自由空间光通信中的差分互校验解调装置

自由空间光通信中的差分互校验解调装置
1.本技术是申请号为202120933139.7，申请日为2021年4月30日，发明创造名称为“自由空间光通信中的差分互校验调制解调装置”的实用新型专利申请的分案申请。
技术领域
2.本实用新型涉及无线光通信技术领域，具体涉及自由空间光通信的差分互校验解调装置。


背景技术：

3.无线光通信不同于有线的光纤通信，它是利用光作为载体，在大气等自由媒介中实现点对点、点对多点和多点对多点之间数据、语音、图像和视频等的双向传输。由于无线光通信的传输介质是自由空间，所以不需要铺设路线，通信方式更加灵活方便，因此可以完成光纤通信无法完成的任务，对于解决“最后一公里”的通信有着极大的应用价值。此外，其还具有保密性强、通信容量大、成本低且易维护等特点，可以应用于应急通信、局域网扩展、光纤通信备份等领域。
4.同时，自由空间的光通信也因为传输信道受天气状况、地形条件、外来物的影响产生的随机性和自身系统构成的复杂性，在工作过程中很容易受到各种干扰，进而引起系统通信质量的下降，严重时甚至会导致通信中断，难以实现全天候，超视距的通信。此外，自由空间光通信的传输距离和带宽与误码率的矛盾也非常突出，仅仅提高发射功率得到的提升是有限的。学者们多采用例如选择透过性良好的光束波长、增大接收孔径等手段来解决这一矛盾，但这些方法操作复杂，系统的体积、重量和成本也会随之增加。此外，还需选择合适的调制方式、编码方式以及解调方式，才能避免系统性能的下降。目前自由空间光通信系统大多采用im-dd（强度调制，直接检测）方式，最有代表性的编码方式为ook（开关键控）编码，面对严重的外界干扰，光信号衰减后传输距离大大缩短，误码率增高。


