CN111510221B - 一种多偏振光无线通信的调制解调方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多偏振光无线通信的调制解调方法及系统，该方法包括：接收来自发射端并经过两次偏振片衰减的光信号；根据接收到的光信号得到比较信号和功率等级信号；对比较信号和功率等级信号进行逻辑运算，还原得到发射端发射的光信号。一种多偏振光无线通信系统包括：包括发射机和接收机，所述发射机包括一般光源、发射端偏振片和输入控制模块；所述接收机包括接收端偏振片、光电二极管、跨阻放大器电路、伪逆矩阵运算电路、比较器电路、功率检测电路和数字逻辑电路。通过使用本发明，可使光无线通信系统信号调制解调不受一般光源性能的限制。本发明作为一种多偏振光无线通信的调制解调方法机系统，可广泛应用于光无线通信领域。

Description

一种多偏振光无线通信的调制解调方法及系统

技术领域

本发明涉及光无线通信领域，尤其涉及一种多偏振光无线通信的调制解调方法及系统。

背景技术

传统的调制方法大多数都是基于开关键控的调制，对于发射机来说，有光为1，无光为0，通过这样的方法来对二进制信号进行编码。在光无线系统里为了提高传输速度，主要的发展方向有使用多振幅相位来调制脉冲调制信号或使用多色光来对要发射的信号进行调制处理。

传统的调制方法存在的不足之处表现在以下几个方面，首先是多振幅信号调制：多振幅调制方法容易受一般光源的频率限制，由于一般光源的频率有极限，调制用的振幅的数量越多，在一个周期里每个振幅的时长就会越少，会增大控制难度和减小控制精度；另外，一般光源的控制电压与发射光强度之间并不是线性的关系，所以想要获得线性变化的不同振幅，对于控制电路的设计难度会随着振幅数量增加而增大。其次是多色光信号调制，多色光调制是使用不同色的光源传输不一样的信息，通过这样的方法来拓宽信号通道，进而提高传输速度，但是能量衰减严重，如果要获得单色光，一是使用单色光源，二是给一般光源加上滤光层，无论是哪种方法，都会牺牲光的能量，这样会导致传输距离受到限制。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供多偏振光无线通信的调制解调方法及系统，使光无线通信系统信号调制解调不受一般光源性能的限制。

本发明所采用的第一技术方案是：一种多偏振光无线调制解调方法，包括以下步骤：

接收来自发射端并经过两次偏振片衰减的光信号；

将接收到的光信号进行伪逆矩阵乘法运算和功率求和运算，得到伪逆矩阵信号和功率信号；

对伪逆矩阵信号内的序号进行比较，得到比较信号；

对功率信号进行分级，得到功率等级信号；

对比较信号和功率等级信号进行逻辑运算，还原得到发射端发射的光信号。

进一步，所述偏振片在发射端和接收端的数量相等且均为3以上的任意奇数，所述偏振片的偏振角度为180度的等分角，角度等分的数量和偏振片在发射端或接收端的数量相等。

进一步，所述经过两次偏振片衰减包括从发射单元发出时经过发射单元所配置的偏振片和被接收单元接收的时候经过接收单元所配置的偏振片，所述接收来自发射端并经过两次偏振片衰减的光信号这一步骤包括计算光信号强度，其具体包括单个发射单元发出的光信号到达单个接收单元的剩余光信号强度，采用下列公式计算：

l₁＝hl₀cos²(α-β)；

所述l₁为接收到的光信号光照强度，所述h为衰减系数，所述l₀为发射的光信号光照强度，所述α为发射端偏振片的偏振角，所述β为接收端偏振片的偏振角。

进一步，对伪逆矩阵信号内的序号进行比较，得到比较信号这一步骤具体为：

将伪逆矩阵信号里的奇数序号的元素与相邻的奇数序号的元素比较，偶数序号的元素与相邻的偶数序号的元素比较，得到比较信号。

本发明所采用的第二技术方案是：一种多偏振光无线通信系统，包括发射机和接收机：

所述发射机包括一般光源、发射端偏振片和输入控制模块，所述输入控制模块与一般光源连接，所述一般光源上设有发射端偏振片；

所述接收机包括接收端偏振片、光电二极管、跨阻放大器电路、伪逆矩阵运算电路、比较器电路、功率检测电路和数字逻辑电路，所述光电二极管上设有接收端偏振片，所述光电二极管与跨阻放大器电路连接，所述跨阻放大器电路分别与伪逆矩阵运算电路和功率检测电路连接，所述伪逆矩阵运算电路与比较器电路连接，所述功率检测电路和比较器电路分别与数字逻辑电路连接。

