无线光通信系统中语音跟踪的方法和设备 【技术领域】
本发明广泛涉及通信系统，尤其涉及无线光通信系统中的语音跟踪。背景技术
随着广域网，如Internet与/或World Wide Web的广泛应用，近年来网络增长度和业务量都发展迅猛。网络用户需要更快的网络速度，而随着对网络需求的增加，现有的网络结构与技术日趋饱和。
现有硬件或光纤网络的另一种解决方案是使用无线光通信技术。无线光通信使用光束(如激光)作为光通信信号，不需要位置之间的电缆或光缆路由。数据或信息被编码成为一个光束，然后经过自由空间从发射机传输到接收机。
对于点对点的自由空间激光通信，使用窄的光束有如下几项优点：数据安全性高、用户密度高、方向性强。方向性强可以更方便获取高的数据速率和高的链路可用性，这是因为接收机端有更高的信号电平。为了充分利用此方向性，经常会需要某些形式的跟踪使发射机和接收机的天线保持互相对齐。例如，束发散角为1mrad的发射光束在1km范围处的接收机处的点直径约为1米。这样，如果不采用主动跟踪，那么即使是很小一部分的发散范围(或视度范围)所引起的发射机和接收机的移动都会损害链接。由于高速通信信道使用极度灵敏的检测器，因此这样的系统需要同样灵敏的跟踪系统。
在跟踪系统中，电荷耦合设备(CCD)阵列或四象限单元光检测器(有时称作象限单元)都可以用作跟踪检测器。在这两种情况下，都可以使用一个电控转向镜、平衡环或其他转向设备，根据跟踪检测器提供的信息，使射向高速通信检测器地光信号(例如光线)最大化。这样是可行的，这是因为用于跟踪和通信的光路径都是预先对齐的，而一个完全对齐的系统的跟踪信号在本质上是已知的。CCD跟踪是一种广泛应用的跟踪方法，它非常灵敏，可以更好地抵抗太阳光线闪烁，其原因是它能够忽略CCD阵列上的闪烁“特征”。但是，由于CCD检测系统的限制，在某些波长上经常需要一个单独的较短波长的跟踪信号。
对于已对齐的光学系统，在象限单元的所有四个象限的相等信号通常表示转向镜已经尽可能地使光通信信号射到高速通信检测器上-如果存在任何偏差，转向镜会使光学信号射回该最佳平衡位置上。
象限单元上的信号可以是直流(DC)信号。DC跟踪可以使用来自各个象限单元的跟踪信号的平均信号的内容。DC的一个问题是象限单元电子器件无法分辨真正的光信号和由于日光背景照射产生或不精确的发送/接收隔离产生的信号。因此，跟踪系统在出现背景光时，可能会没有对齐发射机和接收机。现有跟踪系统的共有缺点是结构复杂、体积笨重、价格昂贵，并且有时候可靠性低。
因此，需要对无线光通信系统中的跟踪技术进行改进。发明内容
依据本发明一方面内容，一种方法包括用数据信号及跟踪信号对光信号进行调制，跟踪信号的调制深度比光信号的峰峰幅度基本要小。数据信号和跟踪信号调制的光信号被发送并接收。该方法进一步包括从接收到的调制光信号中恢复跟踪信号并使用跟踪信号确定接收机关于接收到的调制光信号的方向。附图说明
本发明的优选实施例将结合附图进行描述，本发明的优选实施例不是限定性的也不是完全的。在附图中，除非特别说明，相似的参考标号表示相似的部件。
图1是依据本发明的一个优选实施例使用语音信号进行跟踪的信号图。
图2是可以使用图1的语音信号进行跟踪的无线光通信系统的优选实施例的功能框图。
图3是图2中系统的光检测器中可以处理语音信号的信号处理电路的优选实施例框图。
图4是图2中系统的通信检测器中可以处理语音信号的信号处理电路的优选实施例的框图。
图5是用于改进语音信号处理的可调增益控制电路的优选实施例的框图。具体实施方式
下面详细描述在无线光通信系统中语音跟踪的系统与方法的优选实施例。在下面的描述中，提供了很多特定的细节，这样可以更好地理解本发明的优选实施例。不过，本发明所属相关领域的技术人员都应该知道，本发明的实施并不限于一个或多个特定细节，也可以用其他方法、部件、材料等实施。对于众所周知的结构、材料或操作，本发明没有再做详细介绍，避免影响对本发明各个优选实施例的描述。
本说明书中所指的“一个优选实施例”表示在本发明至少一个优选实施例中包括与优选实施例一起描述的特定特点、结构或特征。因此，本说明书各处出现的语句“在一个优选实施例中”并不一定都表示相同的优选实施例。此外，特定的特点、结构或特征可以在一个或多个优选实施例中以任何合适的方式结合起来。
