CN112887025A - 一种微弱绿光脉冲通信增强*** - Google Patents

一种微弱绿光脉冲通信增强*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微弱绿光脉冲通信增强***，包括：通信发送端、通信接收端和气/水跨介质传输信道。所述通信发送端包括激光器、电光调制器、调制器驱动模块、第一FPGA、数据源、光放大器、晶体倍频模块和发射天线；所述通信接收端包括第一接收天线、第二接收天线、第三接收天线、第四接收天线、第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器、第一触发计数器、第二触发计数器、第三触发计数器、第四触发计数器和第二FPGA。本发明能够在信道复杂、接收信号微弱条件下，实现数据有效收集。

Description

一种微弱绿光脉冲通信增强***
技术领域
本发明属于无线激光通信技术领域，具体的，涉及一种微弱绿光脉冲通信增强***。
背景技术
随着海洋资源开发的发展，目前对深、远海海洋资源开发的需求越来越迫切，在远海海洋资源开发中，海洋资源探测信息获取是一项较难解决的问题。
对于海洋资源信息获取，传统方法是布置水下光缆网，或者将数据存在设备中，与设备一起取回。前者消耗大量人力物力，成本高昂，且灵活性差，无法应用于远海资源信息获取；而后者无法将数据及时回传给工作人员，实时性差。大气/水下跨介质无线通信无需有限传输信道媒介，且能实现实时数据传输，可以克服上述困难。
传统水下通信主要采用长波通信。与长波通信相比，激光通信具有更高的通信速率，且大气和海水对蓝绿激光的衰减较小，因此气/水信道蓝绿激光通信在水下海洋环境实时观测领域具有广泛应用前景，成为当前研究热点。中国专利申请号为“CN201510630850.4”，发明名称为“一种基于空中平台的空中-水下通信***”的专利中，提出一种基于空中平台的空中-水下光通信水下探测网络数据收集***，该***能解决传统数据收集技术中，收集人力物力代价大、实时性差的问题。然而气/水信道激光通信中，信道环境复杂、信道衰减大，同时在深海海洋资源信息获取应用场景中，通信距离较长。上述因素将导致通信接收信号十分微弱，进而导致难以实现成功通信，进而无法完成数据采集任务。因此对接收到的微弱信号进行增强，对提高气/水信道激光通信性能，保证可靠数据采集具有重要意义。而上述已有发明并未考虑复杂信道条件下，接收信号微弱的问题，因而无法应用于远海资源数据收集中。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种微弱绿光脉冲通信增强***，能够在信道复杂、接收信号微弱条件下，实现数据有效收集。
本发明的技术方案是：一种微弱绿光脉冲通信增强***，包括：通信发送端、通信接收端和气/水跨介质传输信道；其中，所述通信发送端包括激光器、电光调制器、调制器驱动模块、第一FPGA、数据源、光放大器、晶体倍频模块和发射天线；所述通信接收端包括n个接收天线、与接收天线数量相等的单光子探测器和触发计数器、第二FPGA；其中，n大于等于2；激光器发出激光通过单模光纤传输至电光调制器；数据源通过电缆接入第一FPGA；第一FPGA中将数据源输入的数据转换为PPM格式电信号，并进行脉冲积累处理得到脉冲积累后电信号，将脉冲积累后电信号通过电缆输入至调制器驱动模块；调制器驱动模块对脉冲积累后电信号的电压和偏置进行调制得到调制后信号，并将其输出信号调制后信号通过电缆接入电光调制器，实现对电光调制器接收到的激光的调制，电光调制器进而输出PPM调制格式脉冲积累光信号；电光调制器将PPM调制格式脉冲积累光信号通过单模光纤输入至光放大器；光放大器将PPM调制格式脉冲积累光信号进行光信号功率放大得到放大后光信号，并将放大后光信号通过单模光纤输入至晶体倍频模块；晶体倍频模块将放大后光信号进行光信号的波长转换得到波长转换后光信号；晶体倍频模块将波长转换后光信号通过空间耦合输入至发射天线；发射天线将波长转换后光信号发射出去；其中，脉冲积累后电信号的电压和偏置与电光调制器的预设要求匹配；发射天线出射的波长转换后光信号经过气/水跨介质传输信道输入至通信接收端；每个接收天线接收波长转换后光信号并分别传输至相对应的单光子探测器；每个单光子探测器将波长转换后光信号转换为电信号，并将电信号传输至相对应的触发计数器；每个触发计数器将电信号转换为电数据，并将电数据传输至第二FPGA；第二FPGA根据n个电数据进行数据恢复得到原始数据。
