CN1216421A - 自由空间光通信线路的自动增益控制 - Google Patents

Abstract

通过把恒定幅度的引导信息与其它信息一起发送,方便了模拟信息的自由空间光通信。引导信息在接收器处的衰减得到检测并被用来控制接收信息的放大量。以此方式自由空间衰减的不利影响基本上得到了消除。该引导信息可以经过其自身的单独光频率或波长而得到传送,或者作为用来调制一个光频率或波长的更大量的信息的一个可区分的部分而得到发送。

Description

自由空间光通信线路的自动增益控制

本发明涉及自由空间光通信，且更具体地说是涉及用于自由空间光通信线路的自动增益控制。

自由空间光通信在一定场合下提供了吸引人的有线或无线通信的替换方式。例如，一个通信服务提供者想要进入一个新的地理区域，而它在该区域中可能没有什么有线装备，并希望避免为该新区域提供服务而安装这种装备的成本和复杂性。类似地，无线通信资源是有限和受到控制的，且新的通信服务提供者可能没有足够的权利来在一个新的地理区域中使用这些资源。

自由空间光通信因而是吸引人的，因为它避免了对有线装备的需要，且因为与无线通信不同，它基本上是不受控制的。光通信线路能够支持大范围的通信服务，诸如电话、视频、声频、以及计算机数据发送。

自由空间光通信的一个可能的问题，是它通过大气时受到随着时间变化的衰减。例如，红外或其他的光在通过大气时其闪烁频率会高至约200Hz。对光进行数字调制是使自由空间光信息发送受这些大气效应的影响更小的一种方式。然而，数字调制至少对于某些类型的信息一特别是在开始时为模拟形式并最终以模拟形式使用的信息-会导致传送成本的增加。对于例如多数电话信息和许多视频(电视)信息来说，都是这种情况。

考虑到上述情况，本发明的一个目的，是改善自由空间光通信。

本发明的一个更具体的目的，是减小诸如闪烁的大气干扰对模拟自由空间光通信的不利影响。

本发明的这些和其他目的，是根据本发明的原理，通过提供模拟自由空间光通信设备-其中具有已知幅度的所谓引导信号与信息信号一起经过自由空间光学线路而传送，而得到实现的。在该线路的接收端，把该引导信号与信息信号相分离。把接收的引导信号的幅度与一个基准相比较，且与该基准的偏离量被用来控制信息信号的放大量。该引导信号可以利用单独的光波长-该波长最好与信息信号所用的波长接近-来发送。或者，该引导信号可以具有用于调制携带信息信号的光频率的频率。接收的引导信号与基准的比较，以及接收的信息信号的自动放大变化，最好是在接收器中以电子的方式进行。

从以下结合附图对最佳实施例所进行的详细描述，本发明的进一步的特征、特性和各种优点将变得显而易见。

图1是根据本发明的自由空间光通信设备的第一示例性实施例的简化示意框图。

图2是根据本发明的自由空间光通信设备的第二示例性实施例的简化示意框图。

在图1显示的第一示例性实施例中，引导信号经过一个波长-该波长不同于信息信号所用的波长-而得到传送。信息信号源20产生一个输出电信号-该信号与所要发送的信息进行模拟调制。这种信息信号被加到光源30(例如激光二极管)上，以使该光源输出具有与所加的电信号相同的模拟调制的光。光源30产生的光的频率或波长不同于但最好比较接近于光源50(将要在下面描述)所产生的光的频率或波长。光源30的光经过光纤32而被加到合成器60的一个输入端。

引导信号源40产生具有恒定幅度的输出信号。源40的输出信号被加到光源50(例如另一个激光二极管)，以使该光源产生具有恒定强度的光。光源50产生的光经过光纤52而被加到合成器60的第二输入端上。

合成器60把来自光纤32和52的光结合在一起，并产生光纤62上的单个的光输出。因而光纤62所运送的光是在一个光频率或波长上的信息信号，以及在另一个光频率或波长上的引导信号。

光纤62与光发送器70相连，光发送器70把它经过光纤62接收的光发送到自由空间中，如72所示。例如，光发送器70可以是一个透镜系统，用于为自由空间发送72而对光进行适当的聚焦。

在通过自由空间(例如地球的大气)行进了所希望的距离之后，光72被接收器80所接收，接收器80可以是另一透镜系统，用于把接收的光会聚到分光器90上。分光器90使它接收的光的一部分通过而到达滤光器130。分光器90把它接收的光的其余部分偏转到镜100。镜100把它接收的光偏转到滤光器110。

