基于自由空间激光通信的传输系统的制作方法

专利名称：基于自由空间激光通信的传输系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的是一种基于自由空间激光通信的传输系统，不需要布放通信线路，也不占用无线频带资源，可用于数据信号的传输，解决视距离通信、临时通信、紧急情况下的抗灾救灾通信保障等广泛领域。
背景技术：
常见的信号传输方式可有有线传输和无线传输两种。有线传输主要是依赖电话线、电缆或光缆线。采用有线传输方式的连接网络在建设时，不可避免地需有挖沟破路埋线或是空中飞线架设等布线施工，常会有多方面的困扰。采用无线传输方式进行网络组建，其频率资源有限制，传输速率和传输距离都要受到无线电管理委员会的严格控制。因此采用受调激光在大气中传输作为通信手段，即基于自由空间的激光通信传输系统(FreeSpace Optical Communication，FSO)，可以解决有线和无线通信方式的上述缺点。目前仅有国内外少数公司在主要用于大容量宽带接入通信方面有所报道，但因价格昂贵，实际中很少采用。
实用新型内容针对上述情况，本实用新型将提供一种设计简单，成本低廉并具有实用价值的基于自由空间的激光通信传输系统，该系统可以在包括电视、网络等各种数据信号的传输，解决视距离通信，临时通信，紧急情况下的抗灾救灾通信保障等领域中广泛使用。
本实用新型基于自由空间激光通信的传输系统，包括有发送结构单元和接收结构单元两部分。所说的发送结构单元中，在发送信号输入端至激光发射器件之间包括有信号调制单元、信道编码单元和激光调制单元，解决对被传送信号的调制、信道编码、激光调制发送和发送功率控制问题；所说的接收结构单元中在激光信号接收器件至接收信号输出端之间包括有光电转换单元、弱信号放大单元和信号判决单元，解决收发光通道对准、低噪声光电转换，信号放大、噪声处理、信号判决及进一步的解码问题。
在发送结构单元中，来源于监控装置传感器采集的目标信号或其它信号源的被传送信号被转换成数字电信号，经信号输入端进入上述传输系统中发送结构单元的信号调制单元，经其中的多谐振荡器进行调制，将输入信号搬移到多谐振荡器的输出载频上，得到调制器调制后的二进制振幅键控(2ASK)信号。该2ASK信号经信道编码单元进行脉宽调整，得到适于激光信号传输的信道传输编码。再将此信道码送往激光调制单元，产生受输入信号调制的激光脉冲信号，经激光发射器件向接收结构单元发送出，即完成了信号的发送过程。
发送结构单元中的信号调制单元，可以采用由与输入信号相关联的输入调制结构(调制电路或调制器等)和载频信号发生电路(或载频信号发生器)的结构形式，例如通常可采用的调制器与载频信号发生器结合的形式，并将生成的2ASK信号向其后级的信道编码单元输出。例如，一个可供参考的实施例，该信号调制单元即采用为由位于信号输入前端的二极管之后的多谐振荡电路(或其它形式的载频信号发生电路)相结合的结构形式。
除上述的结构形式外，所说该与输入信号相关联的输入调制结构和载频信号发生电路结合形式的信号调制单元，还可以采用由载频信号发生器与“与门”电路相配合的形式，其中的输入信号和载频信号发生器输出可分别与“与门”电路的两个输入端联接，“与门”电路的2ASK信号输出端与其后的信道编码单元相联接。
信号调制单元中能够实现多谐振荡器的电路很多，例如可采用两个“非门”门电路加电阻、电容的方式，或采用“555集成电路”加电阻、电容的方式等。在一个可供参考的实施例中，采用的是一种由电容、可调电阻和反相器组成的简单结构多谐振荡器实现的。
所说发送结构单元中的信道编码单元可采用的电路和/结构很多，例如可采用“D触发器”或“555集成电路”加电阻、电容的方式实现，还可以采用单稳态电路和反向器组成的形式实现等。在作为可参考的实施例中采用的是后者较简单电路的形式。
