CN111342907B - 一种兼具无线光通信信号分集和入射光角度估计功能的电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种兼具无线光通信信号分集和入射光角度估计功能的接收电路。该电路包括一个运算放大器、若干方向增益不同的光电转换器、若干跨阻放大器、若干场效应管、若干电阻、一个数字信号处理单元。可通过数字信号处理单元的输入输出接口实现光信号在模拟电路中的选择或求和。该电路可用于同时实现稳定的无线光通信和接收机的定位，且成本低于独立设计的光通信分集系统和光定位系统。

Description

一种兼具无线光通信信号分集和入射光角度估计功能的电路
技术领域
本发明涉及一种兼具无线光通信分集和入射光角度估计功能的接收电路，属于信息技术和自动化技术的交叉领域。
背景技术
无线光频谱资源宝贵：无线光通信系统具有带宽大、保密性强、兼具照明功能、无电磁干扰等诸多优势；基于入射角度的无线光定位系统能达到厘米级精度。
然而，由于光电转换器、高速跨阻放大器、高速运算放大器的造价昂贵，光通信及光定位系统的成本一直居高不下。
无线光通信和基于角度估计的光定位接收机的电路结构和评价标准有很多不同。光通信接收电路要求放大器带宽高、输出信号信噪比高；入射光角度估计电路要求接收信号包含的位置信息量大，信号的空间自由度多。因此现有的无线光通信系统和接收机定位系统都是分立的，各自有一套独立的光电转换和放大电路，电子元器件的复用程度很低，设备昂贵且体积大。
发明内容
本发明是为了解决上述问题，提供一种兼具无线光通信分集和入射光角度估计功能的接收电路，能够尽可能多地让两种功能模块共用相同的元器件，避免重复，从而降低成本，缩小体积。
为了实现以上目的，本发明采用如下技术方案：一种兼具无线光通信分集和入射光角度估计功能的接收电路，包括多个方向增益不同的光电转换器，各个光电转换器通过对应的信号选择器与信号合并放大器连接，所述的信号合并放大器输出电压与模拟/数字信号转换器连接，所述的模拟/数字信号转换器与数字信号处理单元连接，数字信号处理单元还与所述的信号选择器连接。
作为本发明的一种改进，所述的光电转换器与所述的信号选择器之间还设置有一个跨阻放大器。
作为本发明的一种改进，所述的信号选择器部分包括MOS管和电阻，所述的MOS管的栅极连接在数字信号处理单元的控制总线上，其通断由信号IO控制。
作为本发明的一种改进，所述的光电转换器为能将光信号转换成微弱电信号的基本元器件，包括光电二极管、光敏电阻、光敏三极管、光电倍增管中的一种。
本发明的工作原理为：
采用一组方向增益不同的光电转换器来区分入射光的角度。即当入射光线方向改变时，光电转换器生成的电信号组合会发生改变。通过场效应管控制每一路光转电信号的通断，而场效应管的栅极连接控制总线，从而受控于数字信号处理电路。信号合并放大器采用基于运算放大器搭建的模拟加法器实现。信号合并放大器的输出电压能够被模拟/数字转换器采样，采样后的数字向量通过传感总线发送给数字信号处理单元。数字信号处理单元控制当前电路的工作状态：当进行无线光信号分集时，通过控制总线将两路以上的光转电信号的通路打开，实现多路信号的合并及判决；当进行无线光角度估计时，通过控制总线依次将单路光转电信号的通路打开，实现单路信号的采样，并通过已有的角度估计算法进行入射角度估计。
有益效果：
本发明将光信号分集电路和入射角估计电路的元器件进行了复用。通过增加少量场效应管，允许通信模块和角度估计模块共用光电传感器、跨阻放大器、信号合并放大器、模拟/数字转换器，节约了成本，缩小了设备体积。
附图说明
图1是本发明实施例提供的兼具无线光通信信号分集和入射光角度估计功能电路的结构框图；
图2是本发明实施例提供的核心模块电路图
图3是本发明实施例提供的方向增益不同的光电转换器示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是兼具无线光通信信号分集和入射光角度估计功能电路的系统框图。光信号经过光电转换器和跨阻放大器组、信号选择器、基于运算放大器的信号合并放大器、模拟/数字信号转换器与数字信号处理单元连接，数字信号处理单元还通过控制总线与所述的信号选择器连接。
请参照图2，光电转换器组合跨阻放大器组构成了前置放大部分。其中Vb是光电转换器的偏置电压，Dl,l＝1,…,L是光电转换器，可能是光电二极管、光敏电阻、光敏三极管、光电倍增管等能将光信号转换成微弱电信号的基本元器件。每一个Dl通常后接一个跨阻放大器(Transimpedance Amplifier,TIA)，从而实现弱电流到电压的转换。但是该跨阻放大器也不是必须的，也可不设置跨阻放大器和输入电阻Rl,l＝1,…,L，利用后级的运算放大器实现跨阻放大的功能。
信号选择器部分包括了MOS管Ql,l＝1,…,L和电阻Rl,l＝1,…,L。MOS管的栅极连接在数字信号处理单元的控制总线上，其通断由信号IOl,l＝1,…,L控制。此处利用了运算放大器“虚地”的性质，即反向输入端的电压接近0伏。因此，数字电路输出的高低电平可以直接控制MOS管。Rl,l＝1,…,L和Rf共同决定了最终的输出，其表达式为
Figure BDA0002417594390000031
其中vl,l＝1,…,L为跨阻放大器的输出电压；vth为高低电平的分界电压；u(·)为阶跃函数，定义为
Figure BDA0002417594390000032
假设第l路跨阻放大器的增益为Al,l＝1,…,L，则公式(1)可表示为光电流il,l＝1,…,L的函数
Figure BDA0002417594390000033
如图3所示，不同的光电转换器具有不同的方向增益。这种增益的不同可以通过多种手段实现。例如通过增加参数不同的透镜、在传感器上方增加结构不同的遮挡物，或对参数相同的光电转换器进行不同方向的偏转。
当电路工作在角度估计模式时，控制总线IOl,l＝1,…,L依次控制每一路信号的通断，即每一个时刻只让一路信号打开，并通过模数转换器对vo进行采样，发送给数字信号处理单元。根据公式(2)可知依次得到的采样信号为
Figure BDA0002417594390000034
为了顾及入射光角度，可通过已有算法来处理向量s和光电转换器的方向增益参数得到。
当电路工作在光通信模式时，控制总线IOl,l＝1,…,L控制多个通路打开(通常为全部打开)，并通过模数转换器对vo进行采样，发送给数字信号处理单元。根据公式(2)可知，当全部MOS管导通时得到的采样信号为
Figure BDA0002417594390000041
根据最大比合并器的相关知识，上述信号能够提供L阶分集增益，比单路信号的稳定性好，判决后的误码率更低。

