光谱幅度编/解码系统的光频码片带宽优化设计方法

本发明属于自由空间光通信技术领域，涉及一种光谱幅度编/解码系统的光频码片带宽 优化设计方法。

《Optics Communications》2007年280卷中的一篇标题为《Suppression of Intensity  Fluctuations in Free Space High‑Speed Optical Communication based on Spectral Encoding of a  Partially Coherent Beam》的论文描述了一种用于自由空间光通信的光谱幅度编码光学系统。 该文在讨论光频码片带宽的设计问题时，考虑的是为每个光频码片分配相同大小带宽的方 式，即对宽谱光信号的整个光频带进行均匀划分，为每个光频码片分配一个子光频带。实 际宽谱光源输出信号的频率谱往往并非均匀分布，即不同频率的光频信号分量的功率并不 相同。因此，通过均匀划分宽谱光信号的整个光频带的方式来为每个光频码片分配子光频 带会导致不同光频码片实际分得的信号功率存在较大差异，这可能造成信号功率较小的光 频码片对应的子信道的探测信噪比较低，从而引起较大的通信误码率。此外，实际光电探 测器的输出响应都具有波长依赖性，因此在分配光频码片的带宽时，需要考虑到探测器输 出响应的影响。由于每个光频码片承载的数据传输速率是一样的，因此通过适当的设计， 保证每个光频码片对应的子信道的探测信噪比大小相等，就可以避免对宽谱光源输出功率 的浪费，进而实现总体通信性能的最优化。

本发明的目的是提供一种光谱幅度编/解码系统的光频码片带宽优化设计方法。如图1 所示，光谱幅度编码系统由宽谱光源101、凸透镜102、凸透镜110、光谱光栅103、反射 镜107、线阵电光液晶空间光调制器104、反射镜108、光谱光栅105、凸透镜111、凸透 镜106、编码控制与驱动模块109组成；宽谱光源101输出的光信号A001经过凸透镜102 和凸透镜110变换后，入射到光谱光栅103上，光谱光栅103对光信号A001进行分光， 使不同频率的光信号分量在空间上发生分离，再经反射镜107反射后入射到线阵电光液晶 空间光调制器104上，从线阵电光液晶空间光调制器104透射的光信号经反射镜108反射 后入射到光谱光栅105上，光谱光栅105对各光频信号分量进行空间合并，合并后的光信 号再经凸透镜111和凸透镜106变换后，最终发射到自由空间信道中；编码控制与驱动模 块109与线阵电光液晶空间光调制器104相连，通过编码控制与驱动模块109可以控制线 阵电光液晶空间光调制器104的各个像素A002的状态。如图2所示，光谱幅度解码系统 由光学接收天线201、光谱分光模块202、凸透镜203、线阵光电探测器204、解码处理模 块205、线阵光电探测器数据采集卡和计算机组成；光学接收天线201接收到的光信号经 光谱分光模块202进行分光，使光学接收天线201接收到的光信号的各光频信号分量在空 间上发生分离，空间上分离的各光频信号分量经凸透镜203变换后入射到线阵光电探测器 204上，最后通过解码处理模块205完成解码工作；线阵电光液晶空间光调制器104的每 个像素A002相当于一个开关，当一个像素A002处于“开通”状态时，入射到像素A002 上的光频信号分量可以透过，当一个像素A002处于“闭合”状态时，入射到像素A002 上的光频信号分量不能透过；通过为凸透镜102、凸透镜110、凸透镜203设计合适的焦距 参数，使线阵电光液晶空间光调制器104的被光信号覆盖的像素个数和线阵光电探测器204 的被光信号覆盖的探测单元的个数相等，从而使线阵电光液晶空间光调制器104的各像素 和线阵光电探测器204的各探测单元形成一一对应的关系，即若将线阵电光液晶空间光调 制器104的一个像素设置为“闭合”状态，就会导致与之相对应的线阵光电探测器204的 探测单元的入射光频信号分量的强度为0。