发送结构单元中的激光调制单元，为可以采用由三极管、继电器或光耦管等结构或元件形式的驱动电路与激光发射器件相联接的形式。
在接收结构单元中，由发送结构单元发送的激光信号被上述传输系统的接收结构单元中的光电三极管等常用光信号接收器件接收后，由光电转换单元将来自空间的激光信号转换为电信号，同时还要完成对背景噪声的滤除和电路的阻抗变换。然后经弱信号放大单元将所接收的信号放大到判决单元所需的输入电平后，向信号判决单元输出，由信号判决单元进一步滤除噪声，以减小噪声的干扰。适当的选取信号的判决电平，可有利于减小噪声的干扰和对有用信号的判断和选择。
上述传输系统中所说接收结构单元中的光电转换单元可以采用如与相关外围电路相配合的运算放大器实现，也可以采用其它类型的光电转换电路，或用双电源代替。
接收结构单元中的弱信号放大单元，除可以采用单级放大电路或是分离或集成形式的多级放大电路实现外，还可以采用单电源放大器，或是与上述光电转换单元中的运算放大器结合，用一个高增益宽通带的集成运算放大器实现等不同结构形式实现。
所说接收结构单元中的信号判决单元一般可以采用具有运算比较功能的运算放大器，或是如AD公司、MAXIM公司等生产的多种专用比较器或比较电路实现。作为其用于比较的参考基准电压的基准电源，可以是单电源或双电源。
根据传输和/或应用领域的需要，在上述所说接收结构单元的信号判决单元后，还可以再设置有一个具有隔离、整形和驱动作用的输出跟随器，然后再将所接收的信号向单片机等进一步的信号识别、判断和/或处理机构输出。该输出跟随器单元的作用主要是于对判决电路的输出进一步进行隔离、整形和驱动，一般可以采用如三极管、运算放大器、继电器、光耦管或其它驱动电路实现。可以根据传输速率的需要进行选择，如对传输速率不高时，可以选用如继电器、光耦管等，高速率传输时可选择如三极管或运算放大器等器件或电路结构。
当上述的传输系统应用于较远距离的传输时，由于接收距离较远，由发送结构单元发射的激光信号在到达接收点时，激光受大气的散射可能会出现扩展为一个光圈的现象，使信号强度减弱。为解决这一问题，可在所说接收结构单元中的激光信号接收器件之前的传输光路中设置有光聚焦结构。例如，可以采用常规形式的放大镜等光学元件进行聚光，增大照射光电三极管等激光信号接收器件的光照强度。试验显示，采用这一措施后，上述传输系统的通信距离可达100米，有效地增大了传输距离。
进一步，为达到增加通信距离与信号传输速率的目的，上述系统中的激光光路还可以采用为多激光发射器和接收器形成多波束光通道的形式。
上述结构形式的基于自由空间激光通信的监控传输系统，首先可实现对使用广泛的监控传输系统的通信功能，此外还可以广泛被用于对多种类型的数据信号传输，解决视距离的通信、森林防火、旅游景点保护，社区防范、临时通信、紧急情况下的抗灾救灾通信保障等诸多领域。由于上述传输系统中的收、发电路结构单元对元器件一般均无特殊的要求，可选用容易购买的市售元器件，本系统的实施可以做到成本很低，易于广泛推广使用。
以下结合由附图所示的具体实施方式
作为实施例，对本实用新型的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本实用新型上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本实用新型上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均包括在本实用新型的范围内。


图1是本实用新型基于自由空间激光通信传输系统中发送结构单元的结构框图。
