CN110620613A - 基于ldpc码和微角锥棱镜阵列的mrr-fso双工通信装置 - Google Patents

基于ldpc码和微角锥棱镜阵列的mrr-fso双工通信装置 Download PDF

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Abstract

一种基于LDPC码和微角锥棱镜阵列的MRR‑FSO双工通信装置，包括光收发机和逆向调制机，光收发机包括光源装置、光学天线装置、LDPC编码/译码装置、光电探测装置，逆向调制机包括光学天线装置、逆向调制装置、LDPC编码/译码装置、光电探测装置；光收发机信息经过LDPC编码装置信道编码后，被加载在红外波段光载波上，光学天线装置将已调红外光信号和未调可见光载波发射至大气中。逆向调制机的LDPC译码装置将光电探测装置采集的光信号进行光收发机信息恢复，同时逆向调制机的信息经过LDPC编码装置信道编码后，由逆向调制装置调制在可见光载波上并逆向反射传回至光收发机。光收发机的LDPC译码装置将光电探测装置采集的光信号进行逆向调制机信息恢复，完成双工通信。

Description

基于LDPC码和微角锥棱镜阵列的MRR-FSO双工通信装置
技术领域
本发明涉及空间光通信领域，特别是一种基于LDPC码和微角锥棱镜阵列(MCCRAs)的逆向调制自由空间光(MRR-FSO)双工通信装置。
背景技术
MRR-FSO双工通信装置相比于传统FSO双工通信装置具有非对称性的特征，使得该装置在MRR端无需光源设备和跟踪捕获装置，因此该装置具有尺寸小、功耗低及结构稳定等优点。但与传统的FSO通信链路相比，由于MRR-FSO下行链路需要经历双程光传输，所以MRR-FSO装置的性能更容易受大气湍流的影响。
为提升MRR FSO通信系统性能，抑制大气湍流影响，近年来的研究均是基于改善物理层器件性能来提升MRR-FSO装置性能，例如：改变后向反射光束的发散角、MRR端安装半导体光放大器、增大接收器及调制器孔径和在光收发端加装掺铒光纤放大器等方法。
上述改良器件性能尽管能够在强湍流条件下改善设备的误码率性能，但是这无疑会增加该装置的成本，而且在中弱湍流条件下对MRR-FSO装置性能提升作用不明显。低密度奇偶校验(LDPC)编码作为5G通信的移动宽带业务数据信息的长码块编码方案，以其具有优秀的纠错能力而著称，而且编码方案不会增加装置整体的成本。
发明内容
本发明提供了一种有效提升在中/弱湍流条件下MRR-FSO系统性能的一种基于LDPC码和微角锥棱镜阵列(MCCRAs)的逆向调制自由空间光(MRR-FSO)双工通信装置。
本发明采用的技术方案是：
一种基于LDPC码和微角锥棱镜阵列的MRR-FSO双工通信装置，其特征在于：包括光收发机和逆向调制机，所述光收发机包括光源装置、第一光学天线装置、第一LDPC编码装置、第一LDPC译码装置和第一光电探测装置，所述逆向调制机包括第二光学天线装置、逆向调制装置、第二LDPC编码装置、第二LDPC译码装置和第二光电探测装置；所述光源装置能产生红外波段和可见波段两种激光载波，所述逆向调制装置包括用于反射可见光载波的微角锥棱镜阵列；
光收发机信息经第一LDPC编码装置进行信道编码并由光源装置加载到红外光载波上，已调制红外光载波和未调制可见光载波由第一光学天线装置发射至大气信道中；所述第二光学天线装置在大气信道中接收已调制红外光载波和未调制可见光载波并将已调制红外光载波发送给第二光电探测装置，经第二LDPC译码装置进行译码恢复并传给光收发机；
同时，所述第二光学天线装置将未调制可见光载波发送给逆向调制装置由微角锥棱镜阵列进行反射，逆向调制机信息经第二LDPC编码装置进行信道编码后由逆向调制装置加载至反射后的可见光载波上再由第二光学天线装置发射至大气信道中；所述第一光学天线装置在大气信道中接收已调制可见光载波发送给第一光电探测装置，经第一LDPC译码装置进行译码恢复并传给逆向调制机。本发明采用LDPC码和微角锥棱镜阵列MCCRAs相结合的方案来对抗大气湍流对MRR-FSO通信系统性能的影响，可以有效提升在中/弱湍流条件下MRR-FSO系统性能。
