光譜幅度編/解碼系統的光頻碼片帶寬優化設計方法
2023-05-27 03:31:01 2
專利名稱：光譜幅度編/解碼系統的光頻碼片帶寬優化設計方法
技術領域：
本發明屬於自由空間光通信技術領域，涉及ー種光譜幅度編/解碼系統的光頻碼片帶寬優化設計方法。
背景技術：
《Optics Communications)) 2007 年 280 卷中的一篇標題為《Suppression ofintensity Fluctuations in Free bpace High-Speed Optical しommunication basea onSpectral Encoding of a Partially Coherent Beam》的論文描述了一種用於自由空間光通信的光譜幅度編碼光學系統。該文在討論光頻碼片帶寬的設計問題時，考慮的是為每個光頻碼片分配相同大小帶寬的方式，即對寬譜光信號的整個光頻帶進行均勻劃分，為每個光頻碼片分配一個子光頻帶。實際寬譜光源輸出信號的頻率譜往往並非均勻分布，即不同頻率的光頻信號分量的功率並不相同。因此，通過均勻劃分寬譜光信號的整個光頻帶的方 式來為每個光頻碼片分配子光頻帶會導致不同光頻碼片實際分得的信號功率存在較大差異，這可能造成信號功率較小的光頻碼片對應的子信道的探測信噪比較低，從而引起較大的通信誤碼率。此外，實際光電探測器的輸出響應都具有波長依賴性，因此在分配光頻碼片的帶寬時，需要考慮到探測器輸出響應的影響。由於每個光頻碼片承載的數據傳輸速率是一祥的，因此通過適當的設計，保證每個光頻碼片對應的子信道的探測信噪比大小相等，就可以避免對寬譜光源輸出功率的浪費，進而實現總體通信性能的最優化。
發明內容
本發明的目的是提供一種光譜幅度編/解碼系統的光頻碼片帶寬優化設計方法。如圖I所示，光譜幅度編碼系統由寬譜光源101、凸透鏡102、凸透鏡110、光譜光柵103、反射鏡107、線陣電光液晶空間光調製器104、反射鏡108、光譜光柵105、凸透鏡111、凸透鏡106、編碼控制與驅動模塊109組成；寬譜光源101輸出的光信號A001經過凸透鏡102和凸透鏡110變換後，入射到光譜光柵103上，光譜光柵103對光信號A001進行分光，使不同頻率的光信號分量在空間上發生分離，再經反射鏡107反射後入射到線陣電光液晶空間光調製器104上，從線陣電光液晶空間光調製器104透射的光信號經反射鏡108反射後入射到光譜光柵105上,光譜光柵105對各光頻信號分量進行空間合併,合併後的光信號再經凸透鏡111和凸透鏡106變換後，最終發射到自由空間信道中；編碼控制與驅動模塊109與線陣電光液晶空間光調製器104相連，通過編碼控制與驅動模塊109可以控制線陣電光液晶空間光調製器104的各個像素A002的狀態。如圖2所示，光譜幅度解碼系統由光學接收天線201、光譜分光模塊202、凸透鏡203、線陣光電探測器204、解碼處理模塊205、線陣光電探測器數據採集卡和計算機組成；光學接收天線201接收到的光信號經光譜分光模塊202進行分光，使光學接收天線201接收到的光信號的各光頻信號分量在空間上發生分離，空間上分離的各光頻信號分量經凸透鏡203變換後入射到線陣光電探測器204上，最後通過解碼處理模塊205完成解碼工作；線陣電光液晶空間光調製器104的每個像素A002相當於ー個開關，當一個像素A002處於「開通」狀態時，入射到像素A002上的光頻信號分量可以透過，當一個像素A002處於「閉合」狀態時，入射到像素A002上的光頻信號分量不能透過；通過為凸透鏡102、凸透鏡110、凸透鏡203設計合適的焦距參數，使線陣電光液晶空間光調製器104的被光信號覆蓋的像素個數和線陣光電探測器204的被光信號覆蓋的探測單元的個數相等，從而使線陣電光液晶空間光調製器104的各像素和線陣光電探測器204的各探測單元形成一一對應的關係，即若將線陣電光液晶空間光調製器104的ー個像素設置為「閉合」狀態，就會導致與之相對應的線陣光電探測器204的探測單元的入射光頻信號分量的強度為O。本發明的方法通過如下步驟實現