图2是实现图1框图结构的一种发送结构单元的电路结构图。
图3是与图1对应的该传输系统中接收结构单元的结构框图。
图4是实现图3框图结构的一种接收结构单元的电路结构图。
图5是在接收结构单元之前传输光路中设置恢复激光光束的凸透镜结构示意图。
具体实施方式
图1～图5所示的，是可用于将被监控目标的监测信号采用本实用新型基于自由空间的激光通信传输系统向监控装置进行传输的结构系统示意，包括发送结构单元和接收结构单元两部分结构。
传输系统中的发送结构单元结构示意如图1所示在发送信号输入端至激光发射器件之间包括有信号调制单元、信道编码单元和激光调制单元；传输系统中的接收结构单元结构示意如图3所示在激光信号接收器件至接收信号输出端之间包括有光电转换单元、弱信号放大单元和信号判决单元。
图2是可实现上述信号发送结构单元工作的一种具体的电路结构。在位于信号输入端的二极管D1之后联接有的由反相器U1A、可调电位器RP1和电容C1组成多谐振荡器形式的信号调制电路单元，将输入信号搬移到多谐振荡器的输出载频上，得到调制器调制后的2ASK信号。其中的二极管D1用于控制振荡器的振荡或停止；C1与RP1决定振荡器频率，调节RP1可调节频率。在电容器C2的输入端得到2ASK信号，实现将控制信号调制到多谐振荡器的工作频率上的目的。
该2ASK信号进入由电容器C2、二极管D2、可调电位器RP2构成的单稳态电路和反相器U1B、U1C组成的信道编码电路单元，进行脉宽调整。调整RP2可调整电路脉冲信号的占空比，得到适合激光调制器输出所需的信道码形。反相器U1B、U1C完成对单稳态电路输出信号进行波形整形的功能。其中的反相器可以是用各种TTL或CMOS器件，可以是单个门电路，也可以是将多个门电路集成在一个集成块上的芯片，如图中的CD40106就是六非门电路。具有相同功能的集成电路有很多种，如7404、74LS04、74S04、74ALS04、74F04、74AS04、74HC04、74HCT04、40H004、CC4069B、C4069U、C4069、CD4069。
信道编码的目的，是为了使激光器有较大的瞬时电流但又不致烧坏激光器。此时的占空比与最大电流的关系，通过推导可得
IM≤P0MTs6UCT=P0M6nUC]]>式中的IM为流过激光器的最大电流，UC为激光器两端的管压降，P0M为激光器的最大损耗功率，T为解调振荡信号周期，TS为多谐振荡器周期。占空比越小，输出电流越大，激光越强，信号传输越远。但占空比太小会给信号接收码的识别带来困难。一般可取n＝1/4即可，可通过调整RP2实现。D3可以采用630～680nm的二极管激光发射器，采用这个波长是该波长处于可见红光波段，肉眼对该红光敏感，容易找到收端光斑和光通道，便于通道信号的收发对准，可简化系统并使其安装简单方便。此时的激光器的最大发射功率小于1mW。
由信道编码单元完成的该适于激光信号传输的信道传输编码送往由电阻R1、R2、三极管Q1组成激光调制器单元，被编成信道码的监控信号或数据信号控制着Q1的通断，最后经激光发射管D3发出断续激光脉冲，完成将监控等被传输信号调制到所发送的激光频率上的功能。其中的R1、R2起限流作用，防止过大电流损坏Q1和D3。
上述电路中的各元器件一般没有过多的特殊要求，可以采用市面上容易买到的普通电子元件，以实现低成本。如其中的二极管、三极管等，可选用各种小功率开关、检波、整流二极管，低频、高频NPN三极管等。其中采用PNP管时，则偏置电路的电源应反向。
图4所示的，是可实现上述传输系统中信号接收结构单元工作过程的一种具体的电路结构。
