一种大气湍流中的激光通信装置

1.本实用新型属于激光通信领域，具体来说，涉及一种大气湍流中的激光通信装置。


背景技术：

2.在近地面大气信道中，大气湍流现象严重，大气信道是限制近地激光通信高速数据传输的主要原因，大气湍流引起激光信号的功率起伏，从而使接收信噪比降低、系统误码率升高。目前缓解大气湍流对激光通信的影响主要通过自适应光学在接收端来矫正光束的畸变，但由于系统结构复杂、成本较高，且对于高速激光通信性能的改善效果不明显等原因并没有普及。
3.很明显不同的湍流强度会使光束的强度由不同程度的衰减，接收端也不可以无限制的提高雪崩光电二极管内部增益来提高接收信噪比，过度的提高内部增益会严重的提高探测器噪声使接收信噪比降低，过低的内部增益会使接收到的光电流淹没在探测器噪声中难以解调出正确的传递信息。


技术实现要素：

4.针对现有探测技术在大气湍流解调中存在误判，导致通信链路不稳定的问题，本实用新型提供了一种大气湍流中的激光通信装置。
5.为实现上述技术目的，本实用新型采用的技术方案如下：
6.一种大气湍流中的激光通信装置，包括数字信号输入端、调制器、激光器、发射光学天线、接收光学天线、雪崩光电二极管、最佳反偏电压输出单元、通信信号解调单元和数据输出端；
7.数字信号输入端、调制器、激光器和发射光学天线依次通信连接，通过数字信号输入端将信号送入调制器上，由调制器加载到激光器，再通过发射光学天线完成激光的发射；
8.接收光学天线、雪崩光电二极管和最佳反偏电压输出单元依次通信连接，经过大气信道，带有调制信息的激光束由接收光学天线汇聚到雪崩光电二极管靶面上，再经过最佳反偏电压输出单元计算并为雪崩光电二极管提供实时最佳的反偏电压；
9.雪崩光电二极管、通信信号解调单元和数据输出端依次通信连接。
10.进一步地，所述最佳反偏电压输出单元包括电流镜、模数转换单元、最佳倍增因子计算单元、增益因子与反偏电压对照单元、pid控制单元和dc/dc转换器；
11.所述雪崩光电二极管、电流镜、模数转换单元、最佳倍增因子计算单元和增益因子与反偏电压对照单元依次通信连接，所述电流镜、模数转换单元、最佳倍增因子计算单元和增益因子与反偏电压对照单元用于模数转换后计算出最佳倍增因子值，通过倍增因子与反偏电压对照计算出最佳反偏电压；
12.增益因子与反偏电压对照单元、pid控制单元、dc/dc转换器和雪崩光电二极管依次通信连接，通过pid控制算法以dc/dc转换器为执行器件为雪崩光电二极管提供实时最佳反偏电压。
13.进一步地，所述通信信号解调单元包括跨阻增益放大器和时钟数据恢复单元；
14.所述雪崩光电二极管、跨阻增益放大器、时钟数据恢复单元和数据输出端依次通信连接。
15.本实用新型相比现有技术，具有如下有益效果：
16.通过最佳反偏电压输出单元计算出最佳的反偏电压，并通过通信信号解调单元解调通信信号传输给数据输出端，从而缓解大气湍流效应对于激光通信系统通信性能的负面效果。在大气信道中传输数据实现更好的通信效果，具有结构简单、实时性好、提高通信系统性能等突出特点。
附图说明
17.图1为本实用新型一种大气湍流中的激光通信装置的整体结构示意图；
18.图2为本实用新型数模转换单元电路图；
19.图3为本实用新型最佳倍增因子计算单元在fpga内运行的管脚电路图；
20.图4为本实用新型增益因子与反偏电压对照单元在fpga内运行的管脚电路图；
21.图5为本实用新型pid控制单元控制电路图；
22.图6为图5中pid控制单元输入输出控制电路图；
23.图7为本实用新型时钟数据恢复单元控制电路图。
24.图中标记说明：1-发射光学天线，2-激光器，3-调制器，4-数字信号输入端，5
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接收光学天线，6-雪崩光电二极管，7-电流镜，8-模数转换单元，9-最佳倍增因子计算单元，10-增益因子与反偏电压对照单元，11-pid控制单元，12-dc/dc转换器， 13-跨阻增益放大器，14-时钟数据恢复单元，15-数据输出端。
具体实施方式
25.为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本实用新型作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本实用新型的限定。