进一步，所述第一LDPC编码装置、第一LDPC译码装置、第二LDPC编码装置以及第二LDPC译码装置均由FPGA电路实现。
进一步，所述第一LDPC编码装置和第二LDPC编码装置的矩阵构造采用随机构造法。
进一步，所述第一LDPC编码装置和第二LDPC编码装置的编码方法是近似下三角矩阵法，编码后信息头部加入PN同步序列。
进一步，所述第一LDPC译码装置和第二LDPC译码装置的译码采用BP译码算法。
进一步，所述光源装置包括用于产生红外光载波的红外波段激光器、用于产生可见光载波的可见光激光器、以及用于将光收发机信息加载至红外光载波的光调制器。
进一步，所述逆向调制装置还包括第二会聚透镜、用于将逆向调制机信息加载至反射后可见光载波的声光调制器。
进一步，所述第一光学天线装置包括用于将已调制红外光载波和未调制可见光载波合束的第一二向色镜、带孔反射镜、第一光束扩束整形系统、第一窄带滤光片、第一会聚透镜。
进一步，所述第二光学天线装置包括第二光束扩束整形系统、用于将已调制红外光载波和未调制可见光载波分束的第二二向色镜、第二窄带滤光片。
进一步，所述第一光电探测器和第二光电探测器是由高速PIN或APD光电二极管构成。
本发明的有益效果：
1、使用LDPC编码对系统本身带来的编码增益约为3dB，且相比于改良反射器件的系统有更好的误码率性能。
2、采用LDPC码和MCCRAs结合的方案相比于MRR端安装半导体光放大器方案和光收发端加装掺铒光纤放大器方案有更高的能量效率。
3、采用LDPC码和MCCRAs结合的方案，可以实现系统在湍流信道中误码率小于10-5的优质通信。
附图说明
图1是本发明基于LDPC码和MCCRAs的MRR-FSO双工通信装置示意图，实线箭头表示上行链路，虚线箭头表示下行链路。
图2是本发明基于LDPC码和MCCRAs的MRR-FSO双工通信装置中LDPC编/译码装置工作流程示意图，编译码任务由FPGA电路实现。
图3是本发明实例中光收发机装置结构示意图。
图4是本发明实例中逆向调制机装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
参见图1、图2，本实施例提供了一种基于LDPC码和微角锥棱镜阵列的MRR-FSO双工通信装置，包括光收发机40和逆向调制机50，所述光收发机40包括光源装置1、第一光学天线装置2、第一LDPC编码装置7、第一LDPC译码装置4和第一光电探测装置3，所述逆向调制机50包括第二光学天线装置9、逆向调制装置8、第二LDPC编码装置30、第二LDPC译码装置20和第二光电探测装置10。
本实施例所述光源装置1包括用于产生红外光载波的红外波段激光器12、用于产生可见光载波的可见光激光器13、以及用于将光收发机信息6加载至红外光载波的光调制器11，能产生红外波段和可见波段两种激光载波；所述第一光学天线装置2包括用于将已调制红外光载波和未调制可见光载波合束的第一二向色镜21、带孔反射镜22、第一光束扩束整形系统23、第一窄带滤光片24、第一会聚透镜25。所述第一光电探测器3是由高速PIN、APD等光电二极管构成。所述第一LDPC编码装置7、第一LDPC译码装置4均由FPGA电路实现。所述第一LDPC编码装置7的矩阵构造采用随机构造法，编码方法是近似下三角矩阵法，编码后信息头部加入PN同步序列。所述第一LDPC译码装置4的译码采用BP译码算法。
本实施例所述逆向调制装置8包括第二会聚透镜83、用于将逆向调制机信息5加载至反射后可见光载波的声光调制器82、用于反射可见光载波的微角锥棱镜阵列81；所述第二光学天线装置9包括第二光束扩束整形系统92、用于将已调制红外光载波和未调制可见光载波分束的第二二向色镜91、第二窄带滤光片93。所述第二光电探测器10是由高速PIN、APD等光电二极管构成。所述第二LDPC编码装置30以及第二LDPC译码装置20均由FPGA电路实现，所述第二LDPC编码装置30的矩阵构造采用随机构造法，编码方法是近似下三角矩阵法，编码后信息头部加入PN同步序列。第二LDPC译码装置20的译码采用BP译码算法。
