的同步输出端会输出一个周期信号，其周期与产生的光脉冲序列周期相同。
2.根据权利要求1所述的基于波形匹配的光学数字信号接收装置，其特征在于，所述的位定时提取模块(7)接收任意波形发生模块(1)的同步端输出的周期脉冲信号，在数字信号处理单元(6)的控制下，实现相位的调整与锁定，为采样判决模块(5)提供采样时钟，使采样判决模块(5)始终在滤波后的电信号每个周期的峰值处进行采样。
3.根据权利要求1所述的基于波形匹配的光学数字信号接收装置，其特征在于，所述的电滤波器(4)冲激响应的时域宽度大于单个光脉冲的时域脉宽且小于光脉冲序列的重复周期Ts，同时，电滤波器(4)的带宽小于光电转换器(3)的带宽。
4.根据权利要求1所述的基于波形匹配的光学数字信号接收装置，其特征在于，所述的数字信号处理单元(6)给采样判决模块(5)提供的判决门限取在“1”码和“0”码采样结果的均值处。
5.根据权利要求1至4任一所述的基于波形匹配的光学数字信号接收装置，其特征在于，通过调整光脉冲时域外形ps(t)，使系统等效冲激响应hA(t)与接收信号中“1”码的电脉冲波形s1(t)近似满足匹配滤波条件：hA(t)＝Kps(Ts-t)＝KK1s1(Ts-t)，K为常数。
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