一种基于Delta-Sigma调制的无信标空间光通信对准一体化方法

技术领域

本发明属于自由空间光通信领域，更具体地，涉及一种基于Delta-Sigma调制的无信标空间光通信对准一体化方法。

背景技术

近年来，自由空间光通信技术在逐渐发展，并被广泛应用于全世界的多个领域。其具备传统无线微波通信和光纤通信的优点，比如容量大、带宽不受限、保密性好、易于部署、组网机动灵活等。而由于其点对点、端到端的传输模式，激光光束的高精度指向对准是保证空间光链路稳定建立的前提条件和关键因素。而另一方面，为了降低空间光通信终端的复杂度和成本，将通信激光也用作对准的一体化架构被认为是可行的方案之一。

然而，这种通信对准一体化的空间光系统会使得用以对准的激光功率较小，尤其是在空间光链路损耗较大的场景下。而目前空间光对准一般采用基于4-QD(Four-QuadrantDetector，四象限探测器)的直接功率检测方式。该方式通过比较4个象限探测器的输出功率大小，来计算出光斑偏离探测器中心位置的距离，从而反馈系统前端的反射镜以校准光路，完成空间光束的指向对准。但是，这种方法在接收到的空间光功率较小时误差较大、精度较低，尤其在通信对准一体化的空间光系统中难以达到另人满意的效果。

而若使用较高功率的信标光来辅助对准，这又不可避免地增加了空间光通信系统的结构复杂度，提高了成本，也不符合通信对准一体化的理念。因此总的来说，现有的空间光对准方法难以做到成本和精度的平衡。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于Delta-Sigma调制的无信标空间光通信对准一体化方法，其目的在于保持低复杂度、低成本的条件下，提高低接收光功率时的空间光束指向对准精度。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种基于Delta-Sigma调制的无信标空间光通信对准一体化方法，包括：

S1，在发送端，对模拟信号进行Delta-Sigma调制以将其转化为数字比特流DSM序列，将所述DSM序列与通信数字信号进行组合后，调制到光载波上成为光载波信号并进行传输；

S2，在接收端，所述光载波信号经反射镜反射后，被分束镜分为两束；其中，第一光束依次经四象限探测、放大、模数转换、低通滤波，以从所述第一光束中恢复出所述模拟信号，将所述模拟信号与相同频率的参考信号进行互相关计算得到的最大互相关结果，作为所述模拟信号的幅值，以计算所述第一光束的指向角的偏差，并根据所述偏差调整所述反射镜的角度以实现光束对准；第二光束用于实现通信功能。

按照本发明的第二方面，提供了一种基于Delta-Sigma调制的无信标空间光通信对准一体化装置，包括发送端和接收端；

所述发送端包括：

激光源，用于发射激光载波；

Delta-Sigma调制器，用于对模拟信号进行Delta-Sigma调制以将其转化为数字比特流DSM序列；

电光调制器，用于将组合后的DSM序列与通信数字信号进行调制到所述激光载波上；

空间光传输模块，用于传输所述光载波信号；

所述接收端包括：

反射镜和分束镜，所述光载波信号经反射镜反射后，被分束镜分为两束；

四象限探测器、第一放大模块、第一ADC模块及滤波模块，用于依次对第一光束进行四象限探测、放大、模数转换、低通滤波，以从所述第一光束中恢复出所述模拟信号；

信号处理模块，用于将所述模拟信号与相同频率的参考信号进行互相关计算得到的最大互相关结果，作为所述模拟信号的幅值，计算所述第一光束的指向角的偏差；

控制模块，用于根据所述偏差调整所述反射镜的角度以实现光束对准。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的基于Delta-Sigma调制的无信标空间光通信对准一体化方法，对准用模拟特征信号通过Delta-Sigma调制后，被转化成了数字比特流，能够以训练序列或帧头的形式简单地与通信数字信号结合，实现通信和对准功能的一体化。不需要额外的信标光路来辅助对准，可以降低空间光通信终端的复杂度和成本。

(2)本发明提供的基于Delta-Sigma调制的无信标空间光通信对准一体化方法，对准用模拟特征信号能够在接收端被应用于互相关算法之中。通过相关运算，它能够有效地放大其在4-QD输出中的SNR。因此，它能提高在较低接收光功率条件下的光束指向角偏差测量精度，从而通过反馈提高空间光束的对准精度。相比于传统的利用高功率信标光来提高精度的方法，本发明可以在不增加系统终端结构复杂度的情况下，有效提高弱信号下的空间光束指向对准精度。

