CN111181635B - 一种自由空间光通讯测试系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种自由空间光通讯测试系统和方法，自由空间光通讯测试系统包括通过光学天线进行信号传输的发射端和接收端，能够实现无缆测试，便于携带。本发明能够方便快捷地实时测试特定通讯距离条件下的自由空间中，光通讯系统的误码率等性能指标。
Description
技术领域
本发明属于光通讯测试技术领域，具体涉及一种自由空间光通讯测试系统和方法。
背景技术
自由空间光通讯系统中，光信号在自由空间传输过程中，扰动、散射、湍流因素导致光信号质量劣化，为了评估光信号质量劣化对通讯系统的影响，必须实时精确地测量系统的误码率。
传统的误码率测试方案，码型发生器与码型校验器必须以有缆连接的方式进行时钟同步。而对于远距离自由空间通讯应用场景，尤其是地—空、空—空应用场景，不可能或不方便进行有缆连接的方式进行测试。因此必须设计开发适用于自由空间光通讯系统误码率等关键指标的测试方案。
另外，现有行业中的光学天线产品生产商，仅测试光学天线的光学参数，对光学天线的适用性与通讯系统符合性无有效测试方法。
本背景技术所公开的上述信息仅仅用于增加对本申请背景技术的理解，因此，其可能包括不构成本领域普通技术人员已知的现有技术。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述问题，提供一种自由空间光通讯测试系统和方法，以解决现有技术对于远距离自由空间通讯应用场景无有效测试方案的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种自由空间光通讯测试系统，包括第一端和第二端；
所述第一端为发射端，包括：
第一上位机，用于控制与显示第一光模块的工作状态，用于控制第一光功率放大器，用于生成指令；
第一FPGA芯片，用于接收所述第一上位机的指令生成特定的码型信号；
第一光模块，用于将特定的码型信号转换为光信号；
第一光功率放大器，用于将所述第一光模块发射出的光信号的光功率放大；
第一光学天线，用于向自由空间发射所述第一光功率放大器放大的光信号；
所述第二端为接收端，包括：
第二光学天线，用于接收所述自由空间中的光信号；
第二光功率预放大器，用于将所述第二光学天线接收到的光信号的光功率放大；第二分光路器，用于按照一定的分光比例将所述第二光功率预放大器输出的光信号分为第一路光信号和第二路光信号；
第二光功率计，用于接收第一路光信号，计算所述第一路光信号的光功率并上传第二上位机；
第二光模块，用于接收第二路光信号，并将所述第二路光信号转换为电信号；
第二FPGA芯片，用于接收所述第二光模块产生的电信号并转化成特定的码型信号，用于将所述特定的码型信号与预设的码型信号进行校验，计算误码率并上传至第二上位机；
第二上位机，用于显示所述误码率。
如上所述的自由空间光通讯测试系统，
所述第一端为接收端，包括：
第一光学天线，用于接收所述自由空间中的光信号；
第一光功率预放大器，用于将所述第一光学天线接收到的光信号的光功率放大；
第一分光路器，用于按照一定的分光比例将所述第一光功率预放大器输出的光信号分为第一路光信号和第二路光信号；
第一光功率计，用于接收第一路光信号，计算所述第一路光信号的光功率并上传第一上位机；
第一光模块，用于接收第二路光信号，并将所述第二路光信号转换为电信号；
第一FPGA芯片，用于接收所述第一光模块产生的电信号并转化成特定的码型信号，用于将所述特定的码型信号与预设的码型信号进行校验，计算误码率并上传至第一上位机；
第一上位机，用于显示所述误码率。
所述第二端为发射端，包括：
第二上位机，用于控制与显示第二光模块的工作状态，用于控制第二光功率放大器，用于生成指令；
第二FPGA芯片，用于接收所述第二上位机的指令生成特定的码型信号；
第二光模块，用于将特定的码型信号转换为光信号；
第二光功率放大器，用于将所述第二光模块发射出的光信号的光功率放大；
第二光学天线，用于向自由空间发射所述第二光功率放大器放大的光信号。
如上所述的自由空间光通讯测试系统，在上位机接收的光功率计计算的光功率小于设定值时，调节光功率预放大器的放大倍数，使输出给上位机的光功率恢复至设定标准范围。
