專利名稱：一種空間光通信中光信號的調(diào)制和解調(diào)裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空間通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及空間光通信中光信號的調(diào)制、探測、解調(diào)和同步。
背景技術(shù)：
空間光通信是各國競相研究的熱點(diǎn)，低功耗、超遠(yuǎn)距離通信是空間光通信要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一?？臻g光通信中光信號的調(diào)制和解調(diào)目前主要有兩種。一種是直接強(qiáng)度調(diào)制/直接探測系統(tǒng)，另一種是相關(guān)調(diào)制/外差探測系統(tǒng)。在直接強(qiáng)度調(diào)制/直接探測系統(tǒng)中，發(fā)射端通過對光載波的強(qiáng)度進(jìn)行直接調(diào)制來發(fā)送所要傳輸?shù)男畔ⅲ鏞OK(通斷調(diào)制)，PPM(脈沖位置調(diào)制)等。在接收端，光學(xué)透鏡天線將入射光聚焦到探測器，探測器接收到入射光后，將光信號直接轉(zhuǎn)換成電流信號，通過解調(diào)探測器輸出的電流信號來獲得所傳輸?shù)男畔?。根?jù)光電轉(zhuǎn)換定律，探測器輸出的電流與光功率成正比，因此直接檢測又叫光的功率檢測和非相關(guān)檢測。直接強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是接收靈敏度低。在相關(guān)調(diào)制/外差探測系統(tǒng)中，發(fā)送端通過對光載波信號的移頻和移相進(jìn)行調(diào)制來發(fā)送所要傳輸?shù)男畔?，如PSK(移相鍵控)。接收端光學(xué)透鏡天線接收到入射的信號光后，與一本振光進(jìn)行相干。探測器性相當(dāng)于混頻器，它相應(yīng)的是信號光和本振光的差頻分量，探測器輸出的是中頻光電流。探測器輸出的電流信號經(jīng)過中頻放大濾波后，通過鑒頻和鑒相實(shí)現(xiàn)解調(diào)信息。相關(guān)調(diào)制/外差探測系統(tǒng)，具有接收靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，但在接收端增加了本振光，且要求本振光和信號光在空間相干性上要求比較嚴(yán)格，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功耗大。單光子探測技術(shù)是一種具有單光子探測靈敏度的探測技術(shù)，具有非常高的靈敏度。單光子探測技術(shù)用于光通信可以，降低功耗，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離通信。專利(申請?zhí)?01110166120. 5)提出了一種基于單光子探測的超遠(yuǎn)距離光通信系統(tǒng)及方法，光通信系統(tǒng)發(fā)送端采用偏振調(diào)制，要發(fā)送信號“O”時(shí)，用電子學(xué)控制激光器發(fā)送水平偏振光脈沖，要發(fā)送信號“I”時(shí)，用電子學(xué)控制激光器發(fā)送水平偏振光脈沖。光通信系統(tǒng)的接收端采用偏振分光棱鏡將接受的信號光分為水平偏振和垂直偏振，分別用兩個(gè)單光子探測器接收水平偏振和垂直偏振，解碼出信號“I”和“O”。不難看出上述專利申請存在的問題1)該專利申請沒有給出單光子探測器接收到水平和垂直偏振光脈沖后，提取信號“I”和“O”的方法。只給出了信號光的偏振調(diào)制方法。2)該專利申請?jiān)黾酉到y(tǒng)的復(fù)雜程度，在發(fā)送端需要精密的電子學(xué)控制激光器產(chǎn)生不同的偏振光，接受端需要偏振分光鏡和兩個(gè)單光子探測器。3)系統(tǒng)的誤碼率高，信道的退偏、系統(tǒng)偏振對比度不高和暗計(jì)數(shù)等都將使接受到的數(shù)據(jù)無效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，針對當(dāng)前空間光通信對低功耗、超遠(yuǎn)距離通信的要求，提出一種基于單光子探測的空間光通信中光信號的調(diào)制和解調(diào)裝置和方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下、
