CN114389693B - 一种空间光通信信号处理装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间光通信信号处理装置，包括通过光纤连接的信源接收板和信号处理电路，信源接收板包括安装在光学系统汇聚端的APD探测器和光模块，APD探测器上连接有偏置芯片，偏置芯片通过运算放大器连接单片机，信号处理电路包括主处理器FPGA以及协处理器DSP、PHY芯片和存储器DDR3；还公开了其信号处理方法；本发明的信号处理方法可以克服激光通信由于中等湍流造成的丢帧现象。

Description

一种空间光通信信号处理装置和方法

技术领域

本发明属于激光通信领域，具体涉及一种空间光通信信号处理的装置，以及其信号处理方法。

背景技术

在空间光通信系统中，信息以激光为载体，以空气为介质传输。光束的几何衰减，大气衰减和大气湍流是影响信号强度和信号质量的主要因素。

光电探测的灵敏度定义为能够探测到的最低能量，确定了在一定天气条件下的最大通信距离指标。激光在空气中传播，会受到大气湍流的影响，造成信号的衰落现象会导致误码和丢帧，需要采取一定的纠错手段来保证信息的正确性。

发明内容

为了改善空间光通信的使用效果，本发明的目的之一是提出一种空间光通信信号处理的装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种空间光通信信号处理装置，包括通过光纤连接的信源接收板和信号处理电路；所述的信源接收板包括安装在光学系统汇聚端的APD探测器和通过限幅放大器与APD探测器连接的光模块一，APD探测器的输出耦合至限幅放大器，输出标准的CML电平驱动光模块一出光，通过以上操作，达到了将空间光进行直接检测后耦合到光纤中的效果，APD探测器上还连接有偏置芯片，所述偏置芯片的电流检测引脚通过运算放大器连接单片机；所述的信号处理电路包括主处理器FPGA以及连接主处理器FPGA的协处理器DSP、PHY芯片和存储器DDR3，主处理器FPGA还通过GTX接口与光模块二相连，主处理器FPGA接收PHY芯片传输过来的以太网数据并将其存储到存储器DDR3，封装成帧后通过GTX发送；GTX接收到的校验正确的数据将存储到存储器DDR3，最后发送至PHY芯片。

所述的一种空间光通信信号处理装置，其存储器DDR3采用两片独立的DDR3芯片供数据接收和发送通道分别使用。

所述的一种空间光通信信号处理装置，其主处理器FPGA通过MII接口连接PHY芯片，主处理器FPGA通过EMIF接口连接协处理器DSP。

本发明的目的之二是提出一种空间光通信信号处理方法，包括如下步骤：

信源接收板的APD探测器接收信源信号，输出幅值可变的差分信号，其幅值和接收到的光信号强度成正相关关系，输出通过限幅放大器后输出为标准CML电平，驱动光模块一出光，通过以上操作将空间光直接检测后耦合到光纤中；信号处理电路的主处理器FPGA通过GTX接口接收光模块二的数据，与PHY芯片传输过来的以太网数据分别存储至两片独立的存储器DDR3，进行数据处理后与PHY芯片交换数据，处理过程中数据采用存储器存储器DDR3缓存。

所述的一种空间光通信信号处理方法，其存储器DDR3采用两片独立的DDR3芯片分别实现据接收和发送，通过时分复用实现乒乓操作：在写低地址空间的时间段内，读高地址空间的数据。

进一步，存储器DDR3存储数据时将数据添加帧头、用户字节、校验和帧尾，通过GTX接口发送，从GTX接口接收到的数据需进行帧检测及校验操作：存储器DDR3的数据内容通过GTX发送前，将添加帧头、用户字节、校验和帧尾；从GTX接收到的数据将进行帧检测及校验，并将校验正确的数据存储至存储器DDR3。

本发明的有益效果是：本发明将空间光探测器APD管安装在光学系统的汇聚端，通过信源接收板实现光电转换的功能，输出为光纤接口，避免了长距离的高速传输线，降低了信号受到电磁辐射影响的风险，整个装置体积小质量轻，减小了安装难度；本发明的信号处理方法可以克服激光通信由于中等湍流造成的丢帧现象。

