CN113676250A - 一种自适应控制接收光功率的无线光通信系统及方法 - Google Patents

一种自适应控制接收光功率的无线光通信系统及方法 Download PDF

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CN113676250A CN202110976608.8A CN202110976608A CN113676250A CN 113676250 A CN113676250 A CN 113676250A CN 202110976608 A CN202110976608 A CN 202110976608A CN 113676250 A CN113676250 A CN 113676250A
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Abstract

本发明公开了一种自适应控制接收光功率的无线光通信方法，所述系统包括光发射端机和光接收端机，所述光发射端机包括的驱动模块与光源、信号光发射器、信标光发射器连接；所述光接收端机的衰减器、光电探测器阵列A、多路控制开关、模拟加法器、信号调理模块顺序连接，信息处理与控制单元模块跟多路开关控制模块、A/D转换器、光电探测器B、信道估计器连接；光发射端机的信号光发射器与光接收端机的光衰减器相对应，光发射端机的信标光发射器与光接收端机的光探测器B相对应。本发明在距离随机变化或者多变信道环境下能自动调节系统内部设置以适应该条件下的正常通信。

Description

一种自适应控制接收光功率的无线光通信系统及方法
技术领域
本发明涉及无线光通信技术领域，具体涉及一种自适应控制接收光功率的无线光通信系统及方法。
背景技术
无线光通信是以光波为信息载体，通过发送装置发送，经过无线信道后由接收装置接收并处理恢复原始信息的过程。接收光功率的大小决定了接收装置信号输入大小，并直接影响光通信质量。
影响接收光功率的因素主要有发射光功率、通信距离、接收端探测器灵敏度和视场角、信道环境等，因此在同一套通信系统中由于距离和信道环境随机变化会使得接收光功率的动态变化范围很大，从而导致通信质量不佳。近距离或者信道环境较好时，信号光太强，接收光功率太大，会使得接收端光电探测器处于非线性状态，无法正常通信，甚至会损坏系统。远距离时，由于信道环境的衰减和散射等影响，接收端接收的信号太弱，信噪比低，也无法正常通信。
发明内容
为了解决由于信道环境多变引起的通信质量不佳以及同一套光通信系统不能同时适应远近距离条件下的问题，本发明提供一种用于无线光通信的自适应控制接收光功率的光通信系统及方法，在距离随机变化或者多变信道环境下系统能自动调节系统内部设置以适应该条件下的正常通信。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种自适应控制接收光功率的无线光通信系统，包括光发射端机和光接收端机，
所述光发射端机包括
光源，所述光源包括信号光和信标光，所述信号光和信标光二者波长不同；
驱动模块，用于驱动信号光发射器和信标光发射器工作；
信号光发射器，用于发射信号光；
信标光发射器，发送特定频率的信标光，用于接收端的功率判别、通信用户ID识别和定位；
所述驱动模块与光源、信号光发射器、信标光发射器连接；
所述光接收端机包括
信道估计器，用于估算信道环境参数；
光电探测器阵列A模块，用于接收光信号，并将得到的电流信号转换为电压信号，便于后级信号处理；
光电探测器B，用于接收信标光信号；
光衰减器，用于进入光电探测器阵列A前的光功率控制，避免由于光强太强而使探测器饱和或引起接收电路的饱和失真；
多路控制开关，用于控制多路光电阵列信号在不同接收光强下的组合模式；
模拟加法器，用于将组合后的信号相加，使信号满足信号调理模块的输入信号范围要求；
信号调理模块，将电信号放大和滤波；
A/D（模/数）转换器，用于模数转换；
信息处理与控制单元模块，其内部包括主控制器（MCU），用于控制多路开关的通断、AD采样、信标光功率判定、用户ID识别以及信号的解码解调，输出发送端加载在信号光上的数据信息；
所述衰减器、光电探测器阵列A、多路控制开关、模拟加法器、信号调理模块顺序连接，信息处理与控制单元模块跟多路开关控制模块、A/D转换器、光电探测器B、信道估计器连接；
光发射端机的信号光发射器与光接收端机的光衰减器相对应，光发射端机的信标光发射器与光接收端机的光探测器B相对应。
