CN1784843A - 通信系统 - Google Patents
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Abstract
在光通信方法中,向发送器(10)和接收器(20)提供精确的公共时钟信号(GPS)。在发送器中,接收公共时钟信号,并且根据所述公共时钟信号生成第一时钟信号(CLK1),利用所述时钟信号作为定时基准生成具有预定载波频率(f)的载波,利用数据信号调制该载波,并且利用光束(13)发射经调制的载波。在接收器中,接收公共时钟信号,根据所述公共时钟信号生成与载波频率具有相同频率(f)的基准信号,接收所述光束(13),由该光束获得探测信号,将该接收器调谐到预定载波频率(f),并且由该探测信号获得数据信号。
Description
技术领域
本发明一般涉及一种通信系统,其包括发射器和接收器,其中需要将接收器调谐为发送器的发送频率。本发明具体涉及一种自由空间光通信系统,并且下文中将解释本发明的这种光通信系统,但是必须明确强调,本发明不限于自由空间光通信系统。
背景技术
自由空间光通信系统本身是公知的。WO 00/25456中描述了一个实例。为了实现从一个站(发射器)到另一个站(接收器)的通信,该发射器生成可被接收器的光学探测器接收的激光束。对于双路通信而言,另一个站还包括发射器,所述一个站还包括接收器。通常,将位于一个站的发射器和接收器组合成收发器。
所述公开WO 00/25456涉及一种通信网络,其包括多个收发器站,这些站起到网络节点的作用。可以将数据从源站经由多个中间站构成的通信路径传送到目标站。
光通信系统的一个问题在于两个站之间的通信路径仅存在于在相应发送器和接收器之间存在自由视线时。如果由于任何原因遮挡了该视线,则遮挡了通信路径。如果是网络,则可能通过采取经由(不同)中间站的另一通信路径来恢复通信。这就需要发送站将其光束指向另一接收站,并需要接收站将其接收器指向另一发射器。同时,数据流应当连续。为此,发送站包括收集输入数据的数据缓冲器,并且一旦发送站与另一接收站建立联系,该发送站就开始从其缓冲器发送数据。所需的数据缓冲器大小与发送站同另一接收站相联系所需的时间成正比。因此,只要出于这个原因,就希望尽可能快地建立联系。
与接收器进行联系需要将激光束非常精确地引导到接收探测器。发送站具有关于(多个)接收探测器的位置的信息,因此该发送站知道或者能够计算出引导激光束的方向。在所述公开WO00/25456中,提到了能够根据GPS信号获得初始定位信息。然而,就算是与正确方向最轻微的偏差也会使非常窄的激光束不能到达接收探测器。在建立联系的过程中,发送站需要调整其激光束的方向。但是失败就是失败,发送站需要调整信息,从而告知发送站应当将激光束调整到哪个方向。
为此,在建立联系的过程中,我们知道使用在光束轴处具有最大强度的宽激光束(即发散激光束),该强度随着与光束轴的距离增大而降低。利用这种宽光束,光束可能“照射”接收探测器。在两个正交方向上扫描该光束,通常是水平方向和垂直方向,并且该接收站记录接收到的激光功率在哪个方向具有最大值。该接收站将这些方向传送到发送站,例如通过RF通信信道。该发送站利用从接收站接收到的方向信息使激光束改变方向,并且使激光束变窄。如果需要,可以重复以上步骤。
因此,在该“瞄准”过程中,该接收站以大大降低的功率电平接收激光。因此噪声信号起到重要的干扰作用。因此,希望提高接收器对于激光束的敏感度。
另一方面涉及发送站与接收站之间的距离。如果通信网络覆盖了较大的区域,则需要多个收发器,这相当昂贵。如果能够减小收发器之间的相互距离,则可以减少该通信网络的硬件成本,或者可以以相同的成本覆盖更大的区域,或者实现这两者。由此带来的是,在更远处的接收站处的激光功率电平会更小。因此,为了可以在较大距离上进行光通信,而无需提高激光输出功率,则希望提高接收器对于激光束的敏感度。
