CN109768833A - 一种提高接收机动态范围的方法及接收机 - Google Patents

Abstract

一种提高接收机动态范围的方法及接收机，涉及空间光通信***中接收机领域，方法包括步骤：对接收的光信号放大后，通过可调衰减器进行信号衰减，衰减后的光信号和本振激光一同进行相干探测接收，并转换为电信号进行数字信号处理；实时获取数字信号处理中计算出的信号功率值，根据信号功率值和阈值的对比结果，调节可调衰减器的衰减系数。本发明在保证灵敏度的前提下，既兼顾实时性和对小信号的检测能力，又在大信号通过时降低失真，提高了接收机的动态范围。

Description

一种提高接收机动态范围的方法及接收机

技术领域

本发明涉及空间光通信***中接收机领域，具体来讲涉及一种提高接收机动态范围的方法及接收机。

背景技术

空间光通信技术结合了光纤通信和微波通信的优点，由于激光通信工作频率高，方向性强而具有传输码率高，天性尺寸小，保密性强等优点，同时不需要铺设大量光纤，可大幅降低成本，因此在其可行性被验证后，成为各国投入大量人力物力研究的热点。

然而，由于大气信道的随机性，大气中气体分子、雪、雾、气溶胶等粒子会引起光的吸收与色散，特别是在强湍流情况下，光信号容易受到严重干扰，再加上空间光通信一般是在两个移动平台之间进行，在通信过程中收发天线有稍许偏差，到达接收机的光信号强度就会产生一个比较大的衰减，导致信号非常小。而在空间信道条件较好，发射端信号发出信号比较大，则有可能导致接收的信号过大。

因此对空间光通信***中接收机的动态范围进行研究就很有必要。为了提高光通信***中接收机的动态范围，科研人员提出了一些解决方法，但是很多方法中调节时间过长，导致不能满足实时性的需求，并且接收信号功率的动态范围提高有限。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种提高接收机动态范围的方法及接收机，在保证灵敏度的前提下，既兼顾实时性和对小信号的检测能力，又在大信号通过时降低失真，提高了接收机的动态范围。

为达到以上目的，一方面，采取一种提高接收机动态范围的方法，包括步骤：

对接收的光信号放大后，通过可调衰减器进行信号衰减，衰减后的光信号和本振激光一同进行相干探测接收，并转换为电信号进行数字信号处理；

实时获取数字信号处理中计算出的信号功率值，根据信号功率值和阈值的对比结果，调节可调衰减器的衰减系数。

优选的，所述阈值包括最高阈值和最低阈值，当信号功率值大于所述最高阈值时，增大衰减系数；当信号功率值小于所述最低阈值时，减小衰减系数；当最低阈值≤信号功率值≤最高阈值时，保持衰减系数不变。

优选的，所述衰减系数具有最高门限值和最低门限值，当信号功率值大于所述最高阈值，或者小于所述最低阈值时：若衰减系数等于或大于最高门限值，衰减系数保持在最高门限值；若衰减系数等于或小于最低门限值，衰减系数保持在最低门限值；若最低门限值＜衰减系数＜最高门限值时，设置调节的衰减系数。

优选的，预先设置一个模拟电压值和衰减系数的对应表，通过对应表获得需要增大或减少的衰减系数所对应的模拟电压值，并采用对应的模拟电压值控制可调衰减器的衰减系数变化。

另一方面，提供一种接收机，适用于空间光通信***，包括：

前置光放大器，其用于对接收的信号进行放大；

可调衰减器，其用于对前置光放大器放大的信号进行初步衰减；

本振激光器，其用于产生本振激光；

集成相干接收机，其用于完成初步衰减后的光信号和本振激光的相干探测接收，并转换为电信号；

模拟数字转换器，其用于将集成相干接收机输出的模拟信号转换为数字信号；

数字信号处理模块，其用于接收所述数字信号并完成信号处理，通过实时算法计算出信号功率值；

控制模块，其用于实时访问数字信号处理模块，读取信号功率值，根据信号功率值和阈值的对比结果，调节可调衰减器的衰减系数；

数字模拟转换器，其用于将控制模块输出的数字信号转换为模拟信号输入给可调衰减器。

优选的，所述阈值包括最高阈值和最低阈值，所述衰减系数具有最高门限值和最低门限值，控制模块根据信号功率值和阈值的对比结果调节衰减系数包括：

当信号功率值高于最高阈值时，将衰减系数加1；如果加1后的衰减系数大于或等于最高门限值，则将衰减系数保持在最高门限值，否则保持加1后的衰减系数；

当信号功率值低于最低阈值时，将衰减系数减1；如果减1后的衰减系数小于或等于最低门限值，则将衰减系数保持在最高低限值，否则保持减1后的衰减系数。

优选的，所述控制模块预先设置一个模拟电压值和衰减系数的对应表，控制模块收到数字信号处理模块输出的信号功率值后，与阈值进行比较并得到衰减系数；控制单元通过查询对应表得到衰减系数对应的模拟电压值，计算该模拟电压值对应的数字电压值，再通过数模转换器转换为模拟电压值，作为可调衰减器的输入电压值。

