一種用于無線光通信的波分復(fù)用接收系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于無線光通信的波分復(fù)用接收系統(tǒng)，特征是包括前置光學(xué)系統(tǒng)(1)、光譜信號分離系統(tǒng)(2)、探測器陣列(3)、高壓電源電路(4)、信號預(yù)處理電路(5)、解調(diào)解碼電路(6)、數(shù)字電源電路(7)和信宿(8)。其中前置光學(xué)系統(tǒng)(1)收集大氣中的多光譜信號，隨后光譜信號分離系統(tǒng)(2)將多光譜信號的各個譜段在空間上分離，并分別聚焦至探測器陣列(3)的各個單元。探測器陣列(3)分別將各譜段的光信號轉(zhuǎn)化為電信號后，信號預(yù)處理電路(5)對其進行電流/電壓轉(zhuǎn)換并放大至TTL電平。最后，解調(diào)解碼電路(6)對預(yù)處理后的信號進行解調(diào)和解碼，獲取原始信息并將其傳送到信宿(8)。
【專利說明】一種用于無線光通信的波分復(fù)用接收系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無線光通信所用的信號接收機，尤其是紫外到近紅外譜段的信號接收機。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著平板電腦等個人網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的普及和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的多樣化，人們對無線網(wǎng)絡(luò)的需求和依賴不斷增加，傳統(tǒng)的WIFI無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能滿足日益增長的需求。作為新興的無線通信技術(shù)，無線光通信可以與現(xiàn)有無線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，成為下一代無線通信網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。美國電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)已經(jīng)為可見光譜段的無線通信制定了標準802.15.7以指導(dǎo)無線光通信系統(tǒng)的設(shè)計，英國、日本和韓國等國家的研宄者也設(shè)計了一些系統(tǒng)模型。
[0003]與傳統(tǒng)的射頻通信技術(shù)相比，無線光通信技術(shù)具有不需要譜段授權(quán)、沒有電磁干擾和不易被竊聽的優(yōu)點。其中可見光譜段的無線光通信，還可以在完成照明功能的同時實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)通信，以減小能耗。因此適合用于室內(nèi)家居和一些對電磁干擾敏感場合如醫(yī)院的無線通信。由于光信號不能穿過墻壁，也可以由光學(xué)天線控制方向，因此其具有天然的小區(qū)分隔，并可以通過空分復(fù)用來提高信道的容量，非常適用于人口密度較大場合的通信。如會議會場。值得一提的是，由于從紫外到近紅外譜段的光均能承載信號，且互不干擾，因此可以利用信道的波分復(fù)用來顯著提高通信速率。
[0004]當(dāng)前的無線光通信系統(tǒng)大多是分別基于紫外LED、白光LED、RGB三色LED或者紅外LED，并沒有出現(xiàn)將所有可用的LED譜段集成在一起的多光譜通信系統(tǒng)，大氣中的光譜信道資源沒有得到完全利用。與此同時，當(dāng)前的多光譜LED光通信接收機大多采用半球形透鏡作為前置光學(xué)系統(tǒng)，增益較低。在光譜分離方面，均是利用濾光片進行光譜分離，能量損失很大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的任務(wù)在于提供一種基于光譜分離光路和探測器陣列，能夠同時從紫外到近紅外譜段接收多譜段無線光信號，并具有前置光學(xué)系統(tǒng)的多光譜無線光通信接收機。
[0006]其技術(shù)解決方案是:
