基于激光中继站的自由空间光通信系统及其方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于激光中继站的自由空间光通信系统，包括：第一收发机、中继机、第二收发机、激光二极管和雪崩光电二极管；第一收发机利用激光二极管发出PWM1信号，PWM1信号在信道中进行传播后被中继机上的雪崩光电二极管接收，中继机对PWM1信号进行解调后通过激光二极管发出PWM2信号，PWM2信号在信道中进行传播后被第二收发机上的雪崩光电二极管接收；上述过程还能够进行反向通信。最终实现基于激光中继站的双向自由空间光通信。本发明专利技术通过采样地址路由方法来对输出路径进行选择，避免了不同位置多个设备之间交叉进行激光通信时的信号干扰问题。号干扰问题。号干扰问题。

【技术实现步骤摘要】
基于激光中继站的自由空间光通信系统及其方法


[0001]本专利技术涉及通信
，特别涉及一种基于激光中继站的自由空间光通信系统及其方法。

技术介绍

[0002]随着科技的发展与进步，空间激光通信技术已经逐渐从卫星扩展到了地面，目前的激光雷达领域、军事领域和水下通信领域都对激光通信技术展开了研究。空间激光通信是在自由空间内将两个没有任何连接关系的设备进行信息交换，激光通信时激光发射端与接收端需要高精度对准，并且在两端之间不能有任何遮挡光路的障碍物，否则就会导致数据传输失败，同时，点对点式激光通信无法完成多目标接收，这样就大大增加了激光通信技术在城市中以及在车载激光雷达上的使用难度，因此，目前激光通信技术并没有在生活中被广泛的应用。激光通信与传统的无线通信相比不需要复杂的天线，不需要频率申请，同时具有传输容量大、传输距离远、保密性好、抗干扰能力强等优点，所以，激光通信技术在无线通信领域中具有广阔的应用前景。实现空间光通信的数据信息中转，以及一对多和多对多通信设备的信息传输是空间光通信技术应用的必要条件，因此，空间光通信组网技术的研究对于光通信的广泛使用具有重要的研究意义。