一種空間光通信中光信號的調(diào)制和解調(diào)裝置，包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，其特殊之處在于所述發(fā)射機(jī)包括沿光路依次設(shè)置的光源、強(qiáng)度調(diào)制器和光學(xué)發(fā)射天線，所述接收機(jī)按照信號傳輸方向依次設(shè)置有光學(xué)接收天線、單光子探測器、前置放大器、信噪比較器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器以及基于FPGA的傳輸信號提取電路，所述基于FPGA的傳輸信號提取電路包括位同步信號提取模塊、第一計(jì)數(shù)器、邏輯控制器、緩存器、閾值寄存器和光子數(shù)比較器，所述單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出端同時(shí)與同步信號提取模塊和第一計(jì)數(shù)器連接，所述第一計(jì)數(shù)器的輸出端通過緩存器與光子數(shù)比較器，所述同步信號提取模塊的輸出端通過邏輯控制器、緩存器輸與光子數(shù)比較器連接，所述閾值寄存器與光子數(shù)比較器連接，所述邏輯控制器向第一計(jì)數(shù)器提供復(fù)位信號。
上述位同步信號提取模塊包括門控選通信號發(fā)送器、多個(gè)第二計(jì)數(shù)器、比較器以及選擇器，所述門控選通信號發(fā)送器產(chǎn)生多路門選通信號，每路門選通信號控制一個(gè)第二計(jì)數(shù)器，每個(gè)第二計(jì)數(shù)器的輸入端與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出端連接，每個(gè)第二計(jì)數(shù)器的輸出端與比較器連接，所述比較器的輸出端與選擇器連接，所述門控選通信號發(fā)送器產(chǎn)生多路門選通信號并輸入給選擇器。上述單光子探測器為光電倍增管、微通道板或雪崩APD探測器。上述前置放大器為快速電流靈敏放大器。一種空間光通信中光信號的調(diào)制和解調(diào)方法，其特殊之處在于包括以下步驟I發(fā)射機(jī)與接收機(jī)建立同步連接I. I光源經(jīng)過強(qiáng)度調(diào)制器、光學(xué)發(fā)射天線發(fā)射同位碼光信號；I. 2光學(xué)接收天線接收同位碼光信號，經(jīng)過單光子探測器、前置放大器、信噪比較器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，發(fā)送給位同步信號提取模塊；I. 3提取位同步信號I. 3. I門選通信號發(fā)生器產(chǎn)生周期與位同步信號周期相同，不同相位的多路門選通信號；I. 3. 2具有門選通功能的多個(gè)第二計(jì)數(shù)器在不同相位門選通信號的控制下，分別對輸入同位碼光信號的單光子脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)；在門選通信號為高電平時(shí)對輸入單光子脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，在門選通信號為低電平時(shí)對輸入單光子脈沖不計(jì)數(shù)；I. 3. 3比較器通過比較多個(gè)第二計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，將計(jì)數(shù)值最大的第二計(jì)數(shù)器的序號發(fā)送到選擇器的輸入端；I. 3. 4選擇器根據(jù)所輸入的第二計(jì)數(shù)器序號選擇第二計(jì)數(shù)器對應(yīng)的門控選通信號作為位同步信號輸出；I. 4位同步信號輸出至邏輯控制器，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)建立同步連接；2發(fā)射信息，解調(diào)信息2. I光源發(fā)出光載波信號，強(qiáng)度調(diào)制器對光載波信號的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制并發(fā)送所要傳輸信息的有效光信號，有效光信號經(jīng)光學(xué)發(fā)射天線發(fā)送出去；2. 2有效光信號經(jīng)過遠(yuǎn)距離的信道后，將衰減為單光子態(tài)有效光信號；2. 3接收機(jī)端的接收光學(xué)天線將接收到的單光子態(tài)有效光信號聚焦到單光子探測器，單光子探測器輸出離散的單光子脈沖信號；2. 4對離散的單光子脈沖信號的脈沖進(jìn)行反相放大，得到放大的單光子脈沖信號;2. 5利用信噪比較器對放大后的單光子脈沖信號進(jìn)行甄別，濾除噪聲脈沖，所述輸入信噪比較器的閾值高于噪聲水平，且低于探測器輸出的單光子脈沖信號的振幅；2. 6利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器對信噪比較器輸出的單光子脈沖信號進(jìn)行展寬輸出展寬單光子脈沖信號；2. 7展寬單光子脈沖信號輸入至基于FPGA的傳輸信號提取電路；2. 7. I第一比較器對輸入基于FPGA的傳輸信號提取電路的展寬單光子脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)；2. 