[0007]一種用于無線光通信的波分復(fù)用接收系統(tǒng)，其特征在于包括前置光學(xué)系統(tǒng)、光譜信號分離系統(tǒng)、探測器陣列、高壓電源電路、信號預(yù)處理電路、解調(diào)解碼電路、數(shù)字電源電路和信宿8個部分。其中前置光學(xué)系統(tǒng)收集大氣中的多光譜信號，隨后光譜信號分離系統(tǒng)將接收到的多光譜信號在各個譜段上的子信號從空間上分離，并分別聚焦至探測器陣列的各個單元。探測器陣列分別將各譜段的光信號轉(zhuǎn)化為電信號后，信號預(yù)處理電路對其進行電流/電壓轉(zhuǎn)換并放大至TTL電平。最后，解調(diào)解碼電路對預(yù)處理后的信號進行解調(diào)和解碼，獲取信號所承載的原始信息并將其傳送到信宿。信宿對信號的接收進行監(jiān)控，并將接收的信息存儲。該接收系統(tǒng)可以對大氣中多光譜信號在各譜段的子信號進行提取和接收，以實現(xiàn)波分復(fù)用的無線光通信。與此同時，還能對背景光噪聲的各個譜段進行提取，在多譜段提供無線光通信信道的原始數(shù)據(jù)。該接收系統(tǒng)的覆蓋范圍為300到1000納米，可實現(xiàn)從紫外到近紅外波段的全面覆蓋。上述解調(diào)解碼電路包括FPGA處理器，F(xiàn)LASH存儲器，通信接口處理器，電源模塊和信號整形模塊?？蓪㈩A(yù)處理電路輸出的標準電平等級的信號按調(diào)制和編碼方式進行解調(diào)和解碼，從而得到原始的發(fā)送信號并將其發(fā)送給信宿。
[0008]上述信號預(yù)處理電路包括I/V轉(zhuǎn)換電路，信號放大電路和幅度控制電路。其中I/V轉(zhuǎn)換電路由跨導(dǎo)放大器芯片及其周邊元件組成，可將探測器單元輸出的微弱電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，并實現(xiàn)信號的放大。信號放大電路由增益可控的放大器芯片及其周邊元件組成?？蓪﹄妷盒盘栠M行進一步的、增益可控的放大，以保證輸出信號具有穩(wěn)定的電平等級。幅度控制電路由單片機及其周邊電路組成。其利用單片機內(nèi)置的AD對多路信號進行采樣，并根據(jù)采樣信號的情況利用單片機內(nèi)置的DA對信號放大電路的增益進行調(diào)節(jié)，以保證輸出信號的穩(wěn)定。
[0009]上述前置光學(xué)系統(tǒng)由正負透鏡組組成，該光學(xué)系統(tǒng)可以使主面后移，負組透鏡在前可以減小軸外光線對正組透鏡的視場角，達到了大視場短焦距的目的。另外，信號光束近似于平行光束，被前置光學(xué)系統(tǒng)的負組透鏡接收，所成的像為該系統(tǒng)正組透鏡的物，正組透鏡的任務(wù)就是將其成像于指定狹縫上，以便于光譜信號分離系統(tǒng)分光并接收信號。
[0010]上述光譜信號分離系統(tǒng)采用光柵分光結(jié)構(gòu)，由狹縫，準直系統(tǒng)，光柵，聚焦系統(tǒng)組成。準直系統(tǒng)將狹縫出來的多光譜信號光轉(zhuǎn)化為平行光，再通過光柵將多光譜信號在空間上進行分離，最后通過聚焦系統(tǒng)將多個單光譜信號聚焦到APD陣列上，從而實現(xiàn)多光譜探測接收的目的。準直系統(tǒng)包括準直鏡和平面反射鏡，其中準直鏡可以將發(fā)散信號光轉(zhuǎn)化為平行光，反射鏡用于折疊光路。聚焦系統(tǒng)包括聚焦鏡和柱面反射鏡，聚焦鏡用于將多個單光譜信號聚焦到APD陣列上進行探測接收，柱面反射鏡用于調(diào)整系統(tǒng)的像差，從而實現(xiàn)較高的光譜分辨率。
[0011]本發(fā)明的創(chuàng)新點在于:
[0012](I)能夠同時接收多路多光譜調(diào)制信號，譜段覆蓋范圍從300nm到lOOOnm，即紫外到近紅外光的光譜范圍。實現(xiàn)了多光譜信號中子光譜信號的多路分離和分路接收。
[0013](2)能夠同時接收多路多光譜背景光信號，譜段覆蓋范圍從300nm到lOOOnm，。實現(xiàn)了對大氣光信道背景噪聲的多光譜實時監(jiān)測。
[0014](3)前置光學(xué)系統(tǒng)可以將大視場范圍內(nèi)的多光譜信號聚焦于狹縫，實現(xiàn)了大視場、高增益的信號接收。
[0015](4)光譜信號分離系統(tǒng)可以在空間上將多光譜信號分為多個單光譜信號，然后用APD陣列對多個單光譜信號進行接收，從而實現(xiàn)多光譜多路接收探測，較大的提高了系統(tǒng)的信噪比和通信速率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的原理示意框圖。
[0017]圖2為本發(fā)明的信號放大電路的原理示意框圖
[0018]圖3為本發(fā)明實施方式一的前置光學(xué)系統(tǒng)的原理示意圖
