一种光信号的调制装置及其发射系统

1.本实用新型实施例涉及水下无线光通信技术领域，尤其涉及一种光信号的调制装置及其发射系统。


背景技术：

2.与传统的水声、射频等通信方式相比，无线激光通信具有通信速率高、体积功耗小、重量轻、延迟小等突出优点。但由于水下环境复杂，受海水介质吸收和散射的影响，通信距离受限一直制约着水下无线光通信的发展和应用。激光放大技术能够提高水下输出功率，但由于连续激光器本身功率很低，经过放大技术后的激光虽然平均功率有所提高，但仍未能满足水下长距离通信的需求。而脉冲激光器不仅能够提供高脉冲能量、高平均功率和高峰值功率，还能够降低水下激光通信中激光脉冲在传输过程中受海水介质中粒子的吸收和散射的影响，在较大的路径损耗下仍然能够观察到输出响应信号。以脉冲激光器为发射光源的水下通信发射系统是未来水下长距离通信的发展趋势。
3.相关技术中，2018年，中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室的胡思奇、米乐等采用波长为532nm、单脉冲能量为1mj的全固态脉冲激光器作为发射光源，采用ldpc编码和ppm调制技术，将信息进行加载到激光脉冲上，实现水下130m处误码率低于10-5的可靠通信，通信速率达到12kbit/s。2022年，华中科技大学采用450nm激光二极管，单脉冲能量为30nj，使用nrz-ook调制和spad检测，在15m的pvc管加入80db衰减器，在单光脉冲平均只有1.2个光子的条件下，可以实现误码率为1.6
×
10-4、数据速率为1mbit/s的光子计数uowc。根据测得的水道中最小所需功率，预计在清洁海水和纯净海水中的传输性能分别为140m和310m。实现通信必须要对脉冲激光进行信息加载，保证信息信号能够加载到脉冲激光上是实现水下高速长距离通信的前提。以上均为未调制的周期光脉冲输出。而实现通信必须要对脉冲激光进行信息加载，保证信息信号能够加载到脉冲激光上是实现水下高速长距离通信的前提。
4.关于上述技术方案，发明人发现至少存在如下一些技术问题：
5.在信息进行编码处理的过程中，由于fpga(field programmable gate array，现场可编程逻辑门阵列)器件的响应速度和器件内部连接，信息信号输出就会存在一定的延时。这些传递过程引起的延时会导致信息信号与激光无法同步进入调制器。调制后出现的波形出现差频或不同步现象，信息无法完全加载到脉冲激光上，从而导致最终传输数据的错误。因此在调制前需要对信息信号与载波信号进行同步处理。
6.因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。
7.需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本实用新型的技术方案提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。


技术实现要素：

8.本实用新型的目的在于提供一种光信号的调制装置及其发射系统，进而至少在一
定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
9.根据本实用新型的第一方面，提供一种光信号的调制装置，包括：
10.脉冲光源，发送周期激光脉冲；
11.可编程集成电路，所述可编程集成电路与所述脉冲光源信息连接，用于提取时钟信息，并对待发送的信息进行编码得到加载信息；
12.延时电路，所述延时电路与所述可编程集成电路电连接，依据所述时钟信息对所述加载信息进行延时，以使所述加载信息和所述周期激光脉冲进行粗同步；
13.延时组件，所述延时组件与所述脉冲光源信息连接，对所述周期激光脉冲进行延时，以使所述加载信息和所述周期激光脉冲进行精同步；
14.调制组件，所述调制组件与所述延时电路电连接，并与所述延时组件信息连接，根据所述加载信息对所述周期激光脉冲进行调制，并发射调制后的光信号。
15.本实用新型中，所述可编程集成电路采用低密度奇偶校验码对所述待发送信息进行编码得到加载信息。
16.本实用新型中，所述可编程集成电路内设置有d触发器，所述d触发器用于输出所述时钟信息。
17.本实用新型中，所述延时组件包括：不同路径的光纤，通过改变所述脉冲光源到所述调制组件的传输距离对所述周期激光脉冲进行延时。
