一种用于无线光通信的波分复用接收系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于无线光通信的波分复用接收系统，特征是包括前置光学系统(1)、光谱信号分离系统(2)、探测器阵列(3)、高压电源电路(4)、信号预处理电路(5)、解调解码电路(6)、数字电源电路(7)和信宿(8)。其中前置光学系统(1)收集大气中的多光谱信号，随后光谱信号分离系统(2)将多光谱信号的各个谱段在空间上分离，并分别聚焦至探测器阵列(3)的各个单元。探测器阵列(3)分别将各谱段的光信号转化为电信号后，信号预处理电路(5)对其进行电流/电压转换并放大至TTL电平。最后，解调解码电路(6)对预处理后的信号进行解调和解码，获取原始信息并将其传送到信宿(8)。
【专利说明】一种用于无线光通信的波分复用接收系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线光通信所用的信号接收机，尤其是紫外到近红外谱段的信号接收机。
【背景技术】
[0002]随着平板电脑等个人网络设备的普及和网络服务的多样化，人们对无线网络的需求和依赖不断增加，传统的WIFI无线网络已经不能满足日益增长的需求。作为新兴的无线通信技术，无线光通信可以与现有无线通信网络结合，成为下一代无线通信网络的重要组成部分。美国电气和电子工程师协会(IEEE)已经为可见光谱段的无线通信制定了标准802.15.7以指导无线光通信系统的设计，英国、日本和韩国等国家的研宄者也设计了一些系统模型。
[0003]与传统的射频通信技术相比，无线光通信技术具有不需要谱段授权、没有电磁干扰和不易被窃听的优点。其中可见光谱段的无线光通信，还可以在完成照明功能的同时实现高速的数据通信，以减小能耗。因此适合用于室内家居和一些对电磁干扰敏感场合如医院的无线通信。由于光信号不能穿过墙壁，也可以由光学天线控制方向，因此其具有天然的小区分隔，并可以通过空分复用来提高信道的容量，非常适用于人口密度较大场合的通信。如会议会场。值得一提的是，由于从紫外到近红外谱段的光均能承载信号，且互不干扰，因此可以利用信道的波分复用来显著提高通信速率。
[0004]当前的无线光通信系统大多是分别基于紫外LED、白光LED、RGB三色LED或者红外LED，并没有出现将所有可用的LED谱段集成在一起的多光谱通信系统，大气中的光谱信道资源没有得到完全利用。与此同时，当前的多光谱LED光通信接收机大多采用半球形透镜作为前置光学系统，增益较低。在光谱分离方面，均是利用滤光片进行光谱分离，能量损失很大。
【发明内容】
[0005]本发明的任务在于提供一种基于光谱分离光路和探测器阵列，能够同时从紫外到近红外谱段接收多谱段无线光信号，并具有前置光学系统的多光谱无线光通信接收机。
[0006]其技术解决方案是:
[0007]一种用于无线光通信的波分复用接收系统，其特征在于包括前置光学系统、光谱信号分离系统、探测器阵列、高压电源电路、信号预处理电路、解调解码电路、数字电源电路和信宿8个部分。其中前置光学系统收集大气中的多光谱信号，随后光谱信号分离系统将接收到的多光谱信号在各个谱段上的子信号从空间上分离，并分别聚焦至探测器阵列的各个单元。探测器阵列分别将各谱段的光信号转化为电信号后，信号预处理电路对其进行电流/电压转换并放大至TTL电平。最后，解调解码电路对预处理后的信号进行解调和解码，获取信号所承载的原始信息并将其传送到信宿。信宿对信号的接收进行监控，并将接收的信息存储。该接收系统可以对大气中多光谱信号在各谱段的子信号进行提取和接收，以实现波分复用的无线光通信。与此同时，还能对背景光噪声的各个谱段进行提取，在多谱段提供无线光通信信道的原始数据。该接收系统的覆盖范围为300到1000纳米，可实现从紫外到近红外波段的全面覆盖。上述解调解码电路包括FPGA处理器，FLASH存储器，通信接口处理器，电源模块和信号整形模块。可将预处理电路输出的标准电平等级的信号按调制和编码方式进行解调和解码，从而得到原始的发送信号并将其发送给信宿。