另一方面涉及一种解决方案,其中希望由通信网络的多个接收站接收一个发送接站发送的数据。根据目前的技术水平,发送站的窄激光束仅被引导至一个接收基站,并被其接收。为了使数据到达第二接收站,第一接收站又用作相对于第二接收站的发送站,并且重复数据的发送。因此,在各个站之间数据“跳跃”,这就降低了网络的总的数据传送能力,并且这要比数据从第一发送站直接光学发送到所有预定发送站时需要多得多的时间。在根据现有技术的设计中,只有当第一发送站装配了多个发射器,每个发射器指向相应的一个预定接收器时,这种直接的多个发送才是可能的。
另一方面是安全方面。激光是危险的,尤其是对眼睛。因此,特别是在该通信网络在居民区中工作时,希望以尽可能低的激光功率操纵该发射器。因此,也出于这种原因,希望提高接收器对于激光束的敏感度。
注意,提高通信距离和眼睛安全这两个方面在具有固定收发器的通信系统中也起作用,甚至是在仅具有两个站的通信系统中也是如此。
发明内容
因此,本发明的一个重要目的是提供一种通信系统,其中提高了接收器的敏感度。
通信系统的另一方面涉及在接收站一侧的调谐过程。通常,该接收站知道发送站的发射器工作在哪一频率上,因此有可能利用窄通带滤波器过滤输入信号以便消除不希望的信号分量。然而,考虑到公差,该通带滤波器的带宽不能太小。在现有技术中,调谐包括使用锁相环将接收器电路调到接收信号,这会需要附加的电子元件。
因此,本发明的一个重要目的是提供一种通信系统,其中可以在不需要锁相环的情况下将接收器调到发送信号。
本发明的另一个重要目的是提供一种通信网络,包括至少一个发送站和多个接收站,其中该发送站能够以有效方式同时寻址所有接收站。
根据本发明的一个重要方面,向通信系统的发射器和接收器均提供了非常精确的定时信号,因此该发射器和接收器分别能够非常精确地确定发送信号的频率以及接收器所要调到的频率,因此本质上非常精确地将接收器调到发射器,因此可以省略锁相环。
优选的是,所述非常精确的定时信号来自于公共源。在优选实施例中,该发射器和接收器均具有用于接收GPS信号的GPS接收器,其包括非常精确的时间信号,这对于本领域技术人员而言是已知的。
根据本发明的另一重要方面,将发送激光束的输出功率分配给多个接收器。所发送的激光束可以是覆盖所述多个接收器的宽、发散光束。还可以将所发送的激光束分成多个激光束,每个激光束指向一个相应的接收器。
附图说明
通过以下参照附图的描述将进一步解释本发明的这些和其它方面、特征和优点,其中相同的附图标记表示相同或相似的部件,在附图中:
图1是示意表示根据本发明的通信系统的实施例的框图;
图2A是示意表示根据本发明的发送站实施例的结构图;
图2B是示意表示根据本发明的接收站实施例的结构图;
图3是示意表示根据本发明的通信系统另一实施例的框图。
具体实施方式
图1示意表示了通信系统1,其包括至少一个发送站10和至少一个接收站20。
该发送站10包括发射处理电路14,其通过GPS天线11从至少一个GPS卫星S接收GPS信号。图2A是更加详细地表示发射处理电路14的实施例的结构图。该发射处理电路14包括适于使用GPS信号中的定时信息作为定时基准,来生成第一时钟信号CLK1的时钟信号发生器15,因此第一时钟信号CLK1具有非常精确的预定时钟频率。
该发送站10还包括用于生成窄激光束13的激光设备12。该发射处理电路14包括激光驱动器16,其接收非常精确的第一时钟信号CLK1。根据该非常精确的第一时钟信号CLK1,该激光驱动器16生成具有非常精确的预定载波频率f的载波,激光束13传递该载波频率。激光驱动器16还从任意适当的信号源(为清楚起见未示出)接收数据信号DATA(数据)。该激光驱动器16用于利用该数据信号DATA调制所述载波。
接收站20包括接收处理电路24,其通过GPS天线21从至少一个GPS卫星S接收GPS信号。该卫星可以和发射处理电路14接收GPS信号的卫星相同,但这不是必须的。图2B是更加详细地表示接收处理电路24的实施例的结构图。该接收处理电路24包括利用GPS信号中的定时信息作为定时基准,来生成第二时钟信号CLK2的时钟信号发生器25,因此第二时钟信号CLK2具有非常精确的预定时钟频率。适当的是,第二时钟信号CLK2的频率等于第一时钟信号CLK1的频率,但这并不是必须的。