滤光器110只允许光源30产生的频率或波长的光通过。通过滤光器110的光被加到光电检测器120上，后者因而产生出一个输出电信号-该信号包含有来自光源30并被接收器80接收的信息。该电信号被加到自动增益控制电路150的主输入端。

滤光器130只允许具有光源50产生的频率或波长的光通过。通过滤光器130的光被加到光电检测器140上，后者因而产生表示接收的引导信号的输出电信号。光电检测器140的输出信号被加到幅度检测器160上，后者产生出表示接收的引导信号的幅度的输出信号。

幅度检测器160的输出信号被加到差分或运行放大器170的一个输入端上。放大器170的另一输入端是来自基准信号源180的恒定基准信号。放大器170产生表示幅度检测器160的输出与来自源180的基准信号之差的输出信号。放大器170的输出信号被加到自动增益控制电路150的控制输入端。

自动增益控制电路150把加到其主输入端(即来自光电检测器120)的信号放大与加到其控制输入端的信号(即来自放大器170的信号)的幅度成比例的量。由于信息信号光和引导信号光是在相同的自由空间光通路行进的并具有彼此非常接近的频率，因而这些光在通过自由空间时经历了基本相同的衰减。例如，信息光和引导光在它们经过发送器70与接收器80之间的大气时以基本类似的方式发生闪烁。然而，已经知道引导光是以恒定的强度开始的。因此，幅度检测器160的输出信号在任何时刻与来自源180的恒定基准信号的偏离，就是对接收的信息光的当前衰减的一个良好的表示。自动增益控制电路150，通过把接收的信息信号放大基本上消除光经过发送器70与接收器80之间的自由空间所受到的时间变化衰减的影响所需的量，而对这种衰减进行补偿。

在图2所示的替换实施例中，引导信号与信息信号共同使用来调制单个的光频率或波长，而不是象图1中那样对信息和引导信号采用不同的光频率或波长。如图2所示，若干个信息信号被用来对若干个不同的电信号频率f2-fN进行模拟调制。振荡器210所产生的引导信号具有另一个频率f1。该引导信号的幅度最好是恒定的。

所有信号f1-fN都被加到合成器220，后者把所有所加的信号结合成一个频分多路复用信号-该信号被加到放大器/驱动器230。放大器/驱动器230的输出信号被加到光源240(例如一个激光二极管)。光源240产生的光被加到发送器250(例如一个透镜系统)以把来自光源240的光适当地发射到自由空间中，如252所示。

在通过自由空间而行进了所希望的距离之后，来自发送器250的光252被用于把接收光会聚到光电检测器270上的接收器260(例如另一个透镜系统)所接收。光电检测器270产生表示接收光的输出电信号。该输出信号被加到可变增益放大器280的主输入端。放大器280的输出信号被加到分解器290，后者产生出所加的信号的几个复制信号。这些复制信号之一被加到带通滤波器300，后者基本上只允许频率f1即引导信号的频率通过。带通滤波器300的输出信号被加到幅度检测器310，后者因而产生出表示来自带通滤波器300的引导信号的强度的输出信号。幅度检测器310的输出信号被加到求和放大器320。求和放大器320的另一输入是恒定基准信号330。放大320的输出信号表示了来自带通滤波器300的引导信号幅度与基准330的偏离量。放大器320的输出信号被加到放大器280的控制输入端，以控制放大器280对来自检测器270的信号的放大量。接收的引导信号的减弱增大了放大器280产生的增益。

分解器290产生的另一复制信号被加到接收器340，后者可以是用于恢复和利用信息信号f2-fN的任何适当的装置。

显然，图2所示的设备的效果与图1所示的设备的效果类似。特别地，恒定幅度的引导信号被用来检测从发送器250经过自由空间而发送到接收器260的光的时间变化的衰减。接收信号的放大得到自动改变，以补偿这种衰减，从而有效地消除这种衰减。

应该理解的是，以上的描述只是为了说明本发明的原理，且在不脱离本发明的范围和精神的前提下，本领域的技术人员可以进行各种修正。例如，在图1所示的实施例中，可以把若干个不同的信息光频率或波长与引导光频率一起从发送器70送到接收器80。

Claims (31)