光电转换电路单元可将来自空间传输的激光信号转换为电信号，同时完成对背景噪声的滤除和电路的阻抗变换。其中，由光电三极管Q2、电阻R3和LM324运算放大器(U2A)组成的光电转换电路单元中的光电三极管Q2可以采用3DU912A、3DU912B、3DU11-33、3DU51-52，也可以采用光电二极管2CU1X、2CU2X、2CU5X、2AU1X、2DU1-3X，将接收到的激光信号转换为电信号，并经电阻R3和LM324运算放大器(U2A)，完成将受调制激光信号解调为信道编码信号的被传输信号。
弱信号放大电路单元可将接收到的弱信号放大到判决电路所需的输入电平，采用的是由两级放大器构成电容C3、电阻R4、R5、R6、LM324运算放大器(U2B)构成第一级放大电路；电容C4、电阻R7、R8、R9、LM324运算放大器(U2C)构成第二级放大电路。两级总放大量可达到约2000倍。其中的C3、C4为耦合电容，可滤除不变或缓变的背景噪声，同时可防止各级放大电路间工作点或温度漂移的影响。R5、R8为运算放大器输入端差分电路的平衡电阻；调整用于控制放大器放大量和负载的电阻R6、R4和R9、R7的阻值可以改变该放大器单元的放大倍数。
由R10、RP3、运算放大器U2D组成的信号判决电路单元，用于进一步滤除噪声。适当的选取信号的判决电平，可以减小噪声的干扰。其中R10、RP3构成的分压电路，为由LM324运算放大器(U2D)构成的比较器提供参考基准电压，调节RP3的阻值，可改变基准电平的高低，可滤除低于判决电平的噪声信号。其中的基准电源可以为单电源或双电源；可调电阻RP3也可以用稳压管代替。
上述信号判决电路单元的输出信号，可以再经过一个输出跟随器后，向如图中所示的单片机等通过信号的解调、识别、判断等进一步处理机构输出。图4中的该输出跟随器由电阻R11、D4、Q3、R12、D5组成。其中R11、R12为限流电阻，D4为Q3提供反向电荷释放路径，起对Q3的保护作用。D5指示是否收到监控信号。Q3对判决电路的输出起隔离、整形和驱动作用。其中的三极管Q3可用继电器、光偶管等其它驱动电路代替。当本传输系统被用于对常用监控系统的监控信号传输时，由判决电路单元经该跟随器输出的传输接收信号可被送入由单片机80C51及附属的复位电路C5、R13与时钟电路C6、C7、晶振Y1等构成的解调单元。信号由单片机的T1口进行解调，当单片机接连收到若干个高电平时，就认为收到“1”信号，否则就认为是“0”信号，达到解调目的。解调制器的输出信号可进一步再送到控制中心进行显示、报警或进一步的控制处理。若监控信号仅仅是简单的高电平或低电平信号，则Q3的输出经过一个低滤波器就是解调器输出，即可作为监控中心的报警驱动信号。如果监控信号是被编码的连续脉冲序列，则可将Q3的输出接到单片机80C51的T1或T0定时器输入端，由单片机检测出脉冲序列并从P0或P1口输出控制信号。实验证明，这种解调方法可检测出几十kHz的脉冲序列，在2ASK载频为几十kHz时的效果非常满意。
上述电路单元中的各运算放大器U2A～U2D，除可采用如图4中所示的集成双电源四运算放大器LM324外，可以用其它的集成四运算放大器替换，如可以常用的5G14573、CC14573、MC14573、CC7641、F7641、RC4156、F4156、LF347、F347，也可用4个单运算放大器或2个双运算放大器代替，还可用单电源运算放大器代替，或AD公司、MAXIM公司的运算放大器等元器件替代。电路中的二极管、三极管等也无特殊要求，采用各种小功率开关、检波、整流二极管，低频、高频NPN三极管均可；若采用PNP管，则偏置电路的电源应反向。
