CN113179125A - 基于激光通信系统高速光信号实时采样装置及方法 - Google Patents

基于激光通信系统高速光信号实时采样装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于激光通信系统高速光信号实时采样装置及方法。本发明的方法包括如下步骤：信号光经过汇聚透镜汇聚后进入光敏探测器PIN管；进入PIN管的信号光经过光电转化转化为电流信号；电流信号进一步传输至对数转换器中转变为电压信号；电压信号再经过低通滤波器滤除高频杂散及噪声信号后传输至信号放大器OPA；OPA将信号电压进一步放大后输入至高速处理器FPGA，将模拟电压信号采样转化为数字信号；FPGA处理器经内部数据解调算法，计算得出高速光信号光功率大小。本发明可以应用于激光通信系统中高速光信号的实时测量，通信误码率与光功率实时分析，也可用于测量通信终端双方之间距离，为空间测距提供一种辅助手段。

Description

基于激光通信系统高速光信号实时采样装置及方法
技术领域
本发明涉及一种基于激光通信系统高速光信号实时采样装置及方法，属于激光通信技术领域。
背景技术
在空间激光通信系统中，无论是相干光通信，还是非相干光通信，对于光功率的检测判断都至关重要，信号光功率的强弱是通信双方APT的前提，也是能否稳定通信的前提，在实际通信中也可用于判断光路是否存在变化。同时在通信过程中，经过信号调制的光信号功率也是时刻存在变化的，通信过程中的误码率也是“瞬息万变”，而由于人眼的“跟踪刷新速度”远远低于系统通信频率，因此需要一种装置及方法用以对高速光信号的进行采样测量，能够实时跟踪信号光的“强弱”，对通信全过程做到有效跟踪。
早期的激光通信系统中，通信速率较低，且信号光波长大多采用800nm左右，出于光机结构空间或成本考虑，不设置专门的光功率测量通道，光功率测量以通信信号探测器的低速采样数据代替，不能反映实际光功率的变化情况。
随着激光通信系统的越发成熟，通信速率的逐步提高，低成本、简易可靠的信号光的实时跟踪就显得很有必要及重要。通过信号光的实时变化可以分析通信双方终端是否存在异变状况，外界是否存在干扰因数，信号光是否存在抖动或闪烁等等，数据存储下来也可以用于后续实验对比分析。
无论是在地面站通信系统中，还是空间激光通信系统中，光信号高速实时检测应用会越来越广。
发明内容
空间激光通信系统中，通信速率越来越高，一般的光功率检测不能有效实时跟踪检测高速信号光大小。针对上述存在的问题，本发明提供一种基于激光通信系统高速光信号实时采样装置及方法，大大提高了光功率检测精度，为系统判断、误码分析、光路调整提供了依据，提高了通信系统的可靠性，为实验分析提供了有力手段。本发明克服了一般激光通信系统中高速光信号采样速率过低，光信号测量不能实时反馈的偏差问题，简易可靠并且成本低廉。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
基于激光通信系统高速光信号实时采样装置，包括汇聚透镜、光敏探测器PIN管、对数转换器LGC、低通滤波器LPF、信号放大器OPA、高速处理器FPGA、辅助显示界面DISPLAY；
所述汇聚透镜用于将空间准平行的激光信号进行汇聚，汇聚后的信号光入射到光敏探测器PIN管光敏面上；
所述光敏探测器PIN管用于将光信号转化为电流信号，并进一步将电流信号传输至对数转换器LGC；
所述对数转换器LGC用于将电流信号转化为电压信号，经过低通滤波器LPF滤波后输入至信号放大器OPA以便进行小信号放大；
所述高速处理器FPGA接收信号放大器OPA放大的模拟信号，进行高速采样及数据解调，实时计算出入射到光敏探测器PIN管的光信号功率大小；
所述的基于激光通信系统高速光信号实时采样装置，所述光敏探测器PIN管采用InGaAs光电二极管，波长范围0.8-1.7um，峰值波长1.55um，典型响应率0.95A/W，带宽140MHz，结电容10pF。
所述的基于激光通信系统高速光信号实时采样装置，所述对数转化器LGC，响应电流范围1nA-1mA，线性度10mV/dB；输出电压范围0.2V-1.5V，斜率和起始电流点可调整；
所述的基于激光通信系统高速光信号实时采样装置，所述信号放大器OPA采用AD8138，增益带宽积为320MHz，增益可调，共模电压可调，动态范围85dBc；
