自由空间光通信相干OFDM译码转发串行最优位置中继装置的制作方法

本实用新型涉及一种相干OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)最优位置中继装置，尤其涉及一种自由空间光通信的相干OFDM译码转发串行最优位置中继系统。

背景技术：

自由空间光通信(FSO)是一种视距(LOS)传输技术，它以可见光为信息载体，通过大气传输数据、图像、语言等信息。使用类似于光纤通信的方式，自由空间光学使用发光二极管(LED)或激光进行数据传输。传统光通信通过光纤电缆引导光束进行通信，而在自由空间光学中通过空间传导光束进行通信。FSO具有许多优势：1.与无线和微波系统不同，FSO不需要申请频谱许可证，并且与其他系统之间没有干扰；2.点对点激光信号很难被阻止，这使得它成为理想的安全通信方式；3.FSO仅以光纤通信的部分发展成本为代价获得可比性极高的数据传输速率，而极其窄的激光光束使得自由空间中在特定位置上提供的光链路数目毫无限制。然而，尽管FSO有众多的优点，但它的广泛应用仍然受到制约。信号传输中的大气衰减、链路对准等问题已经成为限制FSO系统通信距离及通信性能的瓶颈。

通过引入中继，长链路被分解成多条短链路，端到端的通信可靠性能够有效提升，突破了通信距离的限制。2013年滑铁卢大学的Majid Safari等人提出了中继最优位置，中继的位置对中断概率的降低有明显效果，文中使用的是BPPM技术，而相比BPPM技术，利用正交频分复用(OFDM)技术可以产生更高的数据速率，也可以有效地抑制符号间干扰(ISI)，因其抵抗频率选择性衰落和窄带噪声能力强，较高的频带利用率，可以很好地抑制大气信道引起的随机衰落效应。2014年唐瑄等提出多跳DPSK FSO系统，采用的是放大转发(AF)中继方案，通过引入AF中继，系统的通信距离明显增加，且通信可靠性提高了；AF中继不用对接收信号执行任何解码，而只需乘以某个合适的能量比例项，然后简单地把它转发给下一个中继，但是对信号进行放大的同时也会对噪声进行放大，存在噪声传递的缺点。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对现有的不足，提供一种自由空间光通信相干OFDM译码转发串行最优位置中继装置。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种自由空间光通信相干OFDM译码转发串行最优位置中继装置，它包括依次相连的发射端、k个DF中继节点和接收端，其中k为正整数；k个DF中继节点安放在发射端到接收端的直线上，将发射端到接收端的直线分成k+1等份。

进一步的，所述发射端包括依次相连的第一低通滤波器、第一混频器、第一带通滤波器、第一马赫-曾德尔调制器、第一光带通滤波器和第一发射天线；所述第一马赫-曾德尔调制器还连接有第一激光器。

进一步的，所述DF中继节点包括依次相连的第一接收天线、第一幅度放大器、第一光混频器、第二光带通滤波器、第一光电探测器、第二带通滤波器、第二混频器、第二低通滤波器、OFDM发射模块、第三低通滤波器、第三混频器、第三带通滤波器、第二马赫-曾德尔调制器、第三光带通滤波器、第二发射天线；所述第一光混频器上还连接有第二激光器，所述第二马赫-曾德尔调制器上还连接有第三激光器。

进一步的，所述接收端包括依次相连的第二接收天线、第二幅度放大器、第二光混频器、第四光带通滤波器、第二光电探测器、第四带通滤波器、第四混频器和第四低通滤波器；所述第二光混频器上还连接有第四激光器。

进一步的，每等份的长度不大于一千米。

本实用新型的有益效果是：本实用新型采用相干OFDM技术，信号信噪比高具有更好的稳定性，且频带利用率高、带宽扩展性较好以及抗干扰能力强；连续的DF中继节点等间距放置能够很好的延长通信的距离，突破了自由空间光通信的距离限制，并且相比放大转发(AF)中继，DF中继可以有效降低中断概率，提高通信可靠性；且本装置结构简单、易于实用。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构示意框图；

图2为本实用新型的发射端结构示意框图；

图3为本实用新型的一个DF中继节点结构示意框图；

图4为本实用新型的接收端结构示意框图；

图中，第一低通滤波器1、第一混频器2、第一带通滤波器3、第一激光器4、第一马赫-曾德尔调制器5、第一光带通滤波器6、第一发射天线7、第一接收天线8、第一幅度放大器9、第一光混频器10、第二激光器11、第二光带通滤波器12、第一光电探测器13、第二带通滤波器14、第二混频器15、第二低通滤波器16、OFDM发射模块17、第三低通滤波器18、第三混频器19、第三带通滤波器20、第三激光器21、第二马赫-曾德尔调制器22、第三光带通滤波器23、第二发射天线24、第二接收天线25、第二幅度放大器26、第二光混频器27、第四激光器28、第四光带通滤波器29、第二光电探测器30、第四带通滤波器31、第四混频器32、第四低通滤波器33。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的说明。

如图1所示，本实用新型提供一种自由空间光通信相干OFDM译码转发串行最优位置中继装置，它包括依次相连的发射端、k个DF中继节点和接收端，其中k为正整数；其中，k个DF中继节点安放在发射端到接收端的直线上，将发射端到接收端的直线分成k+1等份，每等份的长度不大于一千米；彼此间为自由空间大气信道；图中S为发射端、d为DF中继间距即每等份的长度，R为DF中继节点，R₁为第一个DF中继节点，R₂为第二个DF中继节点，R_k为第k个DF中继节点，D为接收端。