1．用于信息的自由空间光通信的设备，包括：

发送器，用于经过自由空间对所述信息和具有固定强度的引导信息一起进行光发送；以及

一个接收器，用于从所述自由空间接收所述信息和所述引导信息，所述接收器包括：

一个检测器，用于产生表示所述接收器接收到的所述引导信息的强度的输出；以及

一个可变增益放大器，用于把所述接收器所接收的所述信息放大受到所述输出影响的一个量。

2．根据权利要求1的设备，其中所述放大器的放大率当所述输出表明所述接收器所接收的所述引导信息的强度减小时增大。

3．根据权利要求1的设备，其中所述发送器包括：

一个具有第一频率的第一光源，它受到所述信息的幅度调制；以及

一个第二光源，它具有第二频率和恒定的幅度以代表所述引导信息，所述第一和第二频率是彼此不同的。

4．根据权利要求3的设备，其中所述发送器进一步包括：

一个合成器，用于把来自所述第一和第二光源的光发射到通过所述自由空间的一个基本共同的光路上。

5．根据权利要求4的设备，其中所述检测器包括：

一个第一光电检测器组件，它响应于基本上只有所述第一频率的光以产生表示所述接收器接收的所述信息的一个第一电输出信号；以及

一个第二光电检测器组件，它响应于基本上只有所述第二频率的光以产生表示所述接收所接收的具有所述第二频率的所述光的强度的一个第二电输出信号；且其中所述放大器包括：

一个电信号放大器，用于把所述第一电输出信号放大受到所述第二电输出信号影响的一个量。

6．根据权利要求1的设备，其中所述发送器包括：

一个第一电信号的第一源，它具有第一频率并受到所述信息的幅度调节；

一个第二电信号的第二源，它具有第二频率和恒定的幅度以代表所述引导信息，所述第一和第二频率彼此不同；

一个合成器，用于合成所述第一和第二电信号以产生一个第三电信号；以及

一个电一光传感器，用于产生按照所述第三电信号而得到幅度调制的光。

7．根据权利要求6的设备，其中所述接收器进一步包括：

一个光电检测器，用于产生表示所述接收器所接收的光的调制的第四电信号；其中所述检测器包括：

一个滤波器电路，用于产生一个第五电信号-它表示了所述第四电信号具有所述第二频率的分量的强度；且其中所述放大器包括：

一个电信号放大器，用于把所述第四电信号放大受到所述第五电信号影响的一个量。

8．通过自由空间从一个发送器向一个接收器传送信息的方法，包括以下步骤：

把代表所述信息的光同具有预定强度的引导信息一起从所述发送器通过所述自由空间传向所述接收器；

在所述接收器接收所述光；

检测在所述接收器处经过所述光而接收到的所述引导信息的强度；

把在所述接收器处经过所述光而接收到的所述信息放大一个量-该量受到在所述检测步骤中检测到的所述引导信息的强度影响。

9．根据权利要求8的方法，其中在所述放大步骤中当在所述检测步骤检测到的所述强度较低时所述信息被放大较大的程度，且当在所述检测步骤检测到的所述强度较高时被放大较小的程度。