7. 2邏輯控制器在每次檢測到位同步信號的上升沿后，把第一計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)值存到緩存器，同時(shí)對第一計(jì)數(shù)器進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位后的計(jì)數(shù)器開始對輸入的展寬單光子脈沖信號重新計(jì)數(shù)；2. 7. 3光子數(shù)比較器比較緩存器和閾值寄存器中的值如果緩存器中計(jì)數(shù)值大于閾值寄存器中的閾值，則為高電平信號，輸出所傳輸信息“1”，同時(shí)執(zhí)行步驟2. 7.2；如果緩存器中計(jì)數(shù)值小于閾值寄存器中的閾值，則為低電平信號，輸出所傳輸信息“O”，同時(shí)執(zhí)行步驟2. 7.2；所述閾值寄存器中的閾值大于位同步信號內(nèi)暗計(jì)數(shù)的平均值，小于位同步信號內(nèi)單光子脈沖的平均值；2.8解調(diào)出所傳輸信息。本發(fā)明所具有的優(yōu)點(diǎn)I、具有非常高的信號光接收靈敏度。本發(fā)明提出空間光通信的調(diào)制和解調(diào)裝置和方法，是在基于單光子探測技術(shù)。探測器工作在光子計(jì)數(shù)模式，通過對探測器輸出的單光子的脈沖數(shù)來解調(diào)信號，而不是通過檢測探測器輸出的電流來解調(diào)信號。具有非常高的探測靈敏度。從而可利用較低的功耗，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的空間光通信。2、誤碼率低。本發(fā)明一是利用閾值甄別的方法去除探測器輸出脈沖中的暗噪聲，二是利用位同步信號周期內(nèi)單光子脈沖的個(gè)數(shù)大于閾值的方法，來去除暗計(jì)數(shù)對信號提取的影響。因此系統(tǒng)噪聲和暗計(jì)數(shù)對信號的提取影響非常小，所以誤碼率非常低。3、結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，功耗低等優(yōu)點(diǎn)，空間光通信的調(diào)制和解調(diào)裝置和方法，光通信的調(diào)制端采用光強(qiáng)的直接調(diào)制，如OOK和PPM調(diào)制，接受端只需要一個(gè)單光子探測器便可實(shí)現(xiàn)信號的提取，不需要偏振分光鏡，因此具有結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，功耗低等優(yōu)點(diǎn)。4、具高的靈活性和集成度高，本發(fā)明利用可重復(fù)編程的FPGA來實(shí)現(xiàn)同步和信號的提取，具有非常高的靈活性和集成度。



圖I為本發(fā)明基于單光子探測的空間光通信的調(diào)制和解調(diào)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為基于單光子探測的信號的解調(diào)時(shí)序圖；圖3為基于FPGA的傳輸信號提取電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為位同步信號提取模塊的結(jié)構(gòu)示意圖5為信號提取的時(shí)序圖。
具體實(shí)施例方式如圖I所示，空間光通信中光信號的調(diào)制和解調(diào)裝置，包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，發(fā)射機(jī)包括沿光路依次設(shè)置的光源、強(qiáng)度調(diào)制器和光學(xué)發(fā)射天線，接收機(jī)按照信號傳輸方向依次設(shè)置有光學(xué)接收天線、單光子探測器、前置放大器、信噪比較器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器以及基 于FPGA的傳輸信號提取電路。單光子探測器為光電倍增管、微通道板或雪崩APD探測器。前置放大器為快速電流靈敏放大器。如圖3所示，基于FPGA的傳輸信號提取電路包括位同步信號提取模塊、第一計(jì)數(shù)器、邏輯控制器、緩存器、閾值寄存器和光子數(shù)比較器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出端同時(shí)與同步信號提取模塊和第一計(jì)數(shù)器連接，第一計(jì)數(shù)器的輸出端通過緩存器與光子數(shù)比較器，同步信號提取模塊的輸出端通過邏輯控制器、緩存器輸與光子數(shù)比較器連接，閾值寄存器與光子數(shù)比較器連接，邏輯控制器向第一計(jì)數(shù)器提供復(fù)位信號。