如上所述的自由空间光通讯测试系统，所述上位机用于计算自由空间光功率传输损耗IL，IL为所述发射端的光功率放大器的输出光功率P2-所述接收端的光学天线从自由空间接收光信号后的输出光功率P3。
如上所述的自由空间光通讯测试系统， 所述上位机用于计算自由空间光功率传输损耗的变化量△IL，△IL为IL的变化幅度。
一种自由空间光通讯测试方法，所述方法为：
第一上位机控制第一FPGA芯片生成特定的码型信号；
第一光模块将特定的码型转化为光信号，光功率值P1；
第一光功率放大器将所述第一光模块发射出的光信号的光功率放大至P2；
第一光学天线将光信号发射到自由空间中；
第二光学天线接收自由空间中的光信号，光功率值P3；
第二光功率预放大器将所述第二光学天线接收到的光信号的光功率放大；第二分光路器按照一定的分光比例将所述第二光功率预放大器输出的的光信号分为第一路光信号和第二路光信号，所述第一路光信号的光功率为P5，第二路光信号的光功率为P4；
第二光模块接收第二路光信号并将第二路光信号转换为电信号；
第二FPGA芯片接收光模块产生的电信号并转化成特定的码型信号，将所述特定的码型信号与预设的码型信号进行校验，计算误码率并上传至第二上位机；
第二光功率计将第一路光信号的光功率P5上传至第二上位机。
如上所述的自由空间光通讯测试方法，所述方法为：
第二上位机控制第二FPGA芯片生成特定的码型信号；
第二光模块将特定的码型转化为光信号，光功率值P1；
第二光功率放大器将所述第二光模块发射出的光信号的光功率放大至P2；
第二光学天线将光信号发射到自由空间中；
第一光学天线接收自由空间中的光信号，光功率值P3；
第一光功率预放大器将所述第一光学天线接收到的光信号的光功率放大；
第一分光路器按照一定的分光比例将所述第一光功率预放大器输出的光信号分为第一路光信号和第二路光信号，所述第一路光信号的光功率为P5，第二路光信号的光功率为P4；
第一光模块接收第二路光信号并将第二路光信号转换为电信号；
第一FPGA芯片接收光模块产生的电信号并转化成特定的码型信号，将所述特定的码型信号与预设的码型信号进行校验，计算误码率并上传至第一上位机；
第一光功率计将第一路光信号的光功率P5上传至第一上位机。
如上所述的自由空间光通讯测试方法，在上位机接收的光功率计计算的光功率小于设定值时，调节光功率预放大器的放大倍数，使输出给上位机的光功率恢复至设定标准范围。
如上所述的自由空间光通讯测试方法，所述上位机用于计算自由空间光功率传输损耗IL，IL为所述发射端的光功率放大器的输出光功率P2-所述接收端的光学天线从自由空间接收光信号后的输出光功率P3。
如上所述的自由空间光通讯测试方法，所述上位机计算自由空间光功率传输损耗的变化量△IL，△IL为IL的变化幅度。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明自由空间光通讯测试系统包括通过光学天线进行信号传输的发射端和接收端，能够实现无缆测试，便于携带。本发明能够方便快捷地实时测试特定通讯距离条件下的自由空间中，光通讯系统的误码率等性能指标。
结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明具体实施例的原理框图。
图2为本发明具体实施例第一端的原理框图。
图3为本发明具体实施例第二端的原理框图。
图4为本发明具体实施例的流程图。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本实施例提出了一种自由空间光通讯测试系统，既可以解决自由空间光通讯系统误码率等关键指标不方便的测试问题，又可以解决光学天线的生产商可以对特定应用场景下，如特定通讯距离条件下，光学天线的产品适用性与系统符合性测试的问题。
本实施例的测试指标包括：误码率BER、自由空间传输损耗IL、自由空间光功率传输损耗的变化量△IL。
具体的，如图1所示，本实施例自由空间光通讯测试系统包括第一端和第二端，本实施例中，第一端和第二端的功能完全相同，第一端、第二端以自由空间（空气、真空或液态）为传输介质进行通讯传输，第一端、第二端均配备具备收发一体功能的光学天线，系统具备双工通讯测试功能。
具体的，如图1所示，第一端为发射端时，包括：