优选的，所述数字信号处理模块实时计算信号功率值，并存放在一个寄存器中，所述控制单元循环读取寄存器中的信号功率值，并与所述阈值比较。

优选的，所述衰减器预先设置一个初值，所述初值为在指定接收灵敏度情况下，衰减后信号能达到最小误码率的衰减系数。

优选的，所述集成相干接收机内部设有自动增益控制电路，用于通过自动增益控制所述电信号的大小。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下有益效果：

1、通过配合使用前置放大、集成相干接收以及可调衰减器，可以显著提高在误码率指标要求下的可接收信号的功率范围，在保证灵敏度的前提下，既能提高对小信号的检测能力，又在大信号通过时解决失真问题。

2、设置了数字信号处理器、可调衰减器和控制模块形成一个有效的闭环控制***，可显著提高动态范围跟踪的速度，满足实时性的需求，并减小电路和算法的复杂度。

附图说明

图1为本发明实施例接收机的结构示意图；

图2为本发明实施例中控制模块调节衰减系数的流程图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种提高接收机动态范围的方法的实施例，包括步骤：

对接收机收到的光信号进行增益可控的放大，以提高信噪比。放大后的光信号通过可调衰减器进行信号衰减；衰减后的光信号和本振激光一同进行相干探测接收，并转换为电信号。转换后的电信号通过模拟数字转换后进行数字信号处理。数字信号处理过程包括：完成信号的解偏振复用、时钟同步、频偏估计、相位估计，数字载波恢复和判决，并实时计算信号功率值。控制模块实时获取数字信号处理中计算出的信号功率值，根据信号功率值和阈值的对比结果，调节可调衰减器的衰减系数。

上述阈值包括最高阈值和最低阈值，当信号功率值大于最高阈值时，增大衰减系数；当信号功率值小于所述最低阈值时，减小衰减系数；当最低阈值≤信号功率值≤最高阈值时，保持衰减系数不变。

优选的，每一次衰减系数调节的量为加1或减1。并且，可调衰减器设有最高门限值和最低门限值，在信号功率值大于最高阈值，或者信号功率值小于所述最低阈值的前提下：当衰减系数等于或大于最高门限值时，衰减系数保持在最高门限值；当衰减系数等于或小于最低门限值时，衰减系数保持在最低门限值；当最低门限值＜衰减系数＜最高门限值时，则可调衰减器设置调节的衰减系数。

优选的，预先设置一个模拟电压值和衰减系数的对应表，通过对应表获得要调节的衰减系数对应的模拟电压值，采用模拟电压值作为可调衰减器的输入电压值，控制可调衰减器的衰减系数变化。

如图1所示，根据上述方法，提供一种接收机的实施例，适用于空间光通信***，该接收机包括前置光放大器、可调衰减器、本振激光器、集成相干接收机、模拟数字转换器、数字信号处理模块、控制模块和数字模拟转换器。

具体的，前置光放大器可以根据信号功率大小对链路过来的光信号进行增益可控的放大，以提高信噪比。光信号被放大后进入可调衰减器进行初步衰减。可调衰减器会设置一个初值，该初值是在指定接收灵敏度情况下，衰减后信号能达到最小误码率的衰减系数。

上述本振激光器用于产生本振激光，被衰减的光信号和本振激光被送入集成相干接收机进行相干探测接收，并转换为电信号；同时，集成相干接收机内部设有自动增益控制电路，用于根据电信号的大小初步进行增益的自动调节，当电信号较小时，增益处于较大值，能够将信号放大到合适的值；当信号较大时，自动增益模块进行控制，将增益调小。

集成相干接收机输出的电信号通过模拟数字转换器转换为数字信号后，输入到数字信号处理模块进行处理。数字信号处理模块完成信号的解偏振复用、时钟同步、频偏估计、相位估计，数字载波恢复和判决，通过实时算法计算出信号功率值。