如圖4所示，位同步信號提取模塊包括門控選通信號發(fā)送器、多個(gè)第二計(jì)數(shù)器、t匕較器以及選擇器，門控選通信號發(fā)送器產(chǎn)生多路門選通信號，每路門選通信號控制一個(gè)第二計(jì)數(shù)器，每個(gè)第二計(jì)數(shù)器的輸入端與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出端連接，每個(gè)第二計(jì)數(shù)器的輸出端與比較器連接，比較器的輸出端與選擇器連接，門控選通信號發(fā)送器產(chǎn)生多路門選通信號并輸入給選擇器。一種空間光通信中光信號的調(diào)制和解調(diào)方法，包括以下步驟I發(fā)射機(jī)與接收機(jī)建立同步連接I. I光源經(jīng)過強(qiáng)度調(diào)制器、光學(xué)發(fā)射天線發(fā)射同位碼光信號；I. 2光學(xué)接收天線接收同位碼光信號，經(jīng)過單光子探測器、前置放大器、信噪比較器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，發(fā)送給位同步信號提取模塊；I. 3提取位同步信號I. 3. I門選通信號發(fā)生器產(chǎn)生周期與位同步信號周期相同，不同相位的多路門選通信號；I. 3. 2具有門選通功能的多個(gè)第二計(jì)數(shù)器在不同相位門選通信號的控制下，分別對輸入同位碼光信號的單光子脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)；在門選通信號為高電平時(shí)對輸入單光子脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，在門選通信號為低電平時(shí)對輸入單光子脈沖不計(jì)數(shù)；I. 3. 3比較器通過比較多個(gè)第二計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，將計(jì)數(shù)值最大的第二計(jì)數(shù)器的序號發(fā)送到選擇器的輸入端；I. 3. 4選擇器根據(jù)所輸入的第二計(jì)數(shù)器序號選擇第二計(jì)數(shù)器對應(yīng)的門控選通信號作為位同步信號輸出；I. 4位同步信號輸出至邏輯控制器，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)建立同步連接；2發(fā)射信息，解調(diào)信息2. I光源發(fā)出光載波信號，強(qiáng)度調(diào)制器對光載波信號的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制并發(fā)送所要傳輸信息的有效光信號，有效光信號經(jīng)光學(xué)發(fā)射天線發(fā)送出去；2. 2有效光信號經(jīng)過遠(yuǎn)距離的信道后，將衰減為單光子態(tài)有效光信號；
2. 3接收機(jī)端的接收光學(xué)天線將接收到的單光子態(tài)有效光信號聚焦到單光子探測器，單光子探測器輸出離散的單光子脈沖信號；2. 4對離散的單光子脈沖信號的脈沖進(jìn)行反相放大，得到放大的單光子脈沖信號;2. 5利用信噪比較器對放大后的單光子脈沖信號進(jìn)行甄別，濾除噪聲脈沖，所述輸入信噪比較器的閾值高于噪聲水平，且低于探測器輸出的單光子脈沖信號的振幅；2. 6利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器對信噪比較器輸出的單光子脈沖信號進(jìn)行展寬輸出展寬單光子脈沖信號；采用閾值比較的方法去除探測器輸出脈沖中的噪聲脈沖和部分暗脈沖以提聞彳目噪比。2. 7展寬單光子脈沖信號輸入至基于FPGA的傳輸信號提取電路；采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來變換單光子脈沖的電平和對單光子脈沖進(jìn)行展寬，以便與基于FPGA的信號提取和同步電路相匹配。2. 7. I第一比較器對輸入基于FPGA的傳輸信號提取電路的展寬單光子脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)；2. 7. 2邏輯控制器在每次檢測到位同步信號的上升沿后，把第一計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)值存到緩存器，同時(shí)對第一計(jì)數(shù)器進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位后的計(jì)數(shù)器開始對輸入的展寬單光子脈沖信號重新計(jì)數(shù)；2. 7. 3光子數(shù)比較器比較緩存器和閾值寄存器中的值如果緩存器中計(jì)數(shù)值大于閾值寄存器中的閾值，則為高電平信號，輸出所傳輸信息“1”，同時(shí)執(zhí)行步驟2. 7.2；如果緩存器中計(jì)數(shù)值小于閾值寄存器中的閾值，則為低電平信號，輸出所傳輸信息“0”，同時(shí)執(zhí)行步驟2. 