[發明專利]基于激光通信系統高速光信號實時采樣裝置及方法

在審

• 申請號: 202110731321.9
• 申請日: 2021-06-30
• 公開（公告）號: CN113179125A
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發明（設計）人: 劉紅恩
• 申請（專利權）人: 南京英田光學工程股份有限公司
• 主分類號: H04B10/079
• 分類號: H04B10/079
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 許小莉

1.一種基于激光通信系統高速光信號實時采樣裝置，其特征是：包括匯聚透鏡、光敏探測器PIN管、對數轉換器LGC、低通濾波器LPF、信號放大器OPA、高速處理器FPGA、輔助顯示界面DISPLAY；

所述匯聚透鏡用于將空間準平行的激光信號進行匯聚，匯聚后的信號光入射到光敏探測器PIN管光敏面上；

所述光敏探測器PIN管用于將光信號轉化為電流信號，并進一步將電流信號傳輸至對數轉換器LGC；

所述對數轉換器LGC對數轉換器用于將電流信號轉化為電壓信號，經過低通濾波器LPF濾波后輸入至信號放大器OPA以便小信號放大；

所述高速處理器FPGA接收信號放大器OPA輸出的模擬電壓信號，經采樣及運行數據解調算法，實時得知實際入射到光敏探測器PIN管的光信號功率大小；用于分析通信終端雙方之間距離，或者分析通信誤碼率和光功率數據之間對比關系。

2.根據權利要求1所述的基于激光通信系統高速光信號實時采樣裝置，其特征是：所述光敏探測器PIN管采用InGaAs光電二極管，波長范圍0.8-1.7um，峰值波長1.55um，響應率0.95A/W，帶寬140MHz，結電容10pF。

3.根據權利要求1所述的基于激光通信系統高速光信號實時采樣裝置，其特征是：所述LGC對數轉化器，電流范圍1nA-1mA，線性度10mV/dB；輸出電壓范圍0.2V-1.5V；斜率和測試起始電流點可調整。

4.根據權利要求1所述的基于激光通信系統高速光信號實時采樣裝置，其特征是：信號放大器OPA采用AD8138，增益帶寬積為320MHz，增益可調，輸出共模電壓可調，動態范圍85dBc。

5.根據權利要求1所述的基于激光通信系統高速光信號實時采樣裝置，其特征是：低通濾波器LPF采用三階無源濾波器，用于濾除帶外高頻噪聲和雜散信號，截止帶寬150MHz。

6.一種用上述基于激光通信系統高速光信號實時采樣裝置進行高速光信號實時采樣的方法，其特征是：該方法包括如下步驟：

（1）空間準平行光進入匯聚透鏡進行匯聚，將光能量進行最大程度集中；

（2）步驟（1）中匯聚后的聚焦信號光入射至光敏探測器PIN管光敏面上；

（3）所述光敏探測器PIN管將光信號轉化為電流信號，并進一步將電流信號傳輸至對數轉換器LGC；

（4）所述對數轉換器LGC用于將電流信號轉化為電壓信號，經過LPF后傳輸至信號放大器OPA中；

（5）所述信號放大器OPA將小信號模擬電壓信號放大一定倍數后，單端轉為差分傳輸至高速處理器FPGA中以便進行數據采樣；

（6）所述高速處理器FPGA接收信號放大器OPA輸出的模擬電壓信號，經采樣及運行數據解調算法，計算出入射到PIN管的光信號功率大小；結果用于分析通信終端雙方之間距離，或者分析通信誤碼率和光功率數據的相關關系。

7.根據權利要求6所述的高速光信號實時采樣的方法，其特征是：步驟（3）-（6）的具體方法是：

PIN管將光信號轉化為電流信號，其入射光功率“P_OPTICAL”和輸出電流“I_PD”關系式為下述公式（1）：

I_PD=ρ*P_OPTICAL （1）

其中ρ為探測器的光強響應率，對于系統所用信號光波長1550nm，典型響應率為0.9A/W；

LGC對數轉換器將PIN管輸出的光電流轉化為模擬電壓信號，其入射電流和輸出電壓關系式為下述公式（2）：

VLOG=0.2*log₁₀(I_PD/100pA) （2）

綜合公式（1）、（2），從輸入光功率到輸出模擬電壓信號為關系式為下述公式（3）：

VLOG=2+0.2*log₁₀(ρ*P_OPTICAL) （3）

即當在光強響應率和入射光光功率大小已知情況下，可以得出相應的電壓數值，反過來當有了電壓值時可以推算出入射光功率大小，見下述關系式（4）：

P_OPTICAL =[10^(5*VLOG -10)]/ρ （4）

此電壓值VLOG經過OPA放大一定倍數，范圍為1-10V/V，放大后的差分信號V_OUT+、V_OUT-連接至FPGA的信號輸入口，經處理器FPGA高速采樣，根據公式（4）和轉化算法可解調計算出輸入光功率數值大小，整個過程是高速且實時的。