18.本实用新型中，所述延时电路测出所述加载信息和所述周期激光脉冲之间的时间差量，对所述加载信息进行延时的时间范围在所述时间差量加1ns到所述时间差量之间。
19.本实用新型中，所述延时组件对所述周期激光脉冲进行延时的时间为对所述加载信息进行延时的时间减去所述时间差量的差值。
20.本实用新型中，还包括放大组件：所述放大组件与所述调制组件信号连接，对调制后的光信号进行能量放大。
21.本实用新型中，还包括倍频组件：所述倍频组件与与所述调制组件信号连接，对调制后的光信号进行倍频处理后发射传输。
22.根据本实用新型的第二方面，一种基于上述任一项光信号的调制装置的发射系统，包括：
23.脉冲光源，用于获取周期激光脉冲；
24.可编程集成电路，用于接收待发送的信息并进行编码得到加载信息，并依据所述周期激光脉冲提取时钟信息；
25.延时电路，用于依据所述时钟信息对所述加载信息进行延时，以使所述加载信息和所述周期激光脉冲进行粗同步；
26.延时组件，用于对所述周期激光脉冲进行延时，以使所述加载信息和所述周期激光脉冲进行精同步；
27.调制组件，用于根据所述加载信息对所述周期激光脉冲进行调制，并发射调制后的光信号。
28.本实用新型中，还包括：探测器，所述探测器在水下接收将调制后的光信号，对调制后的光信号进行解调和译码并获得所述信息。
29.本实用新型提供的技术方案可以包括以下有益效果：
30.本实用新型中，通过上述装置及系统，通过对电信号和激光脉冲分别进行延时以达到高精度的同步，从而实现更高功率短脉冲的调制信号输出，提高了水下通信质量。
附图说明
31.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1示出本实用新型示例性实施例中光信号的调制方法关联示意图；
33.图2示出本实用新型示例性实施例中信号同步示意图；
34.图3示出本实用新型示例性实施例中脉冲同步实验结果示意图。
具体实施方式
35.现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本实用新型将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。
36.此外，附图仅为本实用新型实施例的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。
37.本示例实施方式中首先提供了一种光信号的调制装置，参考图1所示，包括：脉冲光源，发送周期激光脉冲；可编程集成电路，所述可编程集成电路与所述脉冲光源信息连接，用于提取时钟信息，并对待发送的信息进行编码得到加载信息；延时电路，所述延时电路与所述可编程集成电路电连接，依据所述时钟信息对所述加载信息进行延时，以使所述加载信息和所述周期激光脉冲进行粗同步；延时组件，所述延时组件与所述脉冲光源信息连接，对所述周期激光脉冲进行延时，以使所述加载信息和所述周期激光脉冲进行精同步；调制组件，所述调制组件与所述延时电路电连接，并与所述延时组件信息连接，根据所述加载信息对所述周期激光脉冲进行调制，并发射调制后的光信号。
38.需要理解的是，可编程集成电路具体可以为fpga器件。fpga是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。周期激光脉冲也就是具有周期性的脉冲激光。周期激光脉冲采用高峰值功率的1064nm短脉冲激光器作为周期脉冲输出的发射光源。脉冲激光器发出脉冲激光，同时同步输出一路电信号，电信号作为外部时钟进入fpga，在fpga中完成信号编码，同时对电信号进行延时以达到粗同步。而作为要加载信息的周期光脉冲，则是通过光纤延迟线对进行延时以达到精同步。保证两路信号能够实现同步输入到光调制器后，再利用光调制器将信息加载到1064nm的脉冲激光源上，通过光放大技术将脉冲光信号的输出功率进行放大，最后将激光脉冲信号倍频得到532nm的水下通信用绿色激光，实现大功率的脉冲激光输出。
39.还需要理解的是，脉冲激光器发出脉冲激光，使用光耦合器件将脉冲光分成两路，
一路光脉冲通过提取时钟信息，作为外部时钟进入fpga，另一路作为需要加载信息的周期光脉冲，通过光纤延迟线对脉冲光进行细延时。实现与fpga的输出信号同步。对于同步后的加载信息和周期激光脉冲，借助声光效应的原理，对光信号采用强度调制的方式，把传输的信息加载到激光载波上。