技术实现思路

[0003]鉴于上述问题，本专利技术的目的是提出一种基于激光中继站的自由空间光通信系统及其方法，解决了点对点光通信无法同时进行多目标传输以及发射与接收设备之间需要高精度对准的问题，同时也避免了不同位置多个设备之间交叉进行激光通信时的信号干扰问题，实现了中继机在同一个接收水平面360
°
方向上收发一体以及地址路由选择，本专利技术为自由空间光通信组网技术的设计提供了重要的参考价值。
[0004]为实现上述目的，本专利技术采用以下具体技术方案：
[0005]本专利技术提供一种基于激光中继站的自由空间光通信系统，包括：第一收发机、中继机、第二收发机、激光二极管和雪崩光电二极管；
[0006]正向自由空间光通信过程为：所述第一收发机利用所述激光二极管发出PWM1信号，所述PWM1信号在信道中进行传播后被所述中继机上的雪崩光电二极管接收，所述中继机对PWM1信号进行解调后通过激光二极管发出PWM2信号，所述PWM2信号在信道中进行传播后被所述第二收发机上的雪崩光电二极管接收；
[0007]反向自由空间光通信过程为：所述第二收发机利用所述激光二极管发出PWM3信号，所述PWM3信号在信道中进行传播后被所述中继机上的雪崩光电二极管接收，所述中继机对PWM3信号进行解调后通过激光二极管发出PWM4信号，所述PWM4信号在信道中进行传播后被所述第一收发机上的雪崩光电二极管接收；
[0008]进而实现基于激光中继站的双向自由空间光通信。优选地，所述第一收发机包括：第一微控制器、第一FPGA、第一激光发射电路、第一激光接收电路和第一LCD；
[0009]所述第一激光发射电路与所述激光二极管相连接，所述第一激光接收电路与所述雪崩光电二极管相连接；
[0010]所述第一微控制器将需要发送的发射端数据Data1传输至第一FPGA中，所述第一FPGA对发射端数据Data1进行调制产生发射调制信号TXD_1进而驱动所述第一激光发射电路，所述第一激光发射电路驱动所述激光二极管发出PWM1信号传输至所述中继机；
[0011]所述第一激光接收电路将信道中的PWM4信号转换成电压信号RX_D2，所述第一FPGA对接收到的RX_D2信号进行解调从而得到接收数据Data2，所述第一FPGA将接收数据Data2送到所述第一微控制器中，所述第一微控制器驱动第一LCD将接收数据Data2进行显示。
[0012]优选地，所述中继机包括激光接收与发射电路、方向选择电路、第二FPGA；
[0013]所述激光接收与发射电路将接收到的PWM1信号转化为电信号RX_1～RX_12发送至所述方向选择电路，实现对同一个水平面360
°
方向的激光信号进行探测；
[0014]所述第二FPGA发出Control信号控制所述方向选择电路对所述信号RX_1～RX_12进行方向选择后得到RX信号，所述方向选择电路将RX信号发送至所述第二FPGA中，所述第二FPGA用于对RX信号进行解调得到解调数据并对所述解调数据进行重新调制得到TX信号，并将所述TX信号再次发送至所述方向选择电路中，通过所述方向选择电路生成对十二个方向的激光二极管的驱动信号TX_1～TX_12；
[0015]所述第二FPGA再次发出Control信号控制所述方向选择电路对所述信号TX_1～TX_12进行选择后得到TX信号，将所述TX信号发送至所述激光接收与发射电路中发出PWM2信号。
[0016]优选地，每个所述激光接收与发射电路包括激光接收电路和激光发射电路。
[0017]优选地，所述激光接收电路由雪崩光电二极管、跨阻放大器和反向比例运算放大器组成；
[0018]激光接收电路中的跨阻放大器将接收到的PWM1信号光电流I转换为电压V1，再经过反向比例运算放大器对电压V1进一步放大得到电压V2，进而将激光信号PWM1转换成了电压信号RX，其中所述运算放大器输出电压V2为：
[0019][0020]其中，R1为反向比例运算放大器反馈电阻；R2为跨阻放大器反馈电阻；R3为运算放大器输入电阻；
[0021]V1为跨阻放大器输出电压；V2为运算放大器输出电压；I为雪崩光电二极管APD的响应电流。
[0022]优选地，所述激光发射电路由压控电流源、N
‑
MOSFET、电压控制器、供电电源以及激光二极管组成；
[0023]所述激光发射电路将接收得到的所述TX信号用于驱动N
‑
MOSFET，当TX为逻辑电平0时，N
‑
MOSFET关断，所述激光二极管不发光，当所述TX信号为逻辑电平1时，N
‑
MOSFET导通，所述压控电流源产生恒定的电流，所述激光二极管发光得到PWM2信号，从而实现将TX信号的数据信息调制成PWM激光信号；
[0024]所述电压控制器用来控制压控电流源的控制电压，所述供电电源用于给激光二极
管提供供电电压。
[0025]优选地，所述第二FPGA内部设置有中继控制器；