附图说明

图1是本发明信源接收板的电路原理图；

图2是本发明信号处理板的电路原理图；

图3是本发明信号处理数据发送部分存储器DDR3读写地址控制图；

图4是本发明信号处理数据接收部分存储器DDR3读写地址控制图。

各附图标记为：11—APD探测器，12—限幅放大器，13—光模块一，14—偏置芯片，15—运算放大器，16—单片机，21—主处理器FPGA，22—协处理器DSP，23—PHY芯片，24—存储器DDR3，25—光模块二。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行描述。

参照图1至图4所示，本发明公开的一种空间光通信信号处理装置，主要分为信源接收和信号处理两个方面，信源接收板和信号处理电路之间采用光纤传输数据，降低了两块电路板之间的安装要求。

信源接收方面采用了APD探测器11以保证信源接收的灵敏度指标和获得比较大的动态范围，具备接收功率信息上报功能。信源接收板实现光电转换的功能，体积小质量轻，减小了安装难度，输出为光纤接口，避免了长距离的高速传输线，降低了信号受到电磁辐射影响的风险。所述的信源接收板包括安装在光学系统汇聚端的APD探测器11和通过限幅放大器12与APD探测器11连接的光模块一13，APD探测器11输出幅值可变的差分信号，差分信号的幅值和APD探测器11接收到的光信号强度成正相关关系，大小在0mV～1200mV之间，APD探测器11的输出耦合至限幅放大器12输出为标准的CML电平，驱动光模块一13出光，通过以上操作，达到了将空间光进行直接检测后耦合到光纤中的效果。

本发明采用APD探测器11保证了信源接收的灵敏度指标，又获得了比较大的动态范围，具备接收功率信息上报功能，APD探测器11上还连接有偏置芯片14，其中偏置芯片14的电流检测引脚通过运算放大器15连接单片机16。空间光APD探测器11在500Mbps的通信速率下，灵敏度为-33dBm。

信号处理方面采用无反馈的重发手段，保证了在中等湍流条件下的数据无错传输，保证了通信的误码率指标，包括主处理器FPGA 21以及连接主处理器FPGA 21的协处理器DSP 22、PHY芯片23和存储器DDR3 24，主处理器FPGA 21将PHY芯片23配置为局部自协商的100M全双工模式，使对端发送业务的设备自动识别成100M全双工模式，业务数据限制在100Mbps。主处理器FPGA 21通过MII接口连接PHY芯片23，通过EMIF接口连接协处理器DSP22，主处理器FPGA 21还通过GTX接口与光模块二25相连，主处理器FPGA 21接收PHY芯片23传输过来的以太网数据业务数据，首先经过FIFO缓冲跨时钟域处理，进行空闲数据的填充并将数据同步至GTX接口发送时钟域，再按照一定长度切割并分段存储至存储器DDR3 24，数据封装成为1帧的时间为20us，缓存深度最浅设定为20帧，最深为8000帧，在缓存最浅的情况下，可以抵抗约800us的连续错误，在缓存最深的情况下，可以抵抗约0.33s的连续错误或者信号中断，缓存深度可以通过协处理器DSP 22接收上位机指令，经过EMIF接口给主处理器FPGA 21动态切换，以适应不同的信道条件。

此外，所述的APD探测器11上还连接有偏置芯片14，为APD探测器11提供40V击穿电压，驱动APD探测器11的空间光探测器APD管正常工作，偏置芯片14具备电流监测功能，在监控引脚上输出的电流为APD探测器11上感应到的电流大小的20%，此电流经过电阻形成电压压降后，经过比例运算放大器发送给单片机16进行电压转换，从而得到与接收光强度成正相关的数值，此数值经过标定后可以得到APD探测器11上感应到的光功率大小。

此外，所述的存储器DDR3 24采用两片独立的DDR3芯片供数据接收和发送通道分别使用一片存储器DDR3，接口为128b@100M，业务数据量为100Mbps，数据读写过程是在比较小的时间段内完成的，大部分时间接口处于空闲状态，可以通过时分复用来达到类似乒乓操作的效果，即在写低地址空间的时间段内，读高地址空间的数据。数据发送通道和接收通道各用一片独立的存储器DDR3。