[0019]圖4為本發(fā)明實施方式一的光譜信號分離系統(tǒng)的原理示意圖
[0020]圖5為本發(fā)明實施方式三的前置光學(xué)系統(tǒng)的原理示意圖
[0021](附圖中各部件尺寸和距離等沒有嚴格按照比例畫出)。

【具體實施方式】
[0022]結(jié)合附圖詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。為了便于描述和突出顯示本發(fā)明，附圖中省略了現(xiàn)有技術(shù)中已有的相關(guān)部件，并將省略對這些公知部件的描述。
[0023]實施方式一:
[0024]結(jié)合圖1，圖2，圖3，圖4，一種用于無線光通信的波分復(fù)用接收系統(tǒng)。包括前置光學(xué)系統(tǒng)1、光譜信號分離系統(tǒng)2、探測器陣列3、高壓電源電路4、信號預(yù)處理電路5、解調(diào)解碼電路6、數(shù)字電源電路7和信宿8。其中前置光學(xué)系統(tǒng)收集大氣中的多光譜信號，隨后光譜信號分離系統(tǒng)將多光譜信號的各個譜段在空間上分離，并分別聚焦至探測器陣列的各個單元。探測器陣列共有8路，分別將各譜段的光信號轉(zhuǎn)化為電信號后，利用8路信號預(yù)處理電路對其進行電流/電壓轉(zhuǎn)換并放大至TTL電平。最后，解調(diào)解碼電路對預(yù)處理后的信號進行解調(diào)和解碼，獲取原始信息并將其傳送到信宿。該接收系統(tǒng)可以對大氣中多光譜信號在各譜段的子信號進行提取和接收，以實現(xiàn)波分復(fù)用的無線光通信。與此同時，還能對背景光噪聲的各個譜段進行提取，在多譜段提供無線光通信信道的原始數(shù)據(jù)。該接收系統(tǒng)的覆蓋范圍為300到1000納米，可實現(xiàn)從紫外到近紅外波段的全面覆蓋。
[0025]探測器陣列配備可控的高壓電源，信號預(yù)處理電路和解調(diào)解碼電路則由專用的數(shù)字電源電路供電。二者相互獨立，以避免串?dāng)_。
[0026]優(yōu)選地，上述探測器采用的是8個First Sensor公司的APD單管500970，并將其分別排列在光譜信號分離系統(tǒng)對各個子波段光信號的聚焦點上。該APD的光譜響應(yīng)范圍為300nm到lOOOnm，光敏面面積為5mm2，接收帶寬為350MHzo
[0027]優(yōu)選地，在該接收系統(tǒng)中，所接收多光譜光信號8個子波段的中心波長分別為310nm，350nm，410nm，450nm，515nm，600nm, 640nm 和 850nm，實現(xiàn)從紫外到近紅外波段的全面覆蓋。
[0028]結(jié)合圖2，上述信號預(yù)處理電路包括I/V轉(zhuǎn)換電路201，信號放大電路202和幅度控制電路203。其中I/V轉(zhuǎn)換電路以跨導(dǎo)放大器芯片為核心，可將探測器單元輸出的微弱電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，并實現(xiàn)高增益的信號放大。信號放大電路以增益可控的放大器芯片為核心。可對電壓信號進行進一步的、增益可控的放大，以保證輸出信號具有穩(wěn)定的電平等級。幅度控制電路以單片機芯片為核心，利用單片機內(nèi)置的AD對多路信號進行采樣，并根據(jù)采樣信號的情況利用單片機內(nèi)置的DA對信號放大電路的增益進行調(diào)節(jié)，以保證輸出信號的穩(wěn)定。上述ΙΛ轉(zhuǎn)換電路，信號放大電路和幅度控制電路都具有8路，分別針對一個特定的子波段信號進行放大。
[0029]上述解調(diào)解碼電路包括FPGA處理器及其周邊電路，電源模塊和信號整形模塊。預(yù)處理電路輸出的多路信號被送入FPGA，根據(jù)特定的調(diào)制和編碼方式進行解調(diào)和解碼，從而得到原始的發(fā)送信號并將其發(fā)送給信宿。
[0030]結(jié)合圖3，上述前置光學(xué)系統(tǒng)包括負組透鏡301和正組透鏡302。負組透鏡301在前，由三片透鏡組成，正組透鏡在后，由四片透鏡組成。系統(tǒng)第一片透鏡為彎月形負透鏡，可以實現(xiàn)大視場信號光的接收，再通過后繼光學(xué)透鏡不斷縮小像方視場角，從而將信號光匯聚于狹縫處。最終實現(xiàn)在視場角90° X22°范圍內(nèi)，將多光譜信號全部匯聚于狹縫接收處，增益可達到20，實現(xiàn)了從紫外到近紅外波段的全面覆蓋。