一种自适应控制接收光功率的无线光通信方法，包括上述的光通信系统，所述方法包括如下步骤：
S1，根据光接收端机的系统性能，评估出对应的几个接收功率阈值大小：
光电探测器阵列A能接收的最大光功率
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
、单路信号输出时对应的最小接收光功率
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
和N路探测器合并输出时对应的最小接收光功率
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
，N为接收装置的探测器个数；
S2，对光接收端机在不同信道环境之中信号光功率与信标光功率在不同距离下的对应关系制表；
S3，光发射端机的信号光发射器和信标光发射器分别向光接收端机发送同样功率不同波段的光信号，信号光发射器发送要传达的信息，信标光发送特定频率的光信号；
S4，信道估计器估计此时的信道环境参数C；
S5，光接收端机首先探寻与之通信的用户（光发射端机），当检测到约定频率的信号时，表示找到目标信源，并计算此时的信标光功率大小，然后根据信道估计器得出的信道环境参数C由查表法找出此时的信号光功率P；
S6，功率阈值判断：
若距离太近而使光强太大，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
，会导致光电探测器阵列A饱和而无法正常通信，光衰减器根据光强大小调整衰减器的衰减幅度，使光功率控制在单路信号输出的光功率阈值范围内；若收发两端距离较远，单个探测器由于灵敏度有限，而无法更远距离通信时，通过调整光电探测阵列A的不同组合合并来达到更远距离的通信。
进一步地，S1中所述的接收功率阈值根据光接收端机自身性能而定，且为固定值。
进一步地，S2所述的信号光与信标光在接收端的接收光功率可依据光接收端机各探测器的灵敏度、同一信道环境下对应的不同波段光的衰减关系得出，并制成表格。
进一步地，S5中所述的信标光用于与光接收端机进行定位和对准，光接收端机检测到信标光后根据信标光的接收光功率大小得出信号光功率，再对光电探测器阵列A做信号功率控制。
进一步地，S6中光电探测器阵列A的组合方式由多路控制开关和模拟加法器来实现，若接收的信号光功率
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
，则控制光电探测器阵列A单路输出；若接收的信号光功率
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，则控制多路控制开关的通断来实现不同信号路的组合并将开通的那几路信号通过模拟加法器合并输出，通过信号调理模块用于后级信号调理。
进一步地，S6中所述的功率阈值判断关键在于：
(a)选择性的使用光衰减器减小接收光功率，防止光强太强导致探测器饱和；
(b)根据所述的几个功率阈值关系大小来确定光电探测器阵列A的合并组合方式，以达到最佳通信质量。
本发明提供的一种用于无线光通信的自适应控制接收光功率的光通信系统及方法，其优点在于：
（1）用该方法的光通信系统可自适应运用于不同信道环境中，无需手动调整系统参数也能达到最佳通信质量；
（2）无近距离通信限制，解决了近距离通信时因探测器饱和而无法通信问题；
（3）采用接收阵列组合方式，加大了系统的通信距离；
（4）利用信标光的方式进行用户身份识别和定位，且在可通信的距离范围内，用户可随时调整通信距离，适用于移动通信用户。
附图说明
图1为本发明实施例中发射端机和接收端机的系统结构框图；
图2为本发明实施例阵列信号组合示意图；
图3为本发明实施例用于无线光通信的自适应控制接收光功率的光通信方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明内容作进一步的阐述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
如图1所示，一种自适应控制接收光功率的无线光通信系统，包括光发射端机和光接收端机，
所述光发射端机包括
光源，所述光源包括信号光和信标光，所述信号光和信标光二者波长不同；
驱动模块，用于驱动信号光发射器和信标光发射器工作；
信号光发射器，用于发射信号光；
信标光发射器，发送特定频率的信标光，用于接收端的功率判别、通信用户ID识别和定位；