第一上位机，用于运行上位机软件，通过上位机软件控制与显示第一光模块的工作状态，调节第一光模块的输出光功率。用于运行第一光功率放大器控制软件，控制第一光功率放大器，调节光功率增益，调节放大后的光功率的大小。用于生成指令至第一FPGA芯片。
第一FPGA芯片，用于接收第一上位机的指令生成特定的码型信号。其中，特定的码型为PRBS码型。
第一光模块，用于将特定的码型信号转换为光信号。其中，特定的码型信号为差分电信号。
第一光功率放大器，用于将第一光模块发射出的光信号的光功率放大，以补偿大气传输过程中的光功率损耗。
第一光学天线，用于向自由空间(包括真空、空气、液体)发射第一光功率放大器放大的光信号。
第一端为接收端时，包括：
第一光学天线，用于接收自由空间中的光信号。
第一光功率预放大器，用于将所述第一光学天线接收到的光信号的光功率放大。第一分光路器，用于按照一定的分光比例将第一光功率预放大器输出的光信号分为第一路光信号和第二路光信号。
第一光功率计，用于接收第一路光信号，计算第一路光信号的光功率并上传第一上位机。
第一光模块，用于接收第二路光信号，并将第二路光信号转换为电信号。
第一FPGA芯片，用于接收第一光模块产生的电信号并转化成特定的码型（PRBS码型）信号。用于将特定的码型信号与预设的码型信号进行校验，计算误码率并上传至第一上位机。
第一上位机，用于显示误码率。
如图3所示，第二端为接收端时，包括：
第二光学天线，用于接收自由空间中的光信号。
第二光功率预放大器，用于将第二光学天线接收到的光信号的光功率放大。
第二分光路器，用于按照一定的分光比例将第二光功率预放大器输出的光信号分为第一路光信号和第二路光信号。
第二光功率计，用于接收第一路光信号，计算第一路光信号的光功率并上传第二上位机。
第二光模块，用于接收第二路光信号，并将第二路光信号转换为电信号；
第二FPGA芯片，用于接收第二光模块产生的电信号并转化成特定的码型信号，用于将特定的码型信号与预设的码型信号进行校验，计算误码率并上传至第二上位机。
第二上位机，用于显示所述误码率。
第二端为发射端时，包括：
第二上位机，用于运行上位机软件，通过上位机软件控制与显示第二光模块的工作状态，调节第二光模块的输出光功率。用于运行第二光功率放大器控制软件，控制第二光功率放大器，调节光功率增益，调节放大后的光功率的大小。用于生成指令至第二FPGA芯片。
第二FPGA芯片，用于接收第二上位机的指令生成特定的码型信号。其中，特定的码型为PRBS码型。
第二光模块，用于将特定的码型信号转换为光信号。其中，特定的码型信号为差分电信号。
第二光功率放大器，用于将第二光模块发射出的光信号的光功率放大，以补偿大气传输过程中的光功率损耗。
第二光学天线，用于向自由空间(包括真空、空气、液体)发射第二光功率放大器放大的光信号。
在遇到大气湍流、雨、雪、雾等突发情况时，会使得自由空间光功率传输损耗IL大大增加，即光功率计输出给上位机的光功率小于设定值，会导致误码率BER不合格甚至中断。因而，本实施例上位机控制光功率预放大器，对接收到的光进行放大，放大倍数为光功率降低倍数，使光功率计输出给上位机的光功率恢复到原值。
具体的，在上位机接收的光功率计计算的光功率小于设定值时，调节光功率预放大器的放大倍数，使输出给上位机的光功率恢复至设定标准范围，以对接收到的光功率进行实时补偿。
自由空间光功率传输损耗IL实时变化，上位机控制光预放大器实时进行补偿，可以保证自由空间光通讯系统的通讯。当然，第一端仅为发射端、第二端仅为接收端，或者，第一端仅为接收端、第二端仅为发射端，也在本发明的保护范围之内。
本实施例的第一端和第二端均包括电源，电源用于向FPGA芯片、光模块和EEPROM芯片提供工作电源。
时钟，用于向FPGA芯片提供时钟信号。
通讯接口，用于实现 FPGA与上位机、光功率放大器与上位机、光功率计与上位机的通讯。
EEPROM芯片，用于存放FPGA芯片的配置信息。
对于误码率，特定的码型信号与预设的码型信号总码数为N，若特定的码型信号与预设的码型信号码型不一致的码数为N1，误码率BER=N1/N*100%。若特定的码型信号与预设的码型信号码型完全一致，则误码率为零。
上位机用于计算自由空间光功率传输损耗IL，IL为发射端的光功率放大器的输出光功率P2-接收端的光学天线从自由空间接收光信号后的输出光功率P3。
