专利名称：一种空间光通信中光信号的调制和解调装置和方法
技术领域：
本发明涉及空间通信技术领域，特别涉及空间光通信中光信号的调制、探测、解调和同步。
背景技术：
空间光通信是各国竞相研究的热点，低功耗、超远距离通信是空间光通信要解决的关键技术问题之一。空间光通信中光信号的调制和解调目前主要有两种。一种是直接强度调制/直接探测系统，另一种是相关调制/外差探测系统。在直接强度调制/直接探测系统中，发射端通过对光载波的强度进行直接调制来发送所要传输的信息，如OOK(通断调制)，PPM(脉冲位置调制)等。在接收端，光学透镜天线将入射光聚焦到探测器，探测器接收到入射光后，将光信号直接转换成电流信号，通过解调探测器输出的电流信号来获得所传输的信息。根据光电转换定律，探测器输出的电流与光功率成正比，因此直接检测又叫光的功率检测和非相关检测。直接强度调制/直接检测系统，具有结构简单，容易实现等优点，但缺点是接收灵敏度低。在相关调制/外差探测系统中，发送端通过对光载波信号的移频和移相进行调制来发送所要传输的信息，如PSK(移相键控)。接收端光学透镜天线接收到入射的信号光后，与一本振光进行相干。探测器性相当于混频器，它相应的是信号光和本振光的差频分量，探测器输出的是中频光电流。探测器输出的电流信号经过中频放大滤波后，通过鉴频和鉴相实现解调信息。相关调制/外差探测系统，具有接收灵敏度高的优点，但在接收端增加了本振光，且要求本振光和信号光在空间相干性上要求比较严格，因此系统结构复杂，功耗大。单光子探测技术是一种具有单光子探测灵敏度的探测技术，具有非常高的灵敏度。单光子探测技术用于光通信可以，降低功耗，实现超远距离通信。专利(申请号201110166120. 5)提出了一种基于单光子探测的超远距离光通信系统及方法，光通信系统发送端采用偏振调制，要发送信号“O”时，用电子学控制激光器发送水平偏振光脉冲，要发送信号“I”时，用电子学控制激光器发送水平偏振光脉冲。光通信系统的接收端采用偏振分光棱镜将接受的信号光分为水平偏振和垂直偏振，分别用两个单光子探测器接收水平偏振和垂直偏振，解码出信号“I”和“O”。不难看出上述专利申请存在的问题1)该专利申请没有给出单光子探测器接收到水平和垂直偏振光脉冲后，提取信号“I”和“O”的方法。只给出了信号光的偏振调制方法。2)该专利申请增加系统的复杂程度，在发送端需要精密的电子学控制激光器产生不同的偏振光，接受端需要偏振分光镜和两个单光子探测器。3)系统的误码率高，信道的退偏、系统偏振对比度不高和暗计数等都将使接受到的数据无效。
发明内容
本发明的目的在于，针对当前空间光通信对低功耗、超远距离通信的要求，提出一种基于单光子探测的空间光通信中光信号的调制和解调装置和方法。本发明的技术解决方案如下、
一种空间光通信中光信号的调制和解调装置，包括发射机和接收机，其特殊之处在于所述发射机包括沿光路依次设置的光源、强度调制器和光学发射天线，所述接收机按照信号传输方向依次设置有光学接收天线、单光子探测器、前置放大器、信噪比较器、单稳态触发器以及基于FPGA的传输信号提取电路，所述基于FPGA的传输信号提取电路包括位同步信号提取模块、第一计数器、逻辑控制器、缓存器、阈值寄存器和光子数比较器，所述单稳态触发器输出端同时与同步信号提取模块和第一计数器连接，所述第一计数器的输出端通过缓存器与光子数比较器，所述同步信号提取模块的输出端通过逻辑控制器、缓存器输与光子数比较器连接，所述阈值寄存器与光子数比较器连接，所述逻辑控制器向第一计数器提供复位信号。