[0026]所述中继控制器由脉冲宽度解调模块、脉冲宽度调制模块、地址路由模块以及地址解析模块组成；
[0027]所述脉冲宽度解调模块用于对所述RX信号进行解调得到解调数据并发送至地址解析模块和数据调制模块；
[0028]所述地址解析模块用于对所述解调数据进行检查得到需要发送的地址信息；
[0029]所述数据调制模块用于对所述解调数据重新进行调制产生所述TX信号；同时所述地址路由模块根据解析得到的地址信息来进行地址路由选择，确定所述TX信号的发送路径。
[0030]优选地，所述脉冲宽度解调模块由PWM解调器构成；
[0031]所述PWM解调器由时钟同步子模块、边沿检测子模块、脉冲宽度判别子模块本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光中继站的自由空间光通信系统，其特征在于，包括：第一收发机、中继机、第二收发机、激光二极管和雪崩光电二极管；正向自由空间光通信过程为：所述第一收发机利用所述激光二极管发出PWM1信号，所述PWM1信号在信道中进行传播后被所述中继机上的雪崩光电二极管接收，所述中继机对PWM1信号进行解调后通过激光二极管发出PWM2信号，所述PWM2信号在信道中进行传播后被所述第二收发机上的雪崩光电二极管接收；反向自由空间光通信过程为：所述第二收发机利用所述激光二极管发出PWM3信号，所述PWM3信号在信道中进行传播后被所述中继机上的雪崩光电二极管接收，所述中继机对PWM3信号进行解调后通过激光二极管发出PWM4信号，所述PWM4信号在信道中进行传播后被所述第一收发机上的雪崩光电二极管接收；进而实现基于激光中继站的双向自由空间光通信。2.根据权利要求1所述的基于激光中继站的自由空间光通信系统，其特征在于，所述第一收发机包括：第一微控制器、第一FPGA、第一激光发射电路、第一激光接收电路和第一LCD；所述第一激光发射电路与所述激光二极管相连接，所述第一激光接收电路与所述雪崩光电二极管相连接；所述第一微控制器将需要发送的发射端数据Data1传输至第一FPGA中，所述第一FPGA对发射端数据Data1进行调制产生发射调制信号TXD_1进而驱动所述第一激光发射电路，所述第一激光发射电路驱动所述激光二极管发出PWM1信号传输至所述中继机；所述第一激光接收电路将信道中的PWM4信号转换成电压信号RX_D2，所述第一FPGA对接收到的RX_D2信号进行解调从而得到接收数据Data2，所述第一FPGA将接收数据Data2送到所述第一微控制器中，所述第一微控制器驱动第一LCD将接收数据Data2进行显示。3.根据权利要求2所述的基于激光中继站的自由空间光通信系统，其特征在于，所述中继机包括激光接收与发射电路、方向选择电路、第二FPGA；所述激光接收与发射电路将接收到的PWM1信号转化为电信号RX_1～RX_12发送至所述方向选择电路，实现对同一个水平面360
°
方向的激光信号进行探测；所述第二FPGA发出Control信号控制所述方向选择电路对所述信号RX_1～RX_12进行方向选择后得到RX信号，所述方向选择电路将RX信号发送至所述第二FPGA中，所述第二FPGA用于对RX信号进行解调得到解调数据并对所述解调数据进行重新调制得到TX信号，并将所述TX信号再次发送至所述方向选择电路中，通过所述方向选择电路生成对十二个方向的激光二极管的驱动信号TX_1～TX_12；所述第二FPGA再次发出Control信号控制所述方向选择电路对所述信号TX_1～TX_12进行选择后得到TX信号，将所述TX信号发送至所述激光接收与发射电路中发出PWM2信号。4.根据权利要求3所述的基于激光中继站的自由空间光通信系统，其特征在于，每个所述激光接收与发射电路包括激光接收电路和激光发射电路。5.根据权利要求4所述的基于激光中继站的自由空间光通信系统，其特征在于，所述激光接收电路由雪崩光电二极管、跨阻放大器和反向比例运算放大器组成；激光接收电路中的跨阻放大器将接收到的PWM1信号光电流I转换为电压V1，再经过反向比例运算放大器对电压V1进一步放大得到电压V2，进而将激光信号PWM1转换成了电压信号
RX，其中所述运算放大器输出电压V2为：其中，R1为反向比例运算放大器反馈电阻；R2为跨阻放大器反馈电阻；R3为运算放大器输入电阻；V1为跨阻放大器输出电压；V2为运算放大器输出电压；I为雪崩光电二极管APD的响应电流。6.根据权利要求5所述的基于激光中继站的自由空间光通信系统，其特征在于，所述激光发射电路由压控电流源、N
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【专利技术属性】
技术研发人员：陶敏，李承明，丁长春，宋俊峰，王子铭，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：