專利名稱：全數(shù)字化的脈沖位置調(diào)制信號接收機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及脈沖位置調(diào)制信號接收機，特別是一種基于高速數(shù)據(jù)采集卡和計算 機實現(xiàn)的全數(shù)字化脈沖位置調(diào)制信號接收機，可以在不同應(yīng)用場合對接收到的混雜 在背景噪聲情況下的微弱脈沖位置調(diào)制信號進行正確的解調(diào)，并將解調(diào)結(jié)果實時顯 示和存儲。
背景技術(shù)：
隨著脈沖激光器技術(shù)的不斷發(fā)展，激光越來越廣泛應(yīng)用于自由空間激光通信領(lǐng) 域，通常自由空間激光通信采用脈沖位置調(diào)制方式，通過激光脈沖出現(xiàn)的位置信息 傳送有效信號，與此同時隨著激光傳輸距離的增加和應(yīng)用場合的復(fù)雜化，傳輸信道' 所導(dǎo)致的脈沖畸變與衰減也越來越嚴重，脈沖的畸變及信噪比的降低將嚴重影響接 收信號的正確解調(diào)，從而對接收機提出了越來越高的要求，傳統(tǒng)的基于純硬件的接 收機已難以滿足各種場合的通信要求，基于通信時接收信號的幅度和脈沖寬度不確 定性，對畸變的微弱脈沖位置調(diào)制信號的接收提出了更多的要求
① 采用數(shù)字信號處理，降低對接收信號信噪比的要求'以滿足高靈敏度需求；
② 能在不同的應(yīng)用場合從較強的背景噪聲環(huán)境中提取信號，同時還能夠抵抗一 定的突發(fā)噪聲；
③ 能夠從接收到的已展寬和畸變的信號中準確地恢復(fù)脈沖信號和提取脈沖位 置，并對提取的脈沖信號進行正確的解調(diào)，滿足通信誤碼率性能要求；
④能夠?qū)崟r連續(xù)工作，可視性好，操作和設(shè)置方便，裝置集成化程度高，工作 穩(wěn)定可靠。
現(xiàn)有的接收機多是基于單片機和比較器為核心的模擬電路實現(xiàn)的，通常稱之為 硬接收機， 一般通過比較器將接收到的信號與硬件設(shè)置好的門限進行比較，如果超 過則輸出脈沖信號送單片機處理，單片機通過片內(nèi)計數(shù)器獲得相鄰脈沖信號的時間 間隔并基于該時間間隔進行解調(diào)，該硬接收機門限無法根據(jù)應(yīng)用場合自動設(shè)定，同 時由于脈沖可能發(fā)生較為嚴重的展寬和畸變，會導(dǎo)致脈沖位置出現(xiàn)較大的偏差，無 法根據(jù)接收到的脈沖寬度自適應(yīng)調(diào)節(jié)，靈活性差，誤碼率惡化，難以滿足特定需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題在于克服上述傳統(tǒng)硬接收機在自由空間激光通信應(yīng)用當 中所遇到的難題及滿足上述要求，提供一種全數(shù)字化脈沖位置調(diào)制信號接收機，該 接收機可以解決在不同應(yīng)用場合、背景噪聲和脈沖畸變下的脈沖位置調(diào)制信號接收 的難題，該接收機具有集成度高、靈敏度高、抗噪能力強、誤碼率低、結(jié)構(gòu)簡單、 靈活性和可操作性好的特點，可用于自由空間激光通信中微弱脈沖位置調(diào)制光信號 的接收。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種全數(shù)字化的脈沖位置調(diào)制信號接收機，包括高速數(shù)據(jù)采集卡和計算機，其 特點在于所述的高速數(shù)據(jù)采集卡直接安裝在該計算機主板的插槽中，工作在直接存 儲器存取方式，所述的高速數(shù)據(jù)采集卡將接收到的信號數(shù)字化，而所有信號的處理 和解調(diào)功能都由計算機的軟件來完成，該軟件按邏輯功能分為人機交互單元、匹配