进一步，所述跨阻放大器电路包括单端输入单端输出运算放大器、第一开关电阻和隔直流模块，所述第一开关电阻和隔直流模块分别与单端输入单端输出运算放大器连接，所述单端输入单端输出运算放大器分别与伪逆矩阵运算电路和功率检测电路连接。

进一步，所述伪逆矩阵电路包括差分输入单端输出运算放大器和第二开关电阻，所述第二开关电阻与差分输入单端输出运算放大器连接，所述差分输入单端输出运算放大器分别与跨阻放大器电路和比较器电路连接。

进一步，所述功率检测电路包括加法器和全并行模数转换器，所述跨阻放大器电路通过加法器与全并行模数转换器连接，所述全并行模数转换器与数字逻辑电路连接。

进一步，所述发射端偏振片与接收端偏振片数量相同，所述发射端偏振片的偏振角与接收端偏振片的偏振角一一对应相等，且为180度的等分角，角度等分的数量和偏振片在发射端和接收端某一端的数量相等。

进一步，所述一般光源的数量和发射端偏振片的数量相同，所述光电二极管的数量与一般光源的数量相同，所述跨阻放大器电路的数量与光电二极管的数量相同。

本发明系统及方法的有益效果是：本发明通过在发射机及接收机都配置同样数目、偏振角相同的偏振片，使光信号产生有规律的强度衰减，再通过接收机上的电路模块和调制解调方法将接收到的光信号还原为原发射光，能够有效增加通信系统中光信号的传输距离。

附图说明

图1是本发明一种多偏振光无线通信系统的结构框图；

图2是本发明一种多偏振光无线通信的调制解调方法的流程图；

图3是本发明一种多偏振光无线通信系统的具体实施例图；

图4是本发明具体实施例跨阻放大器电路的部分电路图；

图5是本发明具体实施例伪逆矩阵运算电路的部分电路图；

图6是本发明具体实施例比较器电路的部分电路图；

图7是本发明具体实施例功率检测电路的部分电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

在光无线通信系统中，需要对光信号进行调制和解调，通过使用本发明，能够克服传统光无线通信系统信号调制方法里受一般光源性能的限制，以及能减少光信号能量的衰减并将这种能量衰减利用到本发明的调制解调方法中。

如图1所示，本发明提供了一种多偏振光无线通信系统，包括发射机和接收机：

所述发射机包括一般光源、发射端偏振片和输入控制模块，所述输入控制模块与一般光源连接，所述一般光源上设有发射端偏振片；

所述接收机包括接收端偏振片、光电二极管、跨阻放大器电路、伪逆矩阵运算电路、比较器电路、功率检测电路和数字逻辑电路，所述光电二极管上设有接收端偏振片，所述光电二极管与跨阻放大器电路连接，所述跨阻放大器电路分别与伪逆矩阵运算电路和功率检测电路连接，所述伪逆矩阵运算电路与比较器电路连接，所述功率检测电路和比较器电路分别与数字逻辑电路连接。

具体地，在光无线通信系统的发射机和接收机配置特定偏振角的偏振片，使光信号经过两个偏振片后产生有规律的强度衰减，所述逻辑电路主要单元结构有与门、或门、与或门等，没有固定结构，所述比较器电路参照图6，主要包括前端和后端，前端是预比较，把“大于”和“小于/等于”两种情况做分类，把3种可能变成2种，然后后端是与固定电平比较，得到数字信号。但是还要在“小于/等于”的两种可能里再做一次筛选。

进一步作为本系统的优选实施例，所述跨阻放大器电路包括单端输入单端输出运算放大器、第一开关电阻R1和隔直流模块，所述第一开关电阻R1和隔直流模块分别与单端输入单端输出运算放大器连接，所述单端输入单端输出运算放大器分别与伪逆矩阵运算电路和功率检测电路连接。

