CN110518985A - 基于里德堡原子混频器的无线数字通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于里德堡原子混频器的无线数字通信系统及方法，包括：铯泡、激光器、微波源、数字信号发生器、数字信号调制器、功分器、光电探测器和数字信号解调器；铯泡提供室温饱和蒸气压下的铯原子气体；激光器将铯原子气体制备到里德堡态，并产生EIT效应；数字信号发生器产生数字信号；微波源产生两个不同频率的微波；数字信号调制器将数字信号调制至其中一个微波；功分器对已调制的微波和另一微波进行时域上的相加运算，从而实现对另一微波的二级调制；铯泡接收二级调制的微波，发生铯原子气体的里德堡态EIT‑AT分裂过程，将二级调制微波转化为已调制光波；光电探测器接收已调制光波；数字信号解调器从已调制光波中恢复数字信号。

Description

基于里德堡原子混频器的无线数字通信系统及方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其是涉及一种基于里德堡原子混频器的无线数字通信系统及方法。

背景技术

目前，无线数字通信已经广泛应用到生产生活实践中。无线数字通信具有抗干扰能力强、差错可控、易于加密等优点。

发明人在研究中发现，传统技术的缺陷在于：现有无线数字通信系统都需要复杂的电路连接和滤波放大等处理，从而热噪声较大。并且在现有技术中，由于电路结构、材质性质、工作环境等因素的制约，对电磁信号的识别精度比较低，对信号识别和响应的范围也比较小。

发明内容

有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种基于里德堡原子混频器的无线数字通信系统及方法，能够精简系统结构、避免热噪声的影响、提高信号识别灵敏度、提高带宽，并且易于实用化。

一种基于里德堡原子混频器的无线数字通信系统，包括：铯泡、激光器、微波源、数字信号发生器、数字信号调制器、功分器、光电探测器和数字信号解调器；

所述铯泡，提供室温饱和蒸气压下的铯原子气体；

所述激光器，提供探测光和耦合光，将铯原子气体制备到里德堡态，并产生EIT效应；

所述数字信号发生器，产生数字信号；

所述微波源，产生两个不同频率的微波；所述数字信号调制器将数字信号调制至其中一个微波；所述功分器，对已调制微波和另一微波进行时域上的相加运算，从而实现对另一微波的二级调制；

所述铯泡，接收二级调制的微波，发生铯原子气体的里德堡态EIT-AT分裂过程，将二级调制微波转化为已调制光波；

所述光电探测器，接收已调制光波；

所述数字信号解调器，从已调制光波中恢复数字信号，从而实现无线数字通信。

所述系统还包括喇叭，所述喇叭将二级调制微波发射至所述铯泡内。

所述微波源产生的两个不同频率的微波MW₁和MW₂，用于二级调制的微波MW₂的电场强度大于直接用于数字信号调制的微波场MW₁，且两个微波场的频率差小于任一微波场的频率。

所述数字信号调制器通过数字调制将数字信号调制到一个微波上，所述数字调制包括PSK调制和QAM调制，利用微波的幅度和相位进行数字信号的传输。

所述数字信号调制器由串/并变换电路、乘法电路和相加电路构成，通过串/并变换电路把输入的数字信号变成并行的I路信号和Q路信号，利用乘法电路将I路信号和Q路信号分别调制至正弦模式和余弦模式的微波，相加电路对两路已调制微波进行叠加即获得被数字信号调制的微波。

所述功分器包括加法电路，实现微波MW₁和MW₂在时域上的叠加运算。

所述数字信号解调器包括锁相放大器和采样判决电路，利用锁相放大器恢复IQ信号波形，然后通过采样判决电路实现IQ数据与数字信号的对应，完成数字信号的恢复。

所述锁相放大器由信号通道、参考通道、相敏检波器和低通滤波器组成，通过信号通道对所述已调制光波信号进行交流放大和消除干扰噪声，参考通道输出频率参考信号，利用相敏检波器对输入信号和参考信号进行乘法运算，最后通过低通滤波器过滤高频的IQ信号，从而恢复IQ波形。

一种基于里德堡原子混频器的无线数字通信方法，包括：

利用铯泡，提供室温饱和蒸气压下的铯原子气体；

利用激光器，提供探测光和耦合光，将铯原子气体制备到里德堡态，并产生EIT效应；

利用数字信号发生器，产生数字信号；

利用微波源，产生两个不同频率的微波；利用数字信号调制器，将数字信号调制至其中一个微波；利用功分器，对已调制的微波和另一微波进行时域上的相加运算，从而实现对另一微波的二级调制；

利用铯泡，接收二级调制的微波，发生铯原子气体的里德堡态EIT-AT分裂过程，将二级调制微波转化为已调制光波；

利用光电探测器，接收已调制光波；

所述数字信号解调器，从已调制光波中恢复数字信号，从而实现无线数字通信

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

(1)本发明基于里德堡原子混频器的无线数字通信系统及其方法，其接收端使用了原子接收端，相对于采用金属接收端的传统通信系统而言，原子接收端避免了热噪声。

(2)本发明基于里德堡原子混频器的无线数字通信系统及其方法，既可通过幅值调制也可通过相位调制来进行信息的传输，且接收的最小电场强度及灵敏度低至纳伏量级，可用于弱场通信。