(3)本发明提供的基于Delta-Sigma调制的无信标空间光通信对准一体化装置，由于对准用模拟特征信号通过Delta-Sigma调制后转化成了数字信号。因此，其产生以及和通信数字信号进行组合的过程都可以由FPGA实现，并且可以通过FPGA外挂的I/O端口直接输出，避免了昂贵的DAC器件，进一步降低成本。同时，对准用模拟特征信号通过简单的低通滤波操作就能与通信数据区分，并不影响空间光通信的效果；因此可以在不加入额外信标光路辅助对准的情况下实现通信对准的一体化，降低系统终端的结构复杂度和成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于Delta-Sigma调制的无信标空间光通信对准一体化装置示意图；

图2为本发明实施例提供的不同光功率下，基于Delta-Sigma调制的互相关方案和直接功率检测方案对比理论偏移的指向角测量误差示意图；

图3为本发明实施例提供的不同光功率下，基于Delta-Sigma调制的互相关方案和直接功率检测方案的指向角测量误差的RMSE结果示意图；

图4为本发明实施例提供的Delta-Sigma调制器反馈结构以及信号调制示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为了提高在较低接收光功率条件下，无信标自由空间光通信系统的指向对准精度，本发明提供了一种基于Delta-Sigma调制的无信标空间光通信对准一体化方法，其整体思路在于：将对准用的模拟特征信号(即模拟信号)通过Delta-Sigma调制，转化成数字比特流，与通信数字信号组合并共同传输，在不加入额外信标光路辅助对准的情况下实现通信对准的一体化，降低系统终端的结构复杂度和成本；同时在此基础上，又将对准用的模拟特征信号应用在接收端的互相关算法中来提高其在4-QD输出中的SNR，从而在较低接收光功率的条件下，提高光束指向角偏差的测量精度，从而反馈提高空间光束的对准精度。

如图1所示，本发明实施例提供一种基于Delta-Sigma调制的无信标空间光通信对准一体化方法，包括：

S1，对模拟信号进行Delta-Sigma调制以将其转化为数字比特流DSM序列，将所述DSM序列与通信数字信号进行组合后，调制到光载波上成为光载波信号并进行传输。

具体地，在发射端，将对准用模拟特征信号(即模拟信号)进行Delta-Sigma调制，将其转化为数字比特流，记为DSM(Delta-Sigma Modulate)序列；再将DSM序列与通信数字信号进行组合并输出；新的数字信号(即组合信号)经过电光调制器调制到相应的光载波上之后，利用准直器和反射镜将其从光纤发射到空间之中传输。

对准用模拟特征信号通过Delta-Sigma调制器调制后，转变为数字比特流与通信数字信号组合并共同传输，实现通信对准一体化。

对准用模拟特征信号为低频的模拟正弦或余弦信号，频率范围在四象限探测器的带宽内，例如：0-50MHz，经信号处理后，用于提高低接收光功率下的光束指向角偏差的测量精度。

S2，所述光载波信号经反射镜反射后，被分束镜分为两束；

其中，第一光束依次经四象限探测、放大、模数转换、低通滤波，以从所述第一光束中恢复出所述模拟信号，将所述模拟信号与相同频率的参考信号进行互相关计算得到的最大互相关结果，作为所述模拟信号的幅值，计算所述第一光束的指向角的偏差，并根据所述偏差调整所述反射镜的角度以实现光束对准；第二光束用于实现通信功能。

基于Delta-Sigma调制的无信标空间光通信对准一体化方法所述最大互相关结果为R

优选地，所述第二光束依次经光电探测器、模数转换、通信相关信号处理，以实现通信功能。

具体地，如图1所示，在接收端，激光经过空间光链路的传输之后，依次通过反射镜A、B(反射镜B的设置并非必须，可根据实际光路设计需求进行选择)接收后由BS(Beamsplitter，分束镜)分为两路；其中一路作为准直激光通过透镜聚焦在4-QD的表面之上，4-QD的输出通过放大模块后，由ADC采集并做信号处理；信号处理得到光束指向角偏差后，通过反馈链路来控制接收端的反射镜A以实现高精度的激光光束对准；另一路光束则由准直器耦合进光纤中，经放大后由PD(光电探测器)探测，实现通信功能。

对准用模拟特征信号为低频的模拟正弦或余弦信号，用在接收端的信号处理算法中来提高低接收光功率下的光束指向角偏差的测量精度；在接收端用做对准的信号处理包括：低通滤波、互相关计算、指向角偏差测量。