具体地，参照图4，所述跨阻放大器电路具有增益可调的功能，采用单端输入单端输出形式，与信号传输的通道要求一致，设有隔直流模块为了滤除自然光对光电二极管的影响。

进一步作为本系统的优选实施例，所述伪逆矩阵电路包括差分输入单端输出运算放大器和第二开关电阻R2，所述第二开关电阻R2与差分输入单端输出运算放大器连接，所述差分输入单端输出运算放大器分别与跨阻放大器电路和比较器电路连接。

具体地，参照图5，一个伪逆矩阵单元模块可以完成一次加权求和运算，通过外接控制电路控制第二开关电阻R2获得不同的反馈电阻，进而改变加权系数，以满足当发射机与接收机发生偏移角度的情况，对应不同的伪逆矩阵。

进一步作为本系统优选实施例，所述功率检测电路包括加法器和全并行模数转换器，所述跨阻放大器电路通过加法器与全并行模数转换器连接，所述全并行模数转换器与数字逻辑电路连接。

具体地，参照图7，所述加法器是由运算放大器和反馈电阻组成，所述加法器用于将输入的电压信号相近，在模数转换器中进行功率分级，本发明中模数转换器采用全并行模数转换器，在实施案例里，功率的等级只有[012345]一共6种，所以需要6个离散值，对应的ADC的分辨率只需要3bit，低分辨率全并行模数转换器刚好具有响应快速，精度高、结构简单的优点，当偏振片数量增加的时候，使用其他类型的模数转换器。

进一步作为本系统优选实施例，所述发射端偏振片与接收端偏振片数量相同，所述发射端偏振片的偏振角与接收端偏振片的偏振角一一对应相等，且为180度的等分角，角度等分的数量和偏发射端或接收端任一端偏振片的数量相等。

进一步作为本系统优选实施例，所述一般光源的数量和发射端偏振片的数量相同，所述光电二极管的数量与一般光源的数量相同，所述跨阻放大器电路的数量与光电二极管的数量相同。

本发明的具体实施例如下：

一种多偏振光无线通信系统，参照图2，具体采用5个发射机、5个接收机，所述5个发射机包括5个一般光源，每个一般光源各配置一个特定偏振角的发射端偏振片，发射端偏振片的偏振角度分别为0°、36°、72°、108°和144°，所述5个接收机包括5个光电二极管、5个跨阻放大器电路、伪逆矩阵运算电路、功率检测电路、比较器电路和数字逻辑电路，每个光电二极管配置有一个与发射端偏振片对应的接收端偏振片，接收端偏振片的偏振角度分别为0°、36°、72°、108°和144°。

基本原理如下：

控制5个一般光源的开与关的顺序和频率，把数字信号转换成光信号，光信号通过两层5个偏振片的阵列后被接收机的光电二极管接收，光电二极管会根据接收到的光信号产生相应大小的光电流信号，光电流信号经过跨阻放大器放大，变为5路电压信号。随后这5路电压信号被输入到伪逆矩阵运算电路里进行矩阵运算，输出的仍然是5路电压信号，然后5路电压信号经过比较器进行两两比较(第1路和第3路，第3路和第5路，第2路和第4路)，输出6路数字信号，与此同时，经由跨阻放大器放大的5路电压信号还会经过功率检测电路，功率检测电路会给这5路电压信号的和做一个分级，然后输出3路数字信号。最后由这9路数字信号输入到数字逻辑电路里进行逻辑运算，最终输出5路数字信号，即还原为与发射端一致的数字信号。

如图2所示，一种多偏振光无线通信的调制解调方法的实施案例，其特征在于，包括以下步骤：

S1、接收来自发射端并经过两次偏振片衰减的光信号；

S2、将接收到的光信号进行伪逆矩阵乘法运算和功率求和运算，得到伪逆矩阵信号和功率信号；

S3、对伪逆矩阵信号内的序号进行比较，得到比较信号；

S4、对功率信号进行分级，得到功率等级信号；

S5、对比较信号和功率等级信号进行逻辑运算，还原得到发射端发射的光信号。

具体地，逻辑运算由数字逻辑电路实现，数字逻辑电路由与门，或门等逻辑门组成，所有信号每做一次逻辑运算的输出都会使用D触发器同步，最终输出与发射端一致的数字信号，参照图3，调制解调过程即对发射机和接收机配置特定偏振角的偏振片，使光信号经过两个偏振片后产生有规律的强度衰减，通过已知的接收机接收到的光信号强度向量和偏振角差的余弦平方值矩阵，求发射机的发射的光信号强度向量。