本发明的方法通过如下步骤实现：

Step001：将光谱幅度编码系统和光谱幅度解码系统都安装在光学平台上；在光学平台上， 将光谱幅度编码系统的凸透镜106和光谱幅度解码系统的光学接收天线201进行光轴对 准，使光谱幅度编码系统发射的光信号能够进入光谱幅度解码系统中；

Step002：使宽谱光源101发射光信号，同时编码控制与驱动模块109向线阵电光液晶空 间光调制器104的每个像素都输出“开通”信号，使反射镜107反射的所有光频信号分量 都从线阵电光液晶空间光调制器104透射过去；

Step003：由线阵光电探测器数据采集卡和计算机对线阵光电探测器204的探测信号数据 进行接收和记录，从而得到线阵光电探测器204的各探测单元的输出信号强度A003，将各 探测单元的输出信号强度A003存放在一个数组H中；以线阵光电探测器204的各探测单 元为横轴变量，以数组H中的值为纵轴变量，可以画出如图3所示的直方图A004，图3 中每个长方条代表一个探测单元的输出信号强度；宽谱光源101输出光信号的频率谱的非 均匀分布特性以及线阵光电探测器204输出响应的波长依赖性使得直方图A004也呈现出 不均匀性，即线阵光电探测器204的一些探测单元的输出信号强度相对较大，而另外一些 探测单元的输出信号强度相对较小；在图3中，探测单元301、探测单元302、探测单元 303、探测单元304、探测单元305的输出信号强度比探测单元306、探测单元307、探测 单元308的输出信号强度大。

Step004：在计算机中执行如下步骤，以便确定光谱幅度编码系统的优化的光频码片数目 N1以及各个光频码片分得的子光频带：

S004‑1：指定允许的最大光频码片数目Nmax的大小，将N1初始化为0；

S004‑2：计算线阵光电探测器204的所有探测单元的输出信号强度之和S；

S004‑3：出数组H中值最大的元素A005在数组H中的序号imax，元素A005的值可写 为H(imax)；

S004‑4：如果H(i_max)≥S/N_max，则将序号为i_max的线阵光电探测器204的探测单元的入射
光频信号分量对应的子光频带分配给一个光频码片，同时执行N₁＝N₁+1并将变量M初始
化为0，否则：①出满足条件且i_max+m不超过线阵光电探测器204的
探测单元个数的最大非负整数m，将其值保存在变量M中；②将序号为i_max、i_max+1、...、
i_max+M的线阵光电探测器204的探测单元的入射光频信号分量对应的子光频带分配给一个
光频码片，同时执行N₁＝N₁+1；

S004‑5：执行is＝imax+M+1，如果is大于线阵光电探测器204的探测单元个数，则转 S004‑8；

S004‑6：如果H(i_s)≥S/N_max，则将序号为i_s的线阵光电探测器204的探测单元的入射光频
信号分量对应的子光频带分配给一个光频码片，同时执行N₁＝N₁+1并将变量M′初始化为
0，否则：①出满足条件且i_s+m不超过线阵光电探测器204的探测单元
个数的最大非负整数m，将其值保存在变量M′中；②将序号为i_s、i_s+1、...、i_s+M′的线阵
光电探测器204的探测单元的入射光频信号分量对应的子光频带分配给一个光频码片，同
时执行N₁＝N₁+1；

S004‑7：执行is＝is+M′+1，如果is大于线阵光电探测器204的探测单元个数，则转S004‑8； 否则转S004‑6；

S004‑8：执行is＝imax‑1，如果is小于1，则转Step005；

S004‑9：如果H(i_s)≥S/N_max，则将序号为i_s的线阵光电探测器204的探测单元的入射光频
信号分量对应的子光频带分配给一个光频码片，同时执行N₁＝N₁+1并将变量M′初始化为
0，否则：①出满足条件且i_s‑m≥1的最大非负整数m，将其值保存在
变量M′中；②将序号为i_s、i_s‑1、...、i_s‑M′的线阵光电探测器204的探测单元的入射光频
信号分量对应的子光频带分配给一个光频码片，同时执行N₁＝N₁+1；