这里使用的术语“跟踪”的含义与本发明所属领域的技术人员理解的含义相似。也就是说，术语“跟踪”或多或少地包括监控处理以及光接收机关于接收到的光信号的方向(与/或其部件部分方向)的调整。在这种情况下，跟踪可以使光接收机保持与接收到的光信号基本对齐，从而保证光接收机处的最佳接收性能。
在本发明的一个优选实施例中，为了获取交流(AC)跟踪信号而使用语音跟踪，这样AC跟踪信号可以用于调整光接收机关于接收到的光数据通信信号的方向。数据通信信号可以包括例如1548.51nm的激光等。数据通信信号并不限于单频或特定的波长或颜色，而是可以包括波谱的可见光以及紫外线或红外线(IR)部分。发射机端的数据通信信号在一些音频处部分被调制，例如在100kHz处。该100kHz的调制深度可以只是整个数据通信信号峰峰功率的5％，或其他最小值。该调制深度通常不会大幅度增加，否则通信信道的灵敏度将受到负面影响或者数据可能丢失与/或失真。
首先参考图1中的10，表示的是描述本发明一个优选实施例的一个时域信号图。图中出现的光数据通信信号12具有“开”部分14和“关”部分16，对应于时间段。数据通信信号12可以表示例如一个二进制脉冲序列1和0，其中1表示“开”部分14，而0表示“关”部分16。数据通信信号12可以通过用二进制脉冲序列幅度调制一个高频载波产生。也可以使用幅移键控、开关键控(OOK)或其他调制方式，例如调频或调相完成。
依据本发明的一个优选实施例，一个低频跟踪或语音信号18直接插入数据通信信号12中。也就是，语音信号18用于进一步调制数据通信信号12，从而产生图1的“轮廓”。
语音信号18的调制深度可以变化。在一个优选实施例中，语音信号18以5％-10％的深度调制数据通信信号12。这样，数据通信信号12丢失最多5％-10％的峰值信号。尽管该优选实施例提供的是5％-10％的调制深度，但是应该知道，可以使用更高或更低的调制深度，这将根据特定的应用、光通信系统对峰值幅度变化的灵敏度及/或可容许的数据丢失或数据失真量而定。此外，应该明白，信号图1只是示例性的，并不表示幅度、频率、相位等的实际规模。
语音信号18可以在任何可以从数据通信信号12的频率区分开的合适低频上。在一个优选实施例中，语音信号18的频率为例如1kHz-100kHz，而数据通信信号12的频率可以在例如MHz或GHZ的范围内。此外，尽管为简化起见，此处描述的语音信号18为正弦信号，应该明白的是，也可以使用其他类型的信号，例如方形波形、三角形波形等。
图2中的20显示的是可以发送/接收图1的信号框图10表示的信号的无线光系统的优选实施例。在一个优选实施例中，系统20可以包括一个独立的发射机22和一个接收机24，而在另一个优选实施例中，发射机22和接收机24可以包括一个收发机单元，能够与其他收发机单元、发射机、接收机或其他系统部件进行通信。
从系统20的发射机端开始，表示待发送数据的一个二进制脉冲序列26被提供给一个激光驱动单元28。激光驱动单元28可以包括硬件、软件、调制器、控制单元、处理器等，对激光器30的输入和输出进行控制。激光驱动单元28使用二进制脉冲序列26对高频载波进行调制，这样激光器30可以输出图1的数据通信信号12。
为了给数据通信信号12提供用于跟踪的语音信号18，一个语音生成器32被耦合到激光驱动器单元28。例如，语音生成器32可以提供1kHz处的语音信号18，这样激光驱动单元28可以进一步调制数据通信信号12。最终结果是激光器30可以输出图1的信号图10所表示的信号，其中二进制脉冲序列26和语音生成器32产生的语音信号18对高频载波进行调制。
激光器30将图1的信号框图10所表示的调制后的激光信号通过光纤链路34输出到发射机22。光纤链路34可以由偏振保持光纤和其他合适的用于激光器方面的商用光纤组成。发射机22可以包括一个掺铒光纤放大器或其他合适的放大器及相关部件，它们能够将调制后的激光通过自由空间发射给接收机24。
在系统20的接收机端，接收机24接收发射机22发送的调制激光信号，并将激光导向分光片36。分光片36将激光分开，将其第一部分发送给光检测器38，例如在一个优选实施例中的象限单元检测器，并将第二部分发送给通信检测器40。在一个优选实施例中，分光片36将多数激光发送给通信检测器40，而将少量发送给光检测器38。如下所述，沿着处理路径A的有关光检测器38的电路可以执行跟踪，而有关通信检测器40的电路可以执行各种信号处理操作，从调制后的激光信号中恢复最初的二进制脉冲序列26。在一个优选实施例中，除了沿着处理路径A的电路执行的跟踪之外，可以在通信检测器40之后，由沿着处理路径B的电路执行更细一层的跟踪。