该接收处理电路24还包括基准信号发生器29,其接收非常精确的第二时钟信号CLK2,并且生成与发送站10的载波信号具有相同频率f的基准信号。注意,可以将时钟信号发生器25和基准信号发生器29组合成一个电路。
该接收站20还包括光学探测器22,其适于接收激光束13的激光并且生成对应于接收到的光功率的输出信号。在图1所示的系统1的实施例中,该激光束13是窄光束,探测器22接收较大一部分所发射的激光功率。
该接收处理电路24还包括频率乘法器26,其接收作为输入信号的所述基准信号和探测器输出信号。本领域技术人员清楚,乘法器26提供频率等于探测器输出信号频率与基准信号频率f之差的输出信号。换句话说,探测器输出信号的全部频率分量移动频率距离f,变为较低的频率。
基准信号的频率非常精确地对应于载波信号的频率(精度为10-12-10-15);因此,无需锁相环,实际上就可以非常精确地将基准信号锁定到载波信号。因此,乘法器26将感兴趣的信号(即具有载波频率的信号)转变为频率几乎为0Hz的信号。不属于发送站10发射的信号的信号分量将转变为乘法器输出信号中频率分量大于0的信号分量。可以由比较简单并且低成本的具有较低截止频率的低通滤波器27非常有效地滤掉这些噪声信号或者其它干扰信号。
然后解调器28解调这些经过滤的信号,该解调器提供数据信号DATA作为输出信号。
考虑到接收站20非常精确地“知道”预期的载波频率,以及考虑到接收站20能够非常精确地调到该载波频率,该接收站20对于载波频率附近非常窄的频带中的信号非常敏感。
图3表示了根据本发明的通信系统2的实施例,其包括至少一个发送站10和多个接收站。在图3中,示出了三个接收站20A、20B、20C,但是该通信系统2可以具有与一个(或多个)发送站相关的不只三个接收站。每个接收站可以与上述的接收站20相同。
通信系统2的特性在于发送站10的激光设备12设计成生成较宽的光束13,其覆盖了接收站20A、20B、20C的所有光学探测器22A、22B、22C。因此,每个光学探测器仅接收激光束13中较小一部分的功率。
在图3所示的实施例中,由于未能到达任何光学探测器,因此浪费了大部分激光功率。注意,可选择的是,可以将激光束13分成适当的多个窄激光束,每个窄激光束指向相应的光学探测器;在该情况下,光学探测器也仅接收一部分激光束功率。
在本文中,应当注意,如果增大发送站与接收站之间的距离,光学探测器接收的光功率减少,这是本领域技术人员很清楚的。
然而,考虑到由每个接收站进行的非常精确的调谐以及所获得的高敏感度,该接收站能够从接收到的光学信号中可靠地获得DATA。
本领域技术人员应当清楚,本发明不限于上述示例性实施例,在所附权利要求限定的本发明保护范围内可以进行各种变型和修改。
例如,以上描述了由公共时钟信号生成或获得第一和第二时钟信号。该公共时钟信号可以具有较低的频率,但具有非常精确的定时,而由该信号获得的第一和第二时钟信号可以具有由该公共时钟信号精确同步的较高频率。注意,在一些情况下,公共时钟信号的定时不太精确是可以接受的,这是因为与精确定时的偏差对发送器和接收器都具有相同的影响。
可选择的是,该公共时钟信号还可以具有适当的频率,因此第一和第二时钟信号的频率可以与公共时钟信号的频率相同。在这种情况下,第一和第二时钟信号可以与公共时钟信号相同,并且不必生成独立的时钟信号。然而,在适当的实施例中,从公共源(例如(多个)卫星)提供公共时钟信号,该公共时钟信号还可以由根据本发明的其它通信系统用于其它目的,为了避免干扰将其它的通信系统调谐成以不同发射频率工作,因此一般而言,该发射频率不会和公共时钟信号的频率相同。
以上,已经参照结构图描述了本发明,这些结构图表示了根据本发明的设备的功能块。应当理解,可以在硬件中实现这些功能块中的一个或多个,其中由单独的硬件组件实现该功能块的功能,但是也可以在软件中实现这些功能块中的一个或多个,因此由计算机程序或者可编程设备的一个或多个程序链来实现这些功能块的功能,该可编程设备例如微处理器、微控制器、数字信号处理器等。
