专利名称：全数字化的脉冲位置调制信号接收机的制作方法
技术领域：
本发明涉及脉冲位置调制信号接收机，特别是一种基于高速数据采集卡和计算 机实现的全数字化脉冲位置调制信号接收机，可以在不同应用场合对接收到的混杂 在背景噪声情况下的微弱脉冲位置调制信号进行正确的解调，并将解调结果实时显 示和存储。
背景技术：
随着脉冲激光器技术的不断发展，激光越来越广泛应用于自由空间激光通信领 域，通常自由空间激光通信采用脉冲位置调制方式，通过激光脉冲出现的位置信息 传送有效信号，与此同时随着激光传输距离的增加和应用场合的复杂化，传输信道' 所导致的脉冲畸变与衰减也越来越严重，脉冲的畸变及信噪比的降低将严重影响接 收信号的正确解调，从而对接收机提出了越来越高的要求，传统的基于纯硬件的接 收机已难以满足各种场合的通信要求，基于通信时接收信号的幅度和脉冲宽度不确 定性，对畸变的微弱脉冲位置调制信号的接收提出了更多的要求
① 采用数字信号处理，降低对接收信号信噪比的要求'以满足高灵敏度需求；
② 能在不同的应用场合从较强的背景噪声环境中提取信号，同时还能够抵抗一 定的突发噪声；
③ 能够从接收到的已展宽和畸变的信号中准确地恢复脉冲信号和提取脉冲位 置，并对提取的脉冲信号进行正确的解调，满足通信误码率性能要求；
④能够实时连续工作，可视性好，操作和设置方便，装置集成化程度高，工作 稳定可靠。
现有的接收机多是基于单片机和比较器为核心的模拟电路实现的，通常称之为 硬接收机， 一般通过比较器将接收到的信号与硬件设置好的门限进行比较，如果超 过则输出脉冲信号送单片机处理，单片机通过片内计数器获得相邻脉冲信号的时间 间隔并基于该时间间隔进行解调，该硬接收机门限无法根据应用场合自动设定，同 时由于脉冲可能发生较为严重的展宽和畸变，会导致脉冲位置出现较大的偏差，无 法根据接收到的脉冲宽度自适应调节，灵活性差，误码率恶化，难以满足特定需求。
发明内容
本发明要解决的问题在于克服上述传统硬接收机在自由空间激光通信应用当 中所遇到的难题及满足上述要求，提供一种全数字化脉冲位置调制信号接收机，该 接收机可以解决在不同应用场合、背景噪声和脉冲畸变下的脉冲位置调制信号接收 的难题，该接收机具有集成度高、灵敏度高、抗噪能力强、误码率低、结构简单、 灵活性和可操作性好的特点，可用于自由空间激光通信中微弱脉冲位置调制光信号 的接收。
本发明的技术解决方案如下
一种全数字化的脉冲位置调制信号接收机，包括高速数据采集卡和计算机，其 特点在于所述的高速数据采集卡直接安装在该计算机主板的插槽中，工作在直接存 储器存取方式，所述的高速数据采集卡将接收到的信号数字化，而所有信号的处理 和解调功能都由计算机的软件来完成，该软件按逻辑功能分为人机交互单元、匹配
滤波单元、相关检测单元、解调解码单元和数据存ie与显示单元，该计算机中央处 理器对送入的数字信号依次经过匹配滤波、相关检测、解调解码，最后在计算机显' 示器屏幕上实时显示。
上述全数字化脉冲位置调制信号接收机的接收方法，包括如下步骤
① 高速数据采集开启本接收机，通过人机交互工作界面设定各项工作参数 脉冲宽度r，似然判决门限W'，所述的高速数据采集卡将接收到的经过长距离传输 后发生衰减和畸变的脉冲位置调制信号转换为数字信号，送计算机内部存储空间存 储；
② 脉冲位置信息提取计算机的自适应脉宽匹配滤波单元对接收到的数字化的
脉冲位置调制信号，根据自适应脉宽匹配滤波单元在预设某一脉冲宽度r内对接收
到的信号进行累加，并将累加结果^与初始似然判决门限W'比较，如果I大于W'， 则认为可能是有用的信号脉冲，并将该脉冲位置信息送内部寄存器存储；
③ 帧头检测当接收到的脉冲数目达到已知帧头所含脉冲个数时，启动帧头检. 测，计算机相关检测单元将已知帧头所含脉冲位置间隔信息与接收到的脉冲间隔位 置信息逐个进行相关计算，当接收到的脉冲的位置信息与已知帧头所含脉冲位置间 隔信息匹配时，即认为接收到了帧头，确认所收到的信号为有用信号，并统计此帧