S004‑10：执行is＝is‑M′‑1，如果is小于1，则转Step005，否则转S004‑9；

Step005：对于前述步骤确定的每个光频码片，按从低频到高频的顺序，如果一个光频码 片B001对应的所有线阵光电探测器204的探测单元的输出信号强度之和B002小于 S/(2×Nmax)，则：将光频码片B001与相邻的光频码片合并成为一个光频码片，选择所要 合并的相邻光频码片的准则是，相邻光频码片对应的所有线阵光电探测器204的探测单元 的输出信号强度之和B003最小，若光频码片B001只有一个相邻的光频码片，则与它的唯 一的相邻的光频码片进行合并，执行N1＝N1‑1。

经过上述步骤，即可得到优化的光频码片数目N1，并为每个光频码片分配子光频带， 从而完成每个光频码片的带宽设计。

由于线阵电光液晶空间光调制器104的各像素和线阵光电探测器204的各探测单元具 有一一对应关系，因此在光谱幅度编码系统中，根据每个光频码片对应的线阵光电探测器 204的探测单元序号可确定每个光频码片对应的线阵电光液晶空间光调制器104的像素序 号，编码控制与驱动模块109在输出编码控制信号时，将每个光频码片对应的所有线阵电 光液晶空间光调制器104的像素当作一个整体，即向同一光频码片对应的所有线阵电光液 晶空间光调制器104的像素输出相同的编码控制信号；在光谱幅度解码系统的解码处理模 块205中，先将每个光频码片对应的所有线阵光电探测器204的探测单元的输出信号强度 累加在一起，再进行解码运算。

有益效果

本发明提供了一种光谱幅度编/解码系统的光频码片带宽优化设计方法。本发明方法能 够根据宽谱光源的频率谱分布特性和线阵光电探测器输出响应的波长依赖性确定优化的 光频码片数目和各光频码片分得的子光频带，可最大程度地保证每个光频码片对应的子信 道的探测信噪比大小相等，从而避免浪费宽谱光源的输出功率，提升使用光谱幅度编/解码 方法的自由空间光通信系统的性能。

图1是光谱幅度编码系统的结构示意图，图2是光谱幅度解码系统的结构示意图，图 3是线阵光电探测器的各探测单元输出信号强度直方图。

下面结合附图对本发明做进一步的说明。如图1所示，光谱幅度编码系统由宽谱光源 101、凸透镜102、凸透镜110、光谱光栅103、反射镜107、线阵电光液晶空间光调制器 104、反射镜108、光谱光栅105、凸透镜111、凸透镜106、编码控制与驱动模块109组成； 宽谱光源101输出的光信号A001经过凸透镜102和凸透镜110变换后，入射到光谱光栅 103上，光谱光栅103对光信号A001进行分光，使不同频率的光信号分量在空间上发生分 离，再经反射镜107反射后入射到线阵电光液晶空间光调制器104上，从线阵电光液晶空 间光调制器104透射的光信号经反射镜108反射后入射到光谱光栅105上，光谱光栅105 对各光频信号分量进行空间合并，合并后的光信号再经凸透镜111和凸透镜106变换后， 最终发射到自由空间信道中；编码控制与驱动模块109与线阵电光液晶空间光调制器104 相连，通过编码控制与驱动模块109可以控制线阵电光液晶空间光调制器104的各个像素 A002的状态。如图2所示，光谱幅度解码系统由光学接收天线201、光谱分光模块202、 凸透镜203、线阵光电探测器204、解码处理模块205、线阵光电探测器数据采集卡和计算 机组成；光学接收天线201接收到的光信号经光谱分光模块202进行分光，使光学接收天 线201接收到的光信号的各光频信号分量在空间上发生分离，空间上分离的各光频信号分 量经凸透镜203变换后入射到线阵光电探测器204上，最后通过解码处理模块205完成解 码工作；线阵电光液晶空间光调制器104的每个像素A002相当于一个开关，当一个像素 A002处于“开通”状态时，入射到像素A002上的光频信号分量可以透过，当一个像素 A002处于“闭合”状态时，入射到像素A002上的光频信号分量不能透过；通过为凸透镜 102、凸透镜110、凸透镜203设计合适的焦距参数，使线阵电光液晶空间光调制器104的 被光信号覆盖的像素个数和线阵光电探测器204的被光信号覆盖的探测单元的个数相等， 从而使线阵电光液晶空间光调制器104的各像素和线阵光电探测器204的各探测单元形成 一一对应的关系，即若将线阵电光液晶空间光调制器104的一个像素设置为“闭合”状态， 就会导致与之相对应的线阵光电探测器204的探测单元的入射光频信号分量的强度为0。

