CN108494499B - 一种空间x射线通信中信号的调制解调装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种空间X射线通信中信号的调制解调装置及方法，信息被编码调制成高低电平输入到磁场发生装置产生调制磁场，控制多靶材X射线管中的电子轰击不同靶材产生特征X射线出射，以不同能量的特征X射线光子作为信息载体，由X射线探测器接收，探测信号经前置放大器后输入到能量甄别器中，对特征X射线光子进行能量甄别，由计数器计数，计数比较器对特征光子计数进行比较，由信号解调电路解调出信号输出。本发明以不同能量的特征X射线加载码元，并在接收端对特征光子能量进行甄别，加载码元数目多，特征光子强度高，能减少背景噪声干扰，具有通信速率高、误码率低的特点。

Description

一种空间X射线通信中信号的调制解调装置及方法

技术领域

本发明属于空间通信技术领域，具体涉及一种空间X射线通信中信号的调制解调装置及方法。

背景技术

X射线通信这一概念最早于2007年由美国NASA的戈达德空间飞行中心的KeithGendreau博士提出，X射线光子波长短，能量高，当X射线光子能量大于10keV、大气压强低于

Pa时，X射线透过率可达100%。这也就意味着在压强更低，接近于真空的太空环境中，X射线的传输几乎是无衰减的，这为深空通信领域提供了一种低功耗、高传输效率、远距离的信息传输方案。

目前已进行地面实验的X射线通信***中，美国Keith Gendreau博士将通信信号加载在一个紫外LED上，产生的调制紫外光轰击光电阴极，经光电效应产生出电子发射，发射电子由电子倍增器倍增后轰击阳极靶材产生x射线信号。这一方案已经在美国航空航天局的一个600米真空传输管道中得到了初步的通信验证。中国科学院西安光学精密机械研究所提出的基于栅控X射线调制源，对出射X射线进行强度调制，在6米长真空管道中实现了64kbit/s的语音通信。

综上，可以看出目前国内外的X射线通信***大多采用强度调制方式：1）激发源控制，使用紫外线/激光等与材料的相互作用产生电子，再通过电子打靶产生X射线。通过对激发源（紫外线/激光）的强度（紫外线）和通断（脉冲激光）控制实现对X射线的调制；2）栅极控制，在传统直流热阴极X射线管基础上，在阴极和阳极之间靠近阴极的地方设置一个电压控制栅极。通过改变栅极电压从而控制有/无电子轰击金属阳极靶，实现对X射线的调制。

该方式的局限在于：1）码元数量受到限制，根据有/无X射线产生的方式仅能加载“0”，“1”两种码元；2）背景噪声影响大，在探测端对光子探测时，对全谱光子数目进行探测，为有效规避背景噪声对误码率影响，对光子数判定阈值要求大。

以上X射线通信***均基于强度调制方式，在该方式下信号码元数目受到一定限制，在探测端需要对全能量段光子进行探测，信噪比低，在每个甄别周期内，需要较高光子计数以保证误码率参数。因此，对新的能应用于X射线通信的信号调制解调方式研究具有重要意义。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种空间X射线通信中信号的调制解调装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种空间X射线通信中信号的调制解调装置，其特征在于，包括：调制器、信号调理电路、磁场发生装置、多靶材X射线管、X射线准直器、X射线聚焦透镜、X射线探测器、前置放大器、能量甄别器、计数比较器、信号解调电路；信息依次经过调制器、信号调理电路的处理后输入到磁场发生装置，磁场发生装置产生调制磁场，控制多靶材X射线管产生特征X射线出射，特征X射线依次经过X射线准直器、X射线聚焦透镜后由X射线探测器接收，探测信号经过前置放大器后输入到能量甄别器中，对特征X射线光子进行能量甄别，并由计数器计数，计数比较器对特征光子计数进行比较，由信号解调电路解调出信号输出。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

所述调制器对信息进行编码调制，加载3种数字信号码元，分别是“0”、“1”、“2”，信号调理电路根据码元类型产生不同电平输入到磁场发生装置，输入电平包括负电平、零电平、正电平，磁场发生装置在输入电平的控制下产生不同磁感应强度的偏转磁场。

所述多靶材X射线管包含3种靶材，分别是钛、铜、钼，多靶材X射线管中电子在偏转磁场中受洛伦兹力作用运动轨迹发生偏转，轰击靶区域产生特征X射线，以不同能量的特征X射线光子作为载波信号，经X射线准直器准直后出射，由X射线探测器探测接收。

数字信号码元为“0”时，输入电平为负电平，电子轰击钛靶区域，产生第一种特征光子；数字信号码元为“1”时，输入电平为零电平，电子轰击铜靶区域，产生第二种特征光子；数字信号码元为“2”时，输入电平为正电平，电子轰击钼靶区域，产生第三种特征光子。

