CN115642958A - 基于自适应干扰抵消光机收发隔离度增强方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于自适应干扰抵消光机收发隔离度增强方法及***,属于激光通信技术领域。该方法包括将发送光通过各类光学器件、镜筒的反射、漫射等机制到达接收端的过程用线性有限冲击响应进行建模;在接收端通过自适应算法将本地的发送数据参考样本复制出杂光分量,然后减去这一复制杂光分量;通过自适应算法不断跟踪光路中杂光的变化情况,从而提高光机的***隔离度。本发明克服了后向杂散光理论分析模型建立困难,用于提高光机的收发隔度,本发明运用于空间激光通信终端,实现空间远距离激光通信。
Description
技术领域
本发明属于激光通信技术领域,具体涉及一种基于自适应干扰抵消光机收发隔离度增强方法及***。
背景技术
在目前激光通信主要采用的通信方式有非相干OOK方式与相干通信方式。OOK探测器的检测范围一般为整个光谱范围内的光信号,如C波段接收机探测器可以感知整个1530nm-1565nm范围。因而在使用OOK方式时将无法在探测上对收发信号进行区分。而在相干通信方式下,由于收发双方采用不同的信号光频率,相干过程是就一个选频过程。这样只有落入其接收窗口的光信号才能被探测到,该接收窗口的大小一般与传输信号带宽相当。其发送信号只要不使接收端光混频器产生阻塞就不会对接收器的性能产生影响。
一般情况下OOK光接收终端的性能较相干光接收机差10-20dB;在采用理想前置光放大器,则OOK性能与相干通信相比差3-4.5dB。目前OOK由于其通信方式简单,在空间通信中仍占据主要方式。因而对于OOK方式下的光机隔离度就成为远距离激光通信的一个重要考虑因素。
一般激光通信终端信号光路的结构如图1所示:发送数据经光调制输出由光纤连接到准直器的输入端;准直器输出信号通过扩束器1实现第一次扩束;然后通过分波片实现收、发光信号合路;最后通过振镜FSM完成发送光轴校正;由扩束器2实现对发送光束角度压缩并进行发射。从空间接收的光信号通过扩束器2进入到接收光轴校正振镜FSM;通过分波片完成收发光信号分离;由接收支路滤波片进一步提高收发隔离度的性能,减少发送光信号对接收光信号的影响;最后通过透镜入射到接收探测器。在该光路中由于各类镜面制造不理想会形成杂波,如图1中的杂波1,其就是FSM镜面镀膜不理想使发送光束在FSM镜面折射传输的同时也形成了杂波1;另外由于光机内部的高斯波束是边界无限的,因而总会有一些光束会通过镜筒产生漫反射,这些杂光最终会有一部分到达接收端,如图1中的杂波2。虽然杂波相对发射总能量要小得多,但相对接收灵敏度极高的光电探测器,这些杂波对接收的影响会变得十分严重。
假设在无杂散光时探测器接收灵敏为P s ,则等效噪声功率P n 与P s 具有以下关系:
SNR 0 =[P s /P n ];上式中SNR 0 为检测所需要的信噪比。
当***中存在功率为P J 的杂光时,其相对接收灵敏为P s 的干信比SNR J 为:
SNR J =[P s /P J ];此时***总的信噪比[SNR t ]为:[SNR t ] -1 =[SNR 0 ] -1 +[SNR j ] -1 。
考虑以下空间激光通信的一般环境:OOK调制、通信速率5Gbps、终端天线口径80mm、EDFA放大器输出3W、通信距离4500Km。在无杂波、误码率为p e =10-6情况下其接收灵敏度为p s =-42dBm,此时其输入SNR 0 要求达到13.5dB。从图4中可以看出为了减小光机隔离度对整个***灵敏度的影响需要隔离度要求不小于105dB。目前从光学、结构方向努力的目标为90dB,可见要实现105dB目标尚有一定的距离。
发明内容
发明目的:为了克服现有技术中存在的不足,本发明提供一种基于自适应干扰抵消光机收发隔离度增强方法及***。
针对目前空间激光通信在采用OOK方式下光机收发隔离度难以满足远距离激光通信的需要,本发明通过自适应跟着算法不断跟踪光路中杂光的变化情况,从而提高光机***的收发隔离度,进而实现空间远距离激光通信。