[0008]上述信号预处理电路包括I/V转换电路，信号放大电路和幅度控制电路。其中I/V转换电路由跨导放大器芯片及其周边元件组成，可将探测器单元输出的微弱电流信号转化为电压信号，并实现信号的放大。信号放大电路由增益可控的放大器芯片及其周边元件组成。可对电压信号进行进一步的、增益可控的放大，以保证输出信号具有稳定的电平等级。幅度控制电路由单片机及其周边电路组成。其利用单片机内置的AD对多路信号进行采样，并根据采样信号的情况利用单片机内置的DA对信号放大电路的增益进行调节，以保证输出信号的稳定。
[0009]上述前置光学系统由正负透镜组组成，该光学系统可以使主面后移，负组透镜在前可以减小轴外光线对正组透镜的视场角，达到了大视场短焦距的目的。另外，信号光束近似于平行光束，被前置光学系统的负组透镜接收，所成的像为该系统正组透镜的物，正组透镜的任务就是将其成像于指定狭缝上，以便于光谱信号分离系统分光并接收信号。
[0010]上述光谱信号分离系统采用光栅分光结构，由狭缝，准直系统，光栅，聚焦系统组成。准直系统将狭缝出来的多光谱信号光转化为平行光，再通过光栅将多光谱信号在空间上进行分离，最后通过聚焦系统将多个单光谱信号聚焦到APD阵列上，从而实现多光谱探测接收的目的。准直系统包括准直镜和平面反射镜，其中准直镜可以将发散信号光转化为平行光，反射镜用于折叠光路。聚焦系统包括聚焦镜和柱面反射镜，聚焦镜用于将多个单光谱信号聚焦到APD阵列上进行探测接收，柱面反射镜用于调整系统的像差，从而实现较高的光谱分辨率。
[0011]本发明的创新点在于:
[0012](I)能够同时接收多路多光谱调制信号，谱段覆盖范围从300nm到lOOOnm，即紫外到近红外光的光谱范围。实现了多光谱信号中子光谱信号的多路分离和分路接收。
[0013](2)能够同时接收多路多光谱背景光信号，谱段覆盖范围从300nm到lOOOnm，。实现了对大气光信道背景噪声的多光谱实时监测。
[0014](3)前置光学系统可以将大视场范围内的多光谱信号聚焦于狭缝，实现了大视场、高增益的信号接收。
[0015](4)光谱信号分离系统可以在空间上将多光谱信号分为多个单光谱信号，然后用APD阵列对多个单光谱信号进行接收，从而实现多光谱多路接收探测，较大的提高了系统的信噪比和通信速率。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明的原理示意框图。
[0017]图2为本发明的信号放大电路的原理示意框图
[0018]图3为本发明实施方式一的前置光学系统的原理示意图
[0019]图4为本发明实施方式一的光谱信号分离系统的原理示意图
[0020]图5为本发明实施方式三的前置光学系统的原理示意图
[0021](附图中各部件尺寸和距离等没有严格按照比例画出)。
【具体实施方式】
[0022]结合附图详细描述本发明的优选实施方式。为了便于描述和突出显示本发明，附图中省略了现有技术中已有的相关部件，并将省略对这些公知部件的描述。
[0023]实施方式一:
[0024]结合图1，图2，图3，图4，一种用于无线光通信的波分复用接收系统。包括前置光学系统1、光谱信号分离系统2、探测器阵列3、高压电源电路4、信号预处理电路5、解调解码电路6、数字电源电路7和信宿8。其中前置光学系统收集大气中的多光谱信号，随后光谱信号分离系统将多光谱信号的各个谱段在空间上分离，并分别聚焦至探测器阵列的各个单元。探测器阵列共有8路，分别将各谱段的光信号转化为电信号后，利用8路信号预处理电路对其进行电流/电压转换并放大至TTL电平。最后，解调解码电路对预处理后的信号进行解调和解码，获取原始信息并将其传送到信宿。该接收系统可以对大气中多光谱信号在各谱段的子信号进行提取和接收，以实现波分复用的无线光通信。与此同时，还能对背景光噪声的各个谱段进行提取，在多谱段提供无线光通信信道的原始数据。该接收系统的覆盖范围为300到1000纳米，可实现从紫外到近红外波段的全面覆盖。
[0025]探测器阵列配备可控的高压电源，信号预处理电路和解调解码电路则由专用的数字电源电路供电。二者相互独立，以避免串扰。
[0026]优选地，上述探测器采用的是8个First Sensor公司的APD单管500970，并将其分别排列在光谱信号分离系统对各个子波段光信号的聚焦点上。该APD的光谱响应范围为300nm到lOOOnm，光敏面面积为5mm2，接收带宽为350MHzo