所述的基于激光通信系统高速光信号实时采样装置，所述低通滤波器LPF采用三阶无源滤波器，用于滤除带外高频噪声和杂散信号，3dB截止带宽150MHz；
用上述基于激光通信系统高速光信号实时采样装置进行高速光信号实时采样的方法，该方法包括如下步骤：
（1）空间准平行光进入汇聚透镜进行汇聚，将光能量进行最大程度集中；
（2）步骤（1）中汇聚后的聚焦信号光入射至光敏探测器PIN管光敏面上；
（3）所述光敏探测器PIN管用于将光信号转化为电流信号，并进一步将电流信号传输至对数转换器LGC；
（4）所述对数转换器LGC用于将电流信号转化为电压信号，经过LPF后传输至信号放大器OPA中；
（5）所述信号放大器OPA是将小信号模拟电压信号放大一定倍数后，单端转为差分传输至高速处理器FPGA中以便进行数据采样；
（6）所述高速处理器FPGA接收信号放大器OPA输出的模拟电压信号，运行数据解调算法，可实时得知入射到光敏探测器PIN管的光信号功率大小。
所述的高速光信号实时采样的方法，步骤（3）-（6）的具体方法是：
光敏探测器PIN管将光信号转化为电流信号，其入射光功率“P OPTICAL ”和输出电流“I PD ”关系式为：
I PD =ρ*P OPTICAL （1）
其中ρ为探测器的光强响应率，对于系统所用信号光波长1550nm，典型响应率为0.9A/W；
对数转换器LGC将光敏探测器PIN管输出的光电流转化为模拟电压信号，其入射电流和输出电压关系式为：
VLOG=0.2*log10(I PD /100pA) （2）
综合公式（1）、（2），从输入光功率到输出模拟电压信号为关系式为：
VLOG=2+0.2*log10(ρ*P OPTICAL ) （3）
即当在光强响应率和入射光光功率大小已知情况下，可以得出相应的电压数值，反过来当有了电压值时可以推算出入射光功率大小，见下述关系式：
P OPTICAL =[10^(5*VLOG -10)]/ρ （4）
这样就在入射光功率和采样电压值之间建立了相关关系，FPGA可直接根据相关算法得出不同电压对应的光功率值。
公式（4）为单增益情况下关系式，也可根据实际信号范围设置OPA放大倍数，其范围为1-10V/V，放大后的差分信号V OUT+ 、V OUT- 连接至FPGA的信号输入口，经FPGA高速采样，根据公式（4）可解调计算得知输入光功率大小，整个过程是高速且实时的。
有益效果：
本发明提出了一种基于激光通信系统高速光信号实时采样装置及方法，可以用于分析通信终端双方之间距离，或者分析通信误码率和光功率数据的相关关系，根据实时数值也可以分析通信终端的异变状况，外界是否存在干扰因数，是否存在信号光的抖动或闪烁；数据存储也可以用于后续实验分析，在科学实验及工程应用中意义非凡。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
图2是本发明的控制流程图。
图3是本发明的LPF测试数据图。
图4是本发明的测试数据图。
图5是在10MHz调制速率随机模式下，普通探测器采样方式的测试结果图。
图6是在10MHz调制速率随机模式下，本发明的基于激光通信系统中高速信号光的实时采样方法的测试结果图。
具体实施方式
根据一般激光通信系统框架构成，存在有信标光和无信标光之分，信号光有800nm、1064nm、1550nm几个窗口之分。早期低速通信采用800nm窗口居多，随着通信速率越来越快，以及星地通信、空间通信距离逐渐增远，通信信号光窗口已从低端过渡到1064nm再到现在流行的1550nm窗口，而低端800nm波段由于光源比较成熟现在一般作为信标光在系统中应用。对于通信系统中接收的信号光的光功率的检测，已随着InGaAs探测器的普及逐渐得到了应用推广，对于不同型号的InGaAs的PIN管，其工作带宽可从数十MHz到GHz不等。本发明系统中采用了THROLAB的InGaAs类型PIN管，响应波长范围0.8-1.7um，峰值1.55um，典型响应率0.9A/W，结电容10pF，带宽140MHz，可支持较高速率的通信信号光的高速采样。
如图1所示，本实施例的基于激光通信系统高速光信号实时采样装置，包括汇聚透镜1、光敏探测器PIN管2、对数转换器LGC3、低通滤波器LPF4、信号放大器OPA5、高速处理器FPGA6、及辅助显示界面DISPLAY。