头中脉冲的宽度信息r，同时统计该匹配脉宽r内的信号，作为后续信号脉冲检
测的似然判决门限iV'，根据该帧头自适应地调节所述的自适应脉宽匹配滤波单元的最佳匹配脉宽r和相关检测单元的似然判决门限iv'，并依据最大似然准则，依
次对后续输入信号进行自适应脉宽匹配滤波与最大似然检测信号处理，
④ 解调解码解调解码单元在相关检测单元检测到帧头后立即启动，根据匹配 滤波单元检测到的脉冲位置信息，利用信号调制编码时所采用的脉冲位置调制方式 对第②步匹配滤波单元检测到的脉冲位置信息进行实时解'调，在解调后基于编码所 采用的编码方式进行解码；
⑤ 重复上述第① ④步骤，直到该信息的所有的脉冲位置调制信号处理完毕， 最终解码的结果存储在计算机内并送计算机屏幕显示，完成所述的脉冲位置调制信 号的接收。
本发明的优点在于-
本发明采用高速数据采集卡和计算机实现，能够实时连续工作，人机交互性好，. 操作和设置方便，装置集成化程度高，工作稳定可靠；
本发明采用数字信号处理，降低了对接收信号信噪比的要求，可以满足高灵敏 度需求；
本发明采用了自适应匹配滤波和相关检测技术，可以在不同应用场合根据背景 噪声强度自适应地设置似然判决门限和匹配脉宽，能够从接收到的已展宽和畸变的 信号中准确的恢复和提取脉冲位置，对提取的脉冲信号进行正确的解调，抗突发噪 声能力强，满足通信误码率性能要求；
本发明解决了在不同应用场合、背景噪声和脉冲畸变的情况下微弱脉冲位置调 制畸变信号的接收难题，满足高灵敏度和低误码性能要求，可广泛应用于自由空间 激光通信中，具有广阔的应用前景，可以推动相关技术的不断实用，具有良好的市 场前景。
图1为本发明全数字化脉冲位置调制信号接收机整体结构示意图，其中虚线框
内为计算机编程实现的内部逻辑功能单元划分示意图2为本发明全数字化脉冲位置调制信号接收机中匹配滤波单元工作原理图； 图3为本发明全数字化脉冲位置调制信号接收机中相关检测单元工作原理图； 图4为本发明全数字化脉冲位置调制信号接收机的软^^流程图。 图中l一高速数据采集卡、2—计算机、21—人机交互单元、22—匹配滤波单
元、23—相关检测单元、24—解调解码单元、25—数据存储与显示单元。
具体实施例方式
本发明装置以某场合下的自由空间激光通信为实施例，采用8进制脉冲位置调 制方式、RS编码方式，其预计接收到的信号脉冲宽度为500ns，信号强度lnw，误 码率要求优于PX4"5。下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以 此限制本发明的保护范围。
首先请参照图1，图1为本发明基于全数字化脉冲位置调制信号接收机整体结 构示意图，其中虚线框内为计算机编程实现的内部逻辑功能单元划分示意图。由图 1可见，本发明全数字化脉冲位置调制信号接收机由高速数据采集卡1和计算机2 组成，所有的信号处理和解调解码功能通过计算机编程、软件实现。按照实现功能 计算机内部又可划分为人机交互单元21、匹配滤波单元22、相关检测单元23、 解调解码单元24和数据存贮与显示单元25。其位置及连接关系是高速数据釆集 卡1通过PCI接口与计算机2连接，直接安装在计算机主板上的PCI插槽中，工作 在DMA方式，将采集到的数据直接送计算机内部存储空间，计算机2在通过人机交 互单元21设置好工作参数后对接收到的数字信号进行处理，依次经过匹配滤波单 元22、相关检测单元23、解调解码单元24和数据存lt与显示单元25，最后通过计 算机显示器屏幕实时显示。
其次请参照图2，图2为本发明全数字化脉冲位置调制信号接收机中匹配滤波 单元22工作原理示意图，主要用于从接收到的信号当中提取脉冲信号。由图2可 见，输入数据流依次经过一个滑动窗口，似然函数计算模块将窗口内的数据与滑动 窗函数巻积后与一门限相比较，如果超出则认为是脉冲信号，并定位该脉冲的起止 信息和幅度信息，同时送内部寄存器存储。该匹配滤波单元22当中的滑动窗口大 小和门限将在检测到帧同步头后实时反馈修正，起到自适应匹配滤波的效果。