其中，低通滤波将4-QD的输出中经Delta-Sigma调制器调制后的数字比特流恢复回模拟特征信号，与通信数字信号进行区分；互相关计算将恢复的模拟特征信号与相同频率的参考信号进行互相关运算，从而放大低接收光功率条件下的4-QD输出功率，将其与背景噪声分离，提高其SNR；指向角偏差测量通过对比互相关运算放大后4-QD各个象限的输出功率来计算光束指向角的偏差，在低功率条件下提高光束指向角偏差的测量精度。

通过对组合信号进行对应模拟特征信号频率的低通滤波，4-QD输出中经Delta-Sigma调制后的数字比特流部分就能够恢复回模拟特征信号，与通信数字信号能够简单区分；恢复的模拟特征信号还能应用于互相关算法中，通过与相同频率的参考信号进行互相关计算，能够放大恢复的模拟特征信号的功率；使其在低接收光功率的条件下，能够与背景噪声分离，提高SNR；整个互相关运算结果Ri的计算方式如下：

S

其中，i代表4-QD不同的象限；V

控制用于互相关的参考信号相位θ与模拟特征信号相位

指向角偏差测量则通过对比各个象限互相关运算放大后的模拟特征信号输出结果R

可以理解的是，四象限中每个象限均有一个最大互相关结果，根据四个象限的最大互相关结果，计算出偏差，偏差计算公式为：

其中，Δx和Δy为光束中心与四象限探测器中心的偏差，其对应了光束指向角的偏差；I

其中I

引入模拟特征信号进行互相关运算，将放大后的互相关结果R

可以理解的是，当所述模拟特征信号为低频余弦信号时，其最大互相关结果也为Ri＝AB/2。

如图2所示，本实施例还对比了不同光功率下，基于Delta-Sigma调制的互相关方案和直接功率检测方案对比理论偏移的指向角测量误差；其中横坐标为模拟的激光光斑位置在4-QD表面X轴方向上的实际偏移，纵坐标为处理算法计算得到的光斑偏移角度(对应位置偏移的大小)；从图2中可以看到不同方案与理论曲线之间的差异；在较低接收光功率条件下，基于Delta-Sigma调制的互相关方案的结果更为贴近理论曲线；而在不同接收光功率下，相应的RMSE结果则如图3所示，具体的数值如表1所示。

表1

根据表1和图3的结果可以看到，当接收光功率还较高时(>-30dBm)，两方案测量出的指向角偏差的误差都不大，可以认为能够较好地实现空间光束的对准；而当光功率进一步降低时(<-30dBm)，可以明显看到直接功率检测方案的误差快速增大，在-40dBm接收光功率时偏差角度误差的RMSE值就达到了67.61μrad；的而基于Delta-Sigma的互相关方案，在-45dBm接收光功率时还能保持偏差角度误差的RMSE值为35.24μrad；在较低接收光功率的情况下，明显地提高了指向角偏差的测量精度，从而提高空间光束的对准精度。

应当说明的是，以上仅为示例性的描述，不应理解为对本发明的唯一限定，在本发明其他的一些实施例中，由于所用4-QD器件差异或者链路中存在一些其他损耗，导致入射光功率和计算得到指向角偏差测量结果的关系可能会发生相应的变化，但与直接功率检测方案的对比的整体趋势是与本实施例一致的。

本发明实施例提供一种基于Delta-Sigma调制的无信标空间光通信对准一体化装置，包括发送端和接收端；

所述发送端包括：

激光源，用于发射激光载波；

Delta-Sigma调制器，用于对模拟信号进行Delta-Sigma调制以将其转化为数字比特流DSM序列；

电光调制器，用于将组合后的DSM序列与通信数字信号进行调制到所述激光载波上；

空间光传输模块，用于传输所述光载波信号。

具体地，发送端包括：激光源、Delta-Sigma调制器、数字信号输出模块和电光调制器；激光源用于发射相应波长的激光载波；Delta-Sigma调制器将对准用模拟特征信号进行Delta-Sigma调制，将其转化为数字比特流，记为DSM训练序列；DSM训练序列与通信数字信号进行组合并输出；通过数字信号输出模块连接到电光调制器的输入端；电光调制器则用于将数字信号调制到相应波长的激光载波之上发射。