所述驱动模块与光源、信号光发射器、信标光发射器连接；
所述光接收端机包括
信道估计器，用于估算信道环境参数；
光电探测器阵列A模块，用于接收光信号，并将得到的电流信号转换为电压信号，便于后级信号处理；
光电探测器B，用于接收信标光信号；
光衰减器，用于进入光电探测器阵列A前的光功率控制，避免由于光强太强而使探测器饱和或引起接收电路的饱和失真；
多路控制开关，用于控制多路光电阵列信号在不同接收光强下的组合模式；
模拟加法器，用于将组合后的信号相加，使信号满足信号调理模块的输入信号范围要求；
信号调理模块，将电信号放大和滤波；
A/D（模/数）转换器，用于模数转换；
信息处理与控制单元模块，其内部包括主控制器（MCU），用于控制多路开关的通断、AD采样、信标光功率判定、用户ID识别以及信号的解码解调，输出发送端加载在信号光上的数据信息；
所述衰减器、光电探测器阵列A、多路控制开关、模拟加法器、信号调理模块顺序连接，信息处理与控制单元模块跟多路开关控制模块、A/D转换器、光电探测器B、信道估计器连接；
光发射端机的信号光发射器与光接收端机的光衰减器相对应，光发射端机的信标光发射器与光接收端机的光探测器B相对应。
一种自适应控制接收光功率的无线光通信方法，包括上述的光通信系统，所述方法包括如下步骤：
S1，根据光接收端机的系统性能，评估出对应的几个接收功率阈值大小：
光电探测器阵列A能接收的最大光功率
Figure 769726DEST_PATH_IMAGE002
、单路信号输出时对应的最小接收光功率
Figure 155708DEST_PATH_IMAGE004
和N路探测器合并输出时对应的最小接收光功率
Figure 669866DEST_PATH_IMAGE006
，N为接收装置的探测器个数；
S2，对光接收端机在不同信道环境之中信号光功率与信标光功率在不同距离下的对应关系制表；
S3，光发射端机的信号光发射器和信标光发射器分别向光接收端机发送同样功率不同波段的光信号，信号光发射器发送要传达的信息，信标光发送特定频率的光信号；
S4，信道估计器估计此时的信道环境参数C；
S5，光接收端机首先探寻与之通信的用户（光发射端机），当检测到约定频率的信号时，表示找到目标信源，并计算此时的信标光功率大小，然后根据信道估计器得出的信道环境参数C由查表法找出此时的信号光功率P；
S6，功率阈值判断：
若距离太近而使光强太大，
Figure 799496DEST_PATH_IMAGE008
，会导致光电探测器阵列A饱和而无法正常通信，光衰减器根据光强大小调整衰减器的衰减幅度，使光功率控制在单路信号输出的光功率阈值范围内；若收发两端距离较远，单个探测器由于灵敏度有限，而无法更远距离通信时，通过调整光电探测阵列A的不同组合合并来达到更远距离的通信。
进一步地，S1中所述的接收功率阈值根据光接收端机自身性能而定，且为固定值。
进一步地，S2所述的信号光与信标光在接收端的接收光功率可依据光接收端机各探测器的灵敏度、同一信道环境下对应的不同波段光的衰减关系得出，并制成表格。
进一步地，S5中所述的信标光用于与光接收端机进行定位和对准，光接收端机检测到信标光后根据信标光的接收光功率大小得出信号光功率，再对光电探测器阵列A做信号功率控制。
进一步地，S6中光电探测器阵列A的组合方式由多路控制开关和模拟加法器来实现，若接收的信号光功率
Figure 348289DEST_PATH_IMAGE010
，则控制光电探测器阵列A单路输出；若接收的信号光功率
Figure 888861DEST_PATH_IMAGE012
，则控制多路控制开关的通断来实现不同信号路的组合并将开通的那几路信号通过模拟加法器合并输出，通过信号调理模块用于后级信号调理。
进一步地，S6中所述的功率阈值判断关键在于：
(a)选择性的使用光衰减器减小接收光功率，防止光强太强导致探测器饱和；
(b)根据所述的几个功率阈值关系大小来确定光电探测器阵列A的合并组合方式，以达到最佳通信质量。
每个光接收端机的系统性能根据光电探测器和接收电路而定，因此每一套光接收机系统都有其固定的几个接收光功率阈值：光电探测器能接收的最大光功率
Figure 890315DEST_PATH_IMAGE002
、单路信号输出的最小接收光功率
Figure 823636DEST_PATH_IMAGE004
和N路探测器合并输出的最小接收光功率
Figure 226935DEST_PATH_IMAGE006