数字信号处理模块将实时计算出的信号功率值存放在一个寄存器中，控制模块循环读取寄存器中的信号功率值，并通过与阈值和门限值进行比较，得到调节的衰减系数。

如图2所示，以控制模块一次读取的信号功率值Val为例，阈值包括最高阈值V_thr_H和最低阈值V_thr_L，具体的比较和调节衰减系数流程如下：

S1.控制模块从数字信号处理模块中读取信号功率值Val。

S2.判断读取的Val是否大于V_thr_H，如果是，进入S3；如果否，进入S6。

S3.需要将衰减系数A加1，得到调节衰减系数A₁。

S4.判断A₁是否大于或等于可调衰减系数的最高门限值A_H，如果是，进入S5；如果否，进入S11。

S5.设置可调衰减器的衰减系数为A_H，结束。

S6.判断读取的Val是否小于V_thr_L，如果是，进入S8；如果否，进入S7。

S7.保持可调衰减器的衰减系数不变。

S8.需要将衰减系数A减1，得到调节衰减系数为A₂。

S9.判断A₂是否小于或等于可调衰减系数的最低门限值A_L，如果是，进入S10；如果否，进入S11。

S10.设置可调衰减器的衰减系数为A_L，结束。

S11.设置可调衰减器的衰减系数为得到调节衰减系数，根据加1或减1，设置A₁或A₂，结束。

另外，控制模块预先设置一个模拟电压值和衰减系数的对应表，控制模块收到数字信号处理模块输出的信号功率值后，根据上述步骤，得到调节的衰减系数。然后查找对应表获得该衰减系数对应的模拟电压值。由于控制单元输出的是数字电压，而可调衰减器需要输入的是模拟电压，因此数字模拟转换器先要将对应表中找到的模拟电压值计算成数字电压值，然后输出数字电压值给数字模拟转换器，转换为模拟电压值，将转换出的模拟电压作为可调衰减器的输入电压值，以此来调节可调衰减器。

上述实施例中，前置光放大器可以提高信噪比，但是信号可能被放大过多，因此采用集成相干接收机的自动增益调节。但是集成相干接收机的自动增益调节的动态范围只有大约10dB，所以通过数字信号处理模块和控制模块以及可调衰减器将信号做进一步的调节，当集成相干接收机信号过大时，可以解决超出增益调节的线性范围，信号不能被调整到合适值的问题。

本发明不局限于上述实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种提高接收机动态范围的方法，其特征在于，包括步骤：

对接收的光信号放大后，通过可调衰减器进行信号衰减，衰减后的光信号和本振激光一同进行相干探测接收，并转换为电信号进行数字信号处理；

实时获取数字信号处理中计算出的信号功率值，根据信号功率值和阈值的对比结果，调节可调衰减器的衰减系数。

2.如权利要求1所述的提高接收机动态范围的方法，其特征在于：所述阈值包括最高阈值和最低阈值，

当信号功率值大于所述最高阈值时，增大衰减系数；

当信号功率值小于所述最低阈值时，减小衰减系数；

当最低阈值≤信号功率值≤最高阈值时，保持衰减系数不变。

3.如权利要求2所述的提高接收机动态范围的方法，其特征在于：所述衰减系数具有最高门限值和最低门限值，当信号功率值大于所述最高阈值，或者小于所述最低阈值时，

若衰减系数等于或大于最高门限值，衰减系数保持在最高门限值；

若衰减系数等于或小于最低门限值，衰减系数保持在最低门限值；

若最低门限值＜衰减系数＜最高门限值时，设置调节的衰减系数。

4.如权利要求2所述的提高接收机动态范围的方法，其特征在于：预先设置一个模拟电压值和衰减系数的对应表，通过对应表获得需要增大或减少的衰减系数所对应的模拟电压值，并采用对应的模拟电压值控制可调衰减器的衰减系数变化。

5.一种接收机，适用于空间光通信***，其特征在于，包括：

前置光放大器，其用于对接收的信号进行放大；

可调衰减器，其用于对前置光放大器放大的信号进行初步衰减；

本振激光器，其用于产生本振激光；

集成相干接收机，其用于完成初步衰减后的光信号和本振激光的相干探测接收，并转换为电信号；

模拟数字转换器，其用于将集成相干接收机输出的模拟信号转换为数字信号；

数字信号处理模块，其用于接收所述数字信号并完成信号处理，通过实时算法计算出信号功率值；

控制模块，其用于实时访问数字信号处理模块，读取信号功率值，根据信号功率值和阈值的对比结果，调节可调衰减器的衰减系数；

数字模拟转换器，其用于将控制模块输出的数字信号转换为模拟信号输入给可调衰减器。

6.如权利要求5所述的接收机，其特征在于：所述阈值包括最高阈值和最低阈值，所述衰减系数具有最高门限值和最低门限值，控制模块根据信号功率值和阈值的对比结果调节衰减系数包括：

当信号功率值高于最高阈值时，将衰减系数加1；如果加1后的衰减系数大于或等于最高门限值，则将衰减系数保持在最高门限值，否则保持加1后的衰减系数；

当信号功率值低于最低阈值时，将衰减系数减1；如果减1后的衰减系数小于或等于最低门限值，则将衰减系数保持在最高低限值，否则保持减1后的衰减系数。

7.如权利要求6所述的接收机，其特征在于：所述控制模块预先设置一个模拟电压值和衰减系数的对应表，控制模块收到数字信号处理模块输出的信号功率值后，与阈值进行比较并得到衰减系数；控制单元通过查询对应表得到衰减系数对应的模拟电压值，计算该模拟电压值对应的数字电压值，再通过数模转换器转换为模拟电压值，作为可调衰减器的输入电压值。

8.如权利要求5所述的接收机，其特征在于：所述数字信号处理模块实时计算信号功率值，并存放在一个寄存器中，所述控制单元循环读取寄存器中的信号功率值，并与所述阈值比较。

9.如权利要求5所述的接收机，其特征在于：所述衰减器预先设置一个初值，所述初值为在指定接收灵敏度情况下，衰减后信号能达到最小误码率的衰减系数。

10.如权利要求5所述的接收机，其特征在于：所述集成相干接收机内部设有自动增益控制电路，用于通过自动增益控制所述电信号的大小。