所述接收端包括：

反射镜和分束镜，所述光载波信号经反射镜反射后，被分束镜分为两束；

四象限探测器、第一放大模块、第一ADC模块及滤波模块，用于依次对第一光束进行四象限探测、放大、模数转换、低通滤波，以从所述第一光束中恢复出所述模拟信号；

信号处理模块，用于将所述模拟信号与相同频率的参考信号进行互相关计算得到的最大互相关结果，作为所述模拟信号的幅值，计算所述第一光束的指向角的偏差。

具体地，接收端准直模块包括4-QD、第一放大模块、第一ADC模块、信号处理模块和反馈链路；4-QD通过探测光束的中心光斑位置，输出对应象限接收到的光功率大小；第一放大模块用于放大4-QD的输出功率；第一ADC对放大模块的输出进行采样并送入信号处理模块；信号处理模块通过算法来计算激光光束的指向角偏差，得到结果后通过反馈链路来控制系统接收端的反射镜(即反射镜B)从而控制空间光束的对准。反射镜B用以调整接收空间光束的指向角，以调节空间光束的准直；光束分束器(即分束镜)位于反射镜之后，用以将接收到的空间激光分成两束，分别用于准直和通信；

其中，对准用模拟特征信号为低频的模拟正弦信号，还用于接收端准直模块中的信号处理模块来提高低接收光功率下的光束指向角偏差的测量精度；信号处理模块用于依次进行：低通滤波、互相关计算、指向角偏差测量。

通过对应模拟特征信号频率的低通滤波，4-QD输出中经Delta-Sigma调制器调制后的数字比特流部分就能够恢复回模拟特征信号，与通信数字信号能够简单区分；恢复的模拟特征信号能应用于互相关算法中，通过与相同频率的参考信号进行相关计算，能够放大其在4-QD中的输出功率；使其在低接收光功率的条件下，能够与背景噪声分离，提高SNR；指向角偏差测量则通过对比各个象限互相关运算放大后的高SNR结果来计算光束指向角的偏差，从而提高低接收光功率的条件下光束指向角偏差的测量精度。

控制模块，用于根据所述偏差调整所述反射镜的角度以实现光束对准。

优选地，所述装置还包括：第二放大模块、光电探测模块、第二ADC模块、通信相关信号处理模块，用于依次对第二光束进行放大、光电探测、模数转换、通信相关信号处理，以实现通信功能。

具体地，所述装置还包括接收端通信模块，该模块包括：第二放大模块、PD、第二ADC模块和信号处理模块；第二放大模块用以放大耦合进光纤中的激光信号；PD用以接收光信号并将其转换为电信号；第二ADC模块用以对放大模块的输出进行采样并送入信号处理模块中进行通信相关的信号处理，实现相应的通信功能。

进一步地，所述装置还包括空间光传输模块，该模块包括：准直器、空间光链路、反射镜A和光束分束器；准直器用于将激光从光纤中发射入空间之中，或者将空间激光耦合进光纤内；空间光链路作为激光传输的媒介。反射镜A用于调整光路的方向，可根据实际需求设计。

优选地，所述装置还包括：FPGA，用于对DSM训练序列及通信数字信号进行组合，并通过所述FPGA外挂的I/O端口进行发送。

具体地，为了进一步降低装置的实现成本，作为一种可选地实施方式，本实施例中，DSM训练序列和通信数字信号的产生和组合都由FPGA完成，且数字信号输出模块为FPGA外挂的I/O端口，由此避免了昂贵的DAC器件的使用，进一步降低装置的结构复杂度和成本。

进一步地，Delta-Sigma调制器将模拟信号转换为数字信号时，其具体的流程如图4所示，包括过采样、噪声整形和量化三个部分；首先，对原始的模拟信号进行过采样以扩展其奈奎斯特区，使得量化噪声在更宽的频率范围内均匀分布；随后，每一次采样的电平值通过Delta-Sigma调制器的反馈结构运算，将量化噪声推出信号频带，使得信号频带内的残余噪声更少，实现噪声整形；最后在1-bit量化的情况下，输出为1-bit的数据流，通过这种方式将模拟信号转化为数字信号。本实施例中，所用的Delta-Sigma调制器的反馈结构如图4所示，其在z域的传递函数(NTF)的表达式为：

其中，a1～a4、g1～g4为所述反馈结构中各节点的系数，且a1＝0.557、a2＝0.244、a3＝0.049，a4＝0.005，g1＝-0.001，g2＝-0.007。可选地，本实施例所使用的参数组合对应10-MHz的低频频点，采样率为奈奎斯特采样率的100倍。

应当说明的是，以上仅为示例性的描述，不应理解为对本发明的唯一限定，在本发明其他的一些实施例中，可以通过改变Delta-Sigma调制器的反馈结构中的系数来调节相应的模拟信号频点和过采样率，在所述的空间光通信对准一体化装置中，能实现相似的结果。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。