26.如图1-7所示，一种大气湍流中的激光通信装置，包括数字信号输入端4、调制器3、激光器2、发射光学天线1、接收光学天线5、雪崩光电二极管6、最佳反偏电压输出单元、通信信号解调单元和数据输出端15。激光器2选用otx-15-155m-mb，模数转换单元8选用ad9226ars，雪崩光电二极管6选用voxtel siletz bsirip1-jjrc系列，时钟数据恢复单元14选用adn2814型号器件，dc/dc转换器12 选用max15031boost转换器。本实施例所述通信连接方式为线缆或者光纤连接。
27.数字信号输入端4、调制器3、激光器2和发射光学天线1依次通信连接，数字信号输入端4将信号送入调制器3上，由调制器3加载到激光器2，再通过发射光学天线1完成激光的发射。
28.接收光学天线5、雪崩光电二极管6和最佳反偏电压输出单元依次通信连接，经过大气信道，带有调制信息的激光束由接收光学天线5汇聚到雪崩光电二极管6 靶面上，再经过最佳反偏电压输出单元计算并为雪崩光电二极管6提供实时最佳的反偏电压；
29.雪崩光电二极管6、通信信号解调单元和数据输出端15依次通信连接。
30.最佳反偏电压输出单元包括电流镜7、模数转换单元8、最佳倍增因子计算单元 9、
增益因子与反偏电压对照单元10、pid控制单元11和dc/dc转换器12。
31.雪崩光电二极管6、电流镜7、模数转换单元8、最佳倍增因子计算单元9和增益因子与反偏电压对照单元10依次通信连接，所述电流镜7、模数转换单元8、最佳倍增因子计算单元9和增益因子与反偏电压对照单元10用于模数转换后计算出最佳倍增因子值，通过倍增因子与反偏电压对照计算出最佳反偏电压。
32.增益因子与反偏电压对照单元10、pid控制单元11、dc/dc转换器12和雪崩光电二极管6依次通信连接，通过pid控制算法以dc/dc转换器12为执行器件为雪崩光电二极管6提供实时最佳反偏电压。
33.通信信号解调单元包括跨阻增益放大器13和时钟数据恢复单元14；所述雪崩光电二极管6、跨阻增益放大器13、时钟数据恢复单元14和数据输出端15依次通信连接。
34.本实用新型的使用原理在于，(1)整个装置开机上电，使各个部分处于工作状态，接收光学天线5将背景光聚集至雪崩光电二极管6的靶面上，雪崩光电二极管 6转换的光电流通过模数转换单元8转换成数字信号存入最佳倍增因子计算单元9 中。
35.(2)将数据输入端的二进制数据通过调制器3加载到激光器2上，激光器2 将电信号转化成光信号，由发射光学天线1完成激光束的发射。
36.(3)激光束通过大气信道后由接收光学天线5将光束汇聚至雪崩光电二极管6 靶面，由雪崩光电二极管6将调制光信号转换为电信号。
37.(4)雪崩光电二极管6的阳极与跨阻增益放大器13相连，进行信号的解调，雪崩光电二极管6的阴极与电流镜7相连进行为倍增因子计算提供受湍流影响的光电流值。
38.(5)跨阻增益放大器13对信号进行放大，放大后的信号通过时钟恢复单元完成调制数据的时钟、数据恢复，经数据输出端15输出。
39.(6)电流镜7镜像测量经雪崩光电二极管6的光电流，通过模数转换单元8 将模拟信号转化成数字信号方便处理。
40.(7)经过转换后的数字信号通过最佳倍增因子计算单元9根据雪崩光电二极管 6接收信噪比公式，即有用信号功率与噪声功率的比值，其中有用信号功率由有用信号光电流与倍增因子的乘积组成，噪声功率由背景光、暗电流引起的散粒噪声以及热噪声组成，除倍增因子外其余参量在一定时间内均为定值，对雪崩光电二极管 6接收信噪比公式作倍增因子的偏导后得到的公式随倍增因子不断增大先增大后减小，即雪崩光电二极管6接收信噪比公式求倍增因子的偏导为零时该倍增因子为最佳倍增因子点，通过增益因子与反偏电压对照单元10输出最佳反偏电压值。
41.(8)以增益因子与反偏电压对照单元10输出值作为pid控制单元11的输入值， pid控制单元11输出值作为dc/dc转换器12的输入控制量。
42.(9)dc/dc转换器12的输出分别为雪崩光电二极管6提供反偏电压和pid控制单元11的反馈信号。
43.本实用新型相比现有技术，具有如下有益效果：
44.通过最佳反偏电压输出单元计算出最佳的反偏电压，并通过通信信号解调单元解调通信信号传输给数据输出端15，从而缓解大气湍流效应对于激光通信系统通信性能的负面效果。在大气信道中传输数据实现更好的通信效果，具有结构简单、实时性好、提高通信系统性能等突出特点。
45.以上对本技术提供的一种大气湍流中的激光通信装置进行了详细介绍。具体实施例的说明只是用于帮助理解本技术的结构及其设计方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本技术权利要求的保护范围内。