上述微弱绿光脉冲通信增强***中，所述接收天线的数量为四个，分别为第一接收天线、第二接收天线、第三接收天线、第四接收天线；所述单光子探测器的数量为四个，分别为第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器；所述触发计数器的数量为四个，分别为第一触发计数器、第二触发计数器、第三触发计数器、第四触发计数器；其中，第一接收天线、第二接收天线、第三接收天线和第四接收天线同时接收波长转换后光信号并分别传输至第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器和第四单光子探测器；第一单光子探测器将波长转换后光信号转换为第一电信号，并将第一电信号传输至第一触发计数器；第二单光子探测器将波长转换后光信号转换为第二电信号，并将第二电信号传输至第二触发计数器；第三单光子探测器将波长转换后光信号转换为第三电信号，并将第三电信号传输至第三触发计数器；第四单光子探测器将波长转换后光信号转换为第四电信号，并将第四电信号传输至第四触发计数器；第一触发计数器将第一电信号转换为第一电数据，并将第一电数据传输至第二FPGA；第二触发计数器将第二电信号转换为第二电数据，并将第二电数据传输至第二FPGA；第三触发计数器将第三电信号转换为第三电数据，并将第三电数据传输至第二FPGA；第四触发计数器将第四电信号转换为第四电数据，并将第四电数据传输至第二FPGA；第二FPGA根据第一电数据、第二电数据、第三电数据和第四电数据进行数据恢复得到原始数据。
上述微弱绿光脉冲通信增强***中，第一FPGA中将数据源输入的数据转换为PPM格式电信号并进行脉冲积累处理得到脉冲积累后电信号包括如下步骤：步骤(1):将数据源输入的数据Is转换为具有PPM格式电信号S；步骤(2):将具有PPM格式电信号S分组，其中，分组方法为将具有PPM格式电信号S中连续N位输入数据分为1组，即S＝{S1,S2,...}＝{{s1,1,s1,2,...,s1,N},{s2,1,s2,2,...,s2,N},…}，其中，N＝R/(Klog2M)，R为通信速率，K为重复发送数据次数，M为PPM调制阶数；S1为第1个数据包，S2为第2个数据包，s1,1为第1个数据包中的第1个数据元素，s1,2为第1个数据包中的第2个数据元素，s1,N为第1个数据包中的第N个数据元素，s2,1为第2个数据包中的第1个数据元素，s2,2为第2个数据包中的第2个数据元素，s2,N为第2个数据包中的第N个数据元素，N为位数；步骤(3):将步骤(2)得到的分组后的具有PPM格式电信号转换为脉冲积累后电信号
Figure BDA0002952913140000041
上述微弱绿光脉冲通信增强***中，第二FPGA根据第一电数据、第二电数据、第三电数据和第四电数据进行数据恢复得到原始数据包括如下步骤：步骤(11):第二FPGA将第一电数据Rs1、第二电数据Rs2，第三电数据Rs3和第四电数据Rs4四路数据累加得到接收数据
Figure BDA0002952913140000042
步骤(12):接收数据R具有如下结构特征
Figure BDA0002952913140000043
其中Ri＝{ri,1,ri,2,…,ri,N}，对接收数据中的第i包数据Ri处理得到增强信号RM＝{ri M},i＝1,2,…；其中，R1为第一包数据，R2为第二包数据，Ri为第i包数据，ri,1为第i包数据中的第1个数据元素，ri,2为第i包数据中的第2个数据元素，ri,N为第i包数据中的第N个数据元素，ri M为增强信号中的第i个数据元素；步骤(13):最后对获得数据ri M进行PPM信号解调，恢复出原始数据。
上述微弱绿光脉冲通信增强***中，所述激光器的工作波段为1064nm。
上述微弱绿光脉冲通信增强***中，所述电光调制器的工作波段为1064nm。
上述微弱绿光脉冲通信增强***中，所述光放大器的工作波段为1064nm。
上述微弱绿光脉冲通信增强***中，所述第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器和第四单光子探测器的工作频段为532nm波段。
上述微弱绿光脉冲通信增强***中，第一触发计数器、第二触发计数器、第三触发计数器、第四触发计数器的采样频率为大于PPM调制脉冲宽度的2倍。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明将脉冲积累方法应用于跨介质绿光通信***，此脉冲积累方法利用接收有用信号的确定性和接收噪声信号的随机性，通过重复多次发射同一脉冲信号，并将多次获得的脉冲光信号进行累加，可以增加接收光脉冲信号能量、抑制噪声信号，进而实现有用信号的增强；
(2)本发明采用的PPM调制方式具有发射光峰值功率大的优势，采用的单光子探测方式具有探测灵敏度高的优势；