StepOOl :將光譜幅度編碼系統和光譜幅度解碼系統都安裝在光學平臺上；在光學平臺上，將光譜幅度編碼系統的凸透鏡106和光譜幅度解碼系統的光學接收天線201進行光軸對準，使光譜幅度編碼系統發射的光信號能夠進入光譜幅度解碼系統中；St印002 :使寬譜光源101發射光信號，同時編碼控制與驅動模塊109向線陣電光液晶空間光調製器104的每個像素都輸出「開通」信號，使反射鏡107反射的所有光頻信號分量都從線陣電光液晶空間光調製器104透射過去；Step003 :由線陣光電探測器數據採集卡和計算機對線陣光電探測器204的探測信號數據進行接收和記錄，從而得到線陣光電探測器204的各探測單元的輸出信號強度A003，將各探測單元的輸出信號強度A003存放在一個數組H中；以線陣光電探測器204的各探測單元為橫軸變量，以數組H中的值為縱軸變量，可以畫出如圖3所示的直方圖A004，圖3中每個長方條代表一個探測単元的輸出信號強度；寬譜光源101輸出光信號的頻率譜的非均勻分布特性以及線陣光電探測器204輸出響應的波長依賴性使得直方圖A004也呈現出不均勻性，即線陣光電探測器204的一些探測単元的輸出信號強度相對較大，而另外一些探測単元的輸出信號強度相對較小；在圖3中，探測單元301、探測單元302、探測單元303、探測單元304、探測單元305的輸出信號強度比探測單元306、探測單元307、探測單元308的輸出信號強度大。Step004 :在計算機中執行如下步驟，以便確定光譜幅度編碼系統的優化的光頻碼片數目N1以及各個光頻碼片分得的子光頻帶S004-1 :指定允許的最大光頻碼片數目Nmax的大小，將N1初始化為O ;S004-2 :計算線陣光電探測器204的所有探測單元的輸出信號強度之和S ；S004-3 :找出數組H中值最大的元素A005在數組H中的序號imax，元素A005的值可寫為H(i_)；S004-4 :如果H(imax)彡S/Nmax，則將序號為imax的線陣光電探測器204的探測單元的入射光頻信號分量對應的子光頻帶分配給ー個光頻碼片，同時執行N1 = K+1並將變量M
初始化為0，否則①找出滿足條件エ扒し、+た)且i_+m不超過線陣光電探測器204
的探測單元個數的最大非負整數m，將其值保存在變量M中；②將序號為imax、imax+l.....
i_+M的線陣光電探測器204的探測單元的入射光頻信號分量對應的子光頻帶分配給ー個光頻碼片，同時執行N1 = N1+!；S004-5 :執行is = imax+M+l，如果is大於線陣光電探測器204的探測單元個數，則轉 S004-8 ；S004-6 :如果H(is)≥S/Nmax，則將序號為is的線陣光電探測器204的探測單元的入射光頻信號分量對應的子光頻帶分配給ー個光頻碼片，同時執行N1 = Nfl並將變量
W初始化為0，否則①找出滿足條件ん—iis+m不超過線陣光電探測器204
的探測單元個數的最大非負整數m，將其值保存在變量M,中；②將序號為is、is+l.....