接下来请参照图3，图3为本发明全数字化脉冲位置调制信号接收机中相关检 测单元23工作原理示意图。由图3可知，相关检测单元23将由匹配滤波单元22 检测出的脉冲数据流依次经过一数据缓存器，并与已存储的已知帧同步头同步序列 作相关运算，在获得最大相关值并超出比较门限后即认为检测到了帧同步头，并给 出准确的同步信号。
最后请参照图4，图4为本发明全数字化脉冲位置调制信号接收机程序流程图。 由图4可知，在通过计算机软件界面设置好工作参数并将内部数据清零后，该接收机开始接收工作。高速数据采集卡1将接收到的数据流采集进计算机2内存，.计算 机2对输入的数字信号进行实时处理，首先通过匹配滤波单元22提取脉冲信号， 随后通过相关检测单元23检测帧同步头， 一旦检测到帧同步头将统计帧同步头脉 冲的宽度和强度信息并自适应调整匹配滤波相关参数，与此同时启动解调和解码单-元23对后续信号解调和解码，最后将解码出的信号实时存储和显示。
本实施例采用的具体器件为所述高速数据采集卡1的采样速率为10Mbps、带 DMA和先入先出(FIFO)功能，所述计算机2为P4 2. 4G、 1G内存普通台式机。
结合图1、图2、图3和图4，本实施例的全数字化脉冲位置调制信号接收机接 收微弱脉冲位置调制信号的具体过程是
① 参数设置首先运行计算机2和启动接收机应用程序，进入设置界面，通过该 人机交互界面21设置计算机各项工作参数，如设置高速数据采集卡A/D速率为 10Mbps、初始脉宽为500ns、脉冲位置调制参数为8PPM、每帧所含信息脉冲个 数为128个、编码方式为RS纠错码及选择数据保存位置，并为数据处理分配内 部存储空间；
② 数据采集启动高速数据采集卡1，高速数据采集卡1将接收到的微弱信号以 10Mbps速率转化为数字信号并通过DMA方式送计算机2内部存储空间；
③ 脉冲提取计算机内部匹配滤波单元22依据最大似然准则，将输入数据流依次 经过一个滑动窗口 (初始窗口宽度为500ns)，似然函数计算模块将窗口内的数 据与滑动窗函数巻积后与一门限相比较，该门限初始值基于所要求的误码率性
能S 〔eXp(-x2/2>/xSlO-5，求出Q》4，故判决阈值取为背景噪声的4
倍，即/) = 4*7^，其中V^为在接收机工作状态稳定后、无信号时500ns 内接收噪声信号统计平均，相当于对接收信号的信噪比(SNR)要求为SNR^4， 相对于传统的光电检测、对于在同样的误码率性能的要求下SNR^16的要求， 降低了对接收信号的要求，即提高了接收灵敏度和接收性能。
比较后如果滑动窗巻积结果超出门限，则认为是脉冲信号，并定位该脉冲 的起止信息和幅度信息，同时送内部寄存器存储供后续分析处理。该匹配滤波 单元22当中的滑动窗口大小和门限将在检测到帧同步头后实时反馈修正起到自 适应匹配滤波的实际效果。采用匹配滤波的原因在于在白噪声环境下所有的线性滤波器中，匹配滤波器输出的信噪比最大。噪声由于互不相关将不会得到相 关增强，从而匹配滤波器输出的最大峰值信噪比将比原始输入的信噪比要高， 更加有利于准确提取脉冲和找到脉冲位置。
帧同步头检测相关检测单元23将由匹配滤波单元22检测出的脉冲数据流依 次经过一数据缓存器，该数据缓存器的长度和已知的帧同步头脉冲数目一致， 并与已存储的已知帧同步头序列作相关运算，在获得最大相关值并超出比较门 限后即认为检测到了帧同步头，并给出准确的同步信号，该同步信号将用于后 续准确的信息解调，在获得同步后根据帧同步头信息反馈修正匹配滤波门限及 滑动窗口宽度，基于统计此帧同步头中脉冲的宽度信息自动修正后续帧信号的
匹配脉宽r为确认的帧同步头脉冲脉宽r，同时统计该帧同步头匹配脉宽r'内
的信号累加和作为后续信号脉冲检测的似然判决门限设置依据，确保对脉冲信 号的准确匹配，并依据最大似然准则，依次对后续输入信号进行自适应脉宽匹 配滤波与最大似然检测信号处理，直到一帧信息已经接收完，检测到下一个帧' 同步头时重复上述过程。 ⑤解调解码在检测到帧同步头后，立即启动解调解码工作，解调解码单元24根