(3)本发明采用无线通信的方式，具有人力物力代价低、数据收集实时的优势。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例提供的微弱绿光脉冲通信增强***的结构框图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实例，虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能更透彻地理解理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合参考附图并结合实施例详细介绍本发明。
图1为本发明实施例提供的微弱绿光脉冲通信增强***的结构框图。如图1所示，该微弱绿光脉冲通信增强***包括：通信发送端1、通信接收端2和气/水跨介质传输信道3。其中，
所述通信发送端1包括激光器11、电光调制器12、调制器驱动模块13、第一FPGA14、数据源15、光放大器16、晶体倍频模块17和发射天线18。
所述通信接收端2包括第一接收天线21、第二接收天线22、第三接收天线23、第四接收天线24、第一单光子探测器25、第二单光子探测器26、第三单光子探测器27、第四单光子探测器28、第一触发计数器29、第二触发计数器210、第三触发计数器211、第四触发计数器212和第二FPGA213。
激光器11发出激光通过单模光纤传输至电光调制器12；数据源15通过电缆接入第一FPGA14；第一FPGA14中将数据源15输入的数据转换为PPM格式电信号，并进行脉冲积累处理得到脉冲积累后电信号，将脉冲积累后电信号通过电缆输入至调制器驱动模块13；调制器驱动模块13使脉冲积累后电信号的电压和偏置进行调制得到调制后信号，并将其输出信号调制后信号通过电缆接入电光调制器12，实现对电光调制器12接收到的激光的调制，电光调制器12进而输出PPM调制格式光信号；电光调制器12将PPM调制格式光信号通过单模光纤输入至光放大器16；光放大器16将PPM调制格式光信号进行光信号功率放大得到放大后光信号，并将放大后光信号通过单模光纤输入至晶体倍频模块17；晶体倍频模块17将放大后光信号进行光信号的波长转换得到波长转换后光信号；晶体倍频模块17将波长转换后光信号通过单模光纤输入至发射天线18；发射天线18将波长转换后光信号发射出去；其中，脉冲积累后电信号的电压和偏置与电光调制器12要求匹配；发射天线18出射的波长转换后光信号经过气/水跨介质传输信道3输入至接收端2。
第一接收天线21、第二接收天线22、第三接收天线23和第四接收天线24同时接收波长转换后光信号并分别传输至第一单光子探测器25、第二单光子探测器26、第三单光子探测器27和第四单光子探测器28；第一单光子探测器25将波长转换后光信号转换为第一电信号，并将第一电信号传输至第一触发计数器29；第二单光子探测器26将波长转换后光信号转换为第二电信号，并将第二电信号传输至第二触发计数器210；第三单光子探测器27将波长转换后光信号转换为第三电信号，并将第三电信号传输至第三触发计数器211；第四单光子探测器28将波长转换后光信号转换为第四电信号，并将第四电信号传输至第四触发计数器212；第一触发计数器29将第一电信号转换为第一电数据，并将第一电数据传输至第二FPGA213；第二触发计数器210将第二电信号转换为第二电数据，并将第二电数据传输至第二FPGA213；第三触发计数器211将第三电信号转换为第三电数据，并将第三电数据传输至第二FPGA213；第四触发计数器212将第四电信号转换为第四电数据，并将第四电数据传输至第二FPGA213；第二FPGA213根据第一电数据、第二电数据、第三电数据和第四电数据进行数据恢复得到原始数据。
激光器11，电光调制器12，光放大器16工作波段为1064nm波段，晶体倍频模块输出的光信号为532nm波段，单光子探测器25、26、27和28的工作频段为532nm波段。触发计数器29、触发计数器210、触发计数器211和触发计数器212的采样频率为大于PPM调制脉冲宽度的2倍。
在FPGA 14中，将数据源15输入数据转换为PPM格式电信号，并对其进行脉冲积累处理，具体处理方法如下：
Step1:首先将输入数据Is转换为具有PPM格式的电信号S；
Step2:然后将S分组，分组方法为连续5位输入数据分为1组，即S＝{S1,S2,...}＝{{s1,1,s1,2,…,s1,N},{s2,1,s2,2,…,s2,N},...}，N的值由重复频率F、PPM调制阶数M和通信速率R决定，具体方法为
Figure BDA0002952913140000071