i+W的線陣光電探測器204的探測單元的入射光頻信號分量對應的子光頻帶分配給ー個光頻碼片，同時執行N1 = N1+!；S004-7 :執行
權利要求
1.光譜幅度編/解碼系統的光頻碼片帶寬優化設計方法，其特徵在於，所需的系統結構和實施方法如下 本發明的目的是提供一種光譜幅度編/解碼系統的光頻碼片帶寬優化設計方法；光譜幅度編碼系統由寬譜光源101、凸透鏡102、凸透鏡110、光譜光柵103、反射鏡107、線陣電光液晶空間光調製器104、反射鏡108、光譜光柵105、凸透鏡111、凸透鏡106、編碼控制與驅動模塊109組成；寬譜光源101輸出的光信號AOOl經過凸透鏡102和凸透鏡110變換後，入射到光譜光柵103上，光譜光柵103對光信號AOOl進行分光，使不同頻率的光信號分量在空間上發生分離，再經反射鏡107反射後入射到線陣電光液晶空間光調製器104上，從線陣電光液晶空間光調製器104透射的光信號經反射鏡108反射後入射到光譜光柵105上，光譜光柵105對各光頻信號分量進行空間合併，合併後的光信號再經凸透鏡111和凸透鏡106變換後，最終發射到自由空間信道中；編碼控制與驅動模塊109與線陣電光液晶空間光調製器104相連，通過編碼控制與驅動模塊109可以控制線陣電光液晶空間光調製器104的各個像素A002的狀態；光譜幅度解碼系統由光學接收天線201、光譜分光模塊202、凸透鏡203、線陣光電探測器204、解碼處理模塊205、線陣光電探測器數據採集卡和計算機組成；光學接收天線201接收到的光信號經光譜分光模塊202進行分光，使光學接收天線201接收到的光信號的各光頻信號分量在空間上發生分離，空間上分離的各光頻信號分量經凸透鏡203變換後入射到線陣光電探測器204上，最後通過解碼處理模塊205完成解碼工作；線陣電光液晶空間光調製器104的每個像素A002相當於ー個開關，當一個像素A002處於「開通」狀態時，入射到像素A002上的光頻信號分量可以透過，當一個像素A002處於「閉合」狀態時，入射到像素A002上的光頻信號分量不能透過；通過為凸透鏡102、凸透鏡110、凸透鏡203設計合適的焦距參數，使線陣電光液晶空間光調製器104的被光信號覆蓋的像素個數和線陣光電探測器204的被光信號覆蓋的探測單元的個數相等，從而使線陣電光液晶空間光調製器104的各像素和線陣光電探測器204的各探測單元形成一一對應的關係，即若將線陣電光液晶空間光調製器104的ー個像素設置為「閉合」狀態，就會導致與之相對應的線陣光電探測器204的探測單元的入射光頻信號分量的強度為O ;本發明的方法通過如下步驟實現 StepOOl :將光譜幅度編碼系統和光譜幅度解碼系統都安裝在光學平臺上；在光學平臺上，將光譜幅度編碼系統的凸透鏡106和光譜幅度解碼系統的光學接收天線201進行光軸對準，使光譜幅度編碼系統發射的光信號能夠進入光譜幅度解碼系統中； St印002 :使寬譜光源101發射光信號，同時編碼控制與驅動模塊109向線陣電光液晶空間光調製器104的每個像素都輸出「開通」信號，使反射鏡107反射的所有光頻信號分量都從線陣電光液晶空間光調製器104透射過去； Step003 :由線陣光電探測器數據採集卡和計算機對線陣光電探測器204的探測信號數據進行接收和記錄，從而得到線陣光電探測器204的各探測單元的輸出信號強度A003，將各探測單元的輸出信號強度A003存放在一個數組H中； Step004 :在計算機中執行如下步驟，以便確定光譜幅度編碼系統的優化的光頻碼片數目N1以及各個光頻碼片分得的子光頻帶 S004-1 :指定允許的最大光頻碼片數目Nmax的大小，將N1初始化為O ; S004-2 :計算線陣光電探測器204的所有探測單元的輸出信號強度之和S ；S004-3 :找出數組H中值最大的元素A005在數組H中的序號imax，元素A005的值可寫為 H(i—)； S004-4 :如果H(imax)彡S/Nmax,則將序號為imax的線陣光電探測器204的探測單元的入射光頻信號分量對應的子光頻帶分配給ー個光頻碼片，同時執行N1 = Nfl並將變量M初始化為0，否則①找出滿足條件1〃(し、+んHf—旦i_+m不超過線陣光電探測器204的探測單元個數的最大非負整數m，將其值保存在變量M中；②將序號為imax、imax+l.....imax+M的線陣光電探測器204的探測單元的入射光頻信號分量對應的子光頻帶分配給ー個光頻碼片，同時執行N1 = N1+!