40.还需要理解的是，激光光源选用脉冲激光，脉冲激光不仅能够提供更大的瞬时功率，还能够降低水传输过程中吸收、散射的影响，降低了光信号在水下传输的衰减损耗，从而提高水下通信距离；双模式同步技术设计能够实现调制电信号与光信号的精准同步，粗延时范围能够包含一个脉冲周期，细延时精度能够达到1ps。提高了通信质量。
41.通过上述光信号的调制装置，通过对电信号和激光脉冲分别进行延时以达到高精度的同步，从而实现更高功率短脉冲的调制信号输出，提高了水下通信质量。
42.下面，将参考图1至图3对本示例实施方式中的上述光信号的调制装置的各个部分进行更详细的说明。
43.在一个实施例中，参考图1所示，所述可编程集成电路采用低密度奇偶校验码对所述待发送信息进行编码得到加载信息。需要理解的是，使用准循环ldpc(low-density parity-check，低密度奇偶校验)编码，对信息序列进行编码，得到一组能对信息序列差错控制的码型。提高数字信号的抗干扰能力。再使用扰码将输入的二进制序列按照一定规律进行打乱，减少连零的出现，从而减少码间干扰和抖动，方便接收端的时钟提取。
44.在一个实施例中，参考图1所示，所述可编程集成电路内设置有d触发器，所述d触发器用于输出所述时钟信息。需要理解的是，d触发器是一个具有记忆功能的，具有两个稳定状态的信息存储器件，是构成多种时序电路的最基本逻辑单元，也是数字逻辑电路中一种重要的单元电路。因此，d触发器在数字系统和计算机中有着广泛的应用。触发器具有两个稳定状态，即"0"和"1"，在一定的外界信号作用下，可以从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态。
45.还需要理解的是，可编程集成电路利用d触发器的输入输出存在延迟的原理，通过加入一个组合逻辑电路，时钟f
clk
变化时，时序逻辑引起时钟输出f
clk_out
状态翻转，时序逻辑部分的输出作为输入，再通过组合逻辑使再次进行翻转,这样每次时钟变化时，时钟输出都会出现一个短时间的脉冲变化。
46.f
clk_out
＝2*f
clk
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
47.通过不断循环整个过程，从而达到多次倍频的效果。fpga粗延时模块能够运行的最大时钟为1000mhz，则粗同步的延时精度可以达到1ns。
48.在一个实施例中，参考图1所示，所述延时组件包括：不同路径的光纤，通过改变所述脉冲光源到所述调制组件的传输距离对所述周期激光脉冲进行延时。需要理解的是，在粗同步的分辨率基础上进一步细分实现更高分辨率的同步。对光延时的实现是通过改变光传输延迟路径就能够实现不同的时间延迟。光信号在石英光纤中传输的速率为：
[0049][0050]
式(2)中，n为光纤纤芯的折射率；c是光波在空间中的传播速度。当光信号经过长度为d的光纤传输所产生的延时可用式(3)表示为：
[0051]
[0052]
因此，对于中心波长与脉宽分别为1064nm、10ps的周期激光脉冲的延时精度能够达到1ps。
[0053]
在一个实施例中，参考图2所示，所述延时电路测出所述加载信息和所述周期激光脉冲之间的时间差量，对所述加载信息进行延时的时间范围在所述时间差量加1ns到所述时间差量之间。需要理解的是，先使用示波器测出两路信号之间的差量δt，粗同步时将加载信息的信号往后延时t1，由于粗同步的精度只能到达纳秒(ns)精度，要保证延迟量t1的范围在δt+1ns》t1》δt。
[0054]
在一个实施例中，参考图2所示，所述延时组件对所述周期激光脉冲进行延时的时间为对所述加载信息进行延时的时间减去所述时间差量的差值。需要理解的是，再使用光纤延时线对光信号进行细调节，将光信号延迟t2，t2＝t
1-δt，光纤延时线的精度达到皮秒(ps)精度。
[0055]
在一个实施例中，参考图1所示，还包括放大组件：所述放大组件与所述调制组件信号连接，对调制后的光信号进行能量放大。
[0056]
需要理解的是，受激辐射，即处于激发态的发光原子在外来辐射场的作用下，向低能态或基态跃迁时，辐射光子的现象。此时，外来辐射的能量必须恰好是原子两能级的能量差。受激辐射发出的光子和外来光子的频率、位相、传播方向以及偏振状态全相同。受激辐射是产生激光的必要条件。基于激光的受激辐射原理，通过将泵浦光的能量转变为信号光的能量，从而实现放大作用。泵浦光是一种使用光将电子从原子或分子中的较低能级升高(或“泵”)到较高能级的过程。