Claims (25)
1.一种通信方法,包括以下步骤:
-向发送器(10)和接收器(20)提供精确的公共时钟信号;
-在发送器中,接收公共时钟信号、利用该公共时钟信号作为定时基准生成发射信号,并且利用光束(13)发射该发射信号;
-在接收器中,接收公共时钟信号、接收所述光束(13)、由所述光束获得探测信号,并且利用该公共时钟信号作为定时基准处理该探测信号。
2.根据权利要求1所述的通信方法,包括以下步骤:
-在发送器中,利用所述公共时钟信号作为定时基准生成具有预定载波频率(f)的载波,利用数据信号调制该载波,并且利用光束(13)发射经调制的载波;
-在接收器中,利用所述公共时钟信号作为定时基准生成与所述载波频率具有相同的频率(f)的基准信号,调谐到预定载波频率(f),并且由所述探测信号获得数据信号。
3.根据权利要求1所述的通信方法,包括以下步骤:
-在发送器中,根据所述公共时钟信号生成第一时钟信号(CLK1),并且利用所述第一时钟信号作为定时基准生成发射信号;
-在接收器中,根据所述公共时钟信号生成第二时钟信号(CLK2),并且利用第二时钟信号作为定时基准生成探测信号。
4.根据权利要求3所述的通信方法,包括以下步骤:
-在发送器中,利用所述第一时钟信号作为定时基准生成具有预定载波频率(f)的载波,利用数据信号调制该载波,并且利用光束(13)发射该经调制的载波;
-在接收器中,利用所述第二时钟信号作为定时基准生成与所述载波频率具有相同的频率(f)的基准信号,调谐到预定载波频率(f),并且由所述探测信号获得数据信号。
5.根据权利要求2或4所述的通信方法,其中调谐到预定载波频率(f)的步骤包括以下步骤:
-将所述探测信号与所述基准信号相乘,利用低通滤波器过滤相乘后的信号,并且解调经过滤的信号。
6.根据权利要求1所述的通信方法,其中所述公共时钟信号是GPS信号的定时基准。
7.用于实施权利要求1的方法的光通信系统(1、2)。
8.根据权利要求7所述的光通信系统,包括:
-至少一个发送站(10),其包括用于接收公共时钟信号(GPS)的接收装置(11),以及用于发射光束(13)的光源(12);
-至少一个接收站(20;20A、20B、20C),其包括用于接收公共时钟信号(GPS)的接收装置(21),以及用于接收光束(13)的光学探测器(22)。
9.根据权利要求8所述的光通信系统,其中所述公共时钟信号是GPS信号的定时基准。
10.根据权利要求8所述的光通信系统,
其中该发送站包括:
-处理电路(14),利用所述公共时钟信号(GPS)或者由该信号获得的第一时钟信号(CLK1)作为定时标准生成发射信号;
其中所述至少一个接收站包括:
-处理电路(24),利用所述公共时钟信号(GPS)或者由该信号获得的第二时钟信号(CLK2)作为定时标准处理探测器(22)输出信号。
11.根据权利要求10所述的光通信系统,
其中该发送站包括:
-处理电路(14),利用所述公共时钟信号(GPS)或者由该信号获得的第一时钟信号(CLK1)作为定时标准生成具有预定载波频率(f)的数据承载信号,该处理电路(14)用于利用所述数据承载信号来调制所述光束(13);
其中所述至少一个接收站包括:
-处理电路(24),利用所述公共时钟信号(GPS)或者由该信号获得的第二时钟信号(CLK2)作为定时标准,调谐到所述预定载波频率(f)以及由所述光束(13)获得所述数据承载信号。
12.根据权利要求11所述的通信系统,其中该发送站(10)包括:
-天线(11),用于接收所述公共时钟信号;
-时钟信号发生器(15),其从所述天线(11)接收输出信号,并且用于根据所述天线输出信号生成第一时钟信号(CLK1);
-光源驱动器(16),其接收所述第一时钟信号(CLK1)并且用于接收数据信号,该驱动器(16)用于生成具有预定载波频率(f)的载波,利用该数据信号调制该载波,并且利用经调制的载波驱动该光源(12)。
13.根据权利要求11所述的通信系统,其中该接收站(20)包括:
-天线(21),用于接收所述公共时钟信号;