； S004-5 :執行is = imax+M+l，如果is大於線陣光電探測器204的探測單元個數，則轉S004-8 ； S004-6 :如果H(is)彡S/Nmax，則將序號為is的線陣光電探測器204的探測單元的入射光頻信號分量對應的子光頻帶分配給ー個光頻碼片，同時執行N1 = K+1並將變量M'初始化為0，否則①找出滿足條件Σ"(ん+ん)且れ+m不超過線陣光電探測器204的探測單元個數的最大非負整數m，將其值保存在變量M'中；②將序號為れ、れ1.....is+M'的線陣光電探測器204的探測單元的入射光頻信號分量對應的子光頻帶分配給ー個光頻碼片，同時執行N1 = N1+!； S004-7 :執行is = is+M/ +1，如果is大於線陣光電探測器204的探測單元個數，則轉S004-8 ;否則轉 S004-6 ； S004-8 :執行is = imax_l，如果is小於1，則轉St印005 ； S004-9 :如果H(is)彡S/Nmax，則將序號為is的線陣光電探測器204的探測單元的入射光頻信號分量對應的子光頻帶分配給ー個光頻碼片，同時執行N1 = K+1並將變量M'初始化為0，否則①找出滿足條件Σ#(も-んW j—.且is-m彡I的最大非負整數m，將其值保存在變量M'中；②將序號為is、is_l.....Is-Mi的線陣光電探測器204的探測單元的入射光頻信號分量對應的子光頻帶分配給ー個光頻碼片，同時執行N1 = K+1 ； S004-10 :執行is = Is-Mi -1，如果is小於1，則轉St印005，否則轉S004-9 ； Step005 :對於前述步驟確定的姆個光頻碼片，按從低頻到高頻的順序,如果ー個光頻碼片BOOl對應的所有線陣光電探測器204的探測單元的輸出信號強度之和B002小於S/(2XNmax)，則將光頻碼片BOOl與相鄰的光頻碼片合併成為ー個光頻碼片，選擇所要合併的相鄰光頻碼片的準則是，相鄰光頻碼片對應的所有線陣光電探測器204的探測單元的輸出信號強度之和B003最小，若光頻碼片BOOl只有一個相鄰的光頻碼片，則與它的唯一的相鄰的光頻碼片進行合併，執行N1 = N1-I ； 經過上述步驟，即可得到優化的光頻碼片數目N1，並為每個光頻碼片分配子光頻帶，從而完成每 個光頻碼片的帶寬設計； 本發明的特徵還在幹，由於線陣電光液晶空間光調製器104的各像素和線陣光電探測器204的各探測單元具有一一對應關係，因此在光譜幅度編碼系統中，根據每個光頻碼片對應的線陣光電探測器204的探測單元序號可確定每個光頻碼片對應的線陣電光液晶空間光調製器104的像素序號，編碼控制與驅動模塊109在輸出編碼控制信號時，將每個光頻碼片對應的所 有線陣電光液晶空間光調製器104的像素當作ー個整體，即向同一光頻碼片對應的所有線陣電光液晶空間光調製器104的像素輸出相同的編碼控制信號；在光譜幅度解碼系統的解碼處理模塊205中，先將每個光頻碼片對應的所有線陣光電探測器204的探測單元的輸出信號強度累加在一起，再進行解碼運算。
全文摘要
本發明公開一種光譜幅度編/解碼系統的光頻碼片帶寬優化設計方法，屬於自由空間光通信技術領域。本發明首先用線陣光電探測器數據採集卡與計算機接收和記錄光譜幅度編碼系統發射的雷射信號，然後根據線陣光電探測器的各探測單元的輸出信號強度直方圖來計算優化的光頻碼片數目和各光頻碼片分得的子光頻帶。利用本發明可最大程度地保證每個光頻碼片對應的子信道的探測信噪比大小相等，從而避免浪費寬譜光源的輸出功率，提升使用光譜幅度編/解碼方法的自由空間光通信系統的性能。
文檔編號H04B10/00GK102723985SQ20121021401
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月27日 優先權日2012年6月27日
發明者佟首峰, 婁巖, 楊華民, 陳純毅 申請人:長春理工大學