本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种光通信系统。
背景技术
随着互联网、物联网及云计算等技术的高速发展，人们对于通信容量和速率的要求越来越高，而光通信技术利用光为信号传输的主要载体，因具有大容量、高速率和成本低等优势而逐渐应用开来。其中，fso(freespaceopticalcommunication，自由空间光通信)又称为owc(opticalwirelesscommunication，光无线通信)，是一种通过自由空间传输调制光信号的光通信技术，具有带宽高、保密性好、无需频段申请以及架设方便等优点，被广泛应用于战地临时通信网以及跨江、跨湖等不便于铺设光纤或电缆的场所，但是目前的自由空间光通信系统存在通信容量较低的问题。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于提供一种光通信系统，可提高光通信系统的通信容量。
本发明实施例提供了一种光通信系统，所述光通信系统包括：光发射单元、合束单元以及光处理单元；所述光发射单元，与所述合束单元相对设置，用于向所述合束单元发射携带有第一影音信息的涡旋光束和携带有第二影音信息的高斯光束；所述合束单元，与所述光处理单元相对设置，用于将接收的所述涡旋光束和所述高斯光束进行合束，并将得到的合束光束通过自由空间光通信传输信道传输给所述光处理单元；所述光处理单元，用于接收并处理所述合束光束，根据所述合束光束得到所述第一影音信息和所述第二影音信息。
从上述实施例可知，通过涡旋光束携带第一影音信息以及高斯光束携带第二影音信息，而涡旋光束是一类等相位且呈螺旋状的光束，因此可与高斯光束合并为合束光束，并且通过自由空间光通信信道进行同轴传输，则利用一个自由空间光通信信道传输了第一影音信息和第二影音信息，提高了光通信的通信容量。
附图说明
图1是本发明提供的第一实施例中的光通信系统的结构示意图；
图2是本发明提供的第二实施例中的光通信系统的结构示意图；
图3是本发明提供的第二实施例中的光通信系统中的音频传输装置的连接示意图；
图4是本发明提供的第二实施例中的光通信系统的第二连接示意图；
图5是本发明提供的第二实施例中的光通信系统的光路示意图；
图6是本发明提供的第二实施例中的光通信系统中的携带有第一影音信息的涡旋光束的光斑示意图；
图7是本发明提供的第二实施例中的光通信系统中的携带有第二影音信息的高斯光束的光斑示意图；
图8是本发明提供的第二实施例中的光通信系统中的合束光束的光斑示意图；
图9是本发明提供的第二实施例中的光通信系统中的转换高斯光束的光斑示意图；
图10是本发明提供的第二实施例中的光发射单元中的视频信息示意图；
图11是本发明提供的第二实施例中的光接收单元中的视频信息示意图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明提供的第一实施例中的光通信系统的结构示意图。如图1所示，光通信系统包括：光发射单元101、合束单元102以及光处理单元103。光发射单元101，与合束单元102相对设置，用于向合束单元102发射携带有第一影音信息的涡旋光束和携带有第二影音信息的高斯光束。合束单元102，与光处理单元103相对设置，用于将接收的涡旋光束和高斯光束进行合束，并将得到的合束光束通过自由空间光通信传输信道传输给光处理单元103。光处理单元103，用于接收并处理合束光束，根据合束光束得到第一影音信息和第二影音信息。
具体的，光发射单元101利用涡旋光束传输第一影音信息，利用高斯光束传输第二影音信息，而涡旋光束是一类等相位且呈螺旋状的光束，具有轨道角动量(orbitalangularmomentum，oam)，因此涡旋光束与高斯光束可在通过合束单元102后位于同一自由空间光通信传输信道，位于同一自由空间通信传输信道的涡旋光束和高斯光束为合束光束，光处理单元103接收合束光束，并进行解调分析等工作，根据该合束光束分别得到第一影音信息和第二影音信息。在实际应用中，合束单元102可为bs(beamsplitter，分束镜)。
在本发明实施例中，通过涡旋光束携带第一影音信息以及高斯光束携带第二影音信息，而涡旋光束是一类等相位且呈螺旋状的光束，因此可与高斯光束合并为合束光束，并且通过自由空间光通信信道进行同轴传输，则利用一个自由空间光通信信道传输了第一影音信息和第二影音信息，提高了光通信的通信容量。
参见图2，图2是本发明提供的第二实施例中的光通信系统的结构示意图，如图2所示，与图1所示的发明实施例中的光通信系统不同的是，于本发明实施例中：