上述位同步信号提取模块包括门控选通信号发送器、多个第二计数器、比较器以及选择器，所述门控选通信号发送器产生多路门选通信号，每路门选通信号控制一个第二计数器，每个第二计数器的输入端与单稳态触发器的输出端连接，每个第二计数器的输出端与比较器连接，所述比较器的输出端与选择器连接，所述门控选通信号发送器产生多路门选通信号并输入给选择器。上述单光子探测器为光电倍增管、微通道板或雪崩APD探测器。上述前置放大器为快速电流灵敏放大器。一种空间光通信中光信号的调制和解调方法，其特殊之处在于包括以下步骤I发射机与接收机建立同步连接I. I光源经过强度调制器、光学发射天线发射同位码光信号；I. 2光学接收天线接收同位码光信号，经过单光子探测器、前置放大器、信噪比较器、单稳态触发器，发送给位同步信号提取模块；I. 3提取位同步信号I. 3. I门选通信号发生器产生周期与位同步信号周期相同，不同相位的多路门选通信号；I. 3. 2具有门选通功能的多个第二计数器在不同相位门选通信号的控制下，分别对输入同位码光信号的单光子脉冲进行计数；在门选通信号为高电平时对输入单光子脉冲进行计数，在门选通信号为低电平时对输入单光子脉冲不计数；I. 3. 3比较器通过比较多个第二计数器的计数值，将计数值最大的第二计数器的序号发送到选择器的输入端；I. 3. 4选择器根据所输入的第二计数器序号选择第二计数器对应的门控选通信号作为位同步信号输出；I. 4位同步信号输出至逻辑控制器，发射机与接收机建立同步连接；2发射信息，解调信息2. I光源发出光载波信号，强度调制器对光载波信号的强度进行调制并发送所要传输信息的有效光信号，有效光信号经光学发射天线发送出去；2. 2有效光信号经过远距离的信道后，将衰减为单光子态有效光信号；2. 3接收机端的接收光学天线将接收到的单光子态有效光信号聚焦到单光子探测器，单光子探测器输出离散的单光子脉冲信号；2. 4对离散的单光子脉冲信号的脉冲进行反相放大，得到放大的单光子脉冲信号;2. 5利用信噪比较器对放大后的单光子脉冲信号进行甄别，滤除噪声脉冲，所述输入信噪比较器的阈值高于噪声水平，且低于探测器输出的单光子脉冲信号的振幅；2. 6利用单稳态触发器对信噪比较器输出的单光子脉冲信号进行展宽输出展宽单光子脉冲信号；2. 7展宽单光子脉冲信号输入至基于FPGA的传输信号提取电路；2. 7. I第一比较器对输入基于FPGA的传输信号提取电路的展宽单光子脉冲信号进行计数；2. 7. 2逻辑控制器在每次检测到位同步信号的上升沿后，把第一计数器中的计数值存到缓存器，同时对第一计数器进行复位，复位后的计数器开始对输入的展宽单光子脉冲信号重新计数；2. 7. 3光子数比较器比较缓存器和阈值寄存器中的值如果缓存器中计数值大于阈值寄存器中的阈值，则为高电平信号，输出所传输信息“1”，同时执行步骤2. 7.2；如果缓存器中计数值小于阈值寄存器中的阈值，则为低电平信号，输出所传输信息“O”，同时执行步骤2. 7.2；所述阈值寄存器中的阈值大于位同步信号内暗计数的平均值，小于位同步信号内单光子脉冲的平均值；2.8解调出所传输信息。本发明所具有的优点I、具有非常高的信号光接收灵敏度。本发明提出空间光通信的调制和解调装置和方法，是在基于单光子探测技术。探测器工作在光子计数模式，通过对探测器输出的单光子的脉冲数来解调信号，而不是通过检测探测器输出的电流来解调信号。具有非常高的探测灵敏度。从而可利用较低的功耗，实现超远距离的空间光通信。2、误码率低。