技术实现要素：

5.为了提高自由空间光通信系统的抗干扰能力，使其在发挥自身高速传输特性的同时能适应多变的环境增强传输稳定性和准确性，本实用新型提供一种自由空间光通信中的差分互校验解调装置。
6.本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案如下：
7.一种自由空间光通信中的差分互校验调制方法，包括自由空间光通信中的差分互校验调制解调装置，所述装置包括发送端，所述调制方法包括如下步骤：
8.发送端对要发送的二进制比特流进行处理，如果要发送“1”，则在一个调制时隙内发送波长为λ1的光信号的发出功率为p1，对应电信号的幅值为u1，发送波长为λ2的光信号的发出功率为p2，对应电信号的幅值为u2，且p1》p2（u1》u2）；如果要发送“0”，则发出两个光信号的发出功率p1《p2（u1《u2）；
9.或者如果要发送“0”，则p1》p2（u1》u2）；如果要发送“1”，则p1《p2（u1《u2）。
10.一种自由空间光通信中的差分互校验解调方法，包括自由空间光通信中的差分互校验调制解调装置，所述装置包括接收端，所述解调方法包括如下步骤：
11.接收端将从发送端传来的光信号分离后得到来自发送端的两束不同波长的光信号，通过两个光电探测器分别将两束光信号转换成电信号后对这两束光信号相应的电压幅值进行差分互校验：发送信号的幅值u1和u2经过信道衰减后为u1´
和u2´
，即若u1´
》u2´
，则解调为“1”；若u1´
《u2´
，则解调为“0”，或者若u1´
》u2´
，则解调为“0”；若u1´
《u2´
，则解调为“1”。
12.一种自由空间光通信中的差分互校验调制解调装置，包括发送端，所述发送端包括
13.待调制电信号输入端，其用于输入待调制的电信号；
14.信号调制单元，用于对待发送的电信号进行差分互校验调制，使光源按照编码后的要求发出光信号；
15.光源，其用于产生两路不同波长的光信号；
16.光合波模块，其用于对两路不同波长的光信号合成一路，通过相同的信道发射出去；
17.所述待调制电信号输入端、信号调制单元、光源和光合波模块顺序连接。
18.一种自由空间光通信中的差分互校验调制解调装置，包括接收端，所述接收端包括
19.光分波模块，用于将两种波长的光分离出来；
20.光电探测器，用于将两路不同波长的光信号转换成对应的电信号；
21.差分互校验模块，用于比较出两路两种波长光的光强大小；
22.信号解调单元，用于根据比较器得出的光强大小情况进行差分互校验解调；
23.解调信号输出端，用于输出解调得到的发送信号；
24.所述光分波模块、光电探测器、差分互校验模块、信号解调单元和解调信号输出端顺序连接。
25.一种自由空间光通信中的差分互校验调制解调方法，与现有技术不同的是，在发送端选取不同波长的，不同能量的n束光，在接收端两两比较大小，n元可以得到n！种情况，选取2m种情况，解调为2m种m位二进制数，其中2m《 n！。
26.本实用新型的优点或有益效果：
27.（1）本实用新型的解调是对两束光的能量做差分互校验处理，由于在相同的信道下两束光的衰减基本相同，而且自身不携带信息，因此不再需要关注单束光的能量衰减和发射的具体内容，只需关心两束光能量的相对大小，消除了干扰的影响使通信质量得以提升；
28.（2）本实用新型采用差分互校验的另一个优势在于两束光都可以用很高的能量发送出去，只需要保证两者的相对大小存在即可，这意味着发出的光束穿透能力更强，传输距离更远；
29.（3）本实用新型作为通信系统，若记两束光发送的闪烁频率1/ts，ts为一个符号周期，人眼能感觉到的闪烁频率f，通常f小于200hz，一般情况下1/ts》》f，因此，人眼感觉不到闪烁的，而且根据环境需要可通过不同的色度比例混合所需颜色的光，可以兼具通信和照明两项功能。
附图说明
30.图1为实施例中差分互校验调制解调装置框图；
31.图2为实施例中发送端具体调制过程示意图；
32.图3a和图3b为实施例中接收端具体解调过程示意图。
具体实施方式
33.下面结合附图以及实施例对本实用新型内容作详细描述，所述实施例的实例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
34.实施例：
35.一种自由空间光通信中的差分互校验调制方法，包括自由空间光通信中的差分互校验调制解调装置，所述装置包括发送端，所述调制方法包括如下步骤：
36.发送端对要发送的二进制比特流进行处理，如果要发送“1”，则在一个调制时隙内发送波长为λ1的光信号的发出功率为p1，对应电信号的幅值为u1，发送波长为λ2的光信号的发出功率为p2，对应电信号的幅值为u2，且p1》p2（u1》u2）；如果要发送“0”，则发出两个光信号的发出功率p1《p2（u1《u2）；
37.或者如果要发送“0”，则p1》p2（u1》u2）；如果要发送“1”，则p1《p2（u1《u2）。
38.一种自由空间光通信中的差分互校验解调方法，包括自由空间光通信中的差分互校验调制解调装置，所述装置包括接收端，所述解调方法包括如下步骤：