图3是信号处理电路42的优选实施例的框图，信号处理单元42可以耦合到光检测器38执行沿着处理路径A的有关跟踪的处理。在一个优选实施例中，一个单独的处理电路42可以耦合到光检测器38的每个单元上，提供单独的处理信道，而在另一个优选实施例中，处理单元42的一些部件可以被一个或多个光检测器38的单元共享。
在操作时，光检测器38的单元将接收到的光信号(例如调制后的激光信号)转换为电信号，例如图1的信号图10所表示的电信号。然后产生的电信号可以被电路(图中没有显示)解调，将调制信号的高频部分转化回它们的初始低频部分(例如，将最初的语音信号18转化回1kHz，类似于将二进制脉冲序列26从高频载波转化回基带低频)。然后，解调后的信号传递给低通滤波器/放大器44。
在一个优选实施例中，低通滤波器/放大器44将解调信号放大并滤出高于语音信号18的频率的高频信号与噪声。在另一个优选实施例中，处理电路42不使用/不包括低通滤波器与/或放大器44。
然后，一个窄带滤波器46(其通带的中央频率为语音信号18的频率)用于恢复语音信号18并过滤掉其他频率。在另一个优选实施例中，只用窄带滤波器46可以恢复语音信号18，而不使用低通滤波器/放大器44。
然后恢复的语音信号18被导向一个电路单元48。电路单元48可以决定语音信号18的强度(例如功率、幅度等)。因此，通过了解入射在光检测器38的各个单元上的调制激光的相对强度(或者更详细的讲，语音信号18的相对强度)，相对发射的激光及/或相对发射机22的接收机24的方向可以确定并进行调整(如有必要)。
为了在各个光检测器38的单元上确定语音信号18的强度，电路单元48可以包含绝对值电路、平方律电路和其他电路，来确定语音信号18的幅度或功率。
在另一个优选实施例中，电路单元48可以包括一个锁入检测电路。在操作时，锁入检测电路将正弦语音信号18(可以是Acosωt的形式，其中ω是角频率)与另一个正弦信号Bcosωt(其角频率也为ω)相乘。如果两个正弦信号的相位相同，那么有下列数学等式成立：
(Acosωt)(Bcosωt)＝AB-ABsin2ωt (1).
如果两个正弦信号的相位差为Φ，那么可以得到下列等式：
[Acosωt][Bcos(ωt+Φ)]＝ABcosΦ-ABcosΦsin2ωt-ABsinΦcosωtsinωt
(2).
从公式(1)和(2)中可以知道，这两个正弦信号的乘积分别产生AB和ABcosΦ的直流DC分量。因此，乘法与过滤耦合起来可以分离DC分量，使锁入检测电路获取表示语音信号18的幅度的DC分量。只要在光检测器38中获取并比较各个单元的语音信号18的强度，那么接收机24的对准就可以确定并调整，方便跟踪与接收。
电路42可以包括一个模拟-数字(A/D)转换器50，将表示语音信号18幅度的模拟信号转换为数字信号。然后数字信号在必要时可以被控制电路52处理，改变接收机24的位置，便于光学对准。
图4显示的是可以耦合到通信检测器40的信号处理电路54的一个优选实施例，信号处理电路54执行沿处理路径B的更细一级的有关跟踪的处理，作为上述沿处理路径A的有关跟踪的处理的补充。在另一个优选实施例中，有关跟踪的处理只沿着处理路径A执行，而不必执行沿处理路径B的有关跟踪的处理。
处理电路54包括数据通信电路56和其他电路，用来从调制后的激光中恢复并/或处理数据(例如二进制脉冲序列26)。与它们在图3中的处理电路42中的相应部件类似，图4的处理电路54包括一个低通滤波器/放大器58，窄带滤波器60、电路单元62，A/D转换器64以及控制电路66。与电路单元48一样，电路单元62可以使用一个锁入检测电路或整流器、绝对值电路等，确定语音信号18的幅度或功率。A/D转换器64将表示该幅度/功率的语音信号转化为数字信号，并将数字信号提供给控制电路66。在一个优选实施例中控制电路66可以与图3的控制电路52相同，在另一个优选实施例中，可以是不同的电路。
在操作中，电路42的控制电路52可以首先触发接收机24的基本对准调整，这是根据光检测器28的各个单元上检测的语音信号18的相对幅度/功率进行的。然后，电路54的控制电路66可以触发更细的对准调整，这是根据通信检测器40接收并由处理电路54处理的一个语音信号18的强度进行的。例如，控制电路66可以与硬件和软件一起工作，将语音信号18的功率/幅度的确定值与存储在参照表中的值进行相关，参照表中的值表示接收机24用于光学对准的递增值/递减值。