[0057]
在一个实施例中，参考图1所示，还包括倍频组件：所述倍频组件与与所述调制组件信号连接，对调制后的光信号进行倍频处理后发射传输。
[0058]
需要理解的是，利用晶体的非线性效应，把携带有信息的一定波长信号通过处理，转载到另外一个波长。具体的，可以采用将1064nm的激光经过倍频得到532nm的大功率脉冲调制信号输出。
[0059]
进一步的，本实用新型实施方式中，还提供了一种基于上述任一项实施例中光信号的调制方法的发射系统，参考图1所示，包括：
[0060]
脉冲光源，用于获取周期激光脉冲；
[0061]
可编程集成电路，用于接收待发送的信息并进行编码得到加载信息，并依据所述周期激光脉冲提取时钟信息；
[0062]
延时电路，用于依据所述时钟信息对所述加载信息进行延时，以使所述加载信息和所述周期激光脉冲进行粗同步；
[0063]
延时组件，用于对所述周期激光脉冲进行延时，以使所述加载信息和所述周期激光脉冲进行精同步；
[0064]
调制组件，用于根据所述加载信息对所述周期激光脉冲进行调制，并发射调制后的光信号。
[0065]
需要理解的是，可编程集成电路可以为fpga，延时电路可以集成在可编程集成电路中。延时电路可以通过d触发器对周期激光脉冲提取时钟信息，并作为外部时钟输入到fpga。延时组件具体可以为光纤延迟线，具体的可以为不同长度或不同路径的光纤延迟线。调制模块可以为声光调制器，通过对光信号采用强度调制的方式，将待传输信息加载到光
载波上。
[0066]
还需要理解的是，延时电路和延时组件可以共同组成脉冲延时同步模块，延时电路对电信号进行延时实现粗同步，再通过光纤延迟线对脉冲光进行延时实现精同步。以实现脉冲光与fpga的输出信号同步。
[0067]
还需要理解的是，该发射系统还可以包括光放大模块、倍频模块等。光放大模块，基于激光的受激辐射原理，通过将泵浦光的能量转变为信号光的能量，从而实现放大作用。倍频模块，利用晶体的非线性效应，把携带有信息的一定波长信号通过处理，转载到另外一个波长。将1064nm的激光经过倍频得到532nm的大功率脉冲调制信号输出。倍频得到的532nm的大功率脉冲激光经过整个海水信道进行传输信息，探测器接收到信号，再对信号进行解调、译码，得到最终信息。
[0068]
在一个实施例中，参考图1所示，还包括：探测器，所述探测器在水下接收将调制后的光信号，对调制后的光信号进行解调和译码并获得所述信息。
[0069]
需要理解的是，可以将调制后的光信号倍频得到532nm的大功率脉冲激光经过整个海水信道进行传输信息，探测器接收到信号，再对信号进行解调、译码，得到最终信息。
[0070]
根据上述实施方式，本实用新型还提供了下述具体实施例。参考图3，根据提出的设计理念，将该方案进行系统调试实验后，其各项技术指标均达到设计要求，其输出的脉冲波形性能稳定、系统的抗干扰性能强、可靠性高。对于脉冲延时模块的实际效果可以参阅图3中的(a～f)，图3中较宽的线条为加载信息信号波形，较窄的线条为脉冲信号波形，只有脉冲信号与加载信息信号的上升沿同步输出才能实现信息的精准加载。其中(a)为电信号与光信号初始时差为6ns左右，(b)为电信号与光信号初始时差为1ns左右，(c)为电信号与光信号初始时差为-1ns左右，经粗同步后，控制两路信号差在1ns后，再使用光纤延时线进行细延时，延时量分别为400ps、490ps、500ps。保证两路信号误差能够低于ps级别。
[0071]
需要理解的是，上述描述中的术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型实施例的限制。
[0072]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0073]
在本实用新型实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0074]
在本实用新型实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上
