本發(fā)明涉及光通信技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種Nd:YAG(Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet，釔鋁石榴石晶體)太陽光泵浦激光器地面通信性能驗證與測試系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

未來的通信模式越發(fā)要求實現(xiàn)高速率、遠距離傳輸，但是受制于微波器件以及頻域帶寬的限制，微波通信的發(fā)展面臨瓶頸，這也使得光通信技術(shù)將成為未來通信的重要方式。與傳統(tǒng)的微波通信相比，光通信不僅具有超大的帶寬，能夠進行每秒數(shù)十吉的高速數(shù)據(jù)傳輸，而且由于光通信極其隱秘性，使得其具備較強的保密功能，另外光波在太空中不易衰減的優(yōu)勢使得其成為深空通信的重要方式。在地面上，自由空間光通信在承擔(dān)短距離野外通訊、應(yīng)急通訊、星地高速通訊等任務(wù)中已成為新興的力量。

本發(fā)明提出一種陽光泵浦光通信地面通信系統(tǒng)，并對此系統(tǒng)進行了性能的測試和驗證。本發(fā)明采用集成化處理，通過實現(xiàn)晶體的新型組合、半波電壓自動調(diào)整、虛擬儀器測試、高效率測算等技術(shù)對整個地面通信系統(tǒng)的各通信參數(shù)進行全面測試和驗證，實現(xiàn)了適用于多種測試環(huán)境下、低測試成本、全性能參數(shù)覆蓋的測試與驗證。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種太陽光泵浦激光器地面通信性能驗證與測試系統(tǒng)。

根據(jù)本發(fā)明提供的太陽光泵浦激光器地面通信性能驗證與測試系統(tǒng)，包括測試信號發(fā)生模塊、載波通信模塊以及測試信號還原與驗證模塊，

所述測試信號發(fā)生模塊，用于產(chǎn)生若干種不同的測試信號，并傳輸至載波通信模塊；

所述載波通信模塊，用于將測試信號加載到激光器的載波中，由光學(xué)發(fā)射天線發(fā)射至傳輸空間，并將對應(yīng)光學(xué)接收天線接收到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號后傳輸至測試信號還原與驗證模塊；

所述測試信號還原與驗證模塊，用于將接收到的電信號進行放大、還原。

優(yōu)選地，所述測試信號發(fā)生模塊包括：信號發(fā)生器、信號編碼器以及信號放大器，具體地，通過MATLAB生成測試數(shù)據(jù)文件，將數(shù)據(jù)文件燒寫入FPGA器件中，通過相應(yīng)的邏輯操作給每一個多比特數(shù)據(jù)加入信標(biāo)，并生成指定速率的測試信號，產(chǎn)生的測試信號經(jīng)過邏輯編碼處理，信號放大后傳輸至載波通信模塊。

優(yōu)選地，所述載波通信模塊包括：信號調(diào)制器、光學(xué)發(fā)射天線、光學(xué)接收天線、半波電壓增益自動調(diào)節(jié)單元，具體地，將測試信號加載到載波激光中，并通過光學(xué)發(fā)射天線將光信號輸出，并在接收端應(yīng)用光學(xué)接收天線接收光學(xué)信號，對相應(yīng)的光學(xué)信號進行光電轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的電信號送入測試信號還原與驗證區(qū)；其中，所述半波電壓增益自動調(diào)節(jié)單元用于根據(jù)輸出光功率對激光器的半波電壓進行自動調(diào)整。

優(yōu)選地，所述半波電壓增益自動調(diào)節(jié)單元包括：溫度傳感控制器、增益控制單元；具體地，當(dāng)改變激光器的溫度時，增益控制單元對激光器溫度和輸出光功率值進行實時采集并送入單片機，與單片機內(nèi)設(shè)定的值進行數(shù)據(jù)處理，所述單片機發(fā)出指令調(diào)整激光器的半波電壓。

優(yōu)選地，所述測試信號還原與驗證模塊包括：信號放大器、FPGA芯片，具體地，通過FPGA芯片測試信號放大器放大的電信號，將FPGA芯片測試時生成的數(shù)據(jù)與原測試信號進行比對與處理，實現(xiàn)對通信誤碼率的測算；并且利用NI PXIE板卡對通信參數(shù)進行測試，實現(xiàn)虛擬化儀器對通信性能的驗證。

優(yōu)選地，所述太陽光泵浦激光器為Nd:YAG陽光泵浦激光器，Nd:YAG又稱釔鋁石榴石晶體，且包含四個串并聯(lián)組合的晶體，每個晶體通過獨立的半波電壓供給以及信號驅(qū)動模塊供給半波電壓。

