CN108964761B

CN108964761B - 基于软件无线电的高可靠空间光通信信号调制终端及方法

Info

Publication number: CN108964761B
Application number: CN201810709014.9A
Authority: CN
Inventors: 殷杰; 董涛; 胡国庆; 刘志慧; 张婷婷
Original assignee: Beijing Institute of Satellite Information Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Satellite Information Engineering
Priority date: 2018-07-02
Filing date: 2018-07-02
Publication date: 2020-12-04
Anticipated expiration: 2038-07-02
Also published as: CN108964761A

Abstract

本发明提出一种基于软件无线电的高可靠空间光通信信号调制终端及方法，终端包括：控制单元、波长可调光源、调制模块、解调模块、发射光路、伺服驱动、CCD摄像头、指向对准系统、望远镜系统、分光系统、接收光路、光电探测模块、信标光源、反光镜；所述控制单元根据接收的分析的数据确定信号的脉冲形状和调制格式，及生成波长切换指令控制波长可调光源进行波长切换；所述调制模块收到外部的发送信号后，根据控制单元确定的脉冲形状和调制格式对波长可调光源输出的光信号进行调制，及将调制后发射到对端。本发明采用了反馈机制灵活调整信号调制方式、脉冲形状等参数，增强了可靠性，提升了系统容量。

Description

基于软件无线电的高可靠空间光通信信号调制终端及方法

技术领域

本发明属于空间激光通信技术领域，涉及一种基于软件无线电的高可靠空间光通信信号调制终端及方法。

背景技术

相比于其它空间通信手段，空间光通信技术具有通信容量大、数据传输速率高、收发系统体积小以及抗电磁干扰能力强等优势。由于星上空间光通信载荷设备具有成本高、更换难、可靠性要求高等特点，而空间光网络对整网的快速切换和动态配置能力也提出了很高的要求。此外，星地之间的空间光链路受到大气湍流的影响较大，信道质量对信号传输将会带来较为严重的影响。因此，一种基于软件无线电的高可靠空间光通信信号调制方法及终端可实现在一套固定的硬件平台上，通过软件配置同时实现调制格式、脉冲形状和波长的快速实时调整，从而较好的解决了上述问题。

目前关于软件无线电和可调谐半导体激光器本身的研究比较多，但是将其应用于空间激光通信的研究比较少。现有空间激光通信终端一般采用强度调制/直接检测的通信方式。

专利“一种空间光接收解调装置”(CN201610781995.9)公开了一种空间光位置精跟踪信号和光通信信号一体化的光通信终端，利用软件无线电思想,采用高速A/D采集和FPGA全数字处理,实现了空间光接收采集、解调恢复、位置误差控制和探测器的温度补偿等多种功能。该专利只是采用A/D和FPGA实现了一体化的位置跟踪和信号解调，但无法通过软件无线电平台(FPGA和高速D/A)实现多种信号调制格式与脉冲形状的双向自动调整和10ns级的波长快速变换。专利“一种基于网格编码调制的空间光通信模式切换方法”(CN201310106502.8)公开了一种通过两种模式间的自动切换实现模式切换通信的方法，通过每间隔固定的时间发送一段已知的检测序列，切换合适的通信模式。该专利采用了16QAM和32QAM两种调制格式，并在这两种信号格式之间进行切换。由于上述调制格式属于相位和幅度联合调制对系统的线性度要求较高，且一般波特率较低。

通过国内外专利和文献检索，未见调制格式、信号形状和波长等多维联合双向调整的空间光通信调制方法和终端的报道。

发明内容

发明所要解决的课题是，提供一种基于软件无线电的高可靠空间光通信信号调制终端及方法，为了解决传统空间光通信信号传输速率无法随信道质量灵活变化，且形成空间光网络之后，光通信终端无法快速动态调整波长的问题。并能可根据信号质量优化信号传输速率，从而充分利用信道容量。

