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专利号: 2020106406546
申请人: 杭州电子科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 电通信技术
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种激光信号恢复模块,包括DAC电路、压控放大电路、ADC采样电路、脉冲峰值保持电路、自相关电路和可调阈值比较器电路;其特征在于:所述的DAC电路、压控放大电路、ADC采样电路、脉冲峰值保持电路组成自动增益控制电路;压控放大电路的输入接口接收外部输入的信号;DAC电路的电压输出端连接到压控放大电路的控制输入端连接;脉冲峰值保持电路的输出接口连接到ADC采样电路的采样接口;自相关电路的输出接口连接到可调阈值比较器电路及脉冲峰值保持电路的输入接口;ADC采样电路的采样接口连接脉冲峰值保持电路的输出接口,数字信号并口输出接口连接到激光通信核心处理模块;DAC电路的输入接口与外部的激光通信核心处理模块连接;

所述的压控放大电路包括以高速运放为中心的一级放大电路和以压控增益放大器为中心的可变增益电路;外部用于信号恢复控制的激光通信核心处理模块通过DAC电路改变压控增益放大器的控制电压,实现对可变增益电路的增益进行控制;脉冲峰值保持电路通过采样保持芯片来保持信号输出端的电压;使用比较器对瞬时输入电压以及当前输出电压进行比较,并输出控制信号;脉冲峰值保持电路通过双路复用选择器来控制脉冲峰值保持电路的工作模式;脉冲峰值保持电路内设置有用于保存峰值电压的电容C27;当系统需要更新接收信号的峰值电平时,对电容C27进行放电;自相关电路通过延迟器和乘法器进行脉冲信号的自相关检测,通过将接收信号与该接收信号延迟后的信号进行乘法运算以及低通滤波的处理,抑制掉自相关较弱的噪声信号,有效提高信号的信噪比;可调阈值比较器电路通过比较器和数控电位器将经过恢复的激光信号转换为数字信号并输出。

2.根据权利要求1所述的一种激光信号恢复模块,其特征在于:所述的DAC电路包括数模转换器U4,电容C34、电容C35和电容C36;数模转换器U4的型号为TLV5636;数模转换器U4的第5引脚接地;数模转换器U4的第8引脚连接到电容C34、电容C35的正极及正5V电源VCC;

电容C34及电容C35的负极均接地;数模转换器U4第6引脚与电容C36的一端连接,电容C36的另一端接地;数模转换器U4的第1引脚、第2引脚、第3引脚、第4引脚与外部的激光通信核心处理模块SPI通信;数模转换器U4的第7引脚作为DAC电路的数模转换输出端,接压控放大电路的控制输入端。

3.根据权利要求1所述的一种激光信号恢复模块,其特征在于:所述的压控放大电路包括高速运放U2和压控增益放大器U3;高速运放U2的型号为OPA842;压控增益放大器U3的型号为VCA821;高速运放U2的第7引脚接电容C15、电容C14的正极,并连接到正5V电源VCC;电容C15、电容C14的负极均接地;高速运放U2的第4引脚连接到电容C12、电容C13的负极并连接到负5V电源VEE;电容C12及电容C13的正极均接地;高速运放U2的第3引脚连接到电阻R26的一端;电阻R26的另一端接地;高速运放U2的第2引脚连接到电阻R27和电阻R28的一端;电阻R27的另一端接地;高速运放U2的第6引脚与电阻R28的另一端以及电阻R29的一端连接;

电阻R29的另一端连接至电阻R30的一端及控增益放大器U3的第6引脚;电阻R30的另一端接地;高速运放U2的第3引脚接收外部输入的待恢复信号;

所述压控增益放大器U3的第14引脚和第1引脚均连接到电容C18、电容C19的正极并连接到正5V电源VCC;电容C18及电容C19的负极均接地;压控增益放大器U3的第7引脚和第8引脚均连接到电容C16、电容C17的负极并连接到负5V电源VEE;电容C16、电容C17的正极均接地;压控增益放大器U3的第5引脚连接到电阻R31的一端,电阻R31的另一端连接到压控增益放大器U3的第4引脚;压控增益放大器U3的第3引脚连接到电阻R32的一端,电阻R32的另一端接地;压控增益放大器U3的第9引脚连接到电阻R33的一端,电阻R33的另一端接地;压控增益放大器U3的第12引脚连接到电阻R34的一端;压控增益放大器U3的第10引脚连接到电阻R34的另一端以及电阻R35的一端;电阻R35的另一端为压控放大电路的放大信号输出端,连接到自相关电路的输入端;压控增益放大器U3的第2引脚连接至DAC电路的数模转换输出端。