所述汇聚透镜用于将空间准平行的激光信号进行汇聚，汇聚后的信号光入射到光敏探测器PIN管光敏面上；
所述光敏探测器PIN管将光信号转化为电流信号，并进一步将电流信号传输至对数转换器LGC；
所述对数转换器LGC将电流信号转化为电压信号，经过低通滤波器LPF滤波后输入至信号放大器OPA以放大模拟信号；
所述高速处理器FPGA接收信号放大器OPA的差分输出模拟电压信号，经采样及运行数据解调算法，实时计算出入射到PIN管的光信号功率大小。
本实施例中，所述对数转化器LGC，输入电流范围1nA-1mA，60dB大动态线性范围，线性度10mV/dB；输出电压范围0.2V-1.5V；并且斜率和测试起始电流点可调整；其输入电流和输出电压关系式为：VLOG=0.2*log10(I PD /100pA)，在不同的输入电流范围下其工作带宽10倍频程从1KHz到10MHz不等，即支持最大工作带宽到10MHz，相比其它器件此对数转化器LGC决定了系统中高速采样所能达到的最大速率。
所述的信号放大器OPA采用AD8138，增益带宽积为320MHz，增益可调，输出共模电压可调，动态范围85dBc，本发明中设置倍数为1倍，即工作带宽达到最大320MHz。
所述的低通滤波器LPF采用三阶无源滤波器，截止带宽设置为150MHz，测试数据见图3。
本实施例中所用高速FPGA工作主频最高达到800MHz，完全满足高速信号采样带宽目标。
用上述基于激光通信系统高速光信号实时采样装置进行高速光信号实时采样的方法，该方法包括如下步骤：
（1）空间准平行光进入汇聚透镜进行汇聚，将光能量进行最大程度集中；
（2）步骤（1）中汇聚后的聚焦信号光入射至光敏探测器PIN管光敏面上；
（3）所述光敏探测器PIN管用于将光信号转化为电流信号，并进一步将电流信号传输至对数转换器LGC；
（4）所述对数转换器LGC将电流信号转化为电压信号，经过低通滤波器LPF后传输至信号放大器OPA中；
（5）所述信号放大器OPA将小信号模拟电压信号进行放大后，单端转为差分传输至高速处理器FPGA中进行数据采样；
（6）所述高速处理器FPGA接收信号放大器OPA输出的模拟电压信号，经采样及运行数据解调算法，计算出入射到光敏探测器PIN管的光信号功率大小；结果用于分析通信终端双方之间距离，或者分析通信误码率和光功率数据的相关关系，或者分析系统中是否存在异变状况。
所述的高速信号实时采样的方法，步骤（3）-（6）的具体方法是：
如图2所示，所述基于激光通信系统中高速信号光的实时采样系统按照顺序逻辑进行上电，系统初始化后进入正常工作流程；
光敏探测器PIN管将光信号转化为电流信号，其入射光功率“P OPTICAL ”和输出电流“I PD ”关系式为：
I PD =ρ*P OPTICAL （1）
其中ρ为探测器的光强响应率，对于系统所用信号光波长1550nm，典型响应率为0.9A/W；
对数转换器LGC将光敏探测器PIN管输出的光电流转化为模拟电压信号，其入射电流和输出电压关系式为：
VLOG=0.2*log10(I PD /100pA) （2）
综合公式（1）、（2），输入光功率和输出模拟电压信号关系式为：
VLOG=2+0.2*log10(ρ*P OPTICAL ) （3）
即当在光强响应率和入射光光功率已知情况下可得出相应的电压值，反过来当电压值已知时可推算出入射光功率大小，即有
P OPTICAL =[10^(5*VLOG -10)]/ρ （4）
图4即为系统初始化到正常稳定工作过程中对输入信号光的采样测试数据。
本实施例中信号放大器OPA的放大倍数设置为1，VLOG电压经过信号放大器OPA放大后，输出差分信号V OUT+ 、V OUT- 连接至FPGA的信号输入口，经处理器FPGA高速采样，根据公式（4）和转化算法解调计算出输入光功率数值，整个过程是高速且实时的。解调计算和实际测试对比数据如下表所示：
Figure 666470DEST_PATH_IMAGE002
本实施例中OPA的放大倍数设置为1，输入光功率维持12.5uW，约-19dBm；然后在10MHz调制速率随机模式下，分别测试普通探测器采样方式和基于激光通信系统中高速信号光的实时采样方法，其对比测试见图5和图6。