用于解决课题的技术手段是，本发明提出一种基于软件无线电的高可靠空间光通信信号调制终端，包括：控制单元、波长可调光源、调制模块、解调模块、发射光路、伺服驱动、CCD摄像头、指向对准系统、望远镜系统、分光系统、接收光路、光电探测模块、信标光源、反光镜；所述信标光源通过望远镜系统向对端发射信标光，同时通过望远镜系统接收到对端的信标光通过接收光路和反光镜发射到CCD摄像头；所述控制单元通过CCD摄像头获取光斑照片，计算接收光斑和视轴之间的误差，并控制伺服驱动调整指向对准系统使得终端和对端对准；并且，所述对端发送的光信号由望远镜系统接收后，穿过接收光路再经过指向对准系统反射至分光系统；所述分光系统进行分束后在光电探测模块将光信号转换成电信号，经过解调模块对接收的电信号进行解调分析，并将分析数据发送至控制单元；

以及，所述控制单元根据接收的分析的数据确定信号的脉冲形状和调制格式，及生成波长切换指令控制波长可调光源进行波长切换；所述调制模块收到外部的发送信号后，根据控制单元确定的脉冲形状和调制格式对波长可调光源输出的光信号进行调制，及将调制后的光信号通过发射光路发射到分光系统进行分束后，由指向对准系统发射到接收光路再通过望远镜系统发射到对端。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述解调模块对电信号的电谱分析和脉冲形状进行解调分析，并将获得信号质量的冗余程度作为分析数据发送。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述控制单元还根据接收的分析的数据对调制模块的信号速率和光功率进行调整。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述调制模块采用软件无线电平台。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述分光系统采用反射镜结构。

并且，本发明还提出一种高可靠空间光通信信号调制方法，包括以下步骤：

步骤1、设定终端的初始发射功率P₁和初始波长λ₁，信号速率，及设定误码区间门限E1和E2，其中E1<E2；并且，设置终端内信号的脉冲形状和调制格式；

步骤2、终端将接收到的对端所发送的光信号进行解调，对解调后的信号误码率进行判断，当解调误码率低于E2时，进入步骤4；否则，当误码率高于E2时，进入步骤3；

步骤3、以设定的发射功率为步进降低本终端信号发射速率，同时对端以相同发射功率为步进降低对其终端信号发射速率，然后跳转到步骤2；

步骤4、以设定的发射功率为步进提升信号发射速率，同时对端以相同发射功率为步进提升对其终端信号发射速率，然后跳转到步骤5；

步骤5、解调对端发送的光信号，判断该光信号误码率是否高于E1，是则执行步骤6，否则执行步骤4；

步骤6、分别记录各种调制格式误码率在E1和E2之间的信号速率；

步骤7、判断终端和对端之间的信号速率是否满足信号速率要求，当满足时执行步骤8，否则终端通知对端以所需发射功率为步进提升其信号发射功率；

步骤8、判断步骤6所记录的各信号速率是否有满足数据传输速率的调制格式，是则进入步骤9，否则进入步骤7；

步骤9、选取步骤8中满足数据传输速率中速率最低的调制格式；

步骤10、终端判断是否收到波长切换指令，是则进入步骤11；否则终端仍正常工作，并回至执行步骤10；

步骤11、终端控制将波长切换到指令要求的波长λn进行通信。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤1设置终端信号的脉冲形状包括为矩形、高斯型，及信号调制格式为NRZ、PAM3、PAM4和PAM5。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤3设定的发射功率为100MBaud/s。

发明效果为：

本发明提供的基于软件无线电的高可靠空间光通信信号调制终端及方法，与现有技术相比具有如下优点：

1.通过在调制和解调端采用软件无线电平台方案，能够灵活适应各种调制格式、信号码型和信号速率。并可根据接收信号的信噪比，动态调整发射信号的参数，从而实现高可靠、高频谱效率的空间光通信。