7.2；所述閾值寄存器中的閾值大于位同步信號內(nèi)暗計(jì)數(shù)的平均值，小于位同步信號內(nèi)單光子脈沖的平均值；2.8]解調(diào)出所傳輸信息。實(shí)施例I、提取位同步信號的方法如下I. I在傳輸有效數(shù)據(jù)前，先傳輸位同步碼，以提取位同步信號。I. 2在位同步碼的調(diào)制下，發(fā)射機(jī)發(fā)送與位同步信號，周期和相位相同的周期性方波光信號。I. 3光接收機(jī)接收到用于位同步信號提取的光信號后，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的單光子脈沖輸入到基于FPGA的信號提取模塊中的位同步信號提取模塊。I. 4同步信號的提取模塊如圖4所示，包括門控選通信號發(fā)送器，計(jì)數(shù)器，比較器，選擇器。位同步信號的提取方法為1.4. I門選通信號發(fā)生器產(chǎn)生周期與位同步信號周期相同，不同相位的多路門選通信號。I. 4. 2具有門選通功能的計(jì)數(shù)器I 4在不同相位門選通信號的控制下，分別對輸入的單光子脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)門選通信號為高電平時(shí)對輸入單光子脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)門選、通信號為低電平時(shí)對輸 入單光子脈沖不計(jì)數(shù)。I. 4. 3比較器通過比較計(jì)數(shù)器I 4的第二計(jì)數(shù)值，獲得計(jì)數(shù)值最大的第二計(jì)數(shù)器的序號，并發(fā)送序號到選擇器的輸入端。I. 4. 4選擇器根據(jù)所輸入的計(jì)數(shù)器序號選擇其中一路最同步的門控選通信號作為位同步信號輸出。因?yàn)槿绻a(chǎn)生的門控選通信號與發(fā)送端的位同步信號越同步，則計(jì)數(shù)器的值越大。圖4中只畫出4個(gè)門控選通信號，4個(gè)計(jì)數(shù)器。門控選通信號和計(jì)數(shù)器越多，所產(chǎn)生的位同步信號越精確。所提取的位同步信號輸入邏輯控制器。提取出位同步信號后，開始傳輸有效數(shù)據(jù)。2、開始傳輸有效數(shù)據(jù)2. I、發(fā)射機(jī)端，強(qiáng)度調(diào)制器對光源發(fā)出的光載波信號的強(qiáng)度進(jìn)行直接調(diào)制來發(fā)送所要傳輸?shù)男畔?，如OOK(通斷調(diào)制)。調(diào)制后的光信號經(jīng)光學(xué)發(fā)射天線發(fā)送出去。如圖2所示，2. 2、光信號經(jīng)過遠(yuǎn)距離的信道后，將衰減的非常微弱，呈單光子態(tài)。2. 3、接收機(jī)端的接收光學(xué)天線將接收到的光信號聚焦到單光子探測器。2. 4、單光子探測器接收經(jīng)信道衰減的極微弱的光信號，輸出離散的單光子脈沖信號。單光子探測器可采用光電倍增管，微通道板，雪崩APD探測。2. 5、單光子探測器輸出的脈沖幅度非常小，因此對單光子探測器輸出的離散脈沖信號進(jìn)行反相放大。前置放大器采用快速電流靈敏放大器。2. 6、采用比較器對單光子脈沖進(jìn)行甄別。設(shè)置閾值高于噪聲水平，同時(shí)應(yīng)低于探測器輸出的單光子脈沖的振幅，以濾除噪聲脈沖。因?yàn)樘綔y器輸出的脈沖中，除了有代表單光子的脈沖，還包括噪聲脈沖，和低幅度的暗計(jì)數(shù)脈沖。2. 7、由于比較器輸出的脈沖信號非常窄，因此輸入單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器將信號展寬，以便于基于FPGA的傳輸信號提取電路輸入端進(jìn)行匹配。2. 8、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的信號脈沖輸入基于FPGA的傳輸信號提取電路進(jìn)行信號提取。2. 9、基于FPGA的傳輸信號提取電路如圖3所示，包括位同步信號提取模塊，計(jì)數(shù)器，邏輯控制器，緩存器，閾值寄存器和比較器。具體的提取方法為I、具有復(fù)位功能的計(jì)數(shù)器對輸入的FPGA的單光子脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。2、如圖5所示，邏輯控制器在每次檢測到同步信號的上升沿后，把計(jì)數(shù)中的計(jì)數(shù)值存到緩存器，同時(shí)對計(jì)數(shù)器進(jìn)行復(fù)位。復(fù)位后的計(jì)數(shù)器開始對輸入的單光子脈沖重新計(jì)數(shù)。因此緩存器中存的值為同步信號各脈沖間隔內(nèi)單光子脈沖的計(jì)數(shù)。3、比較器比較緩存器和閾值寄存器中的值，如果緩存器中值大于閾值寄存器中的預(yù)設(shè)值，輸出高電平信號，代表“ 1”，直到下一個(gè)計(jì)數(shù)值存入緩存器。