[发明专利]基于激光通信系统高速光信号实时采样装置及方法

权利要求书

1.一种基于激光通信系统高速光信号实时采样装置，其特征是：包括汇聚透镜、光敏探测器PIN管、对数转换器LGC、低通滤波器LPF、信号放大器OPA、高速处理器FPGA、辅助显示界面DISPLAY；

所述汇聚透镜用于将空间准平行的激光信号进行汇聚，汇聚后的信号光入射到光敏探测器PIN管光敏面上；

所述光敏探测器PIN管用于将光信号转化为电流信号，并进一步将电流信号传输至对数转换器LGC；

所述对数转换器LGC对数转换器用于将电流信号转化为电压信号，经过低通滤波器LPF滤波后输入至信号放大器OPA以便小信号放大；

所述高速处理器FPGA接收信号放大器OPA输出的模拟电压信号，经采样及运行数据解调算法，实时得知实际入射到光敏探测器PIN管的光信号功率大小；用于分析通信终端双方之间距离，或者分析通信误码率和光功率数据之间对比关系。

2.根据权利要求1所述的基于激光通信系统高速光信号实时采样装置，其特征是：所述光敏探测器PIN管采用InGaAs光电二极管，波长范围0.8-1.7um，峰值波长1.55um，响应率0.95A/W，带宽140MHz，结电容10pF。

3.根据权利要求1所述的基于激光通信系统高速光信号实时采样装置，其特征是：所述LGC对数转化器，电流范围1nA-1mA，线性度10mV/dB；输出电压范围0.2V-1.5V；斜率和测试起始电流点可调整。

4.根据权利要求1所述的基于激光通信系统高速光信号实时采样装置，其特征是：信号放大器OPA采用AD8138，增益带宽积为320MHz，增益可调，输出共模电压可调，动态范围85dBc。

5.根据权利要求1所述的基于激光通信系统高速光信号实时采样装置，其特征是：低通滤波器LPF采用三阶无源滤波器，用于滤除带外高频噪声和杂散信号，截止带宽150MHz。

6.一种用上述基于激光通信系统高速光信号实时采样装置进行高速光信号实时采样的方法，其特征是：该方法包括如下步骤：

（1）空间准平行光进入汇聚透镜进行汇聚，将光能量进行最大程度集中；

（2）步骤（1）中汇聚后的聚焦信号光入射至光敏探测器PIN管光敏面上；

（3）所述光敏探测器PIN管将光信号转化为电流信号，并进一步将电流信号传输至对数转换器LGC；

（4）所述对数转换器LGC用于将电流信号转化为电压信号，经过LPF后传输至信号放大器OPA中；

（5）所述信号放大器OPA将小信号模拟电压信号放大一定倍数后，单端转为差分传输至高速处理器FPGA中以便进行数据采样；

（6）所述高速处理器FPGA接收信号放大器OPA输出的模拟电压信号，经采样及运行数据解调算法，计算出入射到PIN管的光信号功率大小；结果用于分析通信终端双方之间距离，或者分析通信误码率和光功率数据的相关关系。

7.根据权利要求6所述的高速光信号实时采样的方法，其特征是：步骤（3）-（6）的具体方法是：

PIN管将光信号转化为电流信号，其入射光功率“P_OPTICAL”和输出电流“I_PD”关系式为下述公式（1）：

I_PD=ρ*P_OPTICAL （1）

其中ρ为探测器的光强响应率，对于系统所用信号光波长1550nm，典型响应率为0.9A/W；

LGC对数转换器将PIN管输出的光电流转化为模拟电压信号，其入射电流和输出电压关系式为下述公式（2）：

VLOG=0.2*log₁₀(I_PD/100pA) （2）

综合公式（1）、（2），从输入光功率到输出模拟电压信号为关系式为下述公式（3）：

VLOG=2+0.2*log₁₀(ρ*P_OPTICAL) （3）

即当在光强响应率和入射光光功率大小已知情况下，可以得出相应的电压数值，反过来当有了电压值时可以推算出入射光功率大小，见下述关系式（4）：

P_OPTICAL =[10^(5*VLOG -10)]/ρ （4）

此电压值VLOG经过OPA放大一定倍数，范围为1-10V/V，放大后的差分信号V_OUT+、V_OUT-连接至FPGA的信号输入口，经处理器FPGA高速采样，根据公式（4）和转化算法可解调计算出输入光功率数值大小，整个过程是高速且实时的。