，而且光发射端机发送的信标光与发送的信号光在不同的信道环境下也有其对应的接收光功率关系，将其对应关系制成表格。
在发射端与接收端未建立通信之前，信息处理与控制单元模块（MCU）将多路开关控制其中一路输出，同时使衰减器处于未衰减状态，准备通信时，接收端首先探寻与之通信的信标光，当检测到特定频率的光信号且用户ID身份正确，则建立通信，通信建立之后信号处理与控制单元根据信标光的接收光功率大小进行查表得出信号接收光功率大小，并分别与
Figure 689140DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 177891DEST_PATH_IMAGE004
、…、
Figure 649323DEST_PATH_IMAGE006
进行比较，从而决定是否打开和调节衰减器、如何调整阵列探测器的组合方式来实现距离和信道环境随机变化的自适应光通信。
下面通过具体实例来加以说明：
如图2所示，信息处理与控制单元模块采用FPGA、DSP等微处理器，以4路探测器阵列为例，即N=4，多路开关通过“0”、“1”高低电平控制通断，光信号经过光电探测器阵列A模块后有4路信号，初始时假设只控制a路导通，在建立通信之前先寻找信标光，当检测到信标光信号后，对其进行用户信息确认，若是即将与之通信的用户，则信号处理与控制单元根据信标光功率大小计算信号光到达探测器B前的接收光功率，并与该系统下光探测器能接收的最大光功率
Figure 156397DEST_PATH_IMAGE002
、单路信号输出时对应的最小接收光功率
Figure 320662DEST_PATH_IMAGE004
和光电探测器阵列A中2路合并输出时对应的最小接收光功率
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，光电探测器阵列A中3路合并输出时对应的最小接收光功率
Figure DEST_PATH_IMAGE016
，光电探测器阵列A中4路合并输出时对应的最小接收光功率
Figure DEST_PATH_IMAGE018
进行比较。
本实施例中自适应控制接收光功率的光通信方法流程图如图3所示，当光发射端与接收端距离太近，接收的信号光功率
Figure 234391DEST_PATH_IMAGE008
时，会使得光电探测器阵列A饱和而通信不正常，信号处理与控制单元根据此时光强的大小计算光衰减器的衰减幅度，并打开和调节光衰减器使光功率控制在
Figure 243936DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 605516DEST_PATH_IMAGE004
之间，衰减后的信号经a路输出，并由信号调理模块将信号放大和滤波，最后由信息处理与控制单元模块将信号解码解调输出原始信息。
当
Figure 675103DEST_PATH_IMAGE010
，将开关电平控制为1000/0100/0010/0001，随机控制光电阵列探测器A四路中的一路导通，并将得到的信号送入信号调理模块，最后由信息处理与控制单元模块将信号解码解调输出；
当
Figure DEST_PATH_IMAGE020
，将开关电平控制为1100/0110/0011/1001，随机控制光电探测器阵列A其中2路信号导通，并由模拟加法器将信号合并，再由信号调理模块将信号放大和滤波，最后由信息处理与控制单元模块将信号解码解调输出；
当
Figure DEST_PATH_IMAGE022
，将开关电平控制为1110/0111/1011/1101，随机控制光电探测器阵列A其中3路信号导通，并由模拟加法器将信号合并，再由信号调理模块将信号放大和滤波，最后由信息处理与控制单元模块将信号解码解调输出；
当
Figure DEST_PATH_IMAGE024
，将开关电平控制为1111，将光电探测器阵列A中4路开关全部打开，并由模拟加法器将4路信号合并，再由信号调理模块将信号放大和滤波，最后由信息处理与控制模块将信号解码解调输出。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种自适应控制接收光功率的无线光通信系统，其特征在于，包括光发射端机和光接收端机，
所述光发射端机包括
光源，所述光源包括信号光和信标光，所述信号光和信标光二者波长不同；
驱动模块，用于驱动信号光发射器和信标光发射器工作；
信号光发射器，用于发射信号光；