10．根据权利要求8的方法，其中所述发送步骤包括以下步骤：

用所述信息对所述光的至少一个分量进行幅度调制。

11．根据权利要求10的方法，其中所述信息是这样的-即受到所述信息的调制的所述光的幅度随着时间而变化。

12．根据权利要求11的方法，其中所述发送步骤进一步包括以下步骤：发送具有恒定幅度的所述光的另一个分量以表示所述引导信息。

13．根据权利要求12的方法，其中所述分量和所述另一分量具有不同的光频率。

14．根据权利要求13的方法，其中所述检测步骤包括以下步骤：

把在所述接收器接收的、基本上只具有用于所述引导信息的频率的光引向一个光电检测器电路-该光电检测器电路产生表示引向它的光的强度的一个输出信号。

15．根据权利要求14的方法，其中所述放大步骤包括以下步骤：

利用所述光电检测器电路的输出信号来控制其上加有在所述接收器接收的所述信息的可变增益放大器的增益。

16．根据权利要求8的方法，其中所述发送步骤包括以下步骤：

用所述信息对一个第一交流电流电信号进行幅度调制，所述第一信号具有一个第一频率；

用一个具有恒定调制幅度对一个第二电信号进行幅度调制，以表示所述引导信息，所述第二信号具有不同于所述第一频率的一个第二频率；

合成所述第一和第二信号以产生一个第三信号；

利用所述第三信号对从所述发送器发送的所述光进行幅度调制。

17．根据权利要求16的方法，其中所述检测步骤包括以下步骤：

把在所述接收器接收的所述光引向一个光电检测器，该光电检测器产生表示引向其的光的一个第四电信号；以及

检测所述第四信号的具有所述第二频率的分量的强度。

18．根据权利要求17的方法，其中所述放大步骤包括以下步骤：

利用具有所述第二频率的分量的检测强度来控制所述第四信号的放大量。

19．用于与具有固定强度的引导信息一起的信息的自由空间光通信的发送设备，包括：

具有第一频率的一个第一光源，它受到所述信息的幅度调制；以及

具有一个第二频率和恒定幅度以表示所述引导信息的一个第二光源，所述第一和第二频率彼此不同。

20．根据权利要求19的设备，进一步包括：

一个合成器，用于把来自所述第一和第二源的光发射到通过自由空间的基本共同的光路中。

21．用于与具有固定强度的引导信息一起的信息的自由空间光通信的发送设备，包括：

具有一个第一频率的第一电信号的第一源，该第一电信号受到所述信息的幅度调制；

具有一个第二频率的恒定幅度以代表所述引导信息的第二电信号的第二源，所述第一和第二频率彼此不同；

一个合成器，用于合成所述第一和第二电信号以产生一个第三电信号；以及

一个电-光传感器，用于产生按照所述第三电信号而受到幅度调制的光。

22．用于与具有固定强度的引导信息一起的信息的自由空间光通信的接收设备，包括：

一个检测器，用于产生表示所述接收器所接收的所述引导信息的强度的一个输出；以及

一个可变增益放大器，用于把所述接收器所接收的所述信息放大一个量-该量受到所述输出的影响。

23．根据权利要求22的设备，其中所述放大器的放大率当所述输出表明所述接收器所接收的所述引导信息的强度减小时增大。

24．根据权利要求22的设备，其中所述信息是由具有一个第一频率的、受到幅度调制的光进行通信的，其中所述引导信息是由具有一个第二频率和额定恒定幅度的光进行通信的，其中所述检测器包括：

一个第一光电检测器组件，它响应于基本上只具有所述第一频率的光以产生表示所述接收器所接收的的所述信息的一个第一电输出信号；以及

一个第二光电检测器组件，它响应于基本上只具有所述第二频率的光以产生表示所述接收器所接收的的具有所述第二频率的所述光的强度的一个第二电输出信号；且其中所述放大器包括：

一个电信号放大器，用于把所述第一电输出信号放大一个量-该量受到所述第二电输出信号的影响。

25．根据权利要求22的设备，其中所述信息和所述引导信息分别是通过用第一和第二频率对光进行调制而进行通信的，第一频率具有变化的幅度以表示所述信息，且第二频率具有恒定的幅度以代表所述引导信息，其中所述设备进一步包括：

一个光电检测器，用于产生表示所述接收器所接收的的光的调制的第一电信号；其中所述检测器包括：

一个滤波器电路，用于产生一个第二电信号-该第二电信号表示了具有所述第二频率的所述第一电信号的分量的强度；且其中所述放大器包括：

一个电信号放大器，用于把所述第一电信号放大一个量-该量受到所述第二电信号的影响。

26．接收与具有固定强度的引导信息一起经过光而通过自由空间传送的信息的方法，包括以下步骤：

在一个接收器接收所述光；

检测在所述接收经过所述光而接收的引导信息的强度；以及

把在所述接收器经过所述光而接收的所述信息放大一个量-该量受到在所述检测步骤检测到的所述引导信息的强度的影响。

27．根据权利要求26的方法，其中在所述放大步骤中所述信息当在所述检测步骤中检测到的强度较低时被放大较大的程度且当在所述检测步骤中检测到的强度较高时被放大较小的程度。

28．根据权利要求26的方法，其中具有不同频率的光分别被用来发送所述信息和所述引导信息，且其中所述检测步骤包括以下步骤：

把所述接收器所接收的、基本上只具有用于所述引导信息的频率的光引向光电检测器电路-该光电检测器电路产生表示引向其的光的强度的一个输出信号。

29．根据权利要求28的方法，其中所述放大步骤包括以下步骤：

利用所述光电检测器电路的输出信号来控制加有所述接收器所接收的所述信息的可变增益放大器的增益。

30．根据权利要求26的方法，其中所述光在表示所述信息和所述引导信息的不同频率分别受到幅度调制，且其中所述检测步骤包括以下步骤：

把所述接收器所接收的所述光引向一个光电检测器-该光电检测器产生一个表示引向其的光的电信号；以及

检测所述电信号中这样一个分量的强度-即该分量具有用于以所述引导信息对该光进行幅度调制的频率。

31．根据权利要求30的方法，其中所述放大步骤包括以下步骤：

利用所述电信号的所述分量的检测强度来控制所述电信号的放大量。

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