技术内容:为解决上述技术问题,本发明提供一种基于自适应干扰抵消光机收发隔离度增强方法,包括以下步骤:
S1、发送端将要发送的数据信号D t (t)转化为基带数字信号S(t),再将所述基带数字信号S(t)转化为发射信号光S o (t);
S2、发送过程中,对信号光s o (t)到达接收端的过程进行建模,获得信号光S o (t)与光机***产生的杂光信号S oJ (t)合成的光信号r o (t);
S3、所述接收端将光信号r o (t)输出为信号r e (t);
S4、设置自适应杂光抑制模块,引入自适应跟踪算法,通过基带数字信号S(t)复制出信号S oR (t);
S5、基于信号r e (t)与信号S oR (t)的差值e(t),所述自适应跟踪算法调整对应的系数,使合成出的信号S oR (t)逼近光机***产生的杂光信号S oJ (t),从而提高光机***的收发隔离度。
根据本申请的一个方面,S2中建模获得光信号r o (t)的过程包括以下步骤:
S21、基于杂光信号S oJ (t)与发射的信号光S o (t)的传输特性,引入线性传输***H a (z),其中,
S oJ (z)= S o (z)·H a (z);S oJ (z)、S o (z) 为相应信号的z变换;
S22、引入有限冲击响应h a (t)至线性传输***H a (z),获得S oJ (t)= S o (t)*h a (t);
h a (t)为传输***H a (z)的时域信号;
S23、所述信号光S o (t)到达接收端为信号光r os (t),所述杂光信号S oJ (t)与信号光r os (t)共同叠加形成光信号r o (t);其中,光信号r o (t)的表达式为:r o (t)=r os (t)+S oJ (t)= r os (t)+S o (t)*h a (t);假设光电转换器为理想转换器件,则有r e (t)= r o (t)= r os (t)+S o (t)*h a (t);上述光信号对应第n采样点的离散信号为r e (n)、S(n)、r(n)、SoR(n)、h a (n)和h b (n)。
根据本申请的一个方面,S4中自适应杂光抑制模块包括自适应滤波器,
其中,步骤S4中复制出信号S oR (n)的公式为:
其中,n为采样时刻,h b,n-1 (m)表示自适应滤波器n-1时刻第m个抽头的取值,在所述自适应跟踪滤波器中,总抽头数为N。
根据本申请的一个方面,步骤S5的使得信号S oR (t)逼近杂光信号S oj (t)的过程包括以下步骤:
S51、获得自适应滤波器的输出误差信号:e(n)=r(n) =re(n)- S oR (n);
S52、对所述自适应滤波器的系数根据最速梯度算法进行更新:h b,n (m)= h b,n-1 (m)+ 2μ∙e(n)·s(n-m);
其中,μ为自适应滤波器的自适应步长,m为自适应滤波器滤波器系数序号;
S53、设置一段运算时间,所述自适应跟踪算法使得自适应滤波器的系数h b,n (m)与h a,n (m)相等,即;S oR (n)=S oj (n) ;
S54、基于步骤S53,所述自适应滤波器输出的信号r(n),信号r(n)不包含杂光信号S oj (n),r(n)=r oS (n),其中信号r oS (n)为信号光S o (n)到达空间接收端接收的信号。
基于自适应杂光抵消光机收发隔离度增强***,基于如上述任意一项所述基于自适应杂光抵消光机收发隔离度增强方法,包括光电转换模块,FPGA器件、DDS器件、时钟电路、AD器件、光电转换模块,其中所述光电转换模块通过光纤进行信号的输入和输出,光电转换模块电性连接于DDS器件,所述DDS器件的输出端电性连接于时钟电路,所述时钟电路的输出端电性连接于AD器件,所述AD器件的输出端电性连接于FPGA器件,所述AD器件的输入端电性连接于所述光电转换模块,所述FPGA器件的输出端电性连接于光电转换模块。