本发明一是利用阈值甄别的方法去除探测器输出脉冲中的暗噪声，二是利用位同步信号周期内单光子脉冲的个数大于阈值的方法，来去除暗计数对信号提取的影响。因此系统噪声和暗计数对信号的提取影响非常小，所以误码率非常低。3、结构简单，重量轻，功耗低等优点，空间光通信的调制和解调装置和方法，光通信的调制端采用光强的直接调制，如OOK和PPM调制，接受端只需要一个单光子探测器便可实现信号的提取，不需要偏振分光镜，因此具有结构简单，重量轻，功耗低等优点。4、具高的灵活性和集成度高，本发明利用可重复编程的FPGA来实现同步和信号的提取，具有非常高的灵活性和集成度。
图I为本发明基于单光子探测的空间光通信的调制和解调装置的结构示意图；图2为基于单光子探测的信号的解调时序图；图3为基于FPGA的传输信号提取电路的结构示意图；图4为位同步信号提取模块的结构示意图5为信号提取的时序图。
具体实施例方式如图I所示，空间光通信中光信号的调制和解调装置，包括发射机和接收机，发射机包括沿光路依次设置的光源、强度调制器和光学发射天线，接收机按照信号传输方向依次设置有光学接收天线、单光子探测器、前置放大器、信噪比较器、单稳态触发器以及基 于FPGA的传输信号提取电路。单光子探测器为光电倍增管、微通道板或雪崩APD探测器。前置放大器为快速电流灵敏放大器。如图3所示，基于FPGA的传输信号提取电路包括位同步信号提取模块、第一计数器、逻辑控制器、缓存器、阈值寄存器和光子数比较器，单稳态触发器输出端同时与同步信号提取模块和第一计数器连接，第一计数器的输出端通过缓存器与光子数比较器，同步信号提取模块的输出端通过逻辑控制器、缓存器输与光子数比较器连接，阈值寄存器与光子数比较器连接，逻辑控制器向第一计数器提供复位信号。如图4所示，位同步信号提取模块包括门控选通信号发送器、多个第二计数器、t匕较器以及选择器，门控选通信号发送器产生多路门选通信号，每路门选通信号控制一个第二计数器，每个第二计数器的输入端与单稳态触发器的输出端连接，每个第二计数器的输出端与比较器连接，比较器的输出端与选择器连接，门控选通信号发送器产生多路门选通信号并输入给选择器。一种空间光通信中光信号的调制和解调方法，包括以下步骤I发射机与接收机建立同步连接I. I光源经过强度调制器、光学发射天线发射同位码光信号；I. 2光学接收天线接收同位码光信号，经过单光子探测器、前置放大器、信噪比较器、单稳态触发器，发送给位同步信号提取模块；I. 3提取位同步信号I. 3. I门选通信号发生器产生周期与位同步信号周期相同，不同相位的多路门选通信号；I. 3. 2具有门选通功能的多个第二计数器在不同相位门选通信号的控制下，分别对输入同位码光信号的单光子脉冲进行计数；在门选通信号为高电平时对输入单光子脉冲进行计数，在门选通信号为低电平时对输入单光子脉冲不计数；I. 3. 3比较器通过比较多个第二计数器的计数值，将计数值最大的第二计数器的序号发送到选择器的输入端；I. 3. 4选择器根据所输入的第二计数器序号选择第二计数器对应的门控选通信号作为位同步信号输出；I. 4位同步信号输出至逻辑控制器，发射机与接收机建立同步连接；2发射信息，解调信息2. I光源发出光载波信号，强度调制器对光载波信号的强度进行调制并发送所要传输信息的有效光信号，有效光信号经光学发射天线发送出去；2. 2有效光信号经过远距离的信道后，将衰减为单光子态有效光信号；
