太阳光泵浦激光器地面通信性能验证与测试系统的制作方法

本发明涉及光通信技术领域，具体地，涉及一种Nd:YAG(Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet，钇铝石榴石晶体)太阳光泵浦激光器地面通信性能验证与测试系统。

背景技术：

未来的通信模式越发要求实现高速率、远距离传输，但是受制于微波器件以及频域带宽的限制，微波通信的发展面临瓶颈，这也使得光通信技术将成为未来通信的重要方式。与传统的微波通信相比，光通信不仅具有超大的带宽，能够进行每秒数十吉的高速数据传输，而且由于光通信极其隐秘性，使得其具备较强的保密功能，另外光波在太空中不易衰减的优势使得其成为深空通信的重要方式。在地面上，自由空间光通信在承担短距离野外通讯、应急通讯、星地高速通讯等任务中已成为新兴的力量。

本发明提出一种阳光泵浦光通信地面通信系统，并对此系统进行了性能的测试和验证。本发明采用集成化处理，通过实现晶体的新型组合、半波电压自动调整、虚拟仪器测试、高效率测算等技术对整个地面通信系统的各通信参数进行全面测试和验证，实现了适用于多种测试环境下、低测试成本、全性能参数覆盖的测试与验证。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种太阳光泵浦激光器地面通信性能验证与测试系统。

根据本发明提供的太阳光泵浦激光器地面通信性能验证与测试系统，包括测试信号发生模块、载波通信模块以及测试信号还原与验证模块，

所述测试信号发生模块，用于产生若干种不同的测试信号，并传输至载波通信模块；

所述载波通信模块，用于将测试信号加载到激光器的载波中，由光学发射天线发射至传输空间，并将对应光学接收天线接收到的光信号转化为电信号后传输至测试信号还原与验证模块；

所述测试信号还原与验证模块，用于将接收到的电信号进行放大、还原。

优选地，所述测试信号发生模块包括：信号发生器、信号编码器以及信号放大器，具体地，通过MATLAB生成测试数据文件，将数据文件烧写入FPGA器件中，通过相应的逻辑操作给每一个多比特数据加入信标，并生成指定速率的测试信号，产生的测试信号经过逻辑编码处理，信号放大后传输至载波通信模块。

优选地，所述载波通信模块包括：信号调制器、光学发射天线、光学接收天线、半波电压增益自动调节单元，具体地，将测试信号加载到载波激光中，并通过光学发射天线将光信号输出，并在接收端应用光学接收天线接收光学信号，对相应的光学信号进行光电转换，将转换后的电信号送入测试信号还原与验证区；其中，所述半波电压增益自动调节单元用于根据输出光功率对激光器的半波电压进行自动调整。

优选地，所述半波电压增益自动调节单元包括：温度传感控制器、增益控制单元；具体地，当改变激光器的温度时，增益控制单元对激光器温度和输出光功率值进行实时采集并送入单片机，与单片机内设定的值进行数据处理，所述单片机发出指令调整激光器的半波电压。

优选地，所述测试信号还原与验证模块包括：信号放大器、FPGA芯片，具体地，通过FPGA芯片测试信号放大器放大的电信号，将FPGA芯片测试时生成的数据与原测试信号进行比对与处理，实现对通信误码率的测算；并且利用NI PXIE板卡对通信参数进行测试，实现虚拟化仪器对通信性能的验证。

优选地，所述太阳光泵浦激光器为Nd:YAG阳光泵浦激光器，Nd:YAG又称钇铝石榴石晶体，且包含四个串并联组合的晶体，每个晶体通过独立的半波电压供给以及信号驱动模块供给半波电压。

优选地，所述测试信号还原与验证模块还包括：发射端计算机、中心处理计算机、接收端计算机，所述发射端计算机记录测试信号发生模块发送信号的时刻，所述接收端计算机记录测试信号还原模块接收到电信号的时刻；所述中心处理计算机设置在发射端计算机和接收端计算机这两个终端计算机之间，通过抵消两个终端计算机的线路延迟时间，以及考虑不同模块的延时，实现了对通信延迟的简单测算。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明能够对太阳光泵浦激光器地面通信系统进行多种参数的测量，并且能够兼顾对多种自由光通信地面系统进行性能验证和参数测试；其中采用四个Nd:YAG串并联的组合结构，有效的降低了系统半波电压的供给压力，同时由于半波电压降低，亦能有效降低晶体工作时的温度，降低自动增益系统的自调节频率，有效的提高了系统的稳定性。