優(yōu)選地，所述測試信號還原與驗證模塊還包括：發(fā)射端計算機、中心處理計算機、接收端計算機，所述發(fā)射端計算機記錄測試信號發(fā)生模塊發(fā)送信號的時刻，所述接收端計算機記錄測試信號還原模塊接收到電信號的時刻；所述中心處理計算機設(shè)置在發(fā)射端計算機和接收端計算機這兩個終端計算機之間，通過抵消兩個終端計算機的線路延遲時間，以及考慮不同模塊的延時，實現(xiàn)了對通信延遲的簡單測算。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

1、本發(fā)明能夠?qū)μ柟獗闷旨す馄鞯孛嫱ㄐ畔到y(tǒng)進行多種參數(shù)的測量，并且能夠兼顧對多種自由光通信地面系統(tǒng)進行性能驗證和參數(shù)測試；其中采用四個Nd:YAG串并聯(lián)的組合結(jié)構(gòu)，有效的降低了系統(tǒng)半波電壓的供給壓力，同時由于半波電壓降低，亦能有效降低晶體工作時的溫度，降低自動增益系統(tǒng)的自調(diào)節(jié)頻率，有效的提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2、本發(fā)明提供的太陽光泵浦激光器地面通信性能驗證與測試系統(tǒng)的測試信號、信號編解碼、信號發(fā)送與接收還原以及驗證都在FPGA芯片中進行處理，并且還實現(xiàn)半波電壓自動調(diào)整，保證輸出的信號質(zhì)量結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，能夠覆蓋完整的光通信測試系統(tǒng)，且易于二次開發(fā)和升級。

3、本發(fā)明提出了溫度、電壓雙因素輸入的自動增益控制方法，實現(xiàn)對晶體半波電壓的及時補償與調(diào)整，保證了晶體有效的工作在晶體的線性放大區(qū)間，實現(xiàn)對信號穩(wěn)定可靠的線性放大。

4、本發(fā)明利用高精度電流、電壓變換裝置，將接收端的電流轉(zhuǎn)化為電壓信號，并進行高效的濾波算法處理，實現(xiàn)了對光敏感度的高精度測算，避免了采用昂貴的光敏感計進行測量，實現(xiàn)了低成本、集成化的信號處理與測算。

5、本發(fā)明通過設(shè)置中心處理計算機，將發(fā)送端的信號發(fā)送時刻和接收端的信號接收時刻進行采集與處理，通過抵消兩個終端計算機的線路延遲時間，加入對器件的典型延遲時間的考慮，實現(xiàn)了對通信延遲的簡單測算；采用計算機實時累加處理、發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)比對、數(shù)據(jù)矩陣快速處理等方法，在計算機上實現(xiàn)了對誤碼率的測算；采用最高輸出與最低輸出的光功率測算，實現(xiàn)對消光比的簡易測試。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1為Nd:YAG太陽光泵浦激光器地面通信驗證及測試系統(tǒng)的原理圖；

圖2為測試信號發(fā)生子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為半波電壓供給以及信號驅(qū)動子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖4為自動增益控制子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖5為測試信號還原模塊結(jié)構(gòu)框圖。

圖中：

1-中心處理計算機；

2-發(fā)射端計算機；

3-測試信號發(fā)生模塊；

4-半波電壓供給以及信號驅(qū)動模塊；

5-增益控制單元；

6-光通斷開關(guān)；

7-太陽光泵浦激光器；

8-溫度傳感控制器；

9-分光器；

10-光學(xué)天線發(fā)射端；

11-光學(xué)天線接收端；

12-光電探測器；

13-測試信號還原與驗證模塊；

14-接收端計算機；

15-光功率計。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變化和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

根據(jù)本發(fā)明提供的Nd:YAG太陽光泵浦激光器地面通信性能驗證與測試系統(tǒng)，包括：測試信號發(fā)生模塊、載波通信模塊以及測試信號還原與驗證模塊，

所述測試信號發(fā)生模塊，用于產(chǎn)生若干種不同的測試信號，并傳輸至載波通信模塊；

所述載波通信模塊，用于將測試信號加載到激光器的載波中，由光學(xué)發(fā)射天線發(fā)射至傳輸空間，并將對應(yīng)光學(xué)接收天線接收到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號后傳輸至測試信號還原與驗證模塊；