-时钟信号发生器(25),其从所述天线(21)接收输出信号,并且用于根据所述天线输出信号生成第二时钟信号(CLK2);
-基准信号发生器(29),其接收所述第二时钟信号(CLK2),并且用于根据所述第二时钟信号(CLK2)生成具有所述预定载波频率(f)的基准信号。
14.根据权利要求13所述的通信系统,其中该时钟信号发生器(25)和基准信号发生器(29)实现为一个组合单元。
15.根据权利要求13所述的通信系统,其中该接收站(20)还包括:
-频率乘法器(26),其从所述光学探测器(22)接收输出信号并且接收所述基准信号。
16.根据权利要求15所述的通信系统,其中该接收站(20)还包括:
-低通滤波器(27),其从所述频率乘法器(26)接收输出信号,以及解调器(28),其从所述低通滤波器(27)接收输出信号。
17.光通信系统(2),包括:
至少一个发送站(10);
-多个接收站(20A、20B、20C);
其中该发送站(10)包括:
-光源(12),用于发射光束(13),和处理电路(14),用于生成数据承载信号并且用于利用所述数据承载信号调制所述光束(13);
其中每个接收站(20A、20B、20C)包括:
-光学探测器(22A、22B、22C),用于接收光束(13),以及处理电路(24A、24B、24C),用于由所述光束(13)获得所述数据承载信号;
其中该光束(13)是宽光束,或者被分成多个窄光束,导引这些光束以被多个光学探测器(22A、22B、22C)接收。
18.根据权利要求17所述的光通信系统,其中该发送站(10)还包括用于接收公共时钟信号(GPS)的接收装置(11),并且其中每个接收站(20A、20B、20C)还包括用于接收公共时钟信号(GPS)的接收装置(21A、21B、21C)。
19.根据权利要求18所述的光通信系统,其中发送站(10)的处理电路(14)用于利用所述公共时钟信号(GPS)或者由该信号获得的第一时钟信号(CLK1)作为定时标准来生成所述数据承载信号,并且其中每个接收站(20A、20B、20C)的处理电路(24A、24B、24C)用于利用所述公共时钟信号(GPS)或者由该信号获得的第二时钟信号(CLK2)作为定时标准获得所述数据承载信号。
20.根据权利要求19所述的通信系统,其中所述公共时钟信号是GPS信号的定时基准。
21.根据权利要求19所述的通信系统,其中该发送站(10)包括:
-天线(11),用于接收所述公共时钟信号;
-时钟信号发生器(15),其从所述天线(11)接收输出信号,并且用于根据所述天线输出信号生成第一时钟信号(CLK1);
-光源驱动器(16),其接收所述第一时钟信号(CLK1)并且用于接收数据信号,该驱动器(16)用于生成具有预定载波频率(f)的载波,利用该数据信号调制该载波,并且利用经调制的载波驱动该光源(12)。
22.根据权利要求19所述的通信系统,其中每个接收站(20A、20B、20C)包括:
-天线(21A、21B、21C),用于接收所述公共时钟信号;
-时钟信号发生器(25),其从所述天线(21A、21B、21C)接收输出信号,并且用于根据所述天线输出信号生成第二时钟信号(CLK2);
-基准信号发生器(29),其接收所述第二时钟信号(CLK2),并且用于根据所述第二时钟信号(CLK2)生成具有所述预定载波频率(f)的基准信号。
23.根据权利要求22所述的通信系统,其中该时钟信号发生器(25)和基准信号发生器(29)实现为一个组合单元。
24.根据权利要求22所述的通信系统,其中每个接收站(20A、20B、20C)还包括:
-频率乘法器(26),其从所述光学探测器(22)接收输出信号并且接收所述基准信号。
25.根据权利要求24所述的通信系统,其中每个接收站(20A、20B、20C)还包括:
-低通滤波器(27),其从所述频率乘法器(26)接收输出信号,以及解调器(28),其从所述低通滤波器(27)接收输出信号。
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