本实施例光收发机信息6经第一LDPC编码装置7进行信道编码并由光源装置加载到红外光载波上，已调制红外光载波和未调制可见光载波由第一光学天线装置2发射至大气信道中；所述第二光学天线装置9在大气信道中接收已调制红外光载波和未调制可见光载波并将已调制红外光载波发送给第二光电探测装置10，经第二LDPC译码装置20进行译码恢复并传给光收发机40；
同时，所述第二光学天线装置9将未调制可见光载波发送给逆向调制装置8进行反射，逆向调制机信息5经第二LDPC编码装置30进行信道编码后由逆向调制装置8加载至反射后的可见光载波上再由第二光学天线装置9发射至大气信道中；所述第一光学天线装置2在大气信道中接收已调制可见光载波发送给第一光电探测装置3，经第一LDPC译码装置4进行译码恢复并传给逆向调制机50。本发明采用LDPC码和微角锥棱镜阵列MCCRAs相结合的方案来对抗大气湍流对MRR-FSO通信系统性能的影响，可以有效提升在中/弱湍流条件下MRR-FSO系统性能。
具体应用时，参见图3、图4，本实例中光收发机应当包括：1550nm激光器、635nm激光器、1550nm光调制器、第一二向色镜21、带孔反射镜22、第一光束扩束整形系统23、第一窄带滤光片24、第一会聚透镜25、第一LDPC编/译码装置、第一APD光电二极管。逆向调制机应包括：第二光束扩束整形系统92、第二二向色镜91、第二窄带滤光片93、第二会聚透镜83、声光调制器82、微角锥棱镜阵列81、第二LDPC编/译码装置、第二APD光电二极管。
本实例中选用635nm激光器产生可见光载波，选用1550nm激光器产生红外光载波；选用FPGA电路实现LDPC编/译码装置；用户待发送信息由PC端产生，并由PC端计算与存储接收信息。
MRR-FSO双工通信实例具体实施步骤如下：
步骤1：按照如图3所示搭建MRR-FSO光收发机装置，按照如图4所示搭建MRR-FSO逆向调制机装置，并安置于湍流大气两端。待发送信息由PC端产生，由FPGA电路实现的第一LDPC编码装置7进行信道编码，编码过程可以表述为利用随机构造法得到校验矩阵，通过近似下三角矩阵法根据校验矩阵对用户数据进行LDPC编码，对编码后信息头部加入PN同步序列后，获得编码后信息。然后采用OOK调制方式，光调制器控制1550nm激光器偏置电流通断，将编码后信息加载到1550nm光载波上，第一二向色镜21将已调1550nm光波和未经调制的635nm光波合束，依次经过带孔反射镜22小孔和第一光束整形器后，发射至湍流大气中。
步骤2：逆向调制机50在湍流大气的另一端将接收1550nm光信号，通过第二光束整形器后，由第二二向色镜91将携带信息的1550nm光波和未经调制的635nm光载波分束，所得1550nm光波经过第二窄带滤光片93后由第二光电探测器10接收，转换为电信号，由FPGA电路实现的第二LDPC译码装置20进行译码，译码过程可以表述为将电信号数据下采样获得比特序列，之后由PN同步序列确定LDPC编码字段头部后去除PN头，通过置信度传播算法对LDPC编码部分进行LDPC译码，并将恢复信息传送至PC端，完成本实例上行链路任务，即实线走向的链路。
步骤3：分束获得的635nm光载波经过第二会聚透镜83和声光调制器82小孔后，被MCCRAs反射。PC端生成待发送信息序列，待发送信息由FPGA电路实现的第二LDPC编码装置30进行信道编码，编码过程与步骤1中描述相同。然后声光调制器82使用OOK调制方式将编码后信息加载到反射后的635nm光载波上，已调635nm光波依次经过第二会聚透镜83、第二二向色镜91和第二光束整形器后，发射至大气中。
步骤4：光收发机40将接收通过湍流大气的635nm光信号，635nm光信号通过第一光束整形器后，被带孔反射镜22反射，依次透过第一窄带滤光片24和第一会聚透镜25后，由第一光电探测器3接收，转换为电信号，由FPGA电路实现的第一LDPC译码装置4进行译码，译码过程与步骤2中描述相同，并将恢复信息传送至PC端，完成本实例下行链路任务，即虚线走向的链路。
本实施例的步骤1中可选用450nm激光器或者635nm激光器作为可见光载波光源，可选用1550nm激光器作为红外光载波光源。步骤3中的声光调制器可以替换为：铁电液晶调制器、微机电系统调制器、多量子肼调制器、光纤-压电陶瓷调制器等。