所述測試信號還原與驗證模塊，用于將接收到的電信號進行放大、還原。

所述測試信號發(fā)生模塊包括：信號發(fā)生器、信號編碼器以及信號放大器，具體地，通過MATLAB生成測試數(shù)據(jù)文件，將數(shù)據(jù)文件燒寫入FPGA器件中，通過相應(yīng)的邏輯操作給每一個多比特數(shù)據(jù)加入信標(biāo)，并生成指定速率的測試信號，產(chǎn)生的測試信號經(jīng)過邏輯編碼處理，信號放大后傳輸至載波通信模塊。

所述載波通信模塊包括：信號調(diào)制器、光學(xué)發(fā)射天線、光學(xué)接收天線、半波電壓增益自動調(diào)節(jié)單元，具體地，將測試信號加載到載波激光中，并通過光學(xué)發(fā)射天線將光信號輸出，并在接收端應(yīng)用光學(xué)接收天線接收光學(xué)信號，對相應(yīng)的光學(xué)信號進行光電轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的電信號送入測試信號還原與驗證區(qū)；其中，所述半波電壓增益自動調(diào)節(jié)單元用于根據(jù)輸出光功率對激光器的半波電壓進行自動調(diào)整。

所述半波電壓增益自動調(diào)節(jié)單元包括：溫度傳感控制器8、增益控制單元5；具體地，當(dāng)改變激光器的溫度時，增益控制單元5會根據(jù)輸出光功率的大小和激光器的溫度進行反饋，增益控制單元5通過對激光器溫度和輸出光功率值的實時采集并送入單片機與設(shè)定的值進行數(shù)據(jù)處理，單片機發(fā)出指令調(diào)整激光器的半波電壓，從而保持輸出光功率穩(wěn)定在線性區(qū)間。

所述測試信號還原與驗證模塊包括：信號放大器、FPGA芯片，具體地，通過信號放大器放大的電信號由FPGA芯片進行測試，將實時生成的數(shù)據(jù)與原測試信號進行比對與處理，實現(xiàn)對通信誤碼率的測算；并且利用NI PXIE板卡對通信參數(shù)進行測試，實現(xiàn)虛擬化儀器對通信性能的驗證。

具體地，如圖1所示，Nd:YAG太陽光泵浦激光器地面通信驗證及測試系統(tǒng)由測試信號發(fā)生模塊3、半波電壓供給以及信號驅(qū)動模塊4、增益控制單元5、光通斷開關(guān)6以及太陽光泵浦激光器7，一對光學(xué)天線，三臺計算機組成。

具體工作過程如下：

步驟1，將光學(xué)發(fā)射天線和光學(xué)接收天線對準(zhǔn)，使得光學(xué)接收天線能夠穩(wěn)定地接收到光學(xué)發(fā)射天線輸出的光學(xué)信號，設(shè)置Nd:YAG(釔鋁石榴石晶體)組合結(jié)構(gòu)為四晶體串并聯(lián)組合，通過獨立的半波電壓供給以及信號驅(qū)動模塊供給太陽光泵浦激光器7半波電壓，并調(diào)整增益控制的大小，使激光輸出在穩(wěn)定的線性區(qū)間；

步驟2：通過發(fā)射端計算機2生成波形數(shù)據(jù)文件，并燒寫入測試信號發(fā)生模塊中，在波形產(chǎn)生之時將產(chǎn)生時間和波形數(shù)據(jù)文件傳遞給中心處理計算機1；

步驟3，太陽光泵浦激光器7通過調(diào)制生成相應(yīng)的調(diào)制光，輸出給光學(xué)天線發(fā)射端10，光學(xué)天線接收端11接收到光信號進行光電轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換的電信號進行放大、嵌位，送給NI PCIE信號處理板卡進行處理，處理后的數(shù)據(jù)通過接收端計算機14，將接收時間和接收數(shù)據(jù)送給中心處理計算機1；

步驟4，中心處理計算機1位于發(fā)射端計算機1和接收端計算機14的中間位置，兩者的線路傳播時延可以抵消，中心處理計算機通過比對發(fā)射端和接收端記錄的時刻，并加入器件延遲時間的典型值計算，獲得相應(yīng)的通信時延結(jié)果；

步驟5，通過長時間的試驗(每種環(huán)境條件下的試驗時間不小于2小時)，多次改變信道的環(huán)境條件(試驗環(huán)境溫度、試驗環(huán)境濕度、試驗環(huán)境的可見度等)，中心處理計算機1比對接收數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)矩陣的處理與計算，獲得系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下的通信誤碼率統(tǒng)計結(jié)果；