2、本发明提供的太阳光泵浦激光器地面通信性能验证与测试系统的测试信号、信号编解码、信号发送与接收还原以及验证都在FPGA芯片中进行处理，并且还实现半波电压自动调整，保证输出的信号质量结构简单，制造成本低，能够覆盖完整的光通信测试系统，且易于二次开发和升级。

3、本发明提出了温度、电压双因素输入的自动增益控制方法，实现对晶体半波电压的及时补偿与调整，保证了晶体有效的工作在晶体的线性放大区间，实现对信号稳定可靠的线性放大。

4、本发明利用高精度电流、电压变换装置，将接收端的电流转化为电压信号，并进行高效的滤波算法处理，实现了对光敏感度的高精度测算，避免了采用昂贵的光敏感计进行测量，实现了低成本、集成化的信号处理与测算。

5、本发明通过设置中心处理计算机，将发送端的信号发送时刻和接收端的信号接收时刻进行采集与处理，通过抵消两个终端计算机的线路延迟时间，加入对器件的典型延迟时间的考虑，实现了对通信延迟的简单测算；采用计算机实时累加处理、发送数据与接收数据比对、数据矩阵快速处理等方法，在计算机上实现了对误码率的测算；采用最高输出与最低输出的光功率测算，实现对消光比的简易测试。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为Nd:YAG太阳光泵浦激光器地面通信验证及测试系统的原理图；

图2为测试信号发生子系统结构框图；

图3为半波电压供给以及信号驱动子系统结构框图；

图4为自动增益控制子系统结构框图；

图5为测试信号还原模块结构框图。

图中：

1-中心处理计算机；

2-发射端计算机；

3-测试信号发生模块；

4-半波电压供给以及信号驱动模块；

5-增益控制单元；

6-光通断开关；

7-太阳光泵浦激光器；

8-温度传感控制器；

9-分光器；

10-光学天线发射端；

11-光学天线接收端；

12-光电探测器；

13-测试信号还原与验证模块；

14-接收端计算机；

15-光功率计。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的Nd:YAG太阳光泵浦激光器地面通信性能验证与测试系统，包括：测试信号发生模块、载波通信模块以及测试信号还原与验证模块，

所述测试信号发生模块，用于产生若干种不同的测试信号，并传输至载波通信模块；

所述载波通信模块，用于将测试信号加载到激光器的载波中，由光学发射天线发射至传输空间，并将对应光学接收天线接收到的光信号转化为电信号后传输至测试信号还原与验证模块；

所述测试信号还原与验证模块，用于将接收到的电信号进行放大、还原。

所述测试信号发生模块包括：信号发生器、信号编码器以及信号放大器，具体地，通过MATLAB生成测试数据文件，将数据文件烧写入FPGA器件中，通过相应的逻辑操作给每一个多比特数据加入信标，并生成指定速率的测试信号，产生的测试信号经过逻辑编码处理，信号放大后传输至载波通信模块。

所述载波通信模块包括：信号调制器、光学发射天线、光学接收天线、半波电压增益自动调节单元，具体地，将测试信号加载到载波激光中，并通过光学发射天线将光信号输出，并在接收端应用光学接收天线接收光学信号，对相应的光学信号进行光电转换，将转换后的电信号送入测试信号还原与验证区；其中，所述半波电压增益自动调节单元用于根据输出光功率对激光器的半波电压进行自动调整。

所述半波电压增益自动调节单元包括：温度传感控制器8、增益控制单元5；具体地，当改变激光器的温度时，增益控制单元5会根据输出光功率的大小和激光器的温度进行反馈，增益控制单元5通过对激光器温度和输出光功率值的实时采集并送入单片机与设定的值进行数据处理，单片机发出指令调整激光器的半波电压，从而保持输出光功率稳定在线性区间。

所述测试信号还原与验证模块包括：信号放大器、FPGA芯片，具体地，通过信号放大器放大的电信号由FPGA芯片进行测试，将实时生成的数据与原测试信号进行比对与处理，实现对通信误码率的测算；并且利用NI PXIE板卡对通信参数进行测试，实现虚拟化仪器对通信性能的验证。

具体地，如图1所示，Nd:YAG太阳光泵浦激光器地面通信验证及测试系统由测试信号发生模块3、半波电压供给以及信号驱动模块4、增益控制单元5、光通断开关6以及太阳光泵浦激光器7，一对光学天线，三台计算机组成。