2. 3接收机端的接收光学天线将接收到的单光子态有效光信号聚焦到单光子探测器，单光子探测器输出离散的单光子脉冲信号；2. 4对离散的单光子脉冲信号的脉冲进行反相放大，得到放大的单光子脉冲信号;2. 5利用信噪比较器对放大后的单光子脉冲信号进行甄别，滤除噪声脉冲，所述输入信噪比较器的阈值高于噪声水平，且低于探测器输出的单光子脉冲信号的振幅；2. 6利用单稳态触发器对信噪比较器输出的单光子脉冲信号进行展宽输出展宽单光子脉冲信号；采用阈值比较的方法去除探测器输出脉冲中的噪声脉冲和部分暗脉冲以提闻彳目噪比。2. 7展宽单光子脉冲信号输入至基于FPGA的传输信号提取电路；采用单稳态触发器来变换单光子脉冲的电平和对单光子脉冲进行展宽，以便与基于FPGA的信号提取和同步电路相匹配。2. 7. I第一比较器对输入基于FPGA的传输信号提取电路的展宽单光子脉冲信号进行计数；2. 7. 2逻辑控制器在每次检测到位同步信号的上升沿后，把第一计数器中的计数值存到缓存器，同时对第一计数器进行复位，复位后的计数器开始对输入的展宽单光子脉冲信号重新计数；2. 7. 3光子数比较器比较缓存器和阈值寄存器中的值如果缓存器中计数值大于阈值寄存器中的阈值，则为高电平信号，输出所传输信息“1”，同时执行步骤2. 7.2；如果缓存器中计数值小于阈值寄存器中的阈值，则为低电平信号，输出所传输信息“0”，同时执行步骤2. 7.2；所述阈值寄存器中的阈值大于位同步信号内暗计数的平均值，小于位同步信号内单光子脉冲的平均值；2.8]解调出所传输信息。实施例I、提取位同步信号的方法如下I. I在传输有效数据前，先传输位同步码，以提取位同步信号。I. 2在位同步码的调制下，发射机发送与位同步信号，周期和相位相同的周期性方波光信号。I. 3光接收机接收到用于位同步信号提取的光信号后，单稳态触发器输出的单光子脉冲输入到基于FPGA的信号提取模块中的位同步信号提取模块。I. 4同步信号的提取模块如图4所示，包括门控选通信号发送器，计数器，比较器，选择器。位同步信号的提取方法为1.4. I门选通信号发生器产生周期与位同步信号周期相同，不同相位的多路门选通信号。I. 4. 2具有门选通功能的计数器I 4在不同相位门选通信号的控制下，分别对输入的单光子脉冲进行计数。当门选通信号为高电平时对输入单光子脉冲进行计数，当门选、通信号为低电平时对输 入单光子脉冲不计数。I. 4. 3比较器通过比较计数器I 4的第二计数值，获得计数值最大的第二计数器的序号，并发送序号到选择器的输入端。I. 4. 4选择器根据所输入的计数器序号选择其中一路最同步的门控选通信号作为位同步信号输出。因为如果所产生的门控选通信号与发送端的位同步信号越同步，则计数器的值越大。图4中只画出4个门控选通信号，4个计数器。门控选通信号和计数器越多，所产生的位同步信号越精确。所提取的位同步信号输入逻辑控制器。提取出位同步信号后，开始传输有效数据。2、开始传输有效数据2. I、发射机端，强度调制器对光源发出的光载波信号的强度进行直接调制来发送所要传输的信息，如OOK(通断调制)。调制后的光信号经光学发射天线发送出去。如图2所示，2. 2、光信号经过远距离的信道后，将衰减的非常微弱，呈单光子态。2. 3、接收机端的接收光学天线将接收到的光信号聚焦到单光子探测器。2. 4、单光子探测器接收经信道衰减的极微弱的光信号，输出离散的单光子脉冲信号。单光子探测器可采用光电倍增管，微通道板，雪崩APD探测。2. 5、单光子探测器输出的脉冲幅度非常小，因此对单光子探测器输出的离散脉冲信号进行反相放大。前置放大器采用快速电流灵敏放大器。2. 