濾波單元、相關(guān)檢測單元、解調(diào)解碼單元和數(shù)據(jù)存ie與顯示單元，該計算機中央處 理器對送入的數(shù)字信號依次經(jīng)過匹配濾波、相關(guān)檢測、解調(diào)解碼，最后在計算機顯' 示器屏幕上實時顯示。
上述全數(shù)字化脈沖位置調(diào)制信號接收機的接收方法，包括如下步驟
① 高速數(shù)據(jù)采集開啟本接收機，通過人機交互工作界面設(shè)定各項工作參數(shù) 脈沖寬度r，似然判決門限W'，所述的高速數(shù)據(jù)采集卡將接收到的經(jīng)過長距離傳輸 后發(fā)生衰減和畸變的脈沖位置調(diào)制信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送計算機內(nèi)部存儲空間存 儲；
② 脈沖位置信息提取計算機的自適應(yīng)脈寬匹配濾波單元對接收到的數(shù)字化的
脈沖位置調(diào)制信號，根據(jù)自適應(yīng)脈寬匹配濾波單元在預(yù)設(shè)某一脈沖寬度r內(nèi)對接收
到的信號進行累加，并將累加結(jié)果^與初始似然判決門限W'比較，如果I大于W'， 則認為可能是有用的信號脈沖，并將該脈沖位置信息送內(nèi)部寄存器存儲；
③ 幀頭檢測當接收到的脈沖數(shù)目達到已知幀頭所含脈沖個數(shù)時，啟動幀頭檢. 測，計算機相關(guān)檢測單元將已知幀頭所含脈沖位置間隔信息與接收到的脈沖間隔位 置信息逐個進行相關(guān)計算，當接收到的脈沖的位置信息與已知幀頭所含脈沖位置間 隔信息匹配時，即認為接收到了幀頭，確認所收到的信號為有用信號，并統(tǒng)計此幀
頭中脈沖的寬度信息r，同時統(tǒng)計該匹配脈寬r內(nèi)的信號，作為后續(xù)信號脈沖檢
測的似然判決門限iV'，根據(jù)該幀頭自適應(yīng)地調(diào)節(jié)所述的自適應(yīng)脈寬匹配濾波單元的最佳匹配脈寬r和相關(guān)檢測單元的似然判決門限iv'，并依據(jù)最大似然準則，依
次對后續(xù)輸入信號進行自適應(yīng)脈寬匹配濾波與最大似然檢測信號處理，
④ 解調(diào)解碼解調(diào)解碼單元在相關(guān)檢測單元檢測到幀頭后立即啟動，根據(jù)匹配 濾波單元檢測到的脈沖位置信息，利用信號調(diào)制編碼時所采用的脈沖位置調(diào)制方式 對第②步匹配濾波單元檢測到的脈沖位置信息進行實時解'調(diào)，在解調(diào)后基于編碼所 采用的編碼方式進行解碼；
⑤ 重復(fù)上述第① ④步驟，直到該信息的所有的脈沖位置調(diào)制信號處理完畢， 最終解碼的結(jié)果存儲在計算機內(nèi)并送計算機屏幕顯示，完成所述的脈沖位置調(diào)制信 號的接收。
本發(fā)明的優(yōu)點在于-
本發(fā)明采用高速數(shù)據(jù)采集卡和計算機實現(xiàn)，能夠?qū)崟r連續(xù)工作，人機交互性好，. 操作和設(shè)置方便，裝置集成化程度高，工作穩(wěn)定可靠；
本發(fā)明采用數(shù)字信號處理，降低了對接收信號信噪比的要求，可以滿足高靈敏 度需求；
本發(fā)明采用了自適應(yīng)匹配濾波和相關(guān)檢測技術(shù)，可以在不同應(yīng)用場合根據(jù)背景 噪聲強度自適應(yīng)地設(shè)置似然判決門限和匹配脈寬，能夠從接收到的已展寬和畸變的 信號中準確的恢復(fù)和提取脈沖位置，對提取的脈沖信號進行正確的解調(diào)，抗突發(fā)噪 聲能力強，滿足通信誤碼率性能要求；