当接收距离较远时，到达接收点的激光由于受到大气的散射可能会扩展为一个红色光圈，信号强度减弱。此时可采用如图5所示的一个光学凸透放大镜或其它适当的光学聚焦系统进行聚光，将散射开了的激光重新汇聚，增大照射到光电三极管等激光信号接收器件上的光照强度。实验显示，此时的通信距离可达100米。
上述的传输系统如果只为实现如对目标的监测等单向的通信信号传输，则只需在发送端将探测头的输出信号与图3的输入端D1相连，经U1A进行频率搬移、C2调整脉宽、UIB、UIC整形、R1、Q1驱动，由D3变为受调制激光输出即可。如果在还要对目标进行控制或其它需双向的通信信号传输时，则在监测点还应增加一个接收电路，以实现双向通信。此时的一个简单方式是可以采用将上述的收、发电路单元合并在一个电路板上的形式。系统工作所需电源可用两个9V电池产生±V9提供，如果监测点周围有市电，可通过将市电转换为±9～15V提供给本系统。
权利要求1.基于自由空间激光通信的传输系统，包括发送结构单元和接收结构单元，其特征是所说的发送结构单元中在发送信号输入端至激光发射器件之间包括有信号调制单元、信道编码单元和激光调制单元；所说的接收结构单元中在激光信号接收器件至接收信号输出端之间包括有光电转换单元、弱信号放大单元和信号判决单元。
2.如权利要求1所述的基于自由空间激光通信的传输系统，其特征是所说发送结构单元中的信号调制单元为由与输入信号相关联的输入调制结构和载频信号发生电路，并将生成后的二进制振幅键控信号向其后级的信道编码单元输出。
3.如权利要求2所述的基于自由空间激光通信的传输系统，其特征是所说信号调制单元中与输入信号相关联的输入调制结构和载频信号发生电路，为与位于信号输入端的二极管(D1)联接的多谐振荡电路，其输出端与信道编码单元联接。
4.如权利要求2所述的基于自由空间激光通信的传输系统，其特征是所说信号调制单元为与“与门”电路配合的载频信号发生器，输入信号和载频信号发生器输出分别与“与门”电路的两个输入端联接，“与门”电路的输出端与其后的信道编码单元联接。
5.如权利要求1所述的基于自由空间激光通信的传输系统，其特征是所说发送结构单元中的信道编码单元为顺序联接的单稳态电路与反向器结构形式。
6.如权利要求1所述的基于自由空间激光通信的传输系统，其特征是所说发送结构单元中的激光调制单元为具有三极管、继电器或光耦管结构之一并与激光发射器件相联接的驱动电路。
7.如权利要求1所述的基于自由空间激光通信的传输系统，其特征是所说接收结构单元中的弱信号放大单元为单级或多级放大电路。
8.如权利要求1所述的基于自由空间激光通信的传输系统，其特征是所说接收结构单元中的信号判决单元为包括有运算放大器(U2D)或比较器的比较电路。
9.如权利要求1至8之一所述的基于自由空间激光通信的传输系统，其特征是在所说接收结构单元中的激光信号接收器件之前的传输光路中设置有光聚焦结构。
10.如权利要求1至8之一所述的基于自由空间激光通信的传输系统，其特征是在所说接收结构单元中的信号判决单元后至接收信号输出前还设有具有隔离、整形和驱动作用的设计跟随器单元。
专利摘要基于自由空间激光通信的传输系统，包括发送结构单元和接收结构单元两部分。发送结构单元中在发送信号输入端至激光发射器件之间包括有信号调制单元、信道编码单元和激光调制单元；所说的接收结构单元中在激光信号接收器件至接收信号输出端之间包括有光电转换单元、弱信号放大单元和信号判决单元。其不需要布放通信线路，也不占用无线频带资源，传输方式不同于有线传输方式和无线传输方式，可具有数据信号的传输，解决视距离通信、临时通信、紧急情况下的抗灾救灾通信保障等广泛用途。
文档编号H04B10/10GK2765401SQ20052003298
公开日2006年3月15日 申请日期2005年1月27日 优先权日2005年1月27日
发明者陈金鹰 申请人:陈金鹰