6、采用比较器对单光子脉冲进行甄别。设置阈值高于噪声水平，同时应低于探测器输出的单光子脉冲的振幅，以滤除噪声脉冲。因为探测器输出的脉冲中，除了有代表单光子的脉冲，还包括噪声脉冲，和低幅度的暗计数脉冲。2. 7、由于比较器输出的脉冲信号非常窄，因此输入单稳态触发器将信号展宽，以便于基于FPGA的传输信号提取电路输入端进行匹配。2. 8、单稳态触发器输出的信号脉冲输入基于FPGA的传输信号提取电路进行信号提取。2. 9、基于FPGA的传输信号提取电路如图3所示，包括位同步信号提取模块，计数器，逻辑控制器，缓存器，阈值寄存器和比较器。具体的提取方法为I、具有复位功能的计数器对输入的FPGA的单光子脉冲进行计数。2、如图5所示，逻辑控制器在每次检测到同步信号的上升沿后，把计数中的计数值存到缓存器，同时对计数器进行复位。复位后的计数器开始对输入的单光子脉冲重新计数。因此缓存器中存的值为同步信号各脉冲间隔内单光子脉冲的计数。3、比较器比较缓存器和阈值寄存器中的值，如果缓存器中值大于阈值寄存器中的预设值，输出高电平信号，代表“ 1”，直到下一个计数值存入缓存器。如果缓存器中值小于阈值寄存器中的预设值，输出低电平信号，代表“0”，直到下一个计数值存入缓存器，从而解调出信息。4、阈值寄存器中的阈值应大于位同步信号内暗计数的平均值，小于位同步信号内单光子脉冲的平均值。因为输入传输信号提取电路的信号，除了代表单光子的脉冲外，还有幅度与单光子脉冲相当的少量暗噪声脉冲，这种脉冲在信号进入提取电路前是无法去除的，且出现具有随机性。所以在代表信息“0”时，位同步信号内也可能出现一个或多个暗计数。通过设置较大的阈值寄存器的值可以减小暗噪声脉冲对信号的提取，以减小误码率
权利要求
1.一种空间光通信中光信号的调制和解调装置，包括发射机和接收机，其特征在于所述发射机包括沿光路依次设置的光源、强度调制器和光学发射天线， 所述接收机按照信号传输方向依次设置有光学接收天线、单光子探测器、前置放大器、信噪比较器、单稳态触发器以及基于FPGA的传输信号提取电路， 所述基于FPGA的传输信号提取电路包括位同步信号提取模块、第一计数器、逻辑控制器、缓存器、阈值寄存器和光子数比较器，所述单稳态触发器输出端同时与同步信号提取模块和第一计数器连接，所述第一计数器的输出端通过缓存器与光子数比较器，所述同步信 号提取模块的输出端通过逻辑控制器、缓存器输与光子数比较器连接，所述阈值寄存器与光子数比较器连接，所述逻辑控制器向第一计数器提供复位信号。
2.根据权利要求I所述的空间光通信中光信号的调制和解调装置，其特征在于所述 位同步信号提取模块包括门控选通信号发送器、多个第二计数器、比较器以及选择器，所述门控选通信号发送器产生多路门选通信号，每路门选通信号控制一个第二计数器，每个第二计数器的输入端与单稳态触发器的输出端连接，每个第二计数器的输出端与比较器连接，所述比较器的输出端与选择器连接，所述门控选通信号发送器产生多路门选通信号并输入给选择器。
3.根据权利要求I或2所述的空间光通信中光信号的调制和解调装置，其特征在于所述单光子探测器为光电倍增管、微通道板或雪崩APD探测器。
4.根据权利要求3所述的空间光通信中光信号的调制和解调装置，其特征在于所述前置放大器为快速电流灵敏放大器。