以上的实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。本发明未涉及的技术均可通过现有的技术加以实现。

Claims (7)

1.一种基于激光通信系统高速光信号实时采样装置，其特征是：包括汇聚透镜、光敏探测器PIN管、对数转换器LGC、低通滤波器LPF、信号放大器OPA、高速处理器FPGA、辅助显示界面DISPLAY；
所述汇聚透镜用于将空间准平行的激光信号进行汇聚，汇聚后的信号光入射到光敏探测器PIN管光敏面上；
所述光敏探测器PIN管用于将光信号转化为电流信号，并进一步将电流信号传输至对数转换器LGC；
所述对数转换器LGC对数转换器用于将电流信号转化为电压信号，经过低通滤波器LPF滤波后输入至信号放大器OPA以便小信号放大；
所述高速处理器FPGA接收信号放大器OPA输出的模拟电压信号，经采样及运行数据解调算法，实时得知实际入射到光敏探测器PIN管的光信号功率大小；用于分析通信终端双方之间距离，或者分析通信误码率和光功率数据之间对比关系。
2.根据权利要求1所述的基于激光通信系统高速光信号实时采样装置，其特征是：所述光敏探测器PIN管采用InGaAs光电二极管，波长范围0.8-1.7um，峰值波长1.55um，响应率0.95A/W，带宽140MHz，结电容10pF。
3.根据权利要求1所述的基于激光通信系统高速光信号实时采样装置，其特征是：所述LGC对数转化器，电流范围1nA-1mA，线性度10mV/dB；输出电压范围0.2V-1.5V；斜率和测试起始电流点可调整。
4.根据权利要求1所述的基于激光通信系统高速光信号实时采样装置，其特征是：信号放大器OPA采用AD8138，增益带宽积为320MHz，增益可调，输出共模电压可调，动态范围85dBc。
5.根据权利要求1所述的基于激光通信系统高速光信号实时采样装置，其特征是：低通滤波器LPF采用三阶无源滤波器，用于滤除带外高频噪声和杂散信号，截止带宽150MHz。
6.一种用上述基于激光通信系统高速光信号实时采样装置进行高速光信号实时采样的方法，其特征是：该方法包括如下步骤：
（1）空间准平行光进入汇聚透镜进行汇聚，将光能量进行最大程度集中；
（2）步骤（1）中汇聚后的聚焦信号光入射至光敏探测器PIN管光敏面上；
（3）所述光敏探测器PIN管将光信号转化为电流信号，并进一步将电流信号传输至对数转换器LGC；
（4）所述对数转换器LGC用于将电流信号转化为电压信号，经过LPF后传输至信号放大器OPA中；
（5）所述信号放大器OPA将小信号模拟电压信号放大一定倍数后，单端转为差分传输至高速处理器FPGA中以便进行数据采样；
（6）所述高速处理器FPGA接收信号放大器OPA输出的模拟电压信号，经采样及运行数据解调算法，计算出入射到PIN管的光信号功率大小；结果用于分析通信终端双方之间距离，或者分析通信误码率和光功率数据的相关关系。
7.根据权利要求6所述的高速光信号实时采样的方法，其特征是：步骤（3）-（6）的具体方法是：
PIN管将光信号转化为电流信号，其入射光功率“P OPTICAL ”和输出电流“I PD ”关系式为下述公式（1）：
I PD =ρ*P OPTICAL （1）
其中ρ为探测器的光强响应率，对于系统所用信号光波长1550nm，典型响应率为0.9A/W；
LGC对数转换器将PIN管输出的光电流转化为模拟电压信号，其入射电流和输出电压关系式为下述公式（2）：
VLOG=0.2*log10(I PD /100pA) （2）
综合公式（1）、（2），从输入光功率到输出模拟电压信号为关系式为下述公式（3）：
VLOG=2+0.2*log10(ρ*P OPTICAL ) （3）
即当在光强响应率和入射光光功率大小已知情况下，可以得出相应的电压数值，反过来当有了电压值时可以推算出入射光功率大小，见下述关系式（4）：
P OPTICAL =[10^(5*VLOG -10)]/ρ （4）
此电压值VLOG经过OPA放大一定倍数，范围为1-10V/V，放大后的差分信号V OUT+ 、V OUT- 连接至FPGA的信号输入口，经处理器FPGA高速采样，根据公式（4）和转化算法可解调计算出输入光功率数值大小，整个过程是高速且实时的。
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