2.该方法可适用于直接调制和外调制等调制结构，在无需调整硬件结构和信号带宽的前提下，采用高阶调制可以大大提升通信容量扩容的便捷性。

3.通过快速调整可调谐光源的波长，可实现空间光网络上下路信号的动态重构并实现多路信号的灵活备份与保护。

附图说明

图1为本发明高可靠空间光通信信号调制终端的结构示意图。

图2为本发明高可靠空间光通信信号调制方法的流程示意图。

具体实施方式

以下，基于附图针对本发明进行详细地说明。

如图1所示，本发明设计了一种基于软件无线电的高可靠空间光通信信号调制终端，其包括控制单元101、波长可调光源102、动态灵活调制模块103、解调模块104、发射光路105、伺服驱动106、CCD摄像头107、指向对准系统108、望远镜系统109、分光系统110、接收光路111、光电探测模块112、信标光源114、反光镜113。

本发明所描述的一种基于软件无线电的高可靠空间光通信信号调制方法及终端的工作原理为，终端的信标光源114通过望远镜系统109向对端发射信标光，同时，终端通过望远镜系统109接收到对端的信标光通过接收光路111和反光镜113发射到CCD摄像头107。控制单元101通过CCD摄像头107获取光斑照片，计算接收的光斑照片中光斑中心和视轴之间的误差，并控制伺服驱动106调整指向对准系统108，使终端和对端的光轴对准。

并且，所述对端发送的光信号，由终端的望远镜系统109收到的光信号，穿过接收光路111，再经过指向对准系统108反射，透射过分光系统110的小孔进行分束后，在光电探测模块112将光信号转换成电信号，实现光电变换；产生的电信号经过动态灵活的解调模块104进行解调，可实现对对端信号速率、调制格式和信号信噪比的分析，并将分析数据发给控制单元101。

以及，所述控制单元101根据接收的分析的数据确定信号的脉冲形状和调制格式，及生成波长切换指令控制波长可调光源102进行波长切换。所述动态灵活调制模块103收到外部的发送信号后，根据控制单元101给出的脉冲形状和调制格式对波长可调光源输出的光信号进行调制，实现信号调制。同时通过发射光路105发射到分光系统110进行分束，再通过指向对准系统108发射到接收光路111，再通过望远镜系统109发射到对端，实现信号光的发射。其中，控制单元101还可控制波长可调光源102，实现基于波分复用的路由重构。

本发明终端中，采用的波长可调光源102，可以根据指令快速切换激光器发光波长，从而实现信道备份和空间光网络波长路由重构的功能；采用的控制单元101，根据指令控制波长可调光源102实现波长切换，可根据CCD摄像头107的图像计算光斑中心与光轴之间的偏差，从而调整伺服驱动106控制指向对准系统108调整望远镜系统109对准对方光通信终端；可与动态灵活调制模块103、解调模块104实时交互接收信号状态和信号调制参数。

采用动态灵活调制模块103，可以根据信道质量快速切换调制格式、脉冲形状和信号速率，从而实现灵活自适应的空间光通信。并且，采用动态灵活的解调模块104，可以通过对接收光信号的电谱分析和脉冲形状分析，实现对信号的自适应接收，并将信号质量的冗余程度发送给控制单元101，由控制单元101根据上述过程对动态灵活调制模块103的信号调制格式、码型和信号速率和光功率进行调整，得到的解调数据可发致系统外。

采用的分光系统110，优选采用为反射镜结构，可将发射光路105发射来的调制后的信号光反射致指向对准系统108；在接收光路部分信号光透射部分挖出了透射的小孔，也可将指向对准系统108反射来的接收信号光透射过分光系统110致接收光路111。所述接收光路111可将望远镜系统109收到的信标光通过反光镜113反射到CCD摄像头107，并将信标光源114产生的信标光发射回望远镜系统109。