其中，在将接收到的光信号进行伪逆矩阵乘法运算和功率求和运算这一步骤之前还包括将光信号转化为电压信号，之后计算对电压信号进行处理来实现。

进一步作为本方法的优选实施例，所述偏振片在发射端和接收端的数量相等且均为3以上的任意奇数，所述偏振片的偏振角度为180度的等分角，角度等分的数量和偏振片在发射端或接收端的数量相等。

具体地，发射机及其偏振片数量和接收机及其偏振片数量均为3以上的奇数；对于一个具有N(N＝3，5，7，……，2k+1；k＝1，2，3……)个发射机和相同数量的接收机的多偏振光无线通信系统，相对应的一对发射机和收发机的偏振片的偏振角相等，偏振角为(i-1)*(180°/N)，i是序号，i＝1，2……N；对于一个具有N(N＝3，5，7……2k+1；k＝1，2，3……)个发射机和相同数量的接收机的多偏振光无线通信系统，其中一个发射机所发射的光信号不会只被对应的接收机所收到，同时也会被其他N-1个接收机接收到，不同接收机接收到的光信号强度取决于偏振片的偏振角差值，由于发射机和接收机的偏振角均为(i-1)*(180°/N)，i是序号，i＝1，2……N；因此偏振角差值的绝对值必可被180°/N整除；对于一个具有N(N＝3，5，7……2k+1；k＝1，2，3……)个发射机和相同数量的接收机的多偏振光无线通信系统，其中一个接收机不止会接收到对应的发射机发射过来的光信号，也会接收到其他发射机发射的光信号，实际上接收到的光信号是所有发射机发射的光信号的强度加权和；对于一个具有N(N＝3，5，7……2k+1；k＝1，2，3，……)个发射机和相同数量的接收机的多偏振光无线通信系统，发射机发射的光信号强度(T₁，T₂，T₃……T_N)和接收机接收到的光信号强度(R₁，R₂，R₃……R_N)之间构成一个矩阵方程：TH＝R。

其中θ_ij(i＝1，2……,N；j1,2,……,N)表示第a个发射机的偏振片与第b个接收机的偏振片的偏振角差值，为方便表述，由cos²θ_ij组成的矩阵称为H，矩阵H为N×N的矩阵，允许发射机和接收机之间有整体的角度旋转，旋转的角度直接叠加到偏振片的偏振角差值上。

具体地，解调过程为通过已知的接收机接收到的光信号强度向量R和偏振角差的余弦平方值矩阵H，求发射机的发射的光信号强度向量T。在此系统里，发射机阵列所发射的光信号的总功率是呈阶梯状变化的，每一个发射机所发射光信号的功率只有1或者0的区别，近似解T’也存在这种特性，因此先对近似解T’作功率分级，对于一个具有N[N＝5，7……2k+1(k＝2，3，……)]个发射机和相同数量的接收机的多偏振光无线通信系统，能量等级为(2k+1)+1(k＝2，3……)个，具体为[0，1，2，3……2k+2]，同时使用二进制来表示具体等级，二进制的数位取决于能量等级的数量，若N+1<2³，则使用3位二进制数来表示，若2³<N+1<2⁴，则用4位二进制数来表示。令近似解T’里的各个元素两两比较，得出的结果也使用二进制数表示，综上所述，每个近似解T’便可以通过元素比较产生4k-2个二进制数，同时通过功率等级划分又能产生m位二进制数，最后把T’通过逻辑运算还原成T的。

进一步作为本方法的优选实施例，所述经过两次偏振片衰减包括从发射单元发出时经过发射单元所配置的偏振片和被接收单元接收的时候经过接收单元所配置的偏振片，所述接收来自发射端并经过两次偏振片衰减的光信号这一步骤包括计算光信号强度，其具体包括单个发射单元发出的光信号到达单个接收单元的剩余光信号强度，采用下列公式计算：

l₁＝hl₀cos²(α-β)；

所述为接收到的光信号光照强度，所述h为衰减系数，所述为发射的光信号光照强度，所述为发射端偏振片的偏振角，所述为接收端偏振片的偏振角。

具体地，h为衰减常数，受信号传输距离、偏振片材质、信号传输介质等影响，l₀只有1或者0这两个值，代表有信号发出或无信号发出。

进一步作为本方法的优选实施例，所述对伪逆矩阵信号内的序号进行比较，得到比较信号这一步骤具体为：

将伪逆矩阵信号里的奇数序号的元素与相邻的奇数序号的元素比较，偶数序号的元素与相邻的偶数序号的元素比较，得到比较信号。

上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种多偏振光无线通信的调制解调方法，其特征在于，包括以下步骤：