如果緩存器中值小于閾值寄存器中的預(yù)設(shè)值，輸出低電平信號，代表“0”，直到下一個(gè)計(jì)數(shù)值存入緩存器，從而解調(diào)出信息。4、閾值寄存器中的閾值應(yīng)大于位同步信號內(nèi)暗計(jì)數(shù)的平均值，小于位同步信號內(nèi)單光子脈沖的平均值。因?yàn)檩斎雮鬏斝盘柼崛‰娐返男盘?，除了代表單光子的脈沖外，還有幅度與單光子脈沖相當(dāng)?shù)纳倭堪翟肼暶}沖，這種脈沖在信號進(jìn)入提取電路前是無法去除的，且出現(xiàn)具有隨機(jī)性。所以在代表信息“0”時(shí)，位同步信號內(nèi)也可能出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)暗計(jì)數(shù)。通過設(shè)置較大的閾值寄存器的值可以減小暗噪聲脈沖對信號的提取，以減小誤碼率
權(quán)利要求
1.一種空間光通信中光信號的調(diào)制和解調(diào)裝置，包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，其特征在于所述發(fā)射機(jī)包括沿光路依次設(shè)置的光源、強(qiáng)度調(diào)制器和光學(xué)發(fā)射天線， 所述接收機(jī)按照信號傳輸方向依次設(shè)置有光學(xué)接收天線、單光子探測器、前置放大器、信噪比較器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器以及基于FPGA的傳輸信號提取電路， 所述基于FPGA的傳輸信號提取電路包括位同步信號提取模塊、第一計(jì)數(shù)器、邏輯控制器、緩存器、閾值寄存器和光子數(shù)比較器，所述單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出端同時(shí)與同步信號提取模塊和第一計(jì)數(shù)器連接，所述第一計(jì)數(shù)器的輸出端通過緩存器與光子數(shù)比較器，所述同步信 號提取模塊的輸出端通過邏輯控制器、緩存器輸與光子數(shù)比較器連接，所述閾值寄存器與光子數(shù)比較器連接，所述邏輯控制器向第一計(jì)數(shù)器提供復(fù)位信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的空間光通信中光信號的調(diào)制和解調(diào)裝置，其特征在于所述 位同步信號提取模塊包括門控選通信號發(fā)送器、多個(gè)第二計(jì)數(shù)器、比較器以及選擇器，所述門控選通信號發(fā)送器產(chǎn)生多路門選通信號，每路門選通信號控制一個(gè)第二計(jì)數(shù)器，每個(gè)第二計(jì)數(shù)器的輸入端與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出端連接，每個(gè)第二計(jì)數(shù)器的輸出端與比較器連接，所述比較器的輸出端與選擇器連接，所述門控選通信號發(fā)送器產(chǎn)生多路門選通信號并輸入給選擇器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的空間光通信中光信號的調(diào)制和解調(diào)裝置，其特征在于所述單光子探測器為光電倍增管、微通道板或雪崩APD探測器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的空間光通信中光信號的調(diào)制和解調(diào)裝置，其特征在于所述前置放大器為快速電流靈敏放大器。
5.一種空間光通信中光信號的調(diào)制和解調(diào)方法，其特征在于包括以下步驟 ·I發(fā)射機(jī)與接收機(jī)建立同步連接 ·1.1光源經(jīng)過強(qiáng)度調(diào)制器、光學(xué)發(fā)射天線發(fā)射同位碼光信號； · I. 2光學(xué)接收天線接收同位碼光信號，經(jīng)過單光子探測器、前置放大器、信噪比較器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，發(fā)送給位同步信號提取模塊； · I. 3提取位同步信號 · I. 3. I門選通信號發(fā)生器產(chǎn)生周期與位同步信號周期相同，不同相位的多路門選通信號; · I. 3. 2具有門選通功能的多個(gè)第二計(jì)數(shù)器在不同相位門選通信號的控制下，分別對輸入同位碼光信號的單光子脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)；在門選通信號為高電平時(shí)對輸入單光子脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，在門選通信號為低電平時(shí)對輸入單光子脈沖不計(jì)數(shù)；· I. 3. 