Claims (10)

1.一种基于LDPC码和微角锥棱镜阵列的MRR-FSO双工通信装置，其特征在于：包括光收发机和逆向调制机，所述光收发机包括光源装置、第一光学天线装置、第一LDPC编码装置、第一LDPC译码装置和第一光电探测装置，所述逆向调制机包括第二光学天线装置、逆向调制装置、第二LDPC编码装置、第二LDPC译码装置和第二光电探测装置；所述光源装置能产生红外波段和可见波段两种激光载波，所述逆向调制装置包括用于反射可见光载波的微角锥棱镜阵列；
光收发机信息经第一LDPC编码装置进行信道编码并由光源装置加载到红外光载波上，已调制红外光载波和未调制可见光载波由第一光学天线装置发射至大气信道中；所述第二光学天线装置在大气信道中接收已调制红外光载波和未调制可见光载波并将已调制红外光载波发送给第二光电探测装置，经第二LDPC译码装置进行译码恢复并传给光收发机；
同时，所述第二光学天线装置将未调制可见光载波发送给逆向调制装置由微角锥棱镜阵列进行反射，逆向调制机信息经第二LDPC编码装置进行信道编码后由逆向调制装置加载至反射后的可见光载波上再由第二光学天线装置发射至大气信道中；所述第一光学天线装置在大气信道中接收已调制可见光载波发送给第一光电探测装置，经第一LDPC译码装置进行译码恢复并传给逆向调制机。
2.如权利要求1所述的一种基于LDPC码和微角锥棱镜阵列的MRR-FSO双工通信装置，其特征在于：所述第一LDPC编码装置、第一LDPC译码装置、第二LDPC编码装置以及第二LDPC译码装置均由FPGA电路实现。
3.如权利要求2所述的一种基于LDPC码和微角锥棱镜阵列的MRR-FSO双工通信装置，其特征在于：所述第一LDPC编码装置和第二LDPC编码装置的矩阵构造采用随机构造法。
4.如权利要求3所述的一种基于LDPC码和微角锥棱镜阵列的MRR-FSO双工通信装置，其特征在于：所述第一LDPC编码装置和第二LDPC编码装置的编码方法是近似下三角矩阵法，编码后信息头部加入PN同步序列。
5.如权利要求2所述的一种基于LDPC码和微角锥棱镜阵列的MRR-FSO双工通信装置，其特征在于：所述第一LDPC译码装置和第二LDPC译码装置的译码采用BP译码算法。
6.如权利要求1至5任一项所述的一种基于LDPC码和微角锥棱镜阵列的MRR-FSO双工通信装置，其特征在于：所述光源装置包括用于产生红外光载波的红外波段激光器、用于产生可见光载波的可见光激光器、以及用于将光收发机信息加载至红外光载波的光调制器。
7.如权利要求1至5任一项所述的一种基于LDPC码和微角锥棱镜阵列的MRR-FSO双工通信装置，其特征在于：所述逆向调制装置还包括第二会聚透镜、用于将逆向调制机信息加载至反射后可见光载波的声光调制器。
8.如权利要求1至5任一项所述的一种基于LDPC码和微角锥棱镜阵列的MRR-FSO双工通信装置，其特征在于：所述第一光学天线装置包括用于将已调制红外光载波和未调制可见光载波合束的第一二向色镜、带孔反射镜、第一光束扩束整形系统、第一窄带滤光片、第一会聚透镜。
9.如权利要求1至5任一项所述的一种基于LDPC码和微角锥棱镜阵列的MRR-FSO双工通信装置，其特征在于：所述第二光学天线装置包括第二光束扩束整形系统、用于将已调制红外光载波和未调制可见光载波分束的第二二向色镜、第二窄带滤光片。
10.如权利要求1至5任一项所述的一种基于LDPC码和微角锥棱镜阵列的MRR-FSO双工通信装置，其特征在于：所述第一光电探测器和第二光电探测器是由高速PIN或APD光电二极管构成。
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