(3)本发明基于里德堡原子混频器的无线数字通信系统及其方法，作为接收端的铯泡，其尺寸减小并不会降低信道容量，因而易于进行小型化和集成化，对于当前器件小型化时代，具有广阔的应用前景和科研价值。

附图说明

图1为本发明基于里德堡原子混频器的无线数字通信系统结构示意图；

图2为本发明基于里德堡原子混频器的无线数字通信系统应用场景中铯原子能级结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，基于里德堡原子混频器的无线数字通信系统，包括铯泡8、微波源2和3、数字信号发生器1、数字信号调制器4、功分器5、喇叭6、光电探测器10和数字信号解调器11。其中微波源2和3，用于产生不同频率的微波；数字信号发生器1产生数字信号；数字信号调制器4将数字信号调制至微波2上；功分器5再对已调制的微波2和微波3进行时域上的相加运算，从而实现对微波3的二级调制；喇叭6将二级调制的微波7发射至铯泡8内。铯泡8，用于提供室温饱和蒸汽压下的铯原子气体，该铯原子气体用于在里德堡EIT-AT分裂过程，将二级调制微波7转换为已调制光波9；光电探测器10用于接收已调制光波9；数字信号解调器11用于从已调制光波信号9中恢复数字信号1。

进行通信时，利用数字信号调制器和功分器通过二级调剂将数字信号1调制至微波3，作为接收探头的铯泡8接收到二级调制后的微波7，其内的铯原子在发生EIT-AT分裂过程中将二级调制微波7转化为已调制光波9，光电探测器10将所探测到调制光波信号转化为电信号送至数字信号解调器11进行解调，由数字信号解调器恢复数字信号，最后完成通信。

其中，微波源产生的两个不同频率的微波2和3，用于二级调制的微波3的电场强度应远远大于直接用于数字信号调制的微波场2，且两个微波场的频率差远远小于任一微波场(2或3)的频率。

数字信号调制器4通过数字调制将数字信号调制至所述微波上，上述数字调制包括PSK调制和QAM调制，利用微波的幅度和相位来进行数字信号的传输。该数字信号调制器主要由串/并变换电路、乘法电路和相加电路构成，通过串/并变换电路把输入的数字信号变成并行的I路信号和Q路信号，利用乘法电路将I路信号和Q路信号分别调制至正弦模式和余弦模式的微波，相加电路对两路正弦模式和余弦模式的已调制微波进行叠加即可获得被数字信号调制的微波2。

功分器5对微波2和微波3进行时域上的相加运算，获得收到数字信号二级调制的微波7。

如图2所示为原子探头铯泡8内原子发生里德堡EIT-AT分裂过程的能级结构图。在能级中，12(6S_1/2,F＝4)为铯原子的基态，13(6P_3/2,F＝4)为铯原子的中间激发态，14(34D_5/2)和15(35P_3/2)分别为铯原子的两个里德堡态；9为波长为852nm的探测光，16为波长为511nm的耦合光；3为与里德堡态34D_5/2→35P_3/2间跃迁共振，频率是19.626000GHz的微波；2为频率是19.626060GHz的微波。探测光9入射至铯泡8内时，探测光9与铯原子的基态12和中间激发态13间的跃迁频率相等，此时探测光9被铯原子吸收，光电探测器10没有信号。当入射的耦合光16的频率与中间激发态13和里德堡态14之间的跃迁频率相等时，铯原子对探测光9不再吸收，这种现象称为EIT效应。此时，光电探测器10能够接收到探测光9的透射峰，这个峰就是我们所说的EIT峰。此时只加入微波3，若微波3能引起铯原子在里德堡态14和15之间的跃迁，则EIT峰会发生劈裂形成两个EIT峰，且EIT峰的间距和微波3的强度直接相关。若再加入微波2，则微波3的幅值受微波2的幅值和相位的调制。因而可以将数字信号编码进微波2的幅值和相位信息内，通过微波2将数字信号进行二级调制至微波3中，再利用EIT-AT分裂过程将之转化为对光波的调制。上述S、P和D表示轨道角动量量子数分别为0、1、2的原子能级。

数字信号解调器11主要由锁相放大器和采样判决电路组成，利用锁相放大器恢复IQ信号波形，然后通过采样判决电路实现IQ数据与数字信号的对应，完成数字信号的恢复。

其中锁相放大器主要由信号通道、参考通道、相敏检波器和低通滤波器组成，通过信号通道对所述已调制光波信号进行交流放大和消除干扰噪声，参考通道输出频率参考信号，利用相敏检波器对输入信号和参考信号进行乘法运算，最后通过低通滤波器过滤掉高频的IQ信号，从而恢复IQ波形。