步驟6，改變太陽光泵浦激光器7的溫度，增益控制單元5會根據(jù)輸出光功率的大小和太陽光泵浦激光器7的溫度進行反饋，增益控制單元5通過對太陽光泵浦激光器7的溫度和輸出光功率的值同時進行實時采集，將兩者的數(shù)據(jù)送入單片機與設(shè)定的值進行數(shù)據(jù)處理，單片機發(fā)出指令調(diào)整太陽光泵浦激光器7晶體的半波電壓，從而保持輸出光功率穩(wěn)定在線性區(qū)間；

步驟7，改變輸入載波激光功率，調(diào)整半波電壓，測試數(shù)據(jù)誤碼率達到10^-12時，利用測試信號還原與驗證模塊13中的高精度電流、電壓轉(zhuǎn)換裝置，經(jīng)過濾波算法處理，獲得高精度的輸出電流強度，再利用光學(xué)天線發(fā)射端10的光功率計獲得輸出光功率(兩倍關(guān)系)，通過采用信道衰減公式，計算得到光學(xué)天線接收端11的輸入光功率，通過光敏感度公式S＝I/E(I是輸出電流值，E是輸入光功率)可獲得光敏感度；

步驟8，改變輸入的數(shù)據(jù)波形文件，使得某個測試階段的數(shù)據(jù)波形全為1，另外一個數(shù)據(jù)波形階段全為0，控制誤碼率不大于10^-12，通過步驟七的試驗方法得到兩次的輸入光功率，得到系統(tǒng)的消光比和晶體的消光比測試結(jié)果。

更進一步地，本發(fā)明中四個Nd:YAG串并聯(lián)(兩兩串聯(lián)再并聯(lián))組合，有效的降低了系統(tǒng)半波電壓的供給壓力，同時由于半波電壓降低，亦能有效降低晶體工作時的溫度，降低自動增益系統(tǒng)的自調(diào)節(jié)頻率，有效的提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

本發(fā)明提出了溫度、電壓雙因素輸入的自動增益控制方法，實現(xiàn)對晶體半波電壓的及時補償與調(diào)整，保證了晶體有效的工作在晶體的線性放大區(qū)間，實現(xiàn)對信號穩(wěn)定可靠的線性放大。

本發(fā)明利用便攜式電腦和以FPGA芯片為主的信號處理載板，進行集成化、模塊化的信號處理，高效的完成了發(fā)送信號的任意生成和接收信號的實時處理，同時，信號處理載板支持二次開發(fā)，便于系統(tǒng)的升級。

利用高精度電流、電壓變換裝置，將接收端的電流轉(zhuǎn)化為電壓信號，并進行高效的濾波算法處理，實現(xiàn)了對光敏感度的高精度測算，本發(fā)明避免了采用昂貴的光敏感計進行測量，實現(xiàn)了低成本、集成化的信號處理與測算。通過設(shè)置中心處理計算機，將發(fā)送端的信號發(fā)送時刻和接收端的信號接收時刻進行采集與處理，通過抵消兩個終端計算機的線路延遲時間，加入對器件的典型延遲時間的考慮，實現(xiàn)了對通信延遲的簡單測算；采用計算機實時累加處理、發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)比對、數(shù)據(jù)矩陣快速處理等方法，在計算機上實現(xiàn)了對誤碼率的測算；采用最高輸出與最低輸出的光功率測算，實現(xiàn)對消光比的簡易測試。

整個系統(tǒng)設(shè)計采用模塊化、集成化設(shè)計，并通過PCIE板卡連接到計算機，實現(xiàn)虛擬儀器對數(shù)據(jù)的實時采集與測試，實現(xiàn)了低成本、高效率、全覆蓋測試。

本領(lǐng)域技術(shù)人員知道，除了以純計算機可讀程序代碼方式實現(xiàn)本發(fā)明提供的系統(tǒng)及其各個裝置以外，完全可以通過將方法步驟進行邏輯編程來使得本發(fā)明提供的系統(tǒng)及其各個裝置以邏輯門、開關(guān)、專用集成電路、可編程邏輯控制器以及嵌入式微控制器等的形式來實現(xiàn)相同功能。所以，本發(fā)明提供的系統(tǒng)及其各項裝置可以被認為是一種硬件部件，而對其內(nèi)包括的用于實現(xiàn)各種功能的裝置也可以視為硬件部件內(nèi)的結(jié)構(gòu)；也可以將用于實現(xiàn)各種功能的裝置視為既可以是實現(xiàn)方法的軟件模塊又可以是硬件部件內(nèi)的結(jié)構(gòu)。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變化或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。在不沖突的情況下，本申請的實施例和實施例中的特征可以任意相互組合。