如上所述，光检测器38接收调制后的带有语音信号18的激光。调整深度可以改动，而且，输入信号功率可以根据自由空间光环境中的大气衰减及其他元素在一段大范围内变动。图5是阐述此问题的一个可调整控制增益(AGC)电路92的框图90。使用AGC电路92，可以为光接收系统提供大的动态范围，适用于语音信号18与/或激光大幅度衰减的情况。
一个单独的AGC电路92可以耦合到光检测器38的各个单元的下方。在操作时，光检测器38的各个单元检测/接收语音信号91，语音信号91可能有噪声和DC分量。光检测器38将语音信号91从光信号转化为电语音信号93。电语音信号93可以包括噪声，可以相对于语音信号91进行放大并且去除DC分量。然后此电语音信号93可以输入AGC放大器94。
AGC放大器94将电语音信号93放大，获取放大的电语音信号95，这可以包括噪声。AGC放大器94将放大的语音信号95输出给峰值检测器96。峰值检测器96检测放大的语音信号95的幅度并根据此检测的幅度触发AGC放大器94的增益调整。在一个优选实施例中，AGC放大器94可以通过调整其增益进行控制，保证其最大输出值小于它能够输出的最大值。这保证接收机系统在噪声电平很高时也不会丢失信号信息。
AGC放大器94也将放大的语音信号95输出给相位/频率锁定乘法滤波器98。乘法滤波器98提取出放大的语音信号95并将其与一个基本干净而相位锁定的正弦信号99相乘，正弦信号99的频率相同并有本地的振荡器100产生。而相乘的结果是，噪声被去除，而“干净”的信号101从乘法滤波器98输出。在一个优选实施例中，信号101可以是一个绝对值正弦信号。
信号101输入到一个电路单元，如整流器102或其他类似电路，来获取一个主要是DC的信号103，其信号电平表示光检测器38处的接收语音信号91的强度。然后控制电路52使用的DC信号103的电平通过比较对应与光检测器38的各个单元的各个DC信号103的电平来执行跟踪控制。
在AGC电路92的另一个优选实施例中，AGC放大器94将放大的语音信号95输出给窄带带通滤波器(而不是输出给乘法滤波器98)，其带通滤波器的通带中心频率为放大的语音信号95的频率。在此优选实施例中，没有使用本地振荡器100与相位锁定正弦信号99。带通滤波器从放大的语音信号95中过滤出噪声并输出信号101，在这种情况中它是一个标准的正弦信号(而不是一个绝对值正弦信号)。然后正弦信号101将提供给整流器102中，用于依据上述方法进行进一步处理。
在一个优选实施例中，本地振荡器100可以为对应耦合到光检测器38的各个单元的各个AGC电路92所公用。此外，在一个优选实施例中，增益控制电路(例如，峰值检测器96或其他电路)可以使用各个光检测器38的各个单元获取的信息(例如各个DC信号103的电平)设置各个AGC放大器94的增益，令增益电平的设置可以产生接收语音信号91最强单元上的最大信号电平。应该说明的是在一个优选实施例中，所有的AGC放大器94将有相同的增益，这样从各个AGC放大器94的输出得到的DC信号103的不同电平可以进行相互比较。
在一个优选实施例中，AGC放大器94能够把电信号93在0dB(x1)和+96dB(x63000)之间放大。这样，AGC放大器94的增益有一个宽动态范围。如果没有AGC电路92，接收机系统的动态范围要小一些，可以约为42dB(x200)。
总之，本发明的一个优选实施例用数据信号和跟踪信号对载波进行有利的调制。由于跟踪信号的调制深度与峰峰幅度或调制/未调制的载波功率相比较小，因此与数据信号相关的数据不会丢失或失真。此外，由于跟踪信号(例如语音信号18)与数据信号在同一个载波上传输，因此不需要另一个载波上的单独跟踪信号。跟踪信号的AC特性比其他基于DC的系统要有优势，这是因为它在很大程度上不受太阳光闪烁影响。上述处理电路42和54的优选实施例提供很强的灵敏度性能并且可以同时使噪声影响最小化。
本发明上述优选实施例的描述，包括摘要中的描述，都不是完全或限定本发明的形式的。本发明所属领域的技术人员都知道，这里描述的本发明的特定优选实施例或例子仅作为示例，可以在本发明的范围内进行各种修改。
可以依据上述描述对本发明进行这些修改。在权利要求中使用的术语不应将本发明限定在本文本及权利要求的特定优选实施例上。本发明的适用范围完全由权利要求限定，而权利要求是根据现有的权利要求的规则制定的。