[0031]結(jié)合圖4，上述光譜信號分離系統(tǒng)包括狹縫401，準直系統(tǒng)402，光柵403，聚焦系統(tǒng)404, APD陣列405。狹縫401尺寸為3X0.4mm。準直系統(tǒng)402由準直鏡和平面反射鏡組成，準直鏡將狹縫401發(fā)散出來的信號光束轉(zhuǎn)化為平行光束，平面反射鏡折疊光路使平行光束射向光柵403。光柵403米用光柵常數(shù)為3001p/mm的平面光柵，在空間上將多光譜信號分離為8個單光譜信號光(中心波長分別為310nm，350nm，410nm，450nm，515nm，600nm，640nm和850nm)。這8路單光譜信號仍然是平行光束，聚焦系統(tǒng)404將8路信號光聚焦到APD陣列405上，從而實現(xiàn)多光譜多路探測接收。聚焦系統(tǒng)404由聚焦鏡和柱面反射鏡組成，聚焦鏡用于將多路單光譜信號聚焦到APD陣列405上，柱面反射鏡用于校正系統(tǒng)由于大視場寬波段帶來的像差，使系統(tǒng)有較高的光譜分辨率，從而保證APD陣列405可以精準的對多路單光譜信號光進行探測接收，實現(xiàn)較高的信噪比。APD陣列405由8個First Sensor公司的APD單管500970組成，并將其分別排列在光譜信號分離系統(tǒng)對各個子波段光信號的聚焦點上。該APD的光譜響應(yīng)范圍為300nm到lOOOnm，光敏面面積為5mm2，接收帶寬為350MHzo
[0032]實施方式二:
[0033]在實施方式一中，探測器陣列是由8個APD單管拼接構(gòu)成。在實際使用中，在滿足空間和波段要求的前提下，可以使用任意數(shù)量的APD單管或PIN單管拼接組成探測器陣列。也可直接使用APD陣列探測器和PIN陣列探測器對光信號進行接收。
[0034]實施方式三:
[0035]圖5所示為根據(jù)本發(fā)明的實施方式三的一種用于無線光通信的波分復(fù)用接收系統(tǒng)的前置光學(xué)系統(tǒng)示意圖。與實施方式一相比，該前置光學(xué)系統(tǒng)為折反射式光學(xué)系統(tǒng)，包括反射式光學(xué)系統(tǒng)501和折射式光學(xué)系統(tǒng)502。該折反射式光學(xué)系統(tǒng)的視場角是60°，視場角略小。但是該折反射式光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，光能損失小，增益達到30。此實施方式的特點在于以減小視場角為代價，提高了系統(tǒng)的增益，并降低了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度。
[0036]為了更好地理解本發(fā)明，對有關(guān)內(nèi)容補充說明如下:
[0037]一、關(guān)于信號預(yù)處理電路
[0038]信號預(yù)處理電路包括I/V轉(zhuǎn)換，信號放大和增益控制3個部分。其主要功能是將探測器輸出的微弱電流信號轉(zhuǎn)化成可供數(shù)字電路讀取的TTL電平等級的電壓信號。原理是利用單片機的AD對放大電路的信號進行實時的采樣，并利用DA控制增益可控的放大器芯片以保證輸出信號具有穩(wěn)定的電平等級。
[0039]二、關(guān)于解調(diào)解碼電路
[0040]本設(shè)計中解調(diào)解碼電路以Xilinx公司的FPGA芯片XC6SLX75為核心，分別對多路信號預(yù)處理電路輸出的信號按特定的調(diào)制和編碼方式進行解調(diào)和解碼，然后對信號進行整形，再將其發(fā)送到信宿。
[0041]三、關(guān)于前置光學(xué)系統(tǒng)
[0042]本設(shè)計中前置光學(xué)系統(tǒng)的作用是在實現(xiàn)大視場接收的同時，將信號光盡可能多的集中在尺寸較小的狹縫上。所以前置光學(xué)系統(tǒng)主要由兩部分組成，第一部分實現(xiàn)大視場的信號光接收，第二部分縮小像方視場角，從而達到將大視場角的信號光聚焦到尺寸較小的狹縫上的目的。
[0043]四、關(guān)于光譜信號分離系統(tǒng)
[0044]本設(shè)計中光譜信號分離系統(tǒng)采用平面光柵分光方法，平面光柵是刻有一系列等距的平行刻線的平面反射鏡，刻線之間的距離d稱為光柵常數(shù)，它的倒數(shù)Ι/d表示單位長度所含的刻線數(shù)量，稱為光柵的刻線密度或線數(shù)，其常用單位為刻線每毫米(gr/mm)。含有復(fù)合光譜的平行光以一定角度入射到平面光柵，經(jīng)過平面光柵的衍射后，不同光譜的平行光將會以不同的角度出射，從而實現(xiàn)分光的目的。平面光柵的光柵常數(shù)是根據(jù)系統(tǒng)的光譜范圍確定的，由于該系統(tǒng)的光譜范圍為300?lOOOnm，所以平面光柵的光柵常數(shù)為3001p/mm。