4.根据权利要求1所述的一种激光信号恢复模块,其特征在于:所述的ADC采样电路包括模拟数字转换器U9;模拟数字转换器U9的型号为ADS8505;模拟数字转换器U9的第28引脚和第27引脚均连接到电容C38、电容C37的正极并连接到正5V电源;电容C38及电容C37的负极均接地;模拟数字转换器的第3引脚连接到电容C39的正极;电容C39的负极接地;模拟数字转换器U9的第1引脚连接到电阻R46以及电阻R45的一端,第4引脚连接到电阻R46的另一端及电容C40的正极,第5引脚连接到电容C40的负极并接地;电阻R45的另一端为ADC采样电路的输入端,连接到脉冲峰值保持电路的保持信号输出端;模拟数字转换器U9的第2引脚、第14引脚、第25引脚、第23引脚均接地;

所述模拟数字转换器U9的第22、21、20、19、18、17、16、15、13、12、11、10、9、8、7、6引脚组成16位并口数据线连接至外部的激光通信核心处理模块的16位输入接口;模拟数字转换器U9的第26引脚、第24引脚分别连接到外部的激光通信核心处理模块的ADC读取状态输出端和ADC读取控制输入端。

5.根据权利要求1所述的一种激光信号恢复模块,其特征在于:脉冲峰值保持电路包括比较器U8、采样保持芯片U6和双路复用选择器U7;比较器U8的型号为TLV3501;采样保持芯片U6的型号为LF298;双路复用选择器U7的型号为SN74LVC2G53;

所述采样保持芯片U6的第3引脚连接到电容C25、电容C26的负极并连接负5V电源;电容C25、电容C26的正极均接地;采样保持芯片U6的第12引脚连接到电容C28、电容C29的正极并连接到正5V电源;电容C28、电容C29的负极均接地;采样保持芯片U6的第8引脚连接到电容C27的一端;电容C27的另一端接地;采样保持芯片U6的第10引脚连接到电阻R43的一端,电阻R43的另一端接地;双路复用选择器U7的第8引脚连接到电容C30、电容C31的正极并连接到正5V电源;电容C30、电容C31的负极均接地;比较器U8的第7引脚连接到电容C32、电容C33的正极并连接到正5V电源,电容C32、电容C33的负极均接地;

所述双路复用选择器U7的第6引脚连接到电阻R44的一端,电阻R44的另一端接正5V电源;采样保持芯片U6的第1引脚与比较器U8的第3引脚相连;采样保持芯片U6的第7引脚与比较器U8的第2引脚相连;采样保持芯片U6的第11引脚与双路复用选择器U7的第1引脚相连;

双路复用选择器U7的第2引脚、第3引脚、第4引脚均接地;双路复用选择器U7的第7引脚与比较器U8的第6引脚相连;比较器U8的第4引脚及第8引脚均接地;采样保持芯片U6的1引脚为脉冲峰值保持电路的信号输入端,连接到自相关电路的输出端;采样保持芯片U6的7引脚为脉冲峰值保持电路的保持信号输出端,连接到ADC采样电路的输入端。

6.根据权利要求1所述的一种激光信号恢复模块,其特征在于:自相关电路包括延迟器U1和乘法器U5;延迟器U1的型号为ELMEC-CDA;乘法器U5的型号为AD835;延迟器U1的第1引脚,为自相关电路的输入端,连接到压控放大电路的放大信号输出端及电阻R36的一端;乘法器U5的第8引脚连接到电阻R36的另一端以及电阻R38的一端;电阻R38的另一端接地;延迟器U1的第4引脚连接到电阻R37的一端;乘法器U5的第1引脚连接到电阻R37的另一端以及电阻R39的一端;电阻R39的另一端接地;乘法器U5的第5引脚连接到电阻R40、电阻R41的一端;电阻R40的另一端与电容C24的一端连接;电容C24的另一端接地;乘法器U5的第4引脚连接到电阻R41的另一端以及电阻R42的一端;电阻R42的另一端接地;乘法器U5的第3引脚连接到电容C20、电容C21的负极并连接到负5V电源;电容C20、电容C21的正极均接地;乘法器U5的第6引脚连接到电容C23、电容C22的正极并连接到正5V电源;电容C23、电容C22的负极均接地;乘法器U5的第2引脚和第7引脚均接地;延迟器U1的第2引脚、第3引脚、第6引脚及第

5引脚均接地;电阻R40远离乘法器U5的那端为自相关电路的输出端;

所述的可调阈值比较器电路包括第二比较器U10和数控电位芯片U11;比较器U10的型号是TLV3501,数控电位芯片U11的型号是TPL0202;比较器U10的第7引脚连接到电容C41、电容C42的正极并连接到3.3V电源;电容C41、电容C42的负极均接地;数控电位芯片U11的第1引脚连接到电容C43的正极和3.3V电源;电容C43的负极接地;数控电位芯片U11的第14引脚连接到电阻R47的一端;比较器U10的第2引脚连接到电阻R47的另一端;比较器U10的第3引脚连接到电阻R48及电阻R49的一端,电阻R48的另一端连接到自相关电路的输出端;比较器U10的第6引脚连接到电阻R49的另一端;比较器U10的第4引脚和第8引脚均接地;数控电位芯片U11的第7引脚、第13引脚、第17引脚均接地,第15引脚接3.3V电源。