根据本申请的一个方面,所述光电转换模块接收光信号,并将光信号转化电信号送至AD器件,所述AD器件高速采样输出数字信号,并将数字信号输入至FPGA器件,FPGA器件连接于自适应杂光抑制模块,经过自适应杂光抑制模块消除杂光信号,将消除杂光信号后的信号经过解调、解帧后,输出至光电转换模块,并通过光纤输出。
根据本申请的一个方面,DDS器件为时钟电路提供参考时钟,用于对接收信号的位定时恢复。
根据本申请的一个方面,所述自适应杂光抑制模块至少包括自适应滤波器,所述自适应滤波器用于计算杂光信号的传输路径。
有益效果:本发明采用自适应跟踪算法不断跟踪光机内杂光路径的变化,复制发送光束的干扰杂光并进行抵消,使得空间的接收端获得的信号逼近发送端的发送信号,本发明提高光机的收发隔离度,可以实现空间远距离激光通信。
附图说明
图1是现有技术光机收发隔离度增强的工作原理图。
图2是本发明的基于自适应杂光抵消光机收发隔离度增强方法框图。
图3是自适应杂光抑制模块的算法实现框图。
图4是不同隔离度对***性能影响数据对比图。
图5是本发明的其中一个具体实施框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步地说明。
实施例1
基于背景技术中提到的技术问题,在空间通信中,激光波长相比传统通信中的微波小4个量级,激光通信具有天线尺寸小、终端重量轻、传输速率高的优点,同时在深空领域探索中,激光通信可是实现地月及更远距离的传播,但是随着距离的增大,激光通信终端即本发明所提到的接收端,接收到的信号电平也更加微弱,在终端中存在的杂光干扰就会影响对微弱信号的检测。 为了更加清晰的解释本发明内容,本实施例以目前空间激光通信在采用OOK方式下光机收发隔离度为例进行阐述。
其中,一般激光通信终端信号光路的结构如图3所示,发送的数据经光调制器输出由光纤连接到准直器的输入端;准直器输出信号通过扩束器1实现第一次扩束;然后通过分波片实现收、发光信号合路;最后通过振镜FSM完成发送光轴校正;由扩束器2实现对发送光束角度压缩并进行发射。
从空间接收的光信号通过扩束器2进入到接收光轴校正振镜FSM;通过分波片完成收发光信号分离;由接收支路滤波片进一步提高收发隔离度的性能,减少发送光信号对接收光信号的影响;最后通过透镜入射到接收探测器。
其中,在该光路中由于各类镜面制造并非理想镜面,因而会形成杂波,如图3中的杂波1,其就是FSM镜面镀膜不理想,使的发送光束在校正振镜FSM镜面折射传输的同时也形成了杂波1;同时,由于光机内部的高斯波束是边界无限的,因而总会有一些光束会通过镜筒产生漫反射,这些杂光最终会有一部分到达接收端,如图3中的杂波2。虽然杂波相对发射总能量要小得多,但相对接收灵敏度极高的光电探测器,这些杂波对接收的影响会变得十分严重。
通过计算,
假设在无杂散光时探测器接收灵敏为P s ,则等效噪声功率P n 与P s 具有以下关系:SNR 0 =[P s /P n ];上式中SNR 0 为检测所需要的信噪比。
当***中存在功率为P J 的杂光时,其相对接收灵敏为P s 的干信比SNR J 为:
SNR J =[P s /P J ];此时***总的信噪比[SNR t ]为:[SNR t ] -1 =[SNR 0 ] -1 +[SNR j ] -1 。
考虑以下空间激光通信的一般环境:OOK调制、通信速率5Gbps、终端天线口径80mm、EDFA放大器输出3W、通信距离4500Km。在无杂波、误码率为p e =10-6情况下其接收灵敏度为p s =-42dBm,此时其输入SNR 0 要求达到13.5dB。从图4 中可以看出为了减小光机隔离度对整个***灵敏度的影响需要隔离度要求不小于105dB。目前从光学、结构方向努力的目标为90dB,可见要实现105dB目标尚有一定的距离。
本实施例基于上述内容,通过自适应滤波器对光机中的杂波进行测量,定时分析自适应算法的收敛时间与稳态误差,使光机隔离度的数值降低15-30dB,以满足90dB目标。
本实施例具体包括以下内容:
首先将发送光通过各类光学器件、镜筒的反射、漫射等机制到达接收端探测器的进行建模,该模型本实施例中自适应杂光抑制的基础;将发送的数据信号样本在本地进行存贮,作为自适应杂光抑制的参考,这些存贮的信号是自适应滤波器的输入参考信号,运用这些参考信号对整个光路的杂波进行精确复制;通过自适应算法将本地的发送数据样本复制光机的杂光分量;然后将接收的信号减去这一复制杂光分量;
通过自适应算法对自适应跟踪滤波器系数进行不断更新,跟踪接收光路中杂光路径的变化,进而提高光机收发隔离度。
实施例2
基于实施例1的技术内容,由于光机的非理想特性,发射的光信号通过光学器件、镜筒反射、漫射等机制到达接收端时会产生本地杂光,因而信号为包含杂光的合成信号,本实施例使用线性有限冲击响应进行建模,具体建模流程如图1所示:
首先将要发送的数据信号D t (t)根据信道帧格式,完成组帧形成基带数字信号S (t),再通过电光转换电路形成发射信号光S 0 (t);本实施例中电光转换电路不作阐释,不考虑电光调制器的自身的转换特性,
S
0
(t)=S(t)
信号光S 0 (t)到达接收端时,产生本地杂光信号S oJ (t),基于杂光信号S oJ (t)和信号光S 0 (t)的传输特性,使用线性传输***H a (z)来建模,
S oJ (z)= S o (z)·H a (z)上式中:S oJ (z)、S o (z)为相应信号的z变换。
H a (z)采用有限冲击响应h a (t)进行表示,有:
S oJ (t)= S o (t)*h a (t);上式中:h a (t)为传输*** H a (z)的时域信号。
其中,信号光S 0 (t)到达接收端为信光r os (t),那么本地杂光信号S oJ (t)与信号光r os (t)叠加,经过接收端的探测器探测为光信号r o (t),
接收光信号r o (t)的表达式为:r o (t)=r os (t)+S oJ (t)=S o (t)*h a (t)。探测器完成光到电的转换输出信号r e (t),此时有,r e (t)= r 0 (t)= r os (t)+ S o (t)*h a (t)。本实施例中的电光转换电路即图1- 3中的光调制,图1中的探测器不再做阐释。
实施例3
基于实施例2的技术内容,在对发射端的光信号传播的过程建模后,本实施例引入自适应算法,根据发送端发送的基带数字信号S(t)复制出杂光信号S oR (t),其中从基带数字信号S(t)复制出杂光信号S oR (t)的过程,采用以下方法:
如图1所示,首先设置自适应杂光抑制模块,自适应杂光抑制模块包括自适应滤波器,本实施例中的自适应滤波器可以选用FIR自适应滤波器计算复杂的杂光传输路径,其中,本实施例中所有模拟信号均通过AD变为离散数字信号,本实施例对每一个比特信号采用2个样点采样,上述模拟信号所对应第n采样点的离散信号:r e (n)、S(n)、r(n)、S oR (n)、h a (n)、h b (n),本实施例总n与实施例1和实施例2中的t,其属性相同。
进而通过自适应跟踪算法,根据下式将发送端的发送基带数字信号S(n)复制出杂光信号S oR (n):
上式中h b,n-1 (m)表示滤波器n-1时刻第m个抽头的取值,总抽头数为N。
实施例4
基于实施例3的技术方案, 本实施例引入自适应跟踪算法,在获得信号S oR (t),仍需要不断调整自适应跟踪算法对应的系数,使合成出的信号S oR (t)不断接近光学***产生的杂光信号S oj (t),本实施例中,自适应滤波器的输出误差信号:
e(n)=r(n) =re(n)- S
oR
(n)
自适应滤波器系数根据最速梯度算法(LMS)进行更新:
h
b,n
(m)= h
b,n-1
(m)+2μ∙e(n) ∙s(n-m)
其中,μ为自适应滤波器的自适应步长;m为自适应滤波器系数序号,通过一段时间自适应运算使自适应滤波器的系数h b,n (m)与h a,n (m)相等, h a,n (m)为自适应滤波器的参考系数,这样使得S oR (n)=S oj (n) 从而使得自适应滤波器输出中不再含有发送端的杂光信号,进而提高光机***的收发隔离度:r(n)=r oS (n)