进一步地，第一影音信息为音频信息，第二影音信息为视频信息。或者，第一影音信息为视频信息，第二影音信息为音频信息。则在实际应用中，为了传输音频信息和视频信息，可利用涡旋光束携带音频信息，高斯光束携带视频信息，也可利用涡旋光束携带视频信息，高斯光束携带音频信息。
进一步地，光发射单元101包括：音频调制电路1011和音频光源1012。音频调制电路1011，外接音频信号源201，并与音频光源1012相连，用于接收音频信号源201发送的音频信号并进行调制，得到调制音频信号并发送给音频光源1012，所述音频信号携带有音频信息。音频光源1012，用于接收调制音频信号，并转化为携带有音频信息的高斯光束。
具体的，音频信号源201提供音频信号并发送给音频调制电路1011，音频调制电路1011将音频信号调制后发送给音频光源1012，以将携带有音频信息的音频信号调制为携带有音频信息的调制音频信号，并将携带有音频信息的调制音频信号转化为携带有音频信息的高斯光束，即将音频信息的载体由电信号转化为光信号。在实际应用中，音频信号源201可为音乐播放器，音频光源1012可为带尾纤的激光器，与音频调制电路1011相连，激光器发射的光信号的强度可随着音频调制电路1011输入的调制电流的强度的变化而变化。较佳的，音频光源1012发射的光信号的波长为635nm(纳米)，并且通过光纤准直器进行准直后平行出射光信号。
进一步地，光发射单元101还包括：第一usrp(universalsoftwareradioperipheral，通用软件无线电外设)1013和视频光源1014。第一usrp1013，外接视频信号源202，并与视频光源1014相连，用于接收视频信号源202发送的视频信号并进行调制，得到调制视频信号并发送给视频光源1014，视频信号携带有视频信息。视频光源1014，用于接收调制视频信号，并转化为携带有视频信息的高斯光束。
具体的，视频信号源202提供视频信号并发送给第一usrp1013，第一usrp1013将视频信号调制后发送给视频光源1014，以将携带有视频信息的视频信号调制为携带有视频信息的调制视频信号，并将携带有视频信息的调制视频信号转化为携带有视频信息的高斯光束，即将视频信息的载体由电信号转化为光信号。在实际应用中，视频信号源202可为笔记本电脑内部的视频文件，视频光源1014可为激光器。
在实际应用中，视频信号源202需要进行传输的视频信号为数字信号，则利用第一usrp1013对视频信号进行数据处理，调制方式可为qpsk(quadraturephaseshiftkeyin，正交相移键控)调制。在实际应用中，采用的基于usrp的设备的中心频率可为50mhz(单位：兆赫)-2.2ghz(单位：吉赫)，读写速率可为25ms/s(单位：兆点/秒)，最高基带i/q带宽为20mhz。其中，视频光源1014可为激光二极管，则激光二极管内部可设置温度控制器来控制激光二极管的工作温度，设置电流控制器控制激光二极管的工作电流，从而控制激光二极管输出的光信号的强度。激光二极管的安装座上设置有偏置器，可通过安装座侧面的sma(subminiaturea)接头实现对激光二极管从100khz(单位：千赫)-500mhz的射频信号调制，激光二极管的射频输入接口阻抗可为50ω(单位：欧姆)，可接受的最大输入功率为200mw(单位：兆瓦)，输出功率为5mw，中心波长635nm，水平方向光束的发散角为8°(单位：度)，垂直方向的光束发散角为32°，通过非球面透镜进行准直后出射，以上激光二极管的参数均可根据实际需求而选用。
进一步地，光发射单元101还包括涡旋光产生单元1015。涡旋光产生单元1015，一侧与视频光源1014或音频光源1012相对设置，用于接收携带有音频信息的高斯光束并转化为携带有音频信息的涡旋光束，或者，接收携带有视频信息的高斯光束并转化为携带有视频信息的涡旋光束。涡旋光产生单元1015，另一侧与合束单元102相对设置，还用于将携带有音频信息的涡旋光束或携带有视频信息的涡旋光束发送给合束单元102。