39.接收端将从发送端传来的光信号分离后得到来自发送端的两束不同波长的光信号，通过两个光电探测器分别将两束光信号转换成电信号后对这两束光信号相应的电压幅值进行差分互校验：发送信号的幅值u1和u2经过信道衰减后为u1´
和u2´
，即若u1´
》u2´
，则解调为“1”；若u1´
《u2´
，则解调为“0”，或者若u1´
》u2´
，则解调为“0”；若u1´
《u2´
，则解调为“1”。
40.如图1所示，实现上述方法的自由空间光通信中的差分互校验调制解调装置，包括发送端，所述发送端包括
41.待调制电信号输入端，其用于输入待调制的电信号；
42.信号调制单元，用于对待发送的电信号进行差分互校验调制，使光源按照编码后的要求发出光信号；
43.光源，其用于产生两路不同波长的光信号；
44.光合波模块，其用于对两路不同波长的光信号合成一路，通过相同的信道发射出去；
45.所述待调制电信号输入端、信号调制单元、光源和光合波模块顺序连接。
46.如图1所示，实现上述方法的自由空间光通信中的差分互校验调制解调装置，包括接收端，所述接收端包括
47.光分波模块，用于将两种波长的光分离出来；
48.光电探测器，用于将两路不同波长的光信号转换成对应的电信号；
49.差分互校验模块，用于比较出两路两种波长光的光强大小；
50.信号解调单元，用于根据比较器得出的光强大小情况进行差分互校验解调；
51.解调信号输出端，用于输出解调得到的发送信号；
52.所述光分波模块、光电探测器、差分互校验模块、信号解调单元和解调信号输出端顺序连接。
53.下面结合附图来描述本实用新型提出的自由空间光通信中的差分互校验调制解调系统基本运行过程。
54.差分互校验调制方法：
55.发送端为了发送二进制“0”或“1”，选取不同波长、不同能量的两束光，将其合并后发送。接收端将收到的光分离后，通过比较两束光能量的大小，得到的两种情况，一种解调为“0”，另一种解调为“1”，进而还原出发送端发送的信息。
56.进一步推广到二元以上，例如，在发送端选取不同波长的，不同能量的三束光，可以在接收端两两比较大小，可得到6种情况：p1、p2和p3分别代表三束光的能量，从左到右为由大到小排序：p
1 p
2 p3；p
1 p
3 p2；p
2 p
1 p3；p
2 p
3 p1；p
3 p
1 p2；p
3 p
2 p1，可选取四种情况，解调为“00”、“01”、“10”和“11”，由此n元就可以得到n！种情况，可选取2m种情况，解调为2m种m位二进制数，2m《 n！。
57.图1示出了差分互校验调制解调系统的总体框图，具体地，pc机通过串口与以fpga芯片为核心的最小系统板连接，形成本实用新型的发送端和接收端，其中，
58.发送端中光源为led1和 led2两个发光二极管模块；光合波模块为衍射光栅型、棱镜型或波导型等几种类型中的一种光合波器；信号调制单元为由fpga为核心的最小系统板，所述最小系统板包括：电源模块，分别产生3.3v、2.5v和1.2v的电压为芯片供电；晶振模块，采用50mhz的有源晶振；串口模块，由rs-232标准串口设计的单电源电平转换芯片max232组成；flash模块，由一个4mbit串行配置设备epcs4si8n组成；最后是jtag和as下载口和通过排针引出的i/o口；接收端中光分波模块为衍射光栅型、棱镜型或波导型等几种类型中的一种光分波器；光电探测器为pin或apd光电二极管；差分互校验模块为比较器或者减法器电路，信号解调单元与发送端的信号调制单元相同。
59.所述的自由空间光通信中的差分互校验调制解调方法过程如下：
60.发送端：
61.pc机通过串口发送信息到以fpga芯片为核心的最小系统板，进行本实用新型提出的差分互校验调制。若发送数据为“1”，则一个调制时隙内以幅值u1=5v的电信号点亮led1，led2以幅值u2=3v的电信号点亮；若发送数据“0”，led1对应的u1=3v，led2对应的u2=5v。图2展示了发送端具体调制过程，举例发送的原始二进制比特流为101001，调制后的两个io口按图中所示电平信号分别传给两组不同波长的led，最终将发出两束光通过光合波器合成一束光信号发送出去。
62.接收端：
63.首先将发送过来的光通过光分波器分离为原来两种波长的光信号，通过pin1和pin2两个光电二极管将光信号转化为两组电信号，对这两组电信号通过差分互校验模块和信号解调模块进行本实用新型所提出的差分互校验处理，假设发送数据为101001：
64.a、具体过程见图3a，将两组电信号接入比较器后，输出信号为高电平，则解调为“1”，信号为低电平，则解调为“0”；
65.b、具体过程见图3b，将两组电信号接入减法器后，输出信号为正，则解调为“1”，信
号为负，则解调为“0”。
66.最终fpga系统板将解调出的数据通过串口发给pc机。
67.以上公开的本实用新型的优选实施例，只是帮助阐述本实用新型，不限制本实用新型仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。