[0045]上述實施方式中未述及的有關(guān)技術(shù)內(nèi)容采取或借鑒已有技術(shù)即可實現(xiàn)。
[0046]需要說明的是，本說明書所述的只是本發(fā)明的一種較佳具體實施例，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對本發(fā)明的限制。凡本領(lǐng)域技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于無線光通信的波分復(fù)用接收系統(tǒng)，其特征在于:該接收系統(tǒng)由前置光學(xué)系統(tǒng)、光譜信號分離系統(tǒng)、探測器陣列、高壓電源電路、信號預(yù)處理電路、解調(diào)解碼電路、數(shù)字電源電路和信宿組成；該接收系統(tǒng)可以對大氣中的多光譜信號進行接收，并對各譜段的子信號進行分離和提取，以實現(xiàn)波分復(fù)用的無線光通信，與此同時，還能對背景光噪聲的各個譜段進行提取，在多譜段提供無線光通信信道的原始數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于無線光通信的波分復(fù)用接收系統(tǒng)，其特征在于:上述信宿具有人機交互界面和存儲器，可對解調(diào)解碼電路輸出的信號狀態(tài)進行監(jiān)控和顯示，并對接收的數(shù)據(jù)進行存儲。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于無線光通信的波分復(fù)用接收系統(tǒng)，其特征在于:上述解調(diào)解碼電路可將預(yù)處理電路輸出的標準電平等級的信號按調(diào)制和編碼方式進行解調(diào)和解碼，從而得到原始的發(fā)送信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于無線光通信的波分復(fù)用接收系統(tǒng)，其特征在于:上述信號預(yù)處理電路包括ΙΛ轉(zhuǎn)換電路，信號放大電路和幅度控制電路；可將探測器陣列輸出的微弱電流信號轉(zhuǎn)化為標準電平等級的電壓信號，并通過自動增益控制維持輸出信號的穩(wěn)定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于無線光通信的波分復(fù)用接收系統(tǒng)，其特征在于:上述信號預(yù)處理電路和解調(diào)解碼電路有多路，且各自獨立；每路信號預(yù)處理電路和解調(diào)解碼電路對應(yīng)，對探測器陣列輸出的某個特定通道的信號進行處理，并將最終的輸出信號發(fā)送到信宿進行匯總。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于無線光通信的波分復(fù)用接收系統(tǒng)，其特征在于:上述前置光學(xué)系統(tǒng)為大視場高增益的光學(xué)結(jié)構(gòu)，可以將大視場角的信號光聚焦至微小接收面(狹縫)上；前置光學(xué)系統(tǒng)采用正負透鏡組分離的結(jié)構(gòu)形式，其中負組透鏡在前，正組透鏡在后，可以實現(xiàn)擴大視場，提高增益的目的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于無線光通信的波分復(fù)用接收系統(tǒng)，其特征在于:上述光譜信號分離系統(tǒng)采用光柵分光結(jié)構(gòu)，狹縫處接收到的多光譜信號分別經(jīng)過準直系統(tǒng)、光柵、聚焦系統(tǒng)后，分離成8個單光譜信號，再通過APD陣列進行多路探測接收，從而實現(xiàn)紫外到近紅外譜段的全面覆蓋多路接收通信。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于無線光通信的波分復(fù)用接收系統(tǒng)，其特征在于:該接收系統(tǒng)的光譜范圍為300到1000納米，并可通過多路接收實現(xiàn)從紫外到近紅外譜段的全面覆蓋。
【文檔編號】H04B10/60GK104486002SQ201410778763
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月15日
【發(fā)明者】唐義, 張學(xué)彬, 黃河清, 郭蕾 申請人:北京理工大學(xué)