基于上述实施例的通信系统，本发明还提供了一种基于里德堡原子混频器的无线数字通信方法，包括以下步骤：

1)利用信号调制器4和功分器5，将数字信号1二级调制至微波3上；

2)二级调制微波7被发射至铯泡8内的原子气体，通过里德堡原子EIT-AT分裂过程，将所述二级调制微波7转换为已调制光波9；

3)已调制光波9被传输至光电探测器10；

4)光电探测器10接收已调制光波9，并利用数字解调器11对信号进行解调，从而恢复数字信号1。

其中步骤2)中里德堡原子EIT-AT分裂过程，包括：当探测光9和耦合光16均入射至所述铯泡8内，所述二级调制微波场7被入射至所述铯泡8，透射过铯泡8的所述探测光9的EIT光谱的分裂间距随所述入射二级微波场7的强度变化而变化，从而实现所述二级调制微波向所述已调制光波的转换。

综上所述，本发明的基于里德堡原子混频器的无线数字通信系统及方法，结合了里德堡原子EIT-AT分裂过程，既可通过幅值调制也可通过相位调制来进行信息的传输，且接收的最小电场强度及灵敏度低至纳伏量级，可用于弱场通信；此外由于使用了原子接收端，在极大限度避免了热噪声的同时也易于对系统进行小型化和集成化。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种基于里德堡原子混频器的无线数字通信系统，其特征在于，所述系统包括：铯泡、激光器、微波源、数字信号发生器、数字信号调制器、功分器、光电探测器和数字信号解调器；

所述铯泡，提供室温饱和蒸气压下的铯原子气体；

所述激光器，提供探测光和耦合光，将铯原子气体制备到里德堡态，并产生EIT效应；

所述数字信号发生器，产生数字信号；

所述微波源，产生两个不同频率的微波；所述数字信号调制器将数字信号调制至其中一个微波；所述功分器，对已调制的微波和另一微波进行时域上的相加运算，从而实现对另一微波的二级调制；

所述铯泡，接收二级调制的微波，发生铯原子气体的里德堡态EIT-AT分裂过程，将二级调制微波转化为已调制光波；

所述光电探测器，接收已调制光波；

所述数字信号解调器，从已调制光波中恢复数字信号，从而实现无线数字通信。

2.根据权利要求1所述的基于里德堡原子混频器的无线数字通信系统，其特征在于，所述系统还包括喇叭，所述喇叭将二级调制微波发射至所述铯泡内。

3.根据权利要求1或2所述的基于里德堡原子混频器的无线数字通信系统，其特征在于，所述微波源产生的两个不同频率的微波MW₁和MW₂，用于二级调制的微波MW₂的电场强度大于直接用于数字信号调制的微波场MW₁，且两个微波场的频率差小于任一微波场的频率。

4.根据权利要求3所述的基于里德堡原子混频器的无线数字通信系统，其特征在于，所述数字信号调制器通过数字调制将数字信号调制到一个微波上，所述数字调制包括PSK调制和QAM调制，利用微波的幅度和相位进行数字信号的传输。

5.根据权利要求4所述的基于里德堡原子混频器的无线数字通信系统，其特征在于，所述数字信号调制器由串/并变换电路、乘法电路和相加电路构成，通过串/并变换电路把输入的数字信号变成并行的I路信号和Q路信号，利用乘法电路将I路信号和Q路信号分别调制至正弦模式和余弦模式的微波，相加电路对两路已调制微波进行叠加即获得被数字信号调制的微波。

6.根据权利要求3所述的基于里德堡原子混频器的无线数字通信系统，其特征在于，所述功分器包括加法电路，实现微波MW₁和MW₂在时域上的叠加运算。

7.根据权利要求5所述的基于里德堡原子混频器的无线数字通信系统，其特征在于，所述数字信号解调器包括锁相放大器和采样判决电路，利用锁相放大器恢复IQ信号波形，然后通过采样判决电路实现IQ数据与数字信号的对应，完成数字信号的恢复。

8.根据权利要求7所述的基于里德堡原子混频器的无线数字通信系统，其特征在于，所述锁相放大器由信号通道、参考通道、相敏检波器和低通滤波器组成，通过信号通道对所述已调制光波信号进行交流放大和消除干扰噪声，参考通道输出频率参考信号，利用相敏检波器对输入信号和参考信号进行乘法运算，最后通过低通滤波器过滤高频的IQ信号，从而恢复IQ波形。

9.一种基于里德堡原子混频器的无线数字通信方法，其特征在于，所述方法包括：

利用铯泡，提供室温饱和蒸气压下的铯原子气体；

利用激光器，提供探测光和耦合光，将铯原子气体制备到里德堡态，并产生EIT效应；

利用数字信号发生器，产生数字信号；

利用微波源，产生两个不同频率的微波；利用数字信号调制器，将数字信号调制至其中一个微波；利用功分器，对已调制的微波和另一微波进行时域上的相加运算，从而实现对另一微波的二级调制；

利用铯泡，接收二级调制的微波，发生铯原子气体的里德堡态EIT-AT分裂过程，将二级调制微波转化为已调制光波；

利用光电探测器，接收已调制光波；

所述数字信号解调器，从已调制光波中恢复数字信号，从而实现无线数字通信。