由于接收端接收信号时r os (n)的存在,其对自适应滤波器的收敛性能产生影响。因而一般需要采用较小的跟踪步长μ,但这样又引起跟踪收敛时间过长。
在实际中对于空间两激光通信终端处于初始捕获阶段:此时双方只有发送光而没有接收收光,通过采用较大跟踪步长μ使自适应滤波器快速到收敛状态。而后切换到小步长,保证在接收到对方光信号之后能获取良好的稳态跟踪性能,又具有一定的杂光变化的适应能力。
实施例5
在实施例1~4的基础上,本实施例的具体实施方式如图5所示。
在电路中,U1为高速FPGA器件,FPGA 器件的选型主要考虑逻辑规模、 IO 带宽/数量、速度以及外形尺寸等参数能否满足要求。例如,Ultrascale+ Virtex系列 FPGA针对16nm***性能与集成进行了优化,可为本发明中的光机***设计带来优化的功耗性能比架构、强大的数字信号处理以及丰富的 I/O资源,例如,VU9P器件具有较大的逻辑单元数目及DSP 资源,同时具有很多的 GTY 高速串行接口。
在其中一个实施方案中,采用了Xilinx VU系列UltraScale+ vu9p B2104-2i,该器件可以支持76对GTY接口,以实现与高速AD器件接口。在设计 FPGA 器件电路的时候,主要是考虑FPGA 器件的供电电压,FPGA器件的时钟划分及特性,I/O引脚特性及分配方案、FPGA器件的芯片配置等问题。
在电路中U2可以选用为高速DDS-DA器件AD9783,其产生时钟为器件U3提供参考时钟,该器件主要实现对接收信号的位定时恢复。
在电路中U3为高速时钟电路,可以采用LMX2594器件,最高输出15GHz的时钟,这是AD器件的采样时钟。取藻配置 LMX2594 使其工作于SYSREF Repeater模式。
电路中U4是高速AD器件,完成对光电转换之后的高速采样。本实施例中,可以选用苏迅芯AAD06S032G器件,可支持30Gsps的极高采样速率,***度6位,输入模拟带宽大于13GHz,单片功耗6.5W;AD输出采用CML接口;控制接口采用SPI方式。通过集成宽带巴伦(2-20G),光模块输出基带信号经宽带巴伦隔离后进入ADC芯片。
电路中U5是光电转换模块,可以采用HTWXXD7-AA-SE03YY,其最高通信速率为10Gbps。发送信号由FPGA器件的GTY输出提供,U5接收的光电信号通过高速AD转换输入到FPGA器件中。收发光纤通过EDFA前放与功放之后与光机相连接,将发送光功率调节到3W全功率输出,并与对端实现双向对通。测试时APT功能处于旁通状态,调整二维转台使两个终端光轴互指。
通信方式采用OOK调制方式,通信速率为5Gbps。整个电路的采样速率为10Gsps。FPGA器件在采用Xilinx Vivado的编程环境,对于高速信号处理采用并行处理方式。测试时发送比特流采用伪随机码信号,使能自适应滤波器对光机中的杂波进行测量,通过定时方式分析算法的收敛时间与稳态误差。实测表明,本发明通过自适应算法可以使光机隔离度改善15-30dB左右。本发明中,光纤、APT、AD、组帧、解调、解帧、扩束群、准直器、分拨片、滤波片、FSM等通用电路或电子元器件不作进一步的阐释。
Claims (8)
1.基于自适应干扰抵消光机收发隔离度增强方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、发送端将要发送的数据信号D t (t)转化为基带数字信号S(t),再将所述基带数字信号S(t)转化为发射信号光S o (t);
S2、发送过程中,对信号光s o (t)到达接收端的过程进行建模,获得信号光S o (t)与光机***产生的杂光信号S oJ (t)合成的光信号r o (t);
S3、所述接收端将光信号r o (t)输出为信号r e (t);
S4、设置自适应杂光抑制模块,引入自适应跟踪算法,通过基带数字信号S(t)复制出信号S oR (t);