本发明的方法通过如下步骤实现：

Step001：将光谱幅度编码系统和光谱幅度解码系统都安装在光学平台上；在光学平台 上，将光谱幅度编码系统的凸透镜106和光谱幅度解码系统的光学接收天线201进行光轴 对准，使光谱幅度编码系统发射的光信号能够进入光谱幅度解码系统中；

Step002：使宽谱光源101发射光信号，同时编码控制与驱动模块109向线阵电光液晶 空间光调制器104的每个像素都输出“开通”信号，使反射镜107反射的所有光频信号分 量都从线阵电光液晶空间光调制器104透射过去；

Step003：由线阵光电探测器数据采集卡和计算机对线阵光电探测器204的探测信号数 据进行接收和记录，从而得到线阵光电探测器204的各探测单元的输出信号强度A003，将 各探测单元的输出信号强度A003存放在一个数组H中；以线阵光电探测器204的各探测 单元为横轴变量，以数组H中的值为纵轴变量，可以画出如图3所示的直方图A004，图3 中每个长方条代表一个探测单元的输出信号强度；宽谱光源101输出光信号的频率谱的非 均匀分布特性以及线阵光电探测器204输出响应的波长依赖性使得直方图A004也呈现出 不均匀性，即线阵光电探测器204的一些探测单元的输出信号强度相对较大，而另外一些 探测单元的输出信号强度相对较小；在图3中，探测单元301、探测单元302、探测单元 303、探测单元304、探测单元305的输出信号强度比探测单元306、探测单元307、探测 单元308的输出信号强度大。

Step004：在计算机中执行如下步骤，以便确定光谱幅度编码系统的优化的光频码片数目 N1以及各个光频码片分得的子光频带：

S004‑1：指定允许的最大光频码片数目Nmax的大小，将N1初始化为0；

S004‑2：计算线阵光电探测器204的所有探测单元的输出信号强度之和S；

S004‑3：出数组H中值最大的元素A005在数组H中的序号imax，元素A005的值可写 为H(imax)；

S004‑4：如果H(i_max)≥S/N_max，则将序号为i_max的线阵光电探测器204的探测单元的入射
光频信号分量对应的子光频带分配给一个光频码片，同时执行N₁＝N₁+1并将变量M初始
化为0，否则：①出满足条件且i_max+m不超过线阵光电探测器204的
探测单元个数的最大非负整数m，将其值保存在变量M中；②将序号为i_max、i_max+1、...、
i_max+M的线阵光电探测器204的探测单元的入射光频信号分量对应的子光频带分配给一个
光频码片，同时执行N₁＝N₁+1；