面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0075]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
[0076]
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的实用新型后，将容易想到本实用新型的其它实施方案。本技术旨在涵盖本实用新型的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本实用新型的一般性原理并包括本实用新型未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本实用新型的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

技术特征：
1.一种光信号的调制装置，其特征在于，包括：脉冲光源，发送周期激光脉冲；可编程集成电路，所述可编程集成电路与所述脉冲光源信息连接，用于提取时钟信息，并对待发送的信息进行编码得到加载信息；延时电路，所述延时电路与所述可编程集成电路电连接，用于依据所述时钟信息对所述加载信息进行延时，以使所述加载信息和所述周期激光脉冲进行粗同步；延时组件，所述延时组件与所述脉冲光源信息连接，用于对所述周期激光脉冲进行延时，以使所述加载信息和所述周期激光脉冲进行精同步；及调制组件，所述调制组件与所述延时电路电连接，并与所述延时组件信息连接，用于根据所述加载信息对所述周期激光脉冲进行调制，并发射调制后的光信号。2.根据权利要求1所述的调制装置，其特征在于，所述可编程集成电路采用低密度奇偶校验码对所述待发送信息进行编码得到加载信息。3.根据权利要求1所述的调制装置，其特征在于，所述可编程集成电路内设置有d触发器，所述d触发器用于输出所述时钟信息。4.根据权利要求1所述的调制装置，其特征在于，所述延时组件包括：不同路径的光纤，通过改变所述脉冲光源到所述调制组件的传输距离对所述周期激光脉冲进行延时。5.根据权利要求1所述的调制装置，其特征在于，所述延时电路测出所述加载信息和所述周期激光脉冲之间的时间差量，对所述加载信息进行延时的时间范围在所述时间差量加1ns到所述时间差量之间。6.根据权利要求5所述的调制装置，其特征在于，包括：所述延时组件对所述周期激光脉冲进行延时的时间为对所述加载信息进行延时的时间减去所述时间差量的差值。7.根据权利要求1所述的调制装置，其特征在于，还包括放大组件：所述放大组件与所述调制组件信号连接，对调制后的光信号进行能量放大。8.根据权利要求1所述的调制装置，其特征在于，还包括倍频组件：所述倍频组件与所述调制组件信号连接，对调制后的光信号进行倍频处理后发射传输。9.一种基于光信号的调制装置的发射系统，所述光信号的调制装置为根据权利要求1至8中的任一项所述光信号的调制装置，其特征在于，包括：脉冲光源，用于获取周期激光脉冲；可编程集成电路，用于提取时钟信息，并接收待发送的信息并进行编码得到加载信息；延时电路，用于依据所述时钟信息对所述加载信息进行延时，以使所述加载信息和所述周期激光脉冲进行粗同步；延时组件，用于对所述周期激光脉冲进行延时，以使所述加载信息和所述周期激光脉冲进行精同步；调制组件，用于根据所述加载信息对所述周期激光脉冲进行调制，并发射调制后的光信号。10.根据权利要求9所述的发射系统，其特征在于，还包括：探测器，所述探测器在水下接收将调制后的光信号，对调制后的光信号进行解调和译码并获得所述信息。

技术总结
本实用新型是一种光信号的调制装置及其发射系统。该装置包括：脉冲光源，发送周期激光脉冲；可编程集成电路，与脉冲光源信息连接，用于提取时钟信息，并对待发送的信息进行编码得到加载信息；延时电路依据时钟信息对加载信息进行延时，以使加载信息和周期激光脉冲进行粗同步；延时组件对周期激光脉冲进行延时，以使加载信息和周期激光脉冲进行精同步；调制组件，与延时电路电连接，并与延时组件信息连接，根据加载信息对周期激光脉冲进行调制，并发射调制后的光信号。本实用新型通过对电信号和激光脉冲分别进行延时以达到高精度的同步，从而实现更高功率短脉冲的调制信号输出，提高了水下通信质量。下通信质量。下通信质量。


技术研发人员：贺锋涛 杨祎 李碧丽 宋雨芹 刘浩宇
受保护的技术使用者：西安邮电大学
技术研发日：2022.05.18
技术公布日：2023/9/3