S5、基于信号r e (t)与信号S oR (t)的差值e(t),所述自适应跟踪算法调整对应的系数,使合成出的信号S oR (t)逼近光机***产生的杂光信号S oJ (t),从而提高光机***的收发隔离度。
2.根据权利要求1所述的基于自适应干扰抵消光机收发隔离度增强方法,其特征在于,S2中获得光信号r o (t)的过程包括以下步骤:
S21、基于杂光信号S oJ (t)与发射的信号光S o (t)的传输特性,引入线性传输***H a (z),其中,
S oJ (z)= S o (z)·H a (z);S oJ (z)、S o (z) 为相应信号的z变换;
S22、引入有限冲击响应h a (t)至线性传输***H a (z),获得S oJ (t)= S o (t)*h a (t);
h a (t)为传输***H a (z)的时域信号;
S23、所述信号光S o (t)到达接收端为信号光r os (t),所述杂光信号S oJ (t)与信号光r os (t)共同叠加形成光信号r o (t);其中,光信号r o (t)的表达式为:r o (t)=r os (t)+S oJ (t)= r os (t)+ S o (t)*h a (t);假设光电转换器为理想转换器件,则有r e (t)= r o (t)= r os (t)+S o (t)*h a (t);上述光信号对应第n采样点的离散信号为r e (n)、S(n)、r(n)、S oR (n)、h a (n)和h b (n)。
4.根据权利要求3所述的基于自适应干扰抵消光机收发隔离度增强方法,其特征在于,步骤S5的使得信号S oR (t)逼近杂光信号S oj (t)的过程包括以下步骤:
S51、获得自适应滤波器的输出误差信号:e(n)=r(n) =re(n)- S oR (n);
S52、对所述自适应滤波器的系数根据最速梯度算法进行更新:h b,n (m)= h b,n-1 (m)+2μ∙e (n)·s(n-m);
其中,μ为自适应滤波器的自适应步长,m为自适应滤波器滤波器系数序号;
S53、设置一段运算时间,所述自适应跟踪算法使得自适应滤波器的系数h b,n (m)与h a,n (m)相等,即;S oR (n)=S oj (n) ;
S54、基于步骤S53,所述自适应滤波器输出的信号r(n),信号r(n)不包含杂光信号S oj (n),r(n)=r oS (n),其中信号r oS (n)为信号光S o (n)到达空间接收端接收的信号。
5.基于自适应干扰抵消光机收发隔离度增强***,用于实现上述权利要求1-4任意一项所述的方法,其特征在于,包括光电转换模块,FPGA器件、DDS器件、时钟电路、AD器件、光电转换模块,其中所述光电转换模块通过光纤进行信号的输入和输出,光电转换模块电性连接于DDS器件,所述DDS器件的输出端电性连接于时钟电路,所述时钟电路的输出端电性连接于AD器件,所述AD器件的输出端电性连接于FPGA器件,所述AD器件的输入端电性连接于所述光电转换模块,所述FPGA器件的输出端电性连接于光电转换模块。
6.如权利要求5所述的基于自适应干扰抵消光机收发隔离度增强***,其特征在于,所述光电转换模块接收光信号,并将光信号转化电信号送至AD器件,所述AD器件高速采样输出数字信号,并将数字信号输入至FPGA器件,FPGA器件连接于自适应杂光抑制模块,经过自适应杂光抑制模块消除杂光信号,将消除杂光信号后的信号经过解调、解帧后,输出至光电转换模块,并通过光纤输出。
7.如权利要求5所述的基于自适应干扰抵消光机收发隔离度增强***,其特征在于,DDS器件为时钟电路提供参考时钟,用于对接收信号的位定时恢复。
8.如权利要求6所述的基于自适应干扰抵消光机收发隔离度增强***,其特征在于,所述自适应杂光抑制模块至少包括自适应滤波器,所述自适应滤波器用于计算杂光信号的传输路径。
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