据所采用的脉冲位置调制方式8PPM对前述准确提取到的脉冲位置信息进行实时 解调，将每帧所含128个信息脉冲解调出，在解调后基于所采用的RS编码方式 再进行对应解码。
存储与显示数据存储与显示单元25将解调解码结果存储到计算机硬盘，同时 送计算机屏幕显示，完成脉冲位置调制信号的接收。
权利要求
1、一种全数字化的脉冲位置调制信号接收机，包括高速数据采集卡(1)和计算机(2)，其特征在于所述的高速数据采集卡(1)直接安装在该计算机(2)主板的插槽中，工作在直接存储器存取方式，所述的高速数据采集卡(1)将接收到的信号数字化，而所有信号的处理和解调功能都由计算机(2)的软件来完成，该软件按逻辑功能分为人机交互单元(21)、匹配滤波单元(22)、相关检测单元(23)、解调解码单元(24)和数据存贮与显示单元(25)，该计算机(2)中央处理器对送入的数字信号依次经过匹配滤波、相关检测、解调解码，最后在计算机显示器屏幕上实时显示。
2、权利要求1所述的全数字化脉冲位置调制信号接收机的接收方法，其特征 在于包括如下步骤 '① 高速数据采集开启本接收机，通过人机交互工作界面(21)设定各项工作 参数脉冲宽度7;似然判决门限iV'，所述的高速数据采集卡(1)将接收到的经 过长距离传输后发生衰减和畸变的脉冲位置调制信号转换为数字信号，送计算机(2)内部存储空间存储；② 脉冲位置信息提取计算机的自适应脉宽匹配滤波单元(22)对接收到的数字化的脉冲位置调制信号，根据自适应脉宽匹配滤波单元(22)在预设某一脉冲宽.度r内对接收到的信号进行累加，并将累加结果/^与初始似然判决门限w'比较，如果/^大于w'，则认为可能是有用的信号脉冲，并将该脉冲位置信息送内部寄存器存储；③ 帧头检测当接收到的脉冲数目达到已知帧头所含脉冲个数时，启动帧头检测，计算机相关检测单元(23)将已知帧头所含脉冲位置间隔信息与接收到的脉冲间隔位置信息逐个进行相关计算，当接收到的脉冲的位置信息与已知帧头所含脉冲 位置间隔信息匹配时，即认为接收到了帧头，确认所收到的信号为有用信号，并统计此帧头中脉冲的宽度信息r，同时统计该匹配脉宽r内的信号，作为后续信号脉冲检测的似然判决门限iV'，根据该帧头自适应地调节所述的自适应脉宽匹配滤 波单元(22)的最佳匹配脉宽r'和相关检测单元(23)的似然判决门限iV'，并依据最大似然准则，依次对后续输入信号进行自适应脉宽匹配滤波与最大似然检测信 号处理，④ 解调解码解调解码单元(24)在相关检测单元(23)检测到帧头后立即启动，根据匹配滤波单元检测到的脉冲位置信息，利用信号调制编码时所采用的脉冲 位置调制方式对第②步匹配滤波单元检测到的脉冲位置信.息进行实时解调，在解调 后基于编码所采用的编码方式进行解码；⑤重复上述第① ④步骤，直到该信息的所有的脉冲位置调制信号处理完毕， 最终解码的结果存储在计算机内并送计算机屏幕显示，完成所述的脉冲位置调制信 号的接收。
全文摘要
一种全数字化的脉冲位置调制信号接收机，包括高速数据采集卡和计算机，所述的高速数据采集卡直接安装在该计算机主板的插槽中，工作在直接存储器存取方式，所述的高速数据采集卡将接收到的信号数字化，而所有信号的处理和解调功能都由计算机的软件来完成，该计算机中央处理器对送入的数字信号依次经过匹配滤波、相关检测、解调解码，最后在计算机显示器屏幕上实时显示。本发明接收机可以解决在不同应用场合、背景噪声和脉冲畸变下的脉冲位置调制信号接收的难题，该接收机具有集成度高、灵敏度高、抗噪能力强、误码率低、结构简单、灵活性和可操作性好的特点，可用于自由空间激光通信中微弱脉冲位置调制光信号的接收。
文档编号H04B14/04GK101321015SQ20081003929
公开日2008年12月10日 申请日期2008年6月20日 优先权日2008年6月20日
发明者周田华, 陈卫标 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所