具体的，若携带有第二影音信息的高斯光束为携带有音频信息的高斯光束，则第一影音信息为视频信息，第二影音信息为音频信息。若携带有第二影音信息的高斯光束为携带有视频信息的高斯光束，则第一影音信息为音频信息，第二影音信息为视频信息。音频光源1012将携带有音频信息的音频信号转变为携带有音频信息的高斯光束，则将音频光源1012与涡旋光产生单元1015相对，以将携带有音频信息的高斯光束通过涡旋光产生单元1015转换为携带有音频信息的涡旋光束。或者，视频光源1014将携带有视频信息的视频信号转变为携带有视频信息的高斯光束，将视频光源1014与涡旋光产生单元1015相对，以将携带有视频信息的高斯光束通过涡旋光产生单元1015转换为携带有视频信息的涡旋光束。在实际应用中，涡旋光产生单元1015的参数可根据实际需求选用。图2中所示的光通信系统，涡旋光产生单元1015与音频光源1012相对，仅作为示例说明。
进一步地，如图5至图8所示，光处理单元103包括：分束单元1031、涡旋光检测单元1032、第一光阑1033和第二光阑1034。分束单元1031，与合束单元102相对设置，用于接收合束光束并分束，得到两束影音光束并分别发送给涡旋光检测单元1032和第二光阑1034，影音光束包括涡旋光束和高斯光束。涡旋光检测单元1032，与分束单元1031相对设置，用于接收分束单元1031发射的两束影音光束中的第一束光束，并将第一束光束中的高斯光束转化为转换涡旋光束，第一束光束中的涡旋光束转化为转换高斯光束。
具体的，合束单元102通过该自由空间传输信道将合束光束传输给分束单元1031。分束单元1031将合束光束分束得到两束影音光束，由于合束光束中包括涡旋光束和高斯光束，则每一束影音光束中都包括涡旋光束和高斯光束，则每一束影音光束中包括第一影音信息和第二影音信息。涡旋光检测单元1032与分束单元1031相对，则在第一束光束经过涡旋光检测单元1032后，将携带有第一影音信息的涡旋光束转换为转换高斯光束，则转换高斯光束携带有第一影音信息，同时，第一束光束经过涡旋光检测单元1032时，第一束光束中携带有第二影音信息的高斯光束转变为转换涡旋光束，则转换涡旋光束携带有第二影音信息。在实际应用中，涡旋光检测单元1032可为涡旋半波片。
其中，第一光阑1033，与涡旋光检测单元1032相对设置，用于滤除转换涡旋光束，保留转换高斯光束。第二光阑1034，与分束单元1031相对设置，用于接收分束单元1031发射的两束影音光束中的第二束光束，并滤除第二束光束中的涡旋光束，保留第二束光束中的高斯光束。
具体的，第一光阑1033和第二光阑1034的孔径与涡旋光检测单元1032的波片参数值相关，进而与涡旋光束的拓扑荷值相关，则利用预设孔径的第一光阑1033和第二光阑1034滤除涡旋光束，保留高斯光束，在实际应用中，第一光阑1033和第二光阑1034均可为小孔光阑，小孔光阑的孔径值可根据具体的涡旋光检测单元1032的波片参数值选用。两束影音光束中的第一束光束通过涡旋光检测单元1032后得到的携带有第一影音信息的转换高斯光束和携带有第二影音信息的转换涡旋光束，通过第一光阑1033滤除携带有第二影音信息的转换涡旋光束，保留携带有第一影音信息的转换高斯光束。两束影音光束中的第二束光束未通过涡旋光检测单元1032，则通过第二光阑1034滤除携带有第一影音信息的涡旋光束，保留携带有第二影音信息的高斯光束。
进一步地，如图9和图10所示，光处理单元103还包括：太阳能电池板1035和音频接收单元1036。太阳能电池板1035，与音频接收单元1036相连，用于接收携带有音频信息的高斯光束并进行光电转换得到调制音频信号，并将调制音频信号发送给音频接收单元1036。音频接收单元1036，用于接收调制音频信号并解调，得到音频信号，以还原音频信号携带的音频信息。
具体的，若第一影音信息为音频信息，第二影音信息为视频信息，则携带有音频信息的高斯光束为转换高斯光束。若第一影音信息为视频信息，第二影音信息为音频信息，则携带有音频信息的高斯光束为第二束光束中保留的高斯光束。太阳能电池板1035与第一光阑1033或第二光阑1034相对，接收携带有音频信息的高斯光束，将该携带有音频信息的高斯光束转化为调制音频信号，并将调制音频信号发送给音频接收单元1036，音频接收单元1036将该音频电信号进行解调，得到音频信号，还原音频信号得到还原音频信息并播放。在实际应用中，音频接收单元1036可为扬声设备，太阳能电池板1035可采用电压为1.5v(单位：伏特)的多晶太阳能电池板。如图2所示的光通信系统，太阳能电池板1035与第一光阑1033相对，仅作为示例使用。
进一步地，光处理单元103还包括：光电探测器1037、第二usrp1038和视频接收单元1039。光电探测器1037，与第二usrp1038相连，用于接收携带有视频信息的高斯光束并进行光电转换得到调制视频信号。第二usrp1038，与视频接收单元1039相连，用于接收调制视频信号并解调，得到视频信号并发送给视频接收单元1039。视频接收单元1039，用于接收视频信号，以还原视频信号携带的视频信息。