3比較器通過比較多個(gè)第二計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，將計(jì)數(shù)值最大的第二計(jì)數(shù)器的序號發(fā)送到選擇器的輸入端； ·I. 3. 4選擇器根據(jù)所輸入的第二計(jì)數(shù)器序號選擇第二計(jì)數(shù)器對應(yīng)的門控選通信號作為位同步信號輸出； ·1.4位同步信號輸出至邏輯控制器，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)建立同步連接； ·2發(fā)射信息,解調(diào)信息 · 2.I光源發(fā)出光載波信號，強(qiáng)度調(diào)制器對光載波信號的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制并發(fā)送所要傳輸信息的有效光信號，有效光信號經(jīng)光學(xué)發(fā)射天線發(fā)送出去； · 2.2有效光信號經(jīng)過遠(yuǎn)距離的信道后，將衰減為單光子態(tài)有效光信號；.2. 3接收機(jī)端的接收光學(xué)天線將接收到的單光子態(tài)有效光信號聚焦到單光子探測器，單光子探測器輸出離散的單光子脈沖信號； .2. 4對離散的單光子脈沖信號的脈 沖進(jìn)行反相放大，得到放大的單光子脈沖信號； .2. 5利用信噪比較器對放大后的單光子脈沖信號進(jìn)行甄別，濾除噪聲脈沖， 所述輸入信噪比較器的閾值高于噪聲水平，且低于探測器輸出的單光子脈沖信號的振幅; .2. 6利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器對信噪比較器輸出的單光子脈沖信號進(jìn)行展寬輸出展寬單光子脈沖信號； .2.7展寬單光子脈沖信號輸入至基于FPGA的傳輸信號提取電路； .2.7. I第一比較器對輸入基于FPGA的傳輸信號提取電路的展寬單光子脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)； .2.7. 2邏輯控制器在毎次檢測到位同步信號的上升沿后，把第一計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)值存到緩存器，同時(shí)對第一計(jì)數(shù)器進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位后的計(jì)數(shù)器開始對輸入的展寬單光子脈沖信號重新計(jì)數(shù)； .2.7. 3光子數(shù)比較器比較緩存器和閾值寄存器中的值 如果緩存器中計(jì)數(shù)值大于閾值寄存器中的閾值，則為高電平信號，輸出所傳輸信息“1”，同時(shí)執(zhí)行步驟2. 7.2； 如果緩存器中計(jì)數(shù)值小于閾值寄存器中的閾值，則為低電平信號，輸出所傳輸信息“O”，同時(shí)執(zhí)行步驟2. 7.2； 所述閾值寄存器中的閾值大于位同步信號內(nèi)暗計(jì)數(shù)的平均值，小于位同步信號內(nèi)單光子脈沖的平均值； .2.8解調(diào)出所傳輸信息。
全文摘要
一種空間光通信中光信號的調(diào)制和解調(diào)裝置，包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，發(fā)射機(jī)包括沿光路依次設(shè)置的光源、強(qiáng)度調(diào)制器和光學(xué)發(fā)射天線，接收機(jī)按照信號傳輸方向依次設(shè)置有光學(xué)接收天線、單光子探測器、前置放大器、信噪比較器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器以及基于FPGA的傳輸信號提取電路；一種空間光通信中光信號的調(diào)制和解調(diào)方法包括1發(fā)射機(jī)與接收機(jī)建立同步連接，2發(fā)射信息，解調(diào)信息等步驟。本發(fā)明針對當(dāng)前空間光通信對低功耗、超遠(yuǎn)距離通信的要求，提出一種基于單光子探測的空間光通信中光信號的調(diào)制和解調(diào)裝置和方法，具有非常高的信號光接收靈敏度，誤碼率低，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，功耗低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H04B10/04GK102638301SQ201210079988
公開日2012年8月15日 申請日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者劉永安, 盛立志, 賽小鋒, 趙寶升, 鄢秋榮, 韋永林 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所