具体工作过程如下：

步骤1，将光学发射天线和光学接收天线对准，使得光学接收天线能够稳定地接收到光学发射天线输出的光学信号，设置Nd:YAG(钇铝石榴石晶体)组合结构为四晶体串并联组合，通过独立的半波电压供给以及信号驱动模块供给太阳光泵浦激光器7半波电压，并调整增益控制的大小，使激光输出在稳定的线性区间；

步骤2：通过发射端计算机2生成波形数据文件，并烧写入测试信号发生模块中，在波形产生之时将产生时间和波形数据文件传递给中心处理计算机1；

步骤3，太阳光泵浦激光器7通过调制生成相应的调制光，输出给光学天线发射端10，光学天线接收端11接收到光信号进行光电转换，并将转换的电信号进行放大、嵌位，送给NI PCIE信号处理板卡进行处理，处理后的数据通过接收端计算机14，将接收时间和接收数据送给中心处理计算机1；

步骤4，中心处理计算机1位于发射端计算机1和接收端计算机14的中间位置，两者的线路传播时延可以抵消，中心处理计算机通过比对发射端和接收端记录的时刻，并加入器件延迟时间的典型值计算，获得相应的通信时延结果；

步骤5，通过长时间的试验(每种环境条件下的试验时间不小于2小时)，多次改变信道的环境条件(试验环境温度、试验环境湿度、试验环境的可见度等)，中心处理计算机1比对接收数据，进行数据矩阵的处理与计算，获得系统在不同环境条件下的通信误码率统计结果；

步骤6，改变太阳光泵浦激光器7的温度，增益控制单元5会根据输出光功率的大小和太阳光泵浦激光器7的温度进行反馈，增益控制单元5通过对太阳光泵浦激光器7的温度和输出光功率的值同时进行实时采集，将两者的数据送入单片机与设定的值进行数据处理，单片机发出指令调整太阳光泵浦激光器7晶体的半波电压，从而保持输出光功率稳定在线性区间；

步骤7，改变输入载波激光功率，调整半波电压，测试数据误码率达到10^-12时，利用测试信号还原与验证模块13中的高精度电流、电压转换装置，经过滤波算法处理，获得高精度的输出电流强度，再利用光学天线发射端10的光功率计获得输出光功率(两倍关系)，通过采用信道衰减公式，计算得到光学天线接收端11的输入光功率，通过光敏感度公式S＝I/E(I是输出电流值，E是输入光功率)可获得光敏感度；

步骤8，改变输入的数据波形文件，使得某个测试阶段的数据波形全为1，另外一个数据波形阶段全为0，控制误码率不大于10^-12，通过步骤七的试验方法得到两次的输入光功率，得到系统的消光比和晶体的消光比测试结果。

更进一步地，本发明中四个Nd:YAG串并联(两两串联再并联)组合，有效的降低了系统半波电压的供给压力，同时由于半波电压降低，亦能有效降低晶体工作时的温度，降低自动增益系统的自调节频率，有效的提高了系统的稳定性。

本发明提出了温度、电压双因素输入的自动增益控制方法，实现对晶体半波电压的及时补偿与调整，保证了晶体有效的工作在晶体的线性放大区间，实现对信号稳定可靠的线性放大。

本发明利用便携式电脑和以FPGA芯片为主的信号处理载板，进行集成化、模块化的信号处理，高效的完成了发送信号的任意生成和接收信号的实时处理，同时，信号处理载板支持二次开发，便于系统的升级。

利用高精度电流、电压变换装置，将接收端的电流转化为电压信号，并进行高效的滤波算法处理，实现了对光敏感度的高精度测算，本发明避免了采用昂贵的光敏感计进行测量，实现了低成本、集成化的信号处理与测算。通过设置中心处理计算机，将发送端的信号发送时刻和接收端的信号接收时刻进行采集与处理，通过抵消两个终端计算机的线路延迟时间，加入对器件的典型延迟时间的考虑，实现了对通信延迟的简单测算；采用计算机实时累加处理、发送数据与接收数据比对、数据矩阵快速处理等方法，在计算机上实现了对误码率的测算；采用最高输出与最低输出的光功率测算，实现对消光比的简易测试。

整个系统设计采用模块化、集成化设计，并通过PCIE板卡连接到计算机，实现虚拟仪器对数据的实时采集与测试，实现了低成本、高效率、全覆盖测试。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。