如图2所示，所述发射端包括第一低通滤波器1、第一混频器2、第一带通滤波器3、第一激光器4、第一马赫-曾德尔调制器5、第一光带通滤波器6和第一发射天线7；其中，所述第一低通滤波器1、第一混频器2、第一带通滤波器3和第一马赫-曾德尔调制器5依次电连接，所述第一激光器4通过光纤和第一马赫-曾德尔调制器5相连，所述第一马赫-曾德尔调制器5、第一光带通滤波器6、发射天线7通过光纤依次相连。

原始数据信号由外接的OFDM调制器调制成OFDM信号，OFDM信号通过第一低通滤波器1滤掉高频噪声，在第一混频器2中再将OFDM信号进行频谱搬移，由外加高频信号LO₁使OFDM信号上变频到一个合适的中频f_LO1上。经变频后的信号通过第一带通滤波器3滤除高频和低频分量的噪声。由于OFDM信号是双极性的，必须对OFDM符号添加一个较大的直流偏置，这样可以把OFDM信号负值部分转化为正值，保证调制信号是一个单极性信号。最后通过第一马赫-曾德尔调制器5对第一激光器4进行光强度调制，调制到光载波上，实际上调制第一马赫-曾德尔调制器5的是OFDM信号的实部。调制后信号光通过第一发射天线6发射到自由空间大气信道中。

如图3所示，所述DF中继节点包括第一接收天线8、第一幅度放大器9、第一光混频器10、第二激光器11、第二光带通滤波器12、第一光电探测器13、第二带通滤波器14、第二混频器15、第二低通滤波器16、OFDM发射模块17、第三低通滤波器18、第三混频器19、第三带通滤波器20、第三激光器21、第二马赫-曾德尔调制器22、第三光带通滤波器23、第二发射天线24；其中，所述第一接收天线8、第一幅度放大器9、第一光混频器10、第二光带通滤波器12、第一光电探测器13通过光纤依次相连，所述第二激光器11通过光纤与第一光混频器10相连，所述光电探测器13与第二带通滤波器14电连接，所述第二带通滤波器14、第二混频器15、第二低通滤波器16、OFDM发射模块17、第三低通滤波器18、第三混频器19、第三带通滤波器20、第二马赫-曾德尔调制器22依次电连接，所述第三激光器21通过光纤和第二马赫-曾德尔调制器22相连，所述第二马赫-曾德尔调制器22、第三光带通滤波器23、发射天线24通过光纤依次相连；

第一接收天线8接收到发射端发送的OFDM信号后，OFDM信号通过第一幅度放大器9放大，由第二激光器11产生的本振光LO₁与放大后的OFDM信号在第一光混频器10进行外差混频，混频后经过第二光带通滤波器12滤掉直流项和高频项。然后光信号进入第一光电探测器13探测响应电流；探测后得到的电信号需要利用第二带通滤波器14使带宽控制在中频信号检测范围内，即可检测到中频电信号；在电域的解调和判决过程需要第二混频器15来完成，进入每一路第二混频器15的信号都为相互正交的正弦信号和余弦信号之和，对实部和虚部分别进行混频运算，即与外加的高频信号LO₂相乘,混频后的信号通过第二低通滤波器16就可以提取出有用的实部和虚部OFDM信号,OFDM信号由OFDM发射模块17解调出原始数据信号并对其重新调制成新的OFDM信号，重新调制的OFDM信号通过第三低通滤波器18滤掉高频噪声，在第三混频器19中再将OFDM信号进行频谱搬移，由外加高频信号LO₃使OFDM信号上变频到一个合适的中频f_LO3上。经变频后的信号通过第三带通滤波器20滤除高频和低频分量的噪声。由于OFDM信号是双极性的，必须对OFDM符号添加一个较大的直流偏置，这样可以把OFDM信号负值部分转化为正值，保证调制信号是一个单极性信号。最后通过第二马赫-曾德尔调制器22对第三激光器21进行光强度调制，调制到光载波上，实际上调制第二马赫-曾德尔调制器22的是OFDM信号的实部。调制后信号光通过第三光带通滤波器23滤掉直流项和高频项然后通过第二发射天线24发射给下一个中继。如此循环直到信号发送到接收端。

如图4所示，所述接收端包括第二接收天线25、第二幅度放大器26、第二光混频器27、第四激光器28、第四光带通滤波器29、第二光电探测器30、第四带通滤波器31、第四混频器32和第四低通滤波器33；其中，所述第二接收天线25通过光纤连接第二幅度放大器26，所述第二幅度放大器27、第四光带通滤波器29、第二光电探测器30通过光纤依次相连，所述第四激光器28通过光纤与第二幅度放大器27相连，所述第二光电探测器30、第四带通滤波器31、第四混频器32和第四低通滤波器33依次电连接。

第二接收天线接25收到最后一个中继发送的OFDM信号后，OFDM信号通过第二幅度放大器26放大，由第四激光器28产生的本振光LO₁与放大后的OFDM信号在第二光混频器27进行外差混频，混频后经过第四光带通滤波器29滤掉直流项和高频项。然后光信号进入第二光电探测器30探测响应电流；探测后得到的电信号需要利用第四带通滤波器31使带宽控制在中频信号检测范围内，即可检测到中频电信号；在电域的解调和判决过程需要第四混频器32来完成，进入每一路第四混频器32的信号都为相互正交的正弦信号和余弦信号之和，对实部和虚部分别进行混频运算，即与外加的高频信号LO₂相乘,混频后的信号通过第四低通滤波器33就可以提取出有用的实部和虚部OFDM信号，并由外接的OFDM解调器解调出原始数据信号。

本实用新型通过以上设计，能够很好的降低通信的中断概率，有效增加了通信距离，且本装置结构简单、易于实用。