上位机用于计算自由空间光功率变化量△IL，△IL为IL的变化幅度。
如图4所示，本实施例还提出了一种自由空间光通讯测试方法，测试之前，首先将第一端的光学天线与第二端的光学天线精确对准，即第一光学天线可以接收到第二光学天线发射的光信号，第二光学天线也可以接收到第一光学天线发射的光信号。
测试方法为：
S1、第一上位机控制第一FPGA芯片生成特定的PRBS码型信号。
其中，PRBS码型信号以差分电信号形式输入给第一光模块。
S2、第一光模块将特定的PRBS码型转化为光信号，光功率值P1。
S3、第一光功率放大器将第一光模块发射出的光信号的光功率放大至P2。
S4、第一光学天线将光信号发射到自由空间中。
S5、第二光学天线接收自由空间中的光信号，光功率值P3。
S6、第二光功率预放大器将第二光学天线接收到的光信号的光功率放大。
S7、第二分光路器按照一定的分光比例将第二光功率预放大器输出的的光信号分为第一路光信号和第二路光信号，第一路光信号的光功率为P5，第二路光信号的光功率为P4。其中，光功率P5＜光功率P4。
S8、第二光模块接收第二路光信号并将第二路光信号转换为差分电信号，输入给第二FPGA芯片。
S9、第二FPGA芯片接收光模块产生的电信号并转化成特定的PRBS码型信号，将特定的码型信号与预设的PRBS码型信号进行校验，计算误码率并上传至第二上位机。
特定的码型信号与预设的码型信号总码数为N，若特定的码型信号与预设的码型信号码型不一致的码数为N1，误码率BER=N1/N*100%。若特定的码型信号与预设的码型信号码型完全一致，则误码率为零。
S10、第二光功率计将第一路光信号的光功率P5上传至第二上位机。
S11、第二上位机计算自由空间光功率传输损耗IL，IL为发射端的光功率放大器的输出光功率P2-接收端的光学天线从自由空间接收光信号后的输出光功率P3。
第二上位机计算自由空间光功率传输损耗的变化量△IL，△IL为IL的变化幅度。
P1、光模块输出光功率，可以通过上位机调节至规定值。
P2：P1经光功率放大器放大后输出的光功率，P2=P1×M（光功率增益）。光功率增益是确定值。
P3：光学天线从自由空间接收光信号后的输出光功率，P3=P2-IL（IL为P2在大气中的损耗）。P3=P4+P5。
P4：输入给光模块的光功率，P4=P5×β(光分路器分光比例)。
P5：输入给光功率计的光功率，可通过光功率计读出。
第二上位机接收的光功率计计算的光功率小于设定值时，调节第二光功率预放大器的放大倍数，使输出给上位机的光功率恢复至设定标准范围。进入步骤S6。当然，测试方法也可以是第一端发射光信号，第二端接收光信号并处理，其具体测试方法不再赘述。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种自由空间光通讯测试系统，其特征在于，包括第一端和第二端，所述第一端和第二端以自由空间为传输介质进行通讯传输，所述系统具备双工通讯测试功能；
所述第一端为发射端时，包括：
第一上位机，用于控制与显示第一光模块的工作状态，用于控制第一光功率放大器，用于生成指令；
第一FPGA芯片，用于接收所述第一上位机的指令生成特定的码型信号；
第一光模块，用于将特定的码型信号转换为光信号；
第一光功率放大器，用于将所述第一光模块发射出的光信号的光功率放大；
第一光学天线，用于向自由空间发射所述第一光功率放大器放大的光信号；
所述第二端为接收端，包括：
第二光学天线，用于接收所述自由空间中的光信号；
第二光功率预放大器，用于将所述第二光学天线接收到的光信号的光功率放大；
第二分光路器，用于按照一定的分光比例将所述第二光功率预放大器输出的光信号分为第一路光信号和第二路光信号；
第二光功率计，用于接收第一路光信号，计算所述第一路光信号的光功率并上传第二上位机；
第二光模块，用于接收第二路光信号，并将所述第二路光信号转换为电信号；
第二FPGA芯片，用于接收所述第二光模块产生的电信号并转化成特定的码型信号，用于将所述特定的码型信号与预设的码型信号进行校验，计算误码率并上传至第二上位机；
第二上位机，用于显示所述误码率；所述第二上位机接收的所述第二光功率计计算的光功率，在所述光功率小于设定值时，调节所述第二光功率预放大器的放大倍数，使所述第二光功率计计算的光功率恢复至设定标准范围；
所述第一端为接收端时，包括：