[0027]优选地，在该接收系统中，所接收多光谱光信号8个子波段的中心波长分别为310nm，350nm，410nm，450nm，515nm，600nm, 640nm 和 850nm，实现从紫外到近红外波段的全面覆盖。
[0028]结合图2，上述信号预处理电路包括I/V转换电路201，信号放大电路202和幅度控制电路203。其中I/V转换电路以跨导放大器芯片为核心，可将探测器单元输出的微弱电流信号转化为电压信号，并实现高增益的信号放大。信号放大电路以增益可控的放大器芯片为核心。可对电压信号进行进一步的、增益可控的放大，以保证输出信号具有稳定的电平等级。幅度控制电路以单片机芯片为核心，利用单片机内置的AD对多路信号进行采样，并根据采样信号的情况利用单片机内置的DA对信号放大电路的增益进行调节，以保证输出信号的稳定。上述ΙΛ转换电路，信号放大电路和幅度控制电路都具有8路，分别针对一个特定的子波段信号进行放大。
[0029]上述解调解码电路包括FPGA处理器及其周边电路，电源模块和信号整形模块。预处理电路输出的多路信号被送入FPGA，根据特定的调制和编码方式进行解调和解码，从而得到原始的发送信号并将其发送给信宿。
[0030]结合图3，上述前置光学系统包括负组透镜301和正组透镜302。负组透镜301在前，由三片透镜组成，正组透镜在后，由四片透镜组成。系统第一片透镜为弯月形负透镜，可以实现大视场信号光的接收，再通过后继光学透镜不断缩小像方视场角，从而将信号光汇聚于狭缝处。最终实现在视场角90° X22°范围内，将多光谱信号全部汇聚于狭缝接收处，增益可达到20，实现了从紫外到近红外波段的全面覆盖。
[0031]结合图4，上述光谱信号分离系统包括狭缝401，准直系统402，光栅403，聚焦系统404, APD阵列405。狭缝401尺寸为3X0.4mm。准直系统402由准直镜和平面反射镜组成，准直镜将狭缝401发散出来的信号光束转化为平行光束，平面反射镜折叠光路使平行光束射向光栅403。光栅403米用光栅常数为3001p/mm的平面光栅，在空间上将多光谱信号分离为8个单光谱信号光(中心波长分别为310nm，350nm，410nm，450nm，515nm，600nm，640nm和850nm)。这8路单光谱信号仍然是平行光束，聚焦系统404将8路信号光聚焦到APD阵列405上，从而实现多光谱多路探测接收。聚焦系统404由聚焦镜和柱面反射镜组成，聚焦镜用于将多路单光谱信号聚焦到APD阵列405上，柱面反射镜用于校正系统由于大视场宽波段带来的像差，使系统有较高的光谱分辨率，从而保证APD阵列405可以精准的对多路单光谱信号光进行探测接收，实现较高的信噪比。APD阵列405由8个First Sensor公司的APD单管500970组成，并将其分别排列在光谱信号分离系统对各个子波段光信号的聚焦点上。该APD的光谱响应范围为300nm到lOOOnm，光敏面面积为5mm2，接收带宽为350MHzo
[0032]实施方式二:
[0033]在实施方式一中，探测器阵列是由8个APD单管拼接构成。在实际使用中，在满足空间和波段要求的前提下，可以使用任意数量的APD单管或PIN单管拼接组成探测器阵列。也可直接使用APD阵列探测器和PIN阵列探测器对光信号进行接收。
[0034]实施方式三:
[0035]图5所示为根据本发明的实施方式三的一种用于无线光通信的波分复用接收系统的前置光学系统示意图。与实施方式一相比，该前置光学系统为折反射式光学系统，包括反射式光学系统501和折射式光学系统502。该折反射式光学系统的视场角是60°，视场角略小。但是该折反射式光学系统结构简单，易于加工，光能损失小，增益达到30。此实施方式的特点在于以减小视场角为代价，提高了系统的增益，并降低了系统的成本和复杂度。
[0036]为了更好地理解本发明，对有关内容补充说明如下:
[0037]一、关于信号预处理电路
[0038]信号预处理电路包括I/V转换，信号放大和增益控制3个部分。其主要功能是将探测器输出的微弱电流信号转化成可供数字电路读取的TTL电平等级的电压信号。原理是利用单片机的AD对放大电路的信号进行实时的采样，并利用DA控制增益可控的放大器芯片以保证输出信号具有稳定的电平等级。