本發(fā)明解決了在不同應(yīng)用場合、背景噪聲和脈沖畸變的情況下微弱脈沖位置調(diào) 制畸變信號的接收難題，滿足高靈敏度和低誤碼性能要求，可廣泛應(yīng)用于自由空間 激光通信中，具有廣闊的應(yīng)用前景，可以推動相關(guān)技術(shù)的不斷實用，具有良好的市 場前景。


圖1為本發(fā)明全數(shù)字化脈沖位置調(diào)制信號接收機整體結(jié)構(gòu)示意圖，其中虛線框
內(nèi)為計算機編程實現(xiàn)的內(nèi)部邏輯功能單元劃分示意圖2為本發(fā)明全數(shù)字化脈沖位置調(diào)制信號接收機中匹配濾波單元工作原理圖； 圖3為本發(fā)明全數(shù)字化脈沖位置調(diào)制信號接收機中相關(guān)檢測單元工作原理圖； 圖4為本發(fā)明全數(shù)字化脈沖位置調(diào)制信號接收機的軟^^流程圖。 圖中l(wèi)一高速數(shù)據(jù)采集卡、2—計算機、21—人機交互單元、22—匹配濾波單
元、23—相關(guān)檢測單元、24—解調(diào)解碼單元、25—數(shù)據(jù)存儲與顯示單元。
具體實施例方式
本發(fā)明裝置以某場合下的自由空間激光通信為實施例，采用8進制脈沖位置調(diào) 制方式、RS編碼方式，其預(yù)計接收到的信號脈沖寬度為500ns，信號強度lnw，誤 碼率要求優(yōu)于PX4"5。下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應(yīng)以 此限制本發(fā)明的保護范圍。
首先請參照圖1，圖1為本發(fā)明基于全數(shù)字化脈沖位置調(diào)制信號接收機整體結(jié) 構(gòu)示意圖，其中虛線框內(nèi)為計算機編程實現(xiàn)的內(nèi)部邏輯功能單元劃分示意圖。由圖 1可見，本發(fā)明全數(shù)字化脈沖位置調(diào)制信號接收機由高速數(shù)據(jù)采集卡1和計算機2 組成，所有的信號處理和解調(diào)解碼功能通過計算機編程、軟件實現(xiàn)。按照實現(xiàn)功能 計算機內(nèi)部又可劃分為人機交互單元21、匹配濾波單元22、相關(guān)檢測單元23、 解調(diào)解碼單元24和數(shù)據(jù)存貯與顯示單元25。其位置及連接關(guān)系是高速數(shù)據(jù)釆集 卡1通過PCI接口與計算機2連接，直接安裝在計算機主板上的PCI插槽中，工作 在DMA方式，將采集到的數(shù)據(jù)直接送計算機內(nèi)部存儲空間，計算機2在通過人機交 互單元21設(shè)置好工作參數(shù)后對接收到的數(shù)字信號進行處理，依次經(jīng)過匹配濾波單 元22、相關(guān)檢測單元23、解調(diào)解碼單元24和數(shù)據(jù)存lt與顯示單元25，最后通過計 算機顯示器屏幕實時顯示。
其次請參照圖2，圖2為本發(fā)明全數(shù)字化脈沖位置調(diào)制信號接收機中匹配濾波 單元22工作原理示意圖，主要用于從接收到的信號當中提取脈沖信號。由圖2可 見，輸入數(shù)據(jù)流依次經(jīng)過一個滑動窗口，似然函數(shù)計算模塊將窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)與滑動 窗函數(shù)巻積后與一門限相比較，如果超出則認為是脈沖信號，并定位該脈沖的起止 信息和幅度信息，同時送內(nèi)部寄存器存儲。該匹配濾波單元22當中的滑動窗口大 小和門限將在檢測到幀同步頭后實時反饋修正，起到自適應(yīng)匹配濾波的效果。