第一光学天线，用于接收所述自由空间中的光信号；
第一光功率预放大器，用于将所述第一光学天线接收到的光信号的光功率放大；
第一分光路器，用于按照一定的分光比例将所述第一光功率预放大器输出的光信号分为第一路光信号和第二路光信号；
第一光功率计，用于接收第一路光信号，计算所述第一路光信号的光功率并上传第一上位机；
第一光模块，用于接收第二路光信号，并将所述第二路光信号转换为电信号；
第一FPGA芯片，用于接收所述第一光模块产生的电信号并转化成特定的码型信号，用于将所述特定的码型信号与预设的码型信号进行校验，计算误码率并上传至第一上位机；
第一上位机，用于显示所述误码率；所述第一上位机接收的所述第一光功率计计算的光功率，在所述光功率小于设定值时，调节所述第一光功率预放大器的放大倍数，使所述第一光功率计计算的光功率恢复至设定标准范围；所述第二端为发射端，包括：
第二上位机，用于控制与显示第二光模块的工作状态，用于控制第二光功率放大器，用于生成指令；
第二FPGA芯片，用于接收所述第二上位机的指令生成特定的码型信号；
第二光模块，用于将特定的码型信号转换为光信号；
第二光功率放大器，用于将所述第二光模块发射出的光信号的光功率放大；
第二光学天线，用于向自由空间发射所述第二光功率放大器放大的光信号。
2.根据权利要求1所述的自由空间光通讯测试系统，其特征在于，所述上位机用于计算自由空间光功率传输损耗IL，IL为所述发射端的光功率放大器的输出光功率P2-所述接收端的光学天线从自由空间接收光信号后的输出光功率P3。
3.根据权利要求2所述的自由空间光通讯测试系统，其特征在于， 所述上位机用于计算自由空间光功率传输损耗的变化量△IL，△IL为IL的变化幅度。
4.一种基于权利要求1-3任意一项所述的自由空间光通讯测试系统的自由空间光通讯测试方法，其特征在于，所述方法为：
第一上位机控制第一FPGA芯片生成特定的码型信号；
第一光模块将特定的码型转化为光信号，光功率值P1；
第一光功率放大器将所述第一光模块发射出的光信号的光功率放大至P2；
第一光学天线将光信号发射到自由空间中；
第二光学天线接收自由空间中的光信号，光功率值P3；
第二光功率预放大器将所述第二光学天线接收到的光信号的光功率放大；
第二分光路器按照一定的分光比例将所述第二光功率预放大器输出的光信号分为第一路光信号和第二路光信号，所述第一路光信号的光功率为P5，第二路光信号的光功率为P4；
第二光模块接收第二路光信号并将第二路光信号转换为电信号；
第二FPGA芯片接收光模块产生的电信号并转化成特定的码型信号，将所述特定的码型信号与预设的码型信号进行校验，计算误码率并上传至第二上位机；
第二光功率计将第一路光信号的光功率P5上传至第二上位机；
第二上位机控制第二FPGA芯片生成特定的码型信号；
第二光模块将特定的码型转化为光信号，光功率值P1；
第二光功率放大器将所述第二光模块发射出的光信号的光功率放大至P2；
第二光学天线将光信号发射到自由空间中；
第一光学天线接收自由空间中的光信号，光功率值P3；
第一光功率预放大器将所述第一光学天线接收到的光信号的光功率放大；
第一分光路器按照一定的分光比例将所述第一光功率预放大器输出的光信号分为第一路光信号和第二路光信号，所述第一路光信号的光功率为P5，第二路光信号的光功率为P4；
第一光模块接收第二路光信号并将第二路光信号转换为电信号；
第一FPGA芯片接收光模块产生的电信号并转化成特定的码型信号，将所述特定的码型信号与预设的码型信号进行校验，计算误码率并上传至第一上位机；
第一光功率计将第一路光信号的光功率P5上传至第一上位机；
在上位机接收的光功率计计算的光功率小于设定值时，调节光功率预放大器的放大倍数，使输出给上位机的光功率恢复至设定标准范围。
5.根据权利要求4所述的自由空间光通讯测试方法，其特征在于，所述上位机计算自由空间光功率传输损耗IL，IL为所述发射端的光功率放大器的输出光功率P2-所述接收端的光学天线从自由空间接收光信号后的输出光功率P3。
6.根据权利要求5所述的自由空间光通讯测试方法，其特征在于，所述上位机计算自由空间光功率传输损耗的变化量△IL，△IL为IL的变化幅度。
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