本实施例中，解调模块104所有的调制格式、脉冲形状都基于同一种软件无线电平台，即采用该种硬件平台上的高速FPGA芯片和DA芯片即可产生调制所需的各种信号，且通过改变信号波特率，提高或降低信号传输速率，将不会受到系统链路器件带宽的影响，且不需要改变任何器件，从而大大提升了整个系统的灵活性。

本发明还设计一种高可靠空间光通信信号调制方法，该方法基于终端和对端两台终端，可以基于上述终端结构实施，但不限于上述终端结构。

本方法的两台终端在首先需要实现指向对准。即双方通信终端通过信标光源和望远镜向对方的不确定区域发射信标光源，并按照预定顺序扫描，通信终端收到信标光之后，通过接收光路和反射镜将信标光和信号光分离，并照射到CCD摄像头上，摄像头将数据发给控制单元，在控制单元经过残差计算，将误差量发给指向对准系统。

当两台终端完成捕获对准之后，将进入跟踪状态，同时两台终端可进入灵活的调制解调阶段。

如图2所示，本发明方法的实施流程具体包括以下步骤：

步骤1、初始化，设定终端的初始信号光发射功率、初始波长、信号速率、误码区间门限。首先设定初始发射功率P₁和初始波长λ₁，信号速率为1.25Gb/s,可根据指令设定误码区间门限E1和E2，其中E1<E2，通常可设E1＝1×10^-5，E2＝1×10^-4，E1的误码率要高于E2，即对应更高的通信速率。

由于通过软件无线电产生的脉冲信号形状由DA产生，脉冲形状和调制格式可以任意可调。脉冲形状可分为矩形、高斯型；调制格式为NRZ，PAM3、PAM4和PAM5。根据不同脉冲形状和不同调制格式，形成八种信号调制和脉冲形状组合：第一种格式1，为NRZ格式，矩形脉冲；第二种格式2，为NRZ格式，高斯脉冲；第三种格式3，为PAM3格式，矩形脉冲；第四种格式4，为PAM3格式，高斯脉冲；第五种格式5，为PAM4格式，矩形脉冲；第六种格式6，为PAM4格式，高斯脉冲；第七种格式7，为PAM5格式，矩形脉冲；第八种格式8，为PAM5格式，高斯脉冲。对端的通信终端按预定参数，按照格式1至格式8的顺序分别进行步骤1～步骤4。本实施例中，开始时选为NRZ矩形调制。

步骤2、循环迭代比较。即终端将接收到的对端所发送的光信号进行解调，对解调后的信号误码率进行判断，当解调误码率低于E2时，进入步骤4，当误码率高于E2时，进入步骤3；

步骤3、以100MBaud为步进降低本终端信号发射速率，同时对端也同样以100MBaud为步进降低对其终端信号发射速率，然后跳转到步骤2；

步骤4、以100MBaud/s为步进提升信号发射速率，同时对端也同样以100MBaud为步进提升对其终端信号发射速率，然后跳转到步骤5；

步骤5、解调对端发送的光信号，判断接收的光信号误码率是否高于E1，是则执行步骤6，否则执行步骤4；

步骤6、分别记录八种调制格式误码率在E1和E2之间的信号速率B_NRZ-REC，B_NRZ-GAU，B_PAM3-REC，B_PAM3-GAU，B_PAM4-REC，B_PAM4-GAU,B_PAM5-REC，B_PAM5-GAU；

步骤7、自动功率控制。此时两终端已建立基本通信链路，判断终端和对端之间的信号速率是否满足信号速率要求，当满足时执行步骤8；若还未达到通信速率要求，为避免采用WDM技术时多个信道间产生串扰，并根据需求提升通信速率，本终端通知对端以1dBm为步进提升信号发射功率；