信标光发射器，发送特定频率的信标光，用于接收端的功率判别、通信用户ID识别和定位；
所述驱动模块与光源、信号光发射器、信标光发射器连接；
所述光接收端机包括
信道估计器，用于估算信道环境参数；
光电探测器阵列A模块，用于接收光信号，并将得到的电流信号转换为电压信号，便于后级信号处理；
光电探测器B，用于接收信标光信号；
光衰减器，用于进入光电探测器阵列A模块前的光功率控制，避免由于光强太强而使探测器饱和或引起接收电路的饱和失真；
多路控制开关，用于控制多路光电阵列信号在不同接收光强下的组合模式；
模拟加法器，用于将组合后的信号相加，使信号满足信号调理模块的输入信号范围要求；
信号调理模块，将电信号放大和滤波；
A/D（模/数）转换器，用于模数转换；
信息处理与控制单元模块，其内部包括主控制器（MCU），用于控制多路开关的通断、AD采样、信标光功率判定、用户ID识别以及信号的解码解调，输出发送端加载在信号光上的数据信息；
所述衰减器、光电探测器阵列A、多路控制开关、模拟加法器、信号调理模块顺序连接，信息处理与控制单元模块跟多路开关控制模块、A/D转换器、光电探测器B、信道估计器连接；
光发射端机的信号光发射器与光接收端机的光衰减器相对应，光发射端机的信标光发射器与光接收端机的光探测器B相对应。
2.一种自适应控制接收光功率的无线光通信方法，其特征在于，包括权利要求1所述的光通信系统，所述方法包括如下步骤：
S1，根据光接收端机的系统性能，评估出对应的几个接收功率阈值大小：
光电探测器阵列A能接收的最大光功率
Figure DEST_PATH_IMAGE002
、单路信号输出时对应的最小接收光功率
Figure DEST_PATH_IMAGE004
和N路探测器合并输出时对应的最小接收光功率，N为接收装置的探测器个数；
S2，对光接收端机在不同信道环境之中信号光功率与信标光功率在不同距离下的对应关系制表；
S3，光发射端机的信号光发射器和信标光发射器分别向光接收端机发送同样功率不同波段的光信号，信号光发射器发送要传达的信息，信标光发送特定频率的光信号；
S4，信道估计器估计此时的信道环境参数C；
S5，光接收端机首先探寻与之通信的用户（光发射端机），当检测到约定频率的信号时，表示找到目标信源，并计算此时的信标光功率大小，然后根据信道估计器得出的信道环境参数C由查表法找出此时的信号光功率P；
S6，功率阈值判断：
若距离太近而使光强太大，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，会导致光电探测器阵列A饱和而无法正常通信，光衰减器根据光强大小调整衰减器的衰减幅度，使光功率控制在单路信号输出的光功率阈值范围内；若收发两端距离较远，单个探测器由于灵敏度有限，而无法更远距离通信时，通过调整光电探测阵列A的不同组合合并来达到更远距离的通信。
3.根据权利要求2所述的一种自适应控制接收光功率的无线光通信方法，其特征在于，S2所述的信号光与信标光在接收端的接收光功率可依据光接收端机各探测器的灵敏度、同一信道环境下对应的不同波段光的衰减关系得出，并制成表格。
4.根据权利要求2所述的一种自适应控制接收光功率的无线光通信方法，其特征在于，S5中所述的信标光用于与光接收端机进行定位和对准，光接收端机检测到信标光后根据信标光的接收光功率大小得出信号光功率，再对光电探测器阵列A做信号功率控制。
5.根据权利要求2所述的一种自适应控制接收光功率的无线光通信方法，其特征在于，S6中光电探测器阵列A的组合方式由多路控制开关和模拟加法器来实现，若接收的信号光功率
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，则控制光电探测器阵列A单路输出；若接收的信号光功率
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，则控制多路控制开关的通断来实现不同信号路的组合并将开通的那几路信号通过模拟加法器合并输出，通过信号调理模块用于后级信号调理。
6.根据权利要求2所述的一种自适应控制接收光功率的无线光通信方法，其特征在于，S6中所述的功率阈值判断关键在于：
(a)选择性的使用光衰减器减小接收光功率，防止光强太强导致探测器饱和；
(b)根据所述的几个功率阈值关系大小来确定光电探测器阵列A的合并组合方式。
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