[0039]二、关于解调解码电路
[0040]本设计中解调解码电路以Xilinx公司的FPGA芯片XC6SLX75为核心，分别对多路信号预处理电路输出的信号按特定的调制和编码方式进行解调和解码，然后对信号进行整形，再将其发送到信宿。
[0041]三、关于前置光学系统
[0042]本设计中前置光学系统的作用是在实现大视场接收的同时，将信号光尽可能多的集中在尺寸较小的狭缝上。所以前置光学系统主要由两部分组成，第一部分实现大视场的信号光接收，第二部分缩小像方视场角，从而达到将大视场角的信号光聚焦到尺寸较小的狭缝上的目的。
[0043]四、关于光谱信号分离系统
[0044]本设计中光谱信号分离系统采用平面光栅分光方法，平面光栅是刻有一系列等距的平行刻线的平面反射镜，刻线之间的距离d称为光栅常数，它的倒数Ι/d表示单位长度所含的刻线数量，称为光栅的刻线密度或线数，其常用单位为刻线每毫米(gr/mm)。含有复合光谱的平行光以一定角度入射到平面光栅，经过平面光栅的衍射后，不同光谱的平行光将会以不同的角度出射，从而实现分光的目的。平面光栅的光栅常数是根据系统的光谱范围确定的，由于该系统的光谱范围为300?lOOOnm，所以平面光栅的光栅常数为3001p/mm。
[0045]上述实施方式中未述及的有关技术内容采取或借鉴已有技术即可实现。
[0046]需要说明的是，本说明书所述的只是本发明的一种较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。
【权利要求】
1.一种用于无线光通信的波分复用接收系统，其特征在于:该接收系统由前置光学系统、光谱信号分离系统、探测器阵列、高压电源电路、信号预处理电路、解调解码电路、数字电源电路和信宿组成；该接收系统可以对大气中的多光谱信号进行接收，并对各谱段的子信号进行分离和提取，以实现波分复用的无线光通信，与此同时，还能对背景光噪声的各个谱段进行提取，在多谱段提供无线光通信信道的原始数据。
2.根据权利要求1所述的一种用于无线光通信的波分复用接收系统，其特征在于:上述信宿具有人机交互界面和存储器，可对解调解码电路输出的信号状态进行监控和显示，并对接收的数据进行存储。
3.根据权利要求1所述的一种用于无线光通信的波分复用接收系统，其特征在于:上述解调解码电路可将预处理电路输出的标准电平等级的信号按调制和编码方式进行解调和解码，从而得到原始的发送信号。
4.根据权利要求1所述的一种用于无线光通信的波分复用接收系统，其特征在于:上述信号预处理电路包括ΙΛ转换电路，信号放大电路和幅度控制电路；可将探测器阵列输出的微弱电流信号转化为标准电平等级的电压信号，并通过自动增益控制维持输出信号的稳定。
5.根据权利要求1所述的一种用于无线光通信的波分复用接收系统，其特征在于:上述信号预处理电路和解调解码电路有多路，且各自独立；每路信号预处理电路和解调解码电路对应，对探测器阵列输出的某个特定通道的信号进行处理，并将最终的输出信号发送到信宿进行汇总。
6.根据权利要求1所述的一种用于无线光通信的波分复用接收系统，其特征在于:上述前置光学系统为大视场高增益的光学结构，可以将大视场角的信号光聚焦至微小接收面(狭缝)上；前置光学系统采用正负透镜组分离的结构形式，其中负组透镜在前，正组透镜在后，可以实现扩大视场，提高增益的目的。
7.根据权利要求1所述的一种用于无线光通信的波分复用接收系统，其特征在于:上述光谱信号分离系统采用光栅分光结构，狭缝处接收到的多光谱信号分别经过准直系统、光栅、聚焦系统后，分离成8个单光谱信号，再通过APD阵列进行多路探测接收，从而实现紫外到近红外谱段的全面覆盖多路接收通信。
8.根据权利要求1所述的一种用于无线光通信的波分复用接收系统，其特征在于:该接收系统的光谱范围为300到1000纳米，并可通过多路接收实现从紫外到近红外谱段的全面覆盖。
【文档编号】H04B10/60GK104486002SQ201410778763
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月15日 优先权日:2014年12月15日
【发明者】唐义, 张学彬, 黄河清, 郭蕾 申请人:北京理工大学