自由空间光通信串并行组合中继装置的制作方法

本实用新型涉及一种自由空间光通信串并行组合中继装置。

背景技术：

自由空间光通信(Free Space Optical-Communication,FSO)也称为大气光通信，是一种在不需要光纤的情况下通过激光信号在大气信道下传播实现的双向通信系统，被认为是解决“最后一公里”问题的最佳可行方法。它具有低功率损耗、无需频谱许可证、高传输速率、成本低、安全性好等优势，在复杂情况中可以简单快速的建立高速通信链路，并且抗干扰能力强，所以此技术所涉及的领域非常广泛，可用于航天通信、军事事业、人民日常生活中等。然而单跳的FSO链路受制于大气湍流导致的衰落，其通信距离不能超过几千米。为了扩大信号的覆盖范围，我们将采用中继技术。通过引入中继技术，通信长链路被分解成多条短链路，发射机到接收机的通信可靠性能够得到有效地提升。

对于FSO领域中继系统链路分为串行和并行两种方式，2013年Mohammadreza A.等学者对两种方式下系统中断性能的研究为光链路的设计提供了理论依据。多跳传输作为一种串行中继传输方案，也是目前的研究热点。FSO系统中继节点的处理可以采用放大转发(AF)和译码转发(DF)两种方式，译码转发的通信可靠性高，但结构比较复杂、成本高、难于实现，而放大转发的成本较低、结构简单，其中AF方式的系统对信号可以通过光放大方式，也可以转换到电域进行放大转发。

对于实际通信链路设计中，应该按照实际情况来选择串行中继方式和并行中继方式，不应该局限于只采用串行或并行的一种方式。串并行同时存在的通信系统才是更加符合实际运用中。目前，只有在2014年土耳其学者Sasan Zhalehpour和Murat Uysal研究了并行中继FSO系统的性能，每个并行中继链路中又包含了若干个解码和转发的串行中继，利用路径最佳选择协议(m-bp)，找出中断概率最低的链路，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。

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串并行组合中继装置。

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串并行组合中继装置，它包括M条并行传送链路，每一条链路又由N个串行AF中继节点组成；其中M、N为正整数，M≥2,N个AF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N+1等份。

进一步地，每一个中继节点由接收端RX和发射端TX组成，所述发射端TX包括依次相连的第一巴特沃斯低通滤波器、第一I/Q混频器、第一带通滤波器、铌酸锂马赫-曾德尔调制器、第一光带通滤波器和第一发射天线；所述铌酸锂马赫-曾德尔调制器还连接有第一激光器；所述接收端RX包括依次相连的第二接收天线、幅度放大器、光混频器、第二光带通滤波器、第二光电探测器、第二带通滤波器、第二I/Q混频器和第二巴特沃斯低通滤波器；其中，所述光混频器上还连接有第二激光器。

进一步地，所述中继节点中的接收端RX和发射端TX之间通过AF中继结构实现放大转发，所述AF中继结构包括依次相连的第一接收天线、第一光电探测器、Ge放大器、电光转换电路、第二发射天线。

进一步的，相邻两个AF中继节点之间的距离不大于一千米。

本实用新型的有益效果是：这种并行中继与串行中继的组合结构相比于单纯的并行中继或串行中继结构，优势更加明显，可以进一步扩大信号的覆盖范围，增加系统信道容量，同时采用相干探测OFDM技术可以明显地降低大气湍流对通信质量的影响。AF中继技术的应用也使得本实用新型结构简单、系统部署更有灵活性，在现实生活中易于实现。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意框图；

图2为本实用新型的发射端结构示意框图；

图3为本实用新型的放大中继节点结构示意框图；

图4本实用新型的接收端结构示意框图；

图中，第一巴特沃斯低通滤波器1、第一I/Q混频器2、第一带通滤波器3、第一激光器4、铌酸锂马赫-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、第一光电探测器9、Ge放大器10、电光转换电路11、第二发射天线12、第二接收天线13、幅度放大器14、光混频器15、第二激光器16、第二光带通滤波器17、第二光电探测器18、第二带通滤波器19、第二I/Q混频器20、第二巴特沃斯低通滤波器21、Tx为发射端、RL为AF中继节点、Rx为接收端。

具体实施方式

本实用新型自由空间光通信串并行组合中继装置包括图1所示的装置总体结构、图2所示的发射端结构、图3所示的AF中继节点结构和图4所示的接收端结构。

下面结合附图对本实用新型做进一步的说明。

如图1所示，本实用新型包括M条并行传送链路，每一条链路又由N个串行AF中继节点组成；其中M、N为正整数，M≥2,N个AF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N+1等份。S表示源节点，D表示目的节点，R11，R12，…,R1N,…,RN1,RN2,…,RNN表示中继节点，每一个中继节点由接收端RX和发射端TX组成。

如图2所示，中继节点的发射端TX包括依次电连接的第一巴特沃斯低通滤波器1、第一I/Q混频器2、第一带通滤波器3、铌酸锂马赫-曾德尔调制器5、第一光带通滤波器6、第一发射天线7，第一激光器4和铌酸锂马赫-曾德尔调制器5进行电连接。

通过外接的OFDM调制器调制成OFDM信号作为原始数据信号，信号通过第一巴特沃斯低通滤波器1滤掉高频噪声，再通过第一I/Q混频器2外加高频信号LO1将OFDM信号进行上变频到一个合适的中频fLO1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。通过铌酸锂马赫-曾德尔调制器5对第一激光器4进行光强度调制，然后调制到光载波上。经过第一光带通滤波器6滤掉噪声后，信号光通过第一发射天线7发射到自由空间大气信道中。

如图4所示，接收端包括第二接收天线13、幅度放大器14、光混频器15、第二激光器16、第二光带通滤波器17、第二光电探测器18、第二带通滤波器19、第二I/Q混频器20和第二巴特沃斯低通滤波器21。其中，所述第二接收天线13、幅度放大器14、光混频器15、第二光带通滤波器17、第二光电探测器18依次用光纤连接，第二光电探测器18、第二带通滤波器19、第二I/Q混频器20和第二巴特沃斯低通滤波器21依次电连接，所述光混频器15与第二激光器16用光纤连接。

第二接收天线13接收信号光，幅度放大器14对接收的信号进行放大处理，处理后的信号光和第二激光器16产生的虚拟本振光在光混频器15中进行外差混频。混频后经过第二光带通滤波器17滤掉直流项和高频项，进入第二光电探测器18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19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同样需要第二I/Q混频器20来完成混频运算，即与外加的高频信号LO2相乘,混频后的信号通过第二巴特沃斯低通滤波器21就可以提取出有用的OFDM信号。OFDM信号由外接的OFDM解调器解调出原始数据信号。

如图3所示，所述中继节点中的接收端RX和发射端TX之间通过AF中继结构实现放大转发，所述AF中继结构包括依次用光纤连接的第一接收天线8、第一光电探测器9、Ge放大器10、电光转换电路11、第二发射天线12。

通过第一接收天线8接受大气中的信号，然后通过第一光电转换器9对光信号进行光电转换，将接收的光信号转换为电信号，再经过Ge放大器10将信号进行放大。放大后的信号再进入电光转换电路11转换成光信号，由第二发射天线12将信号转发到下一个AF中继节点中处理。

本实用新型通过以上设计，可以进一步扩大信号的覆盖范围，增加系统信道容量，明显地降低大气湍流对通信质量的影响，从而提高了系统通信的可靠性和稳定性。AF中继技术的应用也使得本实用新型结构简单、系统部署更有灵活性，在现实生活中易于实现。