Claims (1)

1.一种兼具无线光通信分集和入射光角度估计功能的接收电路，其特征在于：包括多个方向增益不同的光电转换器，各个光电转换器通过与其对应的信号选择器与信号合并放大器连接，所述的信号合并放大器输出电压与模拟/数字信号转换器连接，所述的模拟/数字信号转换器与数字信号处理单元连接，数字信号处理单元还与所述的信号选择器连接；所述的光电转换器与所述的信号选择器之间还设置有一个跨阻放大器；所述的信号选择器部分包括MOS管和电阻，所述的MOS管的栅极连接在数字信号处理单元的控制总线上，其通断由信号IO控制；所述的光电转换器为能将光信号转换成微弱电信号的基本元器件，包括光电二极管、光敏电阻、光敏三极管、光电倍增管中的一种；
光电转换器组合跨阻放大器组构成了前置放大部分；其中Vb是光电转换器的偏置电压，Dl,l＝1,…,L是光电转换器；每一个Dl通常后接一个跨阻放大器，从而实现弱电流到电压的转换；
信号选择器部分包括了MOS管Ql,l＝1,…,L和电阻Rl,l＝1,…,L；MOS管的栅极连接在数字信号处理单元的控制总线上，其通断由信号IOl,l＝1,…,L控制；Rl,l＝1,…,L和Rf共同决定了最终的输出，其表达式为
Figure FDA0004064527790000011
其中vl,l＝1,…,L为跨阻放大器的输出电压；Rf为信号合并放大器的反馈电阻；vth为高低电平的分界电压；u(·)为阶跃函数，定义为
Figure FDA0004064527790000021
假设第l路跨阻放大器的增益为Al,l＝1,…,L，则公式(1)可表示为光电流il,l＝1,…,L的函数
Figure FDA0004064527790000022
当电路工作在角度估计模式时，控制总线IOl,l＝1,…,L依次控制每一路信号的通断，即每一个时刻只让一路信号打开，并通过模数转换器对vo进行采样，发送给数字信号处理单元；根据公式(2)可知依次得到的采样信号为
Figure FDA0004064527790000023
为了顾及入射光角度，可通过已有算法来处理向量s和光电转换器的方向增益参数得到；
当电路工作在光通信模式时，控制总线IOl,l＝1,…,L控制多个通路打开，并通过模数转换器对vo进行采样，发送给数字信号处理单元；根据公式(2)可知，当全部MOS管导通时得到的采样信号为
Figure FDA0004064527790000024
上述信号能够提供L阶分集增益。
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