存储数据的过程中，用更快的频率重复读取数据，并将数据添加帧头、用户字节、校验和帧尾，通过GTX接口发送，在发送通道上，数据读取的频率是写入频率的三倍，完成数据的多次重发功能。在接收通道上，在没有误码和丢帧的情况下，会重复接收3次数据，校验正确的数据将会写入到存储器DDR3相应的地址。

接收部分解析数据，将校验正确的数据存储至存储器DDR3，并在合适的时间段读取DDR3内的数据，完成数据的恢复，并通过MII接口发送给PHY芯片23，接收通道上在没有误码和丢帧的情况下，会重复接收3次数据，校验正确的数据将会写入到存储器DDR3相应的地址。若有长时间的丢帧现象，本地可在最后一次接收数据的时刻开启时钟计数，保证在合适的时间内读取合适的地址内容。由于是乒乓操作，重复写存储器的过程中，读取的是另一半地址的数据，不会因为重复写入数据而导致数据混乱。如果有误码和丢帧，第一次接收数据中错误的地方，会有较大可能在第二次和第三次中接收到正确的数据，后面接收到的正确的数据将会填入前面未写入的存储器DDR3空间，来纠正这些错误。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应该涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种空间光通信信号处理装置，其特征在于：包括通过光纤连接的信源接收板和信号处理电路；所述的信源接收板包括安装在光学系统汇聚端的APD探测器（11）和通过限幅放大器（12）与APD探测器（11）连接的光模块一（13），APD探测器（11）接收信源信号，输出幅值可变的差分信号，通过限幅放大器（12）后输出为标准CML电平，驱动光模块一（13）出光，将空间光检测后耦合到光纤中，APD探测器（11）上还连接有偏置芯片（14），所述偏置芯片（14）的电流检测引脚通过运算放大器（15）连接单片机（16）；所述的信号处理电路包括主处理器FPGA（21）以及连接主处理器FPGA（21）的协处理器DSP（22）、PHY芯片（23）和存储器DDR3（24），主处理器FPGA（21）将PHY芯片（23）配置为局部自协商的100M全双工模式，使对端发送业务的设备自动识别成100M全双工模式，业务数据限制在100Mbps，主处理器FPGA（21）还通过GTX接口与光模块二（25）相连，主处理器FPGA（21）接收光模块二（25）的数据与PHY芯片（23）传输过来的以太网数据，首先经过FIFO缓冲跨时钟域处理，进行空闲数据的填充并将数据同步至GTX接口发送时钟域，再按照一定长度切割并分段存分别存储到两片独立的存储器DDR3（24），进行数据处理后与PHY芯片（23）交换数据，封装成帧为1帧的时间为20us，缓存深度最浅设定为20帧，最深为8000帧，后通过GTX发送，GTX接收到的校验正确的数据存储至存储器DDR3（24），最后发送到PHY芯片（23）。

2.根据权利要求1所述的一种空间光通信信号处理装置，其特征在于，所述的主处理器FPGA（21）通过MII接口连接PHY芯片（23），主处理器FPGA（21）通过EMIF接口连接协处理器DSP（22）。

3.一种如权利要求1所述装置的信号处理方法，其特征在于，包括如下步骤：信源接收板的APD探测器（11）接收信源信号，输出幅值可变的差分信号，通过限幅放大器（12）后输出为标准CML电平，驱动光模块一（13）出光，将空间光检测后耦合到光纤中；信号处理电路的主处理器FPGA（21）通过GTX接口接收光模块二（25）的数据，与PHY芯片（23）传输过来的以太网数据分别存储至两片独立的存储器DDR3（24），进行数据处理后与PHY芯片（23）交换数据，处理过程中数据采用存储器存储器DDR3（24）缓存。

4.根据权利要求3所述的一种空间光通信信号处理方法，其特征在于，所述的存储器DDR3（24）采用两片独立的DDR3芯片分别实现据接收和发送，通过时分复用实现乒乓操作：在写低地址空间的时间段内，读高地址空间的数据。

5.根据权利要求4所述的一种空间光通信信号处理方法，其特征在于，所述的存储器DDR3（24）的数据内容添加帧头、用户字节、校验和帧尾后通过GTX发送；从GTX接收到的数据进行帧检测及校验正确存储至存储器DDR3（24）。