所述X射线探测器为碲锌镉探测器。

所述能量甄别器对信号幅度进行甄别，并将特征X射线计数信息输入到不同计数器中，计数器共有3个，在每个信号甄别周期内，分别记录3种靶材的特征X射线光子计数，通过计数比较器输出特征光子计数最大值对应的码元，并对计数器计数复位。

所述能量甄别器对信号幅度进行甄别，将能量划分为三个区间，根据选择靶材的K系特征能量，将能量区间分别划分为4～5keV，8～9keV，17～18keV，每个能量区间都由1个计数器记录光子数，计数器总共有3个，通过计数比较器输出特征光子计数最大值对应的码元，并对计数器计数复位，按此方式重复进行，输出信号码元系列。

此外，还提出了一种采用上述空间X射线通信中信号的调制解调装置的调制解调方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）调制器将输入数字信号与载波信号调制成高频调制信号，调制信号输入到信号调理电路中产生高低电平输入到磁场发生装置，高低电平包括负电平、零电平、正电平；

2）磁场发生装置产生偏转磁场作用于多靶材X射线管，多靶材X射线管中往阳极运动的电子运动轨迹发生改变，电子在偏转后轰击不同的靶材位置产生不同的特征X射线光子，以不同能量的特征X射线光子作为信息载体出射，经过X射线准直器准直和X射线聚焦透镜聚焦后被X射线探测器接收；

3）X射线探测器将探测信号经过前置放大器后输入到能量甄别器中，能量甄别器在每个信号甄别周期内，根据特征光子能量划分能量区间，对探测到的光子能量区间进行甄别，每个能量区间各用1个计数器记录光子数，计数比较器比较各能量区间的光子计数获得码元信号，信号解调电路解调输出信息。

本发明的有益效果是：利用控制磁场最终产生3种不同特征X射线，以不同能量的特征X射线光子加载3种码元，有效增大了通信信息量，提升了通信数据传输速率；能对特征能量信号进行有效识别，由于特征光子信号在整个X射线能谱中强度高，背景噪声干扰小，有效的提升了信噪比，降低误码率。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明将数字信号调制成高低电平示意图。

图3是本发明X射线管靶材分布图。

附图标记如下：1-钛Ti靶，2-铜Cu靶，3-钼Mo靶。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示的空间X射线通信中信号的调制解调装置，包括调制器、信号调理电路、磁场发生装置、多靶材X射线管、X射线准直器、X射线聚焦透镜、X射线探测器、前置放大器、能量甄别器、计数比较器、信号解调电路。

如图2所示，调制器对信息编码调制，加载3种数字信号码元，分别是“0”，“1”，“2”。信号调理电路根据码元类型产生不同电平输入到磁场发生装置，输入电平包括负电平、零电平、正电平。数字信号编码“0”，对应负电平，对应产生第一种特征光子；码元“1”，对应零电平，对应产生第二种特征光子；码元“2”，对应正电平，对应产生第三种特征光子。

如图3所示，磁场发生装置在输入电平控制下产生不同磁感应强度的偏转磁场，多靶材X射线管包含三种靶材，分别是钛Ti，铜Cu，钼Mo，管中电子在偏转磁场中受洛伦兹力作用运动轨迹发生偏转，轰击多靶材X射线管产生特征X射线。输入电平为负电平时，电子主要轰击钛Ti靶区域；输入电平为零电平时，电子主要轰击铜Cu靶区域；输入电平为正电平时，电子主要轰击钼Mo靶区域。以不同能量的特征X射线光子作为载波信号，经准直后出射，由X射线探测器探测接收。

X射线探测器为碲锌镉探测器，探测信息经前置放大器输入到能量甄别器。在每个信号甄别周期内，能量甄别器对信号幅度进行甄别，将能量划分为三个区间，根据选择靶材的K系特征能量，将能量区间分别划分为4～5keV，8～9keV，17～18keV，每个能量区间都由1个计数器记录光子数，计数器总共有3个，通过计数比较器输出特征光子计数最大值对应的码元，并对计数器计数复位，按此方式重复进行，输出信号码元系列。最后，由信号解调电路解调输出信息。

采用该装置的调制解调方法，包括以下步骤：

步骤1：信号调理电路将输入信号转化为高低电平输入到控制装置；

步骤2：控制装置改变多靶材X射线管中的电子运动轨迹，使电子打靶产生特征X射线光子，以不同能量的特征X射线光子作为信息载体出射；

步骤3：接收端X射线探测器对X射线光子进行能量甄别，经解调电路输出信息。

步骤1中，输入数字信号与载波信号被调制成高频调制信号，调制信号输入到信号调理电路中产生高低电平输入到控制装置，其中高低电平包括负电平、零电平、正电平。

步骤2中，磁场发生装置产生偏转磁场，多靶材X射线管中往阳极运动的电子在该区域运动轨迹会发生改变，电子在偏转后轰击多靶材X射线管不同位置产生不同特征X射线光子，以不同能量的特征X射线光子作为信息载体出射。