Step3：将S信号转换为电信号
Figure BDA0002952913140000072
即将每组N位数据Si,i＝1,2,…，重复发送K次，完成后再传输下一组数据Si+1,i＝1,2,…。
在FPGA 213中，将接收端4路分集接收数据进行合并，并根据合并结果，进行脉冲累积恢复操作，对获得数据进一步进行PPM信号解调，最终恢复出原始数据，具体操作如下：
步骤(1):Rs1，Rs2，Rs3和Rs4分别为第一电数据、第二电数据、第三电数据和第四电数据，第二FPGA(213)将这四路电数据Rs1，Rs2，Rs3和Rs4进行累加，实现初步信号增强，即
Figure BDA0002952913140000081
其中R为累加后的增强信号；
步骤(2):由于在接收端对传输数据进行了脉冲积累操作，因此接收数据R具有如下结构特征
Figure BDA0002952913140000082
其中Ri＝{ri,1,ri,2,...,ri,N}，i＝1,2,...。为了增强接收信号，将脉冲积累数据过程中，重复传输的信号进行累加，获得增强信号
Figure BDA0002952913140000083
其中
Figure BDA0002952913140000084
上角标k＝1,2,...,K，用来表示第k次传输的Ri中的相应数据。
步骤(3):最后对获得的信号增强数据ri M进行PPM信号解调，恢复出原始数据。
上述过程中，参数K根据实际通信性能确定。
本发明将脉冲积累方法应用于跨介质绿光通信***，此脉冲积累方法利用接收有用信号的确定性和接收噪声信号的随机性，通过重复多次发射同一脉冲信号，并将多次获得的脉冲光信号进行累加，可以增加接收光脉冲信号能量、抑制噪声信号，进而实现有用信号的增强；本发明采用的PPM调制方式具有发射光峰值功率大的优势，采用的单光子探测方式具有探测灵敏度高的优势；本发明采用无线通信的方式，具有人力物力代价低、数据收集实时的优势。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种微弱绿光脉冲通信增强***，其特征在于包括：通信发送端(1)、通信接收端(2)和气/水跨介质传输信道(3)；其中，
所述通信发送端(1)包括激光器(11)、电光调制器(12)、调制器驱动模块(13)、第一FPGA(14)、数据源(15)、光放大器(16)、晶体倍频模块(17)和发射天线(18)；
所述通信接收端(2)包括n个接收天线、与接收天线数量相等的单光子探测器和触发计数器、第二FPGA(213)；其中，n大于等于2；
激光器(11)发出激光通过单模光纤传输至电光调制器(12)；数据源(15)通过电缆接入第一FPGA(14)；第一FPGA(14)中将数据源(15)输入的数据转换为PPM格式电信号，并进行脉冲积累处理得到脉冲积累后电信号，将脉冲积累后电信号通过电缆输入至调制器驱动模块(13)；调制器驱动模块(13)对脉冲积累后电信号的电压和偏置进行调制得到调制后信号，并将其输出信号调制后信号通过电缆接入电光调制器(12)，实现对电光调制器(12)接收到的激光的调制，电光调制器(12)进而输出PPM调制格式脉冲积累光信号；电光调制器(12)将PPM调制格式脉冲积累光信号通过单模光纤输入至光放大器(16)；光放大器(16)将PPM调制格式脉冲积累光信号进行光信号功率放大得到放大后光信号，并将放大后光信号通过单模光纤输入至晶体倍频模块(17)；晶体倍频模块(17)将放大后光信号进行光信号的波长转换得到波长转换后光信号；晶体倍频模块(17)将波长转换后光信号通过空间耦合输入至发射天线(18)；发射天线(18)将波长转换后光信号发射出去；其中，脉冲积累后电信号的电压和偏置与电光调制器(12)的预设要求匹配；
发射天线(18)出射的波长转换后光信号经过气/水跨介质传输信道(3)输入至通信接收端(2)；
每个接收天线接收波长转换后光信号并分别传输至相对应的单光子探测器；每个单光子探测器将波长转换后光信号转换为电信号，并将电信号传输至相对应的触发计数器；每个触发计数器将电信号转换为电数据，并将电数据传输至第二FPGA(213)；
第二FPGA(213)根据n个电数据进行数据恢复得到原始数据。
2.根据权利要求1所述的微弱绿光脉冲通信增强***，其特征在于：所述接收天线的数量为四个，分别为第一接收天线(21)、第二接收天线(22)、第三接收天线(23)、第四接收天线(24)；所述单光子探测器的数量为四个，分别为第一单光子探测器(25)、第二单光子探测器(26)、第三单光子探测器(27)、第四单光子探测器(28)；所述触发计数器的数量为四个，分别为第一触发计数器(29)、第二触发计数器(210)、第三触发计数器(211)、第四触发计数器(212)；其中，