接收来自发射端并经过两次偏振片衰减的光信号；

将接收到的光信号进行伪逆矩阵乘法运算和功率求和运算，得到伪逆矩阵信号和功率信号；

对伪逆矩阵信号内的序号进行比较，得到比较信号；

对功率信号进行分级，得到功率等级信号；

对比较信号和功率等级信号进行逻辑运算，还原得到发射端发射的光信号；

偏振片是特定偏振角的偏振片，使光信号经过两个偏振片后产生有规律的强度衰减，偏振片在发射端和接收端的数量相等且均为3以上的任意奇数，偏振片的偏振角度为180度的等分角，角度等分的数量与发射端偏振片或接收端偏振片的数量相等。

2.根据权利要求1所述一种多偏振光无线通信的调制解调方法，其特征在于，所述经过两次偏振片衰减包括从发射端发出时经过发射端所配置的偏振片和被接收端接收时经过接收端所配置的偏振片，所述接收来自发射端并经过两次偏振片衰减的光信号这一步骤包括计算光信号强度，其具体为计算单个发射端发出的光信号到达单个接收单端的剩余光信号强度，采用下列公式计算：

l₁＝hl₀cos²(α-β)；

所述l₁为接收到的光信号光照强度，所述h为衰减系数，所述l₀为发射的光信号光照强度，所述α为发射端偏振片的偏振角，所述β为接收端偏振片的偏振角。

3.根据权利要求2所述一种多偏振光无线通信的调制解调方法，其特征在于，对伪逆矩阵信号内的序号进行比较，得到比较信号这一步骤具体为：

将伪逆矩阵信号里的奇数序号的元素与相邻的奇数序号的元素比较，偶数序号的元素与相邻的偶数序号的元素比较，得到比较信号。

4.一种多偏振光无线通信系统，其特征在于，包括发射机和接收机：

所述发射机包括一般光源、发射端偏振片和输入控制模块，所述输入控制模块与一般光源连接，所述一般光源上设有发射端偏振片；

所述接收机包括接收端偏振片、光电二极管、跨阻放大器电路、伪逆矩阵运算电路、比较器电路、功率检测电路和数字逻辑电路，所述光电二极管上设有接收端偏振片，所述光电二极管与跨阻放大器电路连接，所述跨阻放大器电路分别与伪逆矩阵运算电路和功率检测电路连接，所述伪逆矩阵运算电路与比较器电路连接，所述功率检测电路和比较器电路分别与数字逻辑电路连接；

发射端偏振片和接收端偏振片的数量相等且均为3以上的任意奇数，发射端偏振片和接收端偏振片的偏振角度为180度的等分角，角度等分的数量与发射端偏振片或接收端偏振片的数量相等。

5.根据权利要求4所述一种多偏振光无线通信系统，其特征在于，所述跨阻放大器电路包括单端输入单端输出运算放大器、第一开关电阻和隔直流模块，所述第一开关电阻和隔直流模块分别与单端输入单端输出运算放大器连接，所述单端输入单端输出运算放大器分别与伪逆矩阵运算电路和功率检测电路连接。

6.根据权利要求5所述一种多偏振光无线通信系统，其特征在于，所述伪逆矩阵电路包括差分输入单端输出运算放大器和第二开关电阻，所述第二开关电阻与差分输入单端输出运算放大器连接，所述差分输入单端输出运算放大器分别与跨阻放大器电路和比较器电路连接。

7.根据权利要求6所述一种多偏振光无线通信系统，其特征在于，所述功率检测电路包括加法器和全并行模数转换器，所述跨阻放大器电路通过加法器与全并行模数转换器连接，所述全并行模数转换器与数字逻辑电路连接。

8.根据权利要求7所述一种多偏振光无线通信系统，其特征在于，所述一般光源的数量和发射端偏振片的数量相同，所述光电二极管的数量与一般光源的数量相同，所述跨阻放大器电路的数量与光电二极管的数量相同。

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