5.一种空间光通信中光信号的调制和解调方法，其特征在于包括以下步骤 ·I发射机与接收机建立同步连接 ·1.1光源经过强度调制器、光学发射天线发射同位码光信号； · I. 2光学接收天线接收同位码光信号，经过单光子探测器、前置放大器、信噪比较器、单稳态触发器，发送给位同步信号提取模块； · I. 3提取位同步信号 · I. 3. I门选通信号发生器产生周期与位同步信号周期相同，不同相位的多路门选通信号; · I. 3. 2具有门选通功能的多个第二计数器在不同相位门选通信号的控制下，分别对输入同位码光信号的单光子脉冲进行计数；在门选通信号为高电平时对输入单光子脉冲进行计数，在门选通信号为低电平时对输入单光子脉冲不计数；· I. 3. 3比较器通过比较多个第二计数器的计数值，将计数值最大的第二计数器的序号发送到选择器的输入端； ·I. 3. 4选择器根据所输入的第二计数器序号选择第二计数器对应的门控选通信号作为位同步信号输出； ·1.4位同步信号输出至逻辑控制器，发射机与接收机建立同步连接； ·2发射信息,解调信息 · 2.I光源发出光载波信号，强度调制器对光载波信号的强度进行调制并发送所要传输信息的有效光信号，有效光信号经光学发射天线发送出去； · 2.2有效光信号经过远距离的信道后，将衰减为单光子态有效光信号；.2. 3接收机端的接收光学天线将接收到的单光子态有效光信号聚焦到单光子探測器，单光子探測器输出离散的单光子脉冲信号； .2. 4对离散的单光子脉冲信号的脉 冲进行反相放大，得到放大的单光子脉冲信号； .2. 5利用信噪比较器对放大后的单光子脉冲信号进行甄别，滤除噪声脉沖， 所述输入信噪比较器的阈值高于噪声水平，且低于探测器输出的单光子脉冲信号的振幅; .2. 6利用单稳态触发器对信噪比较器输出的单光子脉冲信号进行展宽输出展宽单光子脉冲信号； .2.7展宽单光子脉冲信号输入至基于FPGA的传输信号提取电路； .2.7. I第一比较器对输入基于FPGA的传输信号提取电路的展宽单光子脉冲信号进行计数； .2.7. 2逻辑控制器在毎次检测到位同步信号的上升沿后，把第一计数器中的计数值存到缓存器，同时对第一计数器进行复位，复位后的计数器开始对输入的展宽单光子脉冲信号重新计数； .2.7. 3光子数比较器比较缓存器和阈值寄存器中的值 如果缓存器中计数值大于阈值寄存器中的阈值，则为高电平信号，输出所传输信息“1”，同时执行步骤2. 7.2； 如果缓存器中计数值小于阈值寄存器中的阈值，则为低电平信号，输出所传输信息“O”，同时执行步骤2. 7.2； 所述阈值寄存器中的阈值大于位同步信号内暗计数的平均值，小于位同步信号内单光子脉冲的平均值； .2.8解调出所传输信息。
全文摘要
一种空间光通信中光信号的调制和解调装置，包括发射机和接收机，发射机包括沿光路依次设置的光源、强度调制器和光学发射天线，接收机按照信号传输方向依次设置有光学接收天线、单光子探测器、前置放大器、信噪比较器、单稳态触发器以及基于FPGA的传输信号提取电路；一种空间光通信中光信号的调制和解调方法包括1发射机与接收机建立同步连接，2发射信息，解调信息等步骤。本发明针对当前空间光通信对低功耗、超远距离通信的要求，提出一种基于单光子探测的空间光通信中光信号的调制和解调装置和方法，具有非常高的信号光接收灵敏度，误码率低，结构简单，重量轻，功耗低等优点。
文档编号H04B10/04GK102638301SQ201210079988
公开日2012年8月15日 申请日期2012年3月23日 优先权日2012年3月23日
发明者刘永安, 盛立志, 赛小锋, 赵宝升, 鄢秋荣, 韦永林 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所