第一接收天线(21)、第二接收天线(22)、第三接收天线(23)和第四接收天线(24)同时接收波长转换后光信号并分别传输至第一单光子探测器(25)、第二单光子探测器(26)、第三单光子探测器(27)和第四单光子探测器(28)；第一单光子探测器(25)将波长转换后光信号转换为第一电信号，并将第一电信号传输至第一触发计数器(29)；第二单光子探测器(26)将波长转换后光信号转换为第二电信号，并将第二电信号传输至第二触发计数器(210)；第三单光子探测器(27)将波长转换后光信号转换为第三电信号，并将第三电信号传输至第三触发计数器(211)；第四单光子探测器(28)将波长转换后光信号转换为第四电信号，并将第四电信号传输至第四触发计数器(212)；
第一触发计数器(29)将第一电信号转换为第一电数据，并将第一电数据传输至第二FPGA(213)；第二触发计数器(210)将第二电信号转换为第二电数据，并将第二电数据传输至第二FPGA(213)；第三触发计数器(211)将第三电信号转换为第三电数据，并将第三电数据传输至第二FPGA(213)；第四触发计数器(212)将第四电信号转换为第四电数据，并将第四电数据传输至第二FPGA(213)；
第二FPGA(213)根据第一电数据、第二电数据、第三电数据和第四电数据进行数据恢复得到原始数据。
3.根据权利要求1所述的微弱绿光脉冲通信增强***，其特征在于：第一FPGA(14)中将数据源(15)输入的数据转换为PPM格式电信号并进行脉冲积累处理得到脉冲积累后电信号包括如下步骤：
步骤(1)：将数据源(15)输入的数据Is转换为具有PPM格式电信号S；
步骤(2)：将具有PPM格式电信号S分组，其中，分组方法为将具有PPM格式电信号S中连续N位输入数据分为1组，即S＝{S1，S2，...}＝{{s1，1，s1，2，...，s1，N}，{s2，1，s2，2，...，s2，N}，...}，其中，N＝R/(Klog2M)，R为通信速率，K为重复发送数据次数，M为PPM调制阶数；S1为第1个数据包，S2为第2个数据包，s1，1为第1个数据包中的第1个数据元素，s1，2为第1个数据包中的第2个数据元素，s1，N为第1个数据包中的第N个数据元素，s2，1为第2个数据包中的第1个数据元素，s2，2为第2个数据包中的第2个数据元素，s2，N为第2个数据包中的第N个数据元素，N为位数；
步骤(3)：将步骤(2)得到的分组后的具有PPM格式电信号转换为脉冲积累后电信号
Figure FDA0002952913130000031
4.根据权利要求2所述的微弱绿光脉冲通信增强***，其特征在于：第二FPGA(213)根据第一电数据、第二电数据、第三电数据和第四电数据进行数据恢复得到原始数据包括如下步骤：
步骤(11)：第二FPGA(213)将第一电数据Rs1、第二电数据Rs2，第三电数据Rs3和第四电数据Rs4四路数据累加得到接收数据
Figure FDA0002952913130000032
步骤(12)：接收数据R具有如下结构特征
Figure FDA0002952913130000033
其中Ri＝{ri，1，ri，2，…，ri，N}，对接收数据中的第i包数据Ri处理得到增强信号RM＝{ri M},i＝1,2,…；其中，R1为第一包数据，R2为第二包数据，Ri为第i包数据，ri,1为第i包数据中的第1个数据元素，ri,2为第i包数据中的第2个数据元素，ri,N为第i包数据中的第N个数据元素，ri M为增强信号中的第i个数据元素；
步骤(13):最后对获得数据ri M进行PPM信号解调，恢复出原始数据。
5.根据权利要求1所述的微弱绿光脉冲通信增强***，其特征在于：所述激光器(11)的工作波段为1064nm。
6.根据权利要求1所述的微弱绿光脉冲通信增强***，其特征在于：所述电光调制器(12)的工作波段为1064nm。
7.根据权利要求1所述的微弱绿光脉冲通信增强***，其特征在于：所述光放大器(16)的工作波段为1064nm。
8.根据权利要求2所述的微弱绿光脉冲通信增强***，其特征在于：所述第一单光子探测器(25)、第二单光子探测器(26)、第三单光子探测器(27)和第四单光子探测器(28)的工作频段为532nm波段。
9.根据权利要求2所述的微弱绿光脉冲通信增强***，其特征在于：第一触发计数器(29)、第二触发计数器(210)、第三触发计数器(211)、第四触发计数器(212)的采样频率为大于PPM调制脉冲宽度的2倍。
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