接下來請參照圖3，圖3為本發(fā)明全數(shù)字化脈沖位置調(diào)制信號接收機中相關(guān)檢 測單元23工作原理示意圖。由圖3可知，相關(guān)檢測單元23將由匹配濾波單元22 檢測出的脈沖數(shù)據(jù)流依次經(jīng)過一數(shù)據(jù)緩存器，并與已存儲的已知幀同步頭同步序列 作相關(guān)運算，在獲得最大相關(guān)值并超出比較門限后即認為檢測到了幀同步頭，并給 出準確的同步信號。
最后請參照圖4，圖4為本發(fā)明全數(shù)字化脈沖位置調(diào)制信號接收機程序流程圖。 由圖4可知，在通過計算機軟件界面設(shè)置好工作參數(shù)并將內(nèi)部數(shù)據(jù)清零后，該接收機開始接收工作。高速數(shù)據(jù)采集卡1將接收到的數(shù)據(jù)流采集進計算機2內(nèi)存，.計算 機2對輸入的數(shù)字信號進行實時處理，首先通過匹配濾波單元22提取脈沖信號， 隨后通過相關(guān)檢測單元23檢測幀同步頭， 一旦檢測到幀同步頭將統(tǒng)計幀同步頭脈 沖的寬度和強度信息并自適應(yīng)調(diào)整匹配濾波相關(guān)參數(shù)，與此同時啟動解調(diào)和解碼單-元23對后續(xù)信號解調(diào)和解碼，最后將解碼出的信號實時存儲和顯示。
本實施例采用的具體器件為所述高速數(shù)據(jù)采集卡1的采樣速率為10Mbps、帶 DMA和先入先出(FIFO)功能，所述計算機2為P4 2. 4G、 1G內(nèi)存普通臺式機。
結(jié)合圖1、圖2、圖3和圖4，本實施例的全數(shù)字化脈沖位置調(diào)制信號接收機接 收微弱脈沖位置調(diào)制信號的具體過程是
① 參數(shù)設(shè)置首先運行計算機2和啟動接收機應(yīng)用程序，進入設(shè)置界面，通過該 人機交互界面21設(shè)置計算機各項工作參數(shù)，如設(shè)置高速數(shù)據(jù)采集卡A/D速率為 10Mbps、初始脈寬為500ns、脈沖位置調(diào)制參數(shù)為8PPM、每幀所含信息脈沖個 數(shù)為128個、編碼方式為RS糾錯碼及選擇數(shù)據(jù)保存位置，并為數(shù)據(jù)處理分配內(nèi) 部存儲空間；
② 數(shù)據(jù)采集啟動高速數(shù)據(jù)采集卡1，高速數(shù)據(jù)采集卡1將接收到的微弱信號以 10Mbps速率轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并通過DMA方式送計算機2內(nèi)部存儲空間；
③ 脈沖提取計算機內(nèi)部匹配濾波單元22依據(jù)最大似然準則，將輸入數(shù)據(jù)流依次 經(jīng)過一個滑動窗口 (初始窗口寬度為500ns)，似然函數(shù)計算模塊將窗口內(nèi)的數(shù) 據(jù)與滑動窗函數(shù)巻積后與一門限相比較，該門限初始值基于所要求的誤碼率性
能S 〔eXp(-x2/2>/xSlO-5，求出Q》4，故判決閾值取為背景噪聲的4
倍，即/) = 4*7^，其中V^為在接收機工作狀態(tài)穩(wěn)定后、無信號時500ns 內(nèi)接收噪聲信號統(tǒng)計平均，相當于對接收信號的信噪比(SNR)要求為SNR^4， 相對于傳統(tǒng)的光電檢測、對于在同樣的誤碼率性能的要求下SNR^16的要求， 降低了對接收信號的要求，即提高了接收靈敏度和接收性能。