步骤3中，使用的X射线探测器对X射线光子具有较好的时间分辨和能量分辨能力。在每个信号甄别周期内，根据特征光子能量划分能量区间，对探测到的光子能量区间进行甄别，每个能量区间各用1个计数器记录光子数，比较各能量区间的光子计数获得码元信号，解调输出信息。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种空间X射线通信中信号的调制解调装置，其特征在于，包括：调制器、信号调理电路、磁场发生装置、多靶材X射线管、X射线准直器、X射线聚焦透镜、X射线探测器、前置放大器、能量甄别器、计数比较器、信号解调电路；信息依次经过调制器、信号调理电路的处理后输入到磁场发生装置，磁场发生装置产生调制磁场，控制多靶材X射线管产生特征X射线出射，特征X射线依次经过X射线准直器、X射线聚焦透镜后由X射线探测器接收，探测信号经过前置放大器后输入到能量甄别器中，对特征X射线光子进行能量甄别，并由计数器计数，计数比较器对特征光子计数进行比较，由信号解调电路解调出信号输出；其中，磁场发生装置产生偏转磁场作用于多靶材X射线管，多靶材X射线管中往阳极运动的电子运动轨迹发生改变，电子在偏转后轰击不同的靶材位置产生不同的特征X射线光子，以不同能量的特征X射线光子作为信息载体出射，经过X射线准直器准直和X射线聚焦透镜聚焦后被X射线探测器接收。

2.如权利要求1所述的一种空间X射线通信中信号的调制解调装置，其特征在于：所述调制器对信息进行编码调制，加载3种数字信号码元，分别是“0”、“1”、“2”，信号调理电路根据码元类型产生不同电平输入到磁场发生装置，输入电平包括负电平、零电平、正电平，磁场发生装置在输入电平的控制下产生不同磁感应强度的偏转磁场。

3.如权利要求2所述的一种空间X射线通信中信号的调制解调装置，其特征在于：所述多靶材X射线管包含3种靶材，分别是钛、铜、钼，多靶材X射线管中电子在偏转磁场中受洛伦兹力作用运动轨迹发生偏转，轰击靶区域产生特征X射线，以不同能量的特征X射线光子作为载波信号，经X射线准直器准直后出射，由X射线探测器探测接收。

4.如权利要求3所述的一种空间X射线通信中信号的调制解调装置，其特征在于：数字信号码元为“0”时，输入电平为负电平，电子轰击钛靶区域，产生第一种特征光子；数字信号码元为“1”时，输入电平为零电平，电子轰击铜靶区域，产生第二种特征光子；数字信号码元为“2”时，输入电平为正电平，电子轰击钼靶区域，产生第三种特征光子。

5.如权利要求1所述的一种空间X射线通信中信号的调制解调装置，其特征在于：所述X射线探测器为碲锌镉探测器。

6.如权利要求4所述的一种空间X射线通信中信号的调制解调装置，其特征在于：所述能量甄别器对信号幅度进行甄别，并将特征X射线计数信息输入到不同计数器中，计数器共有3个，在每个信号甄别周期内，分别记录3种靶材的特征X射线光子计数，通过计数比较器输出特征光子计数最大值对应的码元，并对计数器计数复位。

7.如权利要求6所述的一种空间X射线通信中信号的调制解调装置，其特征在于：所述能量甄别器对信号幅度进行甄别，将能量划分为三个区间，根据选择靶材的K系特征能量，将能量区间分别划分为4～5keV，8～9keV，17～18keV，每个能量区间都由1个计数器记录光子数，计数器总共有3个，通过计数比较器输出特征光子计数最大值对应的码元，并对计数器计数复位，按此方式重复进行，输出信号码元系列。

8.一种采用如权利要求1所述的空间X射线通信中信号的调制解调装置的调制解调方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）调制器将输入数字信号与载波信号调制成高频调制信号，调制信号输入到信号调理电路中产生高低电平输入到磁场发生装置，高低电平包括负电平、零电平、正电平；

2）磁场发生装置产生偏转磁场作用于多靶材X射线管，多靶材X射线管中往阳极运动的电子运动轨迹发生改变，电子在偏转后轰击不同的靶材位置产生不同的特征X射线光子，以不同能量的特征X射线光子作为信息载体出射，经过X射线准直器准直和X射线聚焦透镜聚焦后被X射线探测器接收；

3）X射线探测器将探测信号经过前置放大器后输入到能量甄别器中，能量甄别器在每个信号甄别周期内，根据特征光子能量划分能量区间，对探测到的光子能量区间进行甄别，每个能量区间各用1个计数器记录光子数，计数比较器比较各能量区间的光子计数获得码元信号，信号解调电路解调输出信息。

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