7.一种多点对准的水下激光通信系统,包括激光通信核心处理模块、激光信号恢复模块、实时网络传输模块、对准方向自调控制模块、云台、激光发射电路和前级接收电路;其特征在于:还包括如权利要求1所述的激光信号恢复模块;所述激光发射电路中的发射筒镜以及前级接收电路中的接收筒镜均安装在云台上;云台由激光通信核心处理模块通过对准方向自调控制模块进行控制;所述的对准方向自调控制模块包括TTL转485通讯电路以及陀螺仪电路;TTL转485通讯电路将激光通信核心处理模块输出单TTL电平转换为RS485电平,通过RS485串口控制云台转动;陀螺仪电路安装在云台上;陀螺仪电路的输出接口连接到激光通信核心处理模块,用于输出检测到的云台姿态信号;激光通信核心处理模块控制激光发射电路通过发射筒镜进行激光发射;激光发射电路经过发射筒镜向目标发射经过调制后的激光通信脉冲;前级接收电路通过接收筒镜和雪崩光电二极管检测外部输入的激光通信脉冲,并传输给激光信号恢复模块;激光信号恢复模块对接收的激光信号进行自动增益控制以及自相关检测处理后,将激光信号传输给激光通信核心处理模块。

8.根据权利要求7所述的一种多点对准的水下激光通信系统,其特征在于:还包括实时网络传输模块;所述的激光通信核心处理模块与上位机通过实时网络传输模块进行通信;

实时网络传输模块使用以太网W5100S模块。

9.根据权利要求7所述的一种多点对准的水下激光通信系统,其特征在于:所述的TTL转485通讯电路包括电平转换芯片U13、串行数据接口P1,高频滤波电容C48、匹配电阻R50;

电平转换芯片U13的型号为MAX485;电平转换芯片U13的第8引脚连接到电容C43的正极并连接到正5V电源;电容C43的负极接地;电平转换芯片U13的第7引脚连接到电阻R50的一端,第

6引脚连接到电阻R50的另一端;电平转换芯片U13的第2引脚和第3引脚相连,第5引脚接地;

电平转换芯片U13的第1引脚、第4引脚分别为TTL转485通讯电路的串口接收信号线和串口发送信号线,第2引脚和第3引脚相连为模式控制线,均连接到激光通信核心处理模块;电平转换芯片U13的第6引脚和第7引脚为RS485电平的串口接收信号线和串口发送信号线,均连接到云台;

所述的陀螺仪电路包括陀螺仪芯片U12;陀螺仪芯片U12的型号是MPU6050;所述的陀螺仪芯片U12的第13引脚连接到电容C46、电阻R51、电阻R52的一端以及磁珠FB4的一端;电容C46的另一端接地;磁珠FB4的另一端接3.3V电源;陀螺仪芯片U12的第8引脚连接到电容C47的一端;电容C47的另一端接地;陀螺仪芯片U12的第8引脚和第13引脚相连;陀螺仪芯片U12的第20引脚连接到电容C44的一端,电容C44的另一端接地;陀螺仪芯片U12的第10引脚接电容C45的一端,电容C45的另一端接地;陀螺仪芯片U12的第24引脚连接到电阻R51的另一端;

陀螺仪芯片U12的第23引脚连接到电阻R52的另一端;陀螺仪芯片U12的第9引脚连接到电阻R53的一端;电阻R53的另一端接地;陀螺仪芯片U12的第1引脚、第11引脚、第8引脚均接地;

陀螺仪芯片U12的第6引脚、第7引脚、第9引脚、第12引脚、第23引脚、第24引脚均连接到激光通信核心处理模块。

10.使用如权利要求7所述的一种多点对准的水下激光通信系统进行通信的方法,其特征在于:步骤一、使用n个多点对准的水下激光通信系统构建一个水下激光通信场景,n≥3;

n个多点对准的水下激光通信系统分为1个主节点和n-1个从节点;主节点在水面上;n-1个从节点分别设置在水底的各个需要通信的位置;主节点与上位机通信;

步骤二、通信时,主节点通过云台调整发射接收角度对准需要通信的从节点,并发射请求连接信号;该从节点感应到主节点的请求信号后向主节点返回应答信号建立通信链路开始数据传输;主节点再将从节点发送上来的信号传输给上位机,完成数据交互;

步骤三、当需要更换通信的从节点时,主节点再次通过云台调整发射接收角度自动对准新需要建立通信连接的从节点,实现一点对多点的水下激光通信。