CN111800192A - 无线光通信分集和入射光角度估计一体化电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线光通信分集和入射光角度估计一体化电路，包括：个方向增益不同的光电转换器；用于接收不同方向的光信号并将接收的光信号转换为电信号；路选择器，对L个光电转换器的输出电信号通过控制信号进行筛选；信号合并放大器，对经L路选择器筛选的电信号进行合并放大处理；其中控制信号，可控制路选择器全部或部分打开，信号合并放大器处理路选择器的输出信号，得到用于通信的高信噪比信号；或控制路选择器依次选择单路信号，信号合并放大器依次输出用于定位的信号向量。本发明一体化电路可用于同时实现稳定的无线光通信和入射光信号的方向估计，其成本低于独立设计的光通信分集系统和光信号方向估计模块。

Description

无线光通信分集和入射光角度估计一体化电路
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，提供了一种基于L路选择器的无线光通信分集和入射光角度估计一体化电路，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：
一种无线光通信分集和入射光角度估计一体化电路，其特征在于，包括：
L个方向增益不同的光电转换器；用于接收不同方向的光信号并将接收的光信号转换为电信号；
L路选择器，对L个光电转换器的输出电信号通过控制信号进行筛选；
信号合并放大器，对经L路选择器筛选的电信号进行合并放大处理；
其中控制信号，可控制L路选择器全部或部分打开，信号合并放大器处理L路选择器的输出信号，得到用于通信的高信噪比信号；或控制L路选择器依次选择单路信号，信号合并放大器依次输出用于定位的信号向量。
所述控制信号由数字信号处理单元发出。
还包括一模拟/数字信号转换器，用于将经信号合并放大器处理的模拟信号转换为数字信号；经模拟/数字信号转换器转换后的数字信号输入到所述数字信号处理单元。
在每个光电转换器的输出端还连接有一个跨阻放大器。
所述L路选择器由多个具有使能端的缓冲器构成，通过控制信号将L路信号中的任意一路或几路选通。这种方式的缺点是占用较多IO口，优点是能够实现全部通路的合并。
所述L路选择器由多个带使能端的M选1模拟开关构成，通过控制信号将L路信号中的任意一路或几路选通，其中L是M的整倍数。这种方式的缺点是最多只能合并L/K路信号，优点是所需的IO口较少。
所述光电转换器为光电二极管、光敏电阻、光敏三极管或光电倍增管。
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。通过受控于数字信号处理单元的L路选择器，可以将电路设置于光通信分集模式或角度估计模式。当工作于光通信分集模式时，L路信号中的几路信噪比较高的信号被信号合并放大器处理，AD转换器获得高信噪比的通信信号，可用于符号判决；当工作于角度估计模式时，L路信号中的单路信号依次被信号合并放大器处理，AD转换器在不同时刻获得多个光电转换器的采样信号。由于这些光电转换器方向增益不同，因此这些采样信号包含了光信号入射角信息。AD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L路选择器，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。提供了两种L路选择器的实现方式。基于缓冲器的实现方式能够保证L路信号全部合并，从而最大化信噪比，但是其需要的控制IO口较多；基于K选1多路开关的实现方式虽然不能保证L路信号全部合并，但是其需要的控制IO口较少。
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L路选择器的第一种实现方式，基于缓冲器；
图3是L路选择器的第二种实现方式，基于K选1多路开关；
图4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、L路选择器、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L路选择器连接。
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)，从而实现弱电流信号到电压信号的转换。
L路选择器有两种实现方式。对于图2所示的第一种实现方式，采用了L个带选通的缓冲器。当选通信号为低电平时，缓冲器输出为高阻态；当选通信号为高电平时，缓冲器输出电压和输入电压相等。Rl,l＝1,…,L和Rf共同决定了最终的输出，其表达式为
Figure BDA0002557363190000031
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，通常为2.5V；u(·)为阶跃函数，定义为
Figure BDA0002557363190000041
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 BDA0002557363190000042
对于图2所示的第二种选择器实现方式，采用了M个带选通的多路选择器。当选通信号为低电平时，多路选择器输出为高阻态；当选通信号为高电平时，输出信号和K个输入信号中的某一个相等，具体取决于数字信号处理单元的IO口输出的控制信号。Rm,l＝1,…,M和Rf共同决定了最终的输出。以4选1多路开关为例，其表达式为
Figure BDA0002557363190000043
其中具体的vm(IO2m-1,IO2m,IOem)表达式可通过多路开关的说明文档确定。
如图4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，L路选择器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 BDA0002557363190000044
类似地，也可以基于(3)获得上述向量s。接下来，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来估计入射光角度。
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，当通路选通时得到的采样信号为
Figure BDA0002557363190000051
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 (7)

1.一种无线光通信分集和入射光角度估计一体化电路，其特征在于，包括：
个方向增益不同的光电转换器；用于接收不同方向的光信号并将接收的光信号转换为电信号；
路选择器，对L个光电转换器的输出电信号通过控制信号进行筛选；
信号合并放大器，对经L路选择器筛选的电信号进行合并放大处理；
其中控制信号，可控制路选择器全部或部分打开，信号合并放大器处理路选择器的输出信号，得到用于通信的高信噪比信号；或控制路选择器依次选择单路信号，信号合并放大器依次输出用于定位的信号向量。
2.根据权利要求1所述的无线光通信分集和入射光角度估计一体化电路，其特征在于，所述控制信号由数字信号处理单元发出。
3.根据权利要求2所述的无线光通信分集和入射光角度估计一体化电路，其特征在于，还包括一模拟/数字信号转换器，用于将经信号合并放大器处理的模拟信号转换为数字信号；经模拟/数字信号转换器转换后的数字信号输入到所述数字信号处理单元。
4.根据权利要求3所述的无线光通信分集和入射光角度估计一体化电路，其特征在于，在每个光电转换器的输出端还连接有一个跨阻放大器。
5.根据权利要求1-4任一所述的无线光通信分集和入射光角度估计一体化电路，其特征在于，所述路选择器由多个具有使能端的缓冲器构成，通过控制信号将路信号中的任意一路或几路选通。
6.根据权利要求1-4任一所述的无线光通信分集和入射光角度估计一体化电路，其特征在于，所述路选择器由多个带使能端的选1模拟开关构成，通过控制信号将路信号中的任意一路或几路选通，其中是的整倍数。
7.根据权利要求1所述的无线光通信分集和入射光角度估计一体化电路，其特征在于，所述光电转换器为光电二极管、光敏电阻、光敏三极管或光电倍增管。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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