比較后如果滑動窗巻積結(jié)果超出門限，則認為是脈沖信號，并定位該脈沖 的起止信息和幅度信息，同時送內(nèi)部寄存器存儲供后續(xù)分析處理。該匹配濾波 單元22當中的滑動窗口大小和門限將在檢測到幀同步頭后實時反饋修正起到自 適應(yīng)匹配濾波的實際效果。采用匹配濾波的原因在于在白噪聲環(huán)境下所有的線性濾波器中，匹配濾波器輸出的信噪比最大。噪聲由于互不相關(guān)將不會得到相 關(guān)增強，從而匹配濾波器輸出的最大峰值信噪比將比原始輸入的信噪比要高， 更加有利于準確提取脈沖和找到脈沖位置。
幀同步頭檢測相關(guān)檢測單元23將由匹配濾波單元22檢測出的脈沖數(shù)據(jù)流依 次經(jīng)過一數(shù)據(jù)緩存器，該數(shù)據(jù)緩存器的長度和已知的幀同步頭脈沖數(shù)目一致， 并與已存儲的已知幀同步頭序列作相關(guān)運算，在獲得最大相關(guān)值并超出比較門 限后即認為檢測到了幀同步頭，并給出準確的同步信號，該同步信號將用于后 續(xù)準確的信息解調(diào)，在獲得同步后根據(jù)幀同步頭信息反饋修正匹配濾波門限及 滑動窗口寬度，基于統(tǒng)計此幀同步頭中脈沖的寬度信息自動修正后續(xù)幀信號的
匹配脈寬r為確認的幀同步頭脈沖脈寬r，同時統(tǒng)計該幀同步頭匹配脈寬r'內(nèi)
的信號累加和作為后續(xù)信號脈沖檢測的似然判決門限設(shè)置依據(jù)，確保對脈沖信 號的準確匹配，并依據(jù)最大似然準則，依次對后續(xù)輸入信號進行自適應(yīng)脈寬匹 配濾波與最大似然檢測信號處理，直到一幀信息已經(jīng)接收完，檢測到下一個幀' 同步頭時重復(fù)上述過程。 ⑤解調(diào)解碼在檢測到幀同步頭后，立即啟動解調(diào)解碼工作，解調(diào)解碼單元24根
據(jù)所采用的脈沖位置調(diào)制方式8PPM對前述準確提取到的脈沖位置信息進行實時 解調(diào)，將每幀所含128個信息脈沖解調(diào)出，在解調(diào)后基于所采用的RS編碼方式 再進行對應(yīng)解碼。
存儲與顯示數(shù)據(jù)存儲與顯示單元25將解調(diào)解碼結(jié)果存儲到計算機硬盤，同時 送計算機屏幕顯示，完成脈沖位置調(diào)制信號的接收。
權(quán)利要求
1、一種全數(shù)字化的脈沖位置調(diào)制信號接收機，包括高速數(shù)據(jù)采集卡(1)和計算機(2)，其特征在于所述的高速數(shù)據(jù)采集卡(1)直接安裝在該計算機(2)主板的插槽中，工作在直接存儲器存取方式，所述的高速數(shù)據(jù)采集卡(1)將接收到的信號數(shù)字化，而所有信號的處理和解調(diào)功能都由計算機(2)的軟件來完成，該軟件按邏輯功能分為人機交互單元(21)、匹配濾波單元(22)、相關(guān)檢測單元(23)、解調(diào)解碼單元(24)和數(shù)據(jù)存貯與顯示單元(25)，該計算機(2)中央處理器對送入的數(shù)字信號依次經(jīng)過匹配濾波、相關(guān)檢測、解調(diào)解碼，最后在計算機顯示器屏幕上實時顯示。