步骤8、判断步骤6中的八种信号速率是否有满足数据传输速率的调制格式，是则进入步骤9，否则进入步骤7；

步骤9、选取步骤8中满足数据传输速率要求的速率最低的调制格式，以获取可靠性最高的调制格式；

步骤10、判断是否收到波长切换指令，是则进入步骤11，否则仍正常工作，并继续回到步骤10继续判断；

步骤11、终端控制将波长切换到指令要求的波长λn进行通信。为保证终端的可靠性和空间光网络路由重构的灵活性，可根据上层要求进行快速100ns以内的波长切换或小范围如8nm以内的波长切换。

本方法采用了NRZ，PAM3，PAM4，PAM5等强度调制格式，且引入了脉冲形状和波长切换的机制，改变的方式更多，使用更为灵活，且对硬件的要求大大降低。

综上，本发明提出了采用可调谐半导体激光器作为光源快速动态调整波长的机制，为了在保证链路可靠性的前提下提升系统容量，采用了反馈机制灵活调整信号调制方式、脉冲形状等参数，采用一套硬件系统，增强了可靠性，提升了系统容量。

需要说明的是，以上说明仅是本发明的优选实施方式，应当理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本发明的保护范围内。

Claims

1.基于软件无线电的高可靠空间光通信信号调制终端，其特征在于，包括：控制单元、波长可调光源、调制模块、解调模块、发射光路、伺服驱动、CCD摄像头、指向对准系统、望远镜系统、分光系统、接收光路、光电探测模块、信标光源、反光镜；所述信标光源通过望远镜系统向对端发射信标光，同时通过望远镜系统接收到对端的信标光通过接收光路和反光镜发射到CCD摄像头；所述控制单元通过CCD摄像头获取光斑照片，计算接收光斑中心和视轴之间的误差，并控制伺服驱动调整指向对准系统使得终端和对端对准；并且，所述对端发送的光信号由望远镜系统接收后，穿过接收光路再经过指向对准系统反射至分光系统；所述分光系统进行分束后在光电探测模块将光信号转换成电信号，经过解调模块对接收的电信号进行解调分析，并将分析数据发送至控制单元；

以及，所述控制单元根据接收的分析的数据确定信号的脉冲形状和调制格式，及生成波长切换指令控制波长可调光源进行波长切换；所述调制模块收到外部的发送信号后，根据控制单元确定的脉冲形状和调制格式对波长可调光源输出的光信号进行调制，及将调制后的光信号通过发射光路发射到分光系统进行分束后，由指向对准系统发射到接收光路再通过望远镜系统发射到对端；其中，所述调制模块采用软件无线电平台。

2.根据权利要求1所述的基于软件无线电的高可靠空间光通信信号调制终端，其特征在于，所述解调模块对电信号的电谱分析和脉冲形状进行解调分析，并将获得信号质量的冗余程度作为分析数据发送。

3.根据权利要求1所述的基于软件无线电的高可靠空间光通信信号调制终端，其特征在于，所述控制单元还根据接收的分析的数据对调制模块的信号速率和光功率进行调整。

4.根据权利要求1所述的基于软件无线电的高可靠空间光通信信号调制终端，其特征在于，所述分光系统采用反射镜结构。

5.一种高可靠空间光通信信号调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、设定终端的初始发射功率P₁和初始波长λ₁、信号速率，及设定误码区间门限E1和E2，其中E1<E2；并且，设置终端内信号的脉冲形状和调制格式；

步骤3、以设定的发射功率为步进降低本终端信号发射速率，同时对端以相同发射功率为步进降低对终端信号发射速率，然后跳转到步骤2；

步骤4、以设定的发射功率为步进提升信号发射速率，同时对端以相同发射功率为步进提升对终端信号发射速率，然后跳转到步骤5；

6.根据权利要求5所述的高可靠空间光通信信号调制方法，其特征在于，所述步骤1设置终端信号的脉冲形状包括为矩形、高斯型，及信号调制格式为NRZ、PAM3、PAM4和PAM5。

7.根据权利要求5所述的高可靠空间光通信信号调制方法，其特征在于，所述步骤3设定的发射功率为100MBaud/s。