具体的，若第一影音信息为音频信息，第二影音信息为视频信息，则携带有视频信息的高斯光束为第二束光束中保留的高斯光束。若第一影音信息为视频信息，第二影音信息为音频信息，则携带有视频信息的高斯光束为转换高斯光束。光电转换器具有接收端，光电转换器通过接收端与第一光阑1033或第二光阑1034相对，接收携带有视频信息的高斯光束，将该携带有视频信息的高斯光束转化为视频调制信号。由于高斯光束中的视频调制信号曾通过第一usrp1013进行调制，因此现在需要通过第二usrp1038将视频调制信号进行解调，得到视频信号，最后还原视频信号得到视频信息。在实际应用中，视频接收单元1039可为笔记本电脑。
进一步地，如图3所示，是本发明提供的第二实施例中的光通信系统中的音频传输装置的连接示意图。光发射单元101还包括音频传输装置1016。音频光源1012的阳极和外接电源203的正极相连，音频光源1012的阴极和音频传输装置1016的左声道线或右声道线相连，音频传输装置1016的地线与外接电源203的负极相连。音频传输装置1016可为耳机，音频传输装置1016的左声道线，右声道线和地线可为耳机的左声道线、耳机的右声道线以及耳机的地线，其中，耳机的地线可通过同轴电缆与外接电源203的负极相连，外接电源203为直流电源。
进一步地，携带有第一影音信息的涡旋光束的拓扑荷阶数的最小值为1，最大值为10，可取范围内的整数。可以理解的，通过设置涡旋光产生单元1015的方向，则经过涡旋光产生单元1015转化的涡旋光束的拓扑荷阶数的变化范围可为-1至-10中的整数。
可选的，参见图4和图5，图4是本发明提供的第二实施例中的光通信系统的第二连接示意图，图5是本发明提供的第二实施例中的光通信系统的光路示意图。如图4和图5所示，涡旋光产生单元1015包括起偏器204、四分之一波片205和涡旋半波片206。携带有音频信息的高斯光束经过准直器后入射到起偏器204成为线偏光，经过四分之一波片205转化为圆偏光，入射到涡旋半波片206成为涡旋光束。其中，涡旋半波片206可采用可调波片，以利用光控取向技术控制液晶分子的取向，形成角向空间渐变的液晶取向分布，以当圆偏振光通过时产生涡旋光束。涡旋半波片206的波片参数值与涡旋光检测单元1032的波片参数值相等，以使通过涡旋半波片206转换得到的涡旋光束可通过涡旋光检测单元1032转化为高斯光束。
可选的，如图4和图5所示，光处理单元103还包括音频滤波器207、第一聚焦透镜208和第二聚焦透镜209。为了滤除太阳光和室内照明光晕产生的光电流噪声信号，在太阳能电池板1035后可设置音频滤波器207以消除噪声干扰。由于太阳能电池板1035的光斑接收面积有限，可在第一光阑1033之前设置第一聚焦透镜208，对携带有音频信息的高斯光束进行聚焦，以增强携带有音频信息的高斯光束的强度。相应地，由于光电探测器1037的光斑接收面积有限，可在第二光阑1034和光电转换器之间设置第二聚焦透镜209，对携带有视频信息的高斯光束进行聚焦，以增强携带有视频信息的高斯光束的强度。
可选的，如图4所示，光处理单元103还包括音频放大电路210，两端分别电性连接音频滤波器207和音频接收单元1036，用于放大调制音频信号的强度，并将增强后的调制音频信号发送给音频接收单元1036。由于在太阳能电池板1035后设置音频滤波器207消除多余噪声时，滤波后的电信号会有一定程度的衰减，因此需设置音频放大电路210进行放大，音频放大电路210选用集成电路板进行供电，供电电压可为12v，放大后的电信号的输出功率相应地为10w(单位：瓦特)。
其中，如图6至图11所示，通过利用涡旋光束和高斯光束进行传输后同时播放视频信息和音频信息，可得到无损的音频信息和无失真的视频信息，进而提高用户体验。
在本发明实施例中，通过涡旋光束携带第一影音信息以及高斯光束携带第二影音信息，而涡旋光束具有正交性和无限性等特点，因此可与高斯光束合并为合束光束，通过自由空间光通信信道进行同轴传输，则利用一个自由空间光通信信道传输了第一影音信息和第二影音信息，提高了光通信的通信容量。另外，利用本光通信系统可得到无损的音频信息和无失真的视频信息，进而提高用户体验。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
以上为本发明所提供的一种光通信系统的描述，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。