2、權(quán)利要求1所述的全數(shù)字化脈沖位置調(diào)制信號接收機的接收方法，其特征 在于包括如下步驟 '① 高速數(shù)據(jù)采集開啟本接收機，通過人機交互工作界面(21)設(shè)定各項工作 參數(shù)脈沖寬度7;似然判決門限iV'，所述的高速數(shù)據(jù)采集卡(1)將接收到的經(jīng) 過長距離傳輸后發(fā)生衰減和畸變的脈沖位置調(diào)制信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送計算機(2)內(nèi)部存儲空間存儲；② 脈沖位置信息提取計算機的自適應(yīng)脈寬匹配濾波單元(22)對接收到的數(shù)字化的脈沖位置調(diào)制信號，根據(jù)自適應(yīng)脈寬匹配濾波單元(22)在預(yù)設(shè)某一脈沖寬.度r內(nèi)對接收到的信號進行累加，并將累加結(jié)果/^與初始似然判決門限w'比較，如果/^大于w'，則認為可能是有用的信號脈沖，并將該脈沖位置信息送內(nèi)部寄存器存儲；③ 幀頭檢測當接收到的脈沖數(shù)目達到已知幀頭所含脈沖個數(shù)時，啟動幀頭檢測，計算機相關(guān)檢測單元(23)將已知幀頭所含脈沖位置間隔信息與接收到的脈沖間隔位置信息逐個進行相關(guān)計算，當接收到的脈沖的位置信息與已知幀頭所含脈沖 位置間隔信息匹配時，即認為接收到了幀頭，確認所收到的信號為有用信號，并統(tǒng)計此幀頭中脈沖的寬度信息r，同時統(tǒng)計該匹配脈寬r內(nèi)的信號，作為后續(xù)信號脈沖檢測的似然判決門限iV'，根據(jù)該幀頭自適應(yīng)地調(diào)節(jié)所述的自適應(yīng)脈寬匹配濾 波單元(22)的最佳匹配脈寬r'和相關(guān)檢測單元(23)的似然判決門限iV'，并依據(jù)最大似然準則，依次對后續(xù)輸入信號進行自適應(yīng)脈寬匹配濾波與最大似然檢測信 號處理，④ 解調(diào)解碼解調(diào)解碼單元(24)在相關(guān)檢測單元(23)檢測到幀頭后立即啟動，根據(jù)匹配濾波單元檢測到的脈沖位置信息，利用信號調(diào)制編碼時所采用的脈沖 位置調(diào)制方式對第②步匹配濾波單元檢測到的脈沖位置信.息進行實時解調(diào)，在解調(diào) 后基于編碼所采用的編碼方式進行解碼；⑤重復(fù)上述第① ④步驟，直到該信息的所有的脈沖位置調(diào)制信號處理完畢， 最終解碼的結(jié)果存儲在計算機內(nèi)并送計算機屏幕顯示，完成所述的脈沖位置調(diào)制信 號的接收。
全文摘要
一種全數(shù)字化的脈沖位置調(diào)制信號接收機，包括高速數(shù)據(jù)采集卡和計算機，所述的高速數(shù)據(jù)采集卡直接安裝在該計算機主板的插槽中，工作在直接存儲器存取方式，所述的高速數(shù)據(jù)采集卡將接收到的信號數(shù)字化，而所有信號的處理和解調(diào)功能都由計算機的軟件來完成，該計算機中央處理器對送入的數(shù)字信號依次經(jīng)過匹配濾波、相關(guān)檢測、解調(diào)解碼，最后在計算機顯示器屏幕上實時顯示。本發(fā)明接收機可以解決在不同應(yīng)用場合、背景噪聲和脈沖畸變下的脈沖位置調(diào)制信號接收的難題，該接收機具有集成度高、靈敏度高、抗噪能力強、誤碼率低、結(jié)構(gòu)簡單、靈活性和可操作性好的特點，可用于自由空間激光通信中微弱脈沖位置調(diào)制光信號的接收。
文檔編號H04B14/04GK101321015SQ20081003929
公開日2008年12月10日 申請日期2008年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月20日
發(fā)明者周田華, 陳衛(wèi)標 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所