S004‑5：执行is＝imax+M+1，如果is大于线阵光电探测器204的探测单元个数，则转 S004‑8；

S004‑6：如果H(i_s)≥S/N_max，则将序号为i_s的线阵光电探测器204的探测单元的入射光频
信号分量对应的子光频带分配给一个光频码片，同时执行N₁＝N₁+1并将变量M′初始化为
0，否则：①出满足条件且i_s+m不超过线阵光电探测器204的探测单元
个数的最大非负整数m，将其值保存在变量M′中；②将序号为i_s、i_s+1、...、i_s+M′的线阵
光电探测器204的探测单元的入射光频信号分量对应的子光频带分配给一个光频码片，同
时执行N₁＝N₁+1；

S004‑7：执行is＝is+M′+1，如果is大于线阵光电探测器204的探测单元个数，则转S004‑8； 否则转S004‑6；

S004‑8：执行is＝imax‑1，如果is小于1，则转Step005；

S004‑9：如果H(i_s)≥S/N_max，则将序号为i_s的线阵光电探测器204的探测单元的入射光频
信号分量对应的子光频带分配给一个光频码片，同时执行N₁＝N₁+1并将变量M′初始化为
0，否则：①出满足条件且i_s‑m≥1的最大非负整数m，将其值保存在
变量M′中；②将序号为i_s、i_s‑1、...、i_s‑M′的线阵光电探测器204的探测单元的入射光频
信号分量对应的子光频带分配给一个光频码片，同时执行N₁＝N₁+1；

S004‑10：执行is＝is‑M′‑1，如果is小于1，则转Step005，否则转S004‑9；

Step005：对于前述步骤确定的每个光频码片，按从低频到高频的顺序，如果一个光频码 片B001对应的所有线阵光电探测器204的探测单元的输出信号强度之和B002小于 S/(2×Nmax)，则：将光频码片B001与相邻的光频码片合并成为一个光频码片，选择所要 合并的相邻光频码片的准则是，相邻光频码片对应的所有线阵光电探测器204的探测单元 的输出信号强度之和B003最小，若光频码片B001只有一个相邻的光频码片，则与它的唯 一的相邻的光频码片进行合并，执行N1＝N1‑1。

经过上述步骤，即可得到优化的光频码片数目N1，并为每个光频码片分配子光频带， 从而完成每个光频码片的带宽设计。

由于线阵电光液晶空间光调制器104的各像素和线阵光电探测器204的各探测单元具 有一一对应关系，因此在光谱幅度编码系统中，根据每个光频码片对应的线阵光电探测器 204的探测单元序号可确定每个光频码片对应的线阵电光液晶空间光调制器104的像素序 号，编码控制与驱动模块109在输出编码控制信号时，将每个光频码片对应的所有线阵电 光液晶空间光调制器104的像素当作一个整体，即向同一光频码片对应的所有线阵电光液 晶空间光调制器104的像素输出相同的编码控制信号；在光谱幅度解码系统的解码处理模 块205中，先将每个光频码片对应的所有线阵光电探测器204的探测单元的输出信号强度 累加在一起，再进行解码运算。

在本实施方式中，宽谱光源101选用红外LED光源，光谱光栅103和光谱光栅105 选用施克镜反射式光栅，线阵电光液晶空间光调制器104选用线阵振幅型电光液晶空间光 调制器，编码控制与驱动模块109基于DSP数字信号处理器构建，光学接收天线201选用 卡塞格伦望远镜，光谱分光模块202基于施克镜反射式光栅构建，线阵光电探测器204选 用线阵CCD，解码处理模块205基于DSP数字信号处理器构建，线阵光电探测器数据采 集卡基于FPGA构建。在具体实施本发明方法时，在凸透镜106和光学接收天线201之间 用平行光管来模拟长距离自由空间信道；在进行光频码片带宽优化设计时，使用的宽谱光 源101、光谱光栅103、光谱光栅105、线阵电光液晶空间光调制器104、光谱分光模块202、 线阵光电探测器204都是实际光谱幅度编/解码系统所使用的器件。