基于單LED的無線紫外光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
加入技術(shù)交流群
3．1 紫外光通信發(fā)射端設(shè)計(jì)
紫外光通信發(fā)射端設(shè)計(jì)主要是由發(fā)光模塊和調(diào)制模塊構(gòu)成，其中發(fā)送模塊光源的選取很關(guān)鍵，本系統(tǒng)采用紫外LED作為發(fā)射光源，具體為UV365～375 nm普亮標(biāo)準(zhǔn)型LED，其響應(yīng)速度快，功率低，輸出功率商，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)數(shù)MHz。數(shù)據(jù)編碼電路的設(shè)計(jì)是由發(fā)射端對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行PCM編碼，然后調(diào)制到紫外LED上進(jìn)行傳輸，也就是完成電光轉(zhuǎn)換部分。電光轉(zhuǎn)換電路中采用芯片HD74HC00，穩(wěn)壓電路采用線性低壓差穩(wěn)壓器LM1117通過電容濾除雜波得到穩(wěn)定的3．3 V直流電源，保護(hù)電路采用穩(wěn)壓二極臂1N4728。LM358與9013構(gòu)成負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)提供較穩(wěn)定的直流偏置電壓，這樣光源不會(huì)因?yàn)殡娏鬟^大而永久損壞。由OOK信號(hào)作為該系統(tǒng)的調(diào)制信號(hào)輸入，并由HD74HC00整形后驅(qū)動(dòng)。電位器為電流反饋電路提供基準(zhǔn)電壓，從而對(duì)輸出的信號(hào)幅值和偏置電壓進(jìn)行調(diào)整。
3．2 調(diào)制方式
調(diào)制就是把信號(hào)疊加到載波上。紫外光通信系統(tǒng)中的調(diào)制器是一種電光轉(zhuǎn)換器，它使輸出光束的某個(gè)參數(shù)(強(qiáng)度、頻率、相位、偏振等)隨電信號(hào)變化，完成光的調(diào)制過程。調(diào)制方式分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制2類。把被信息信號(hào)調(diào)制了的電信號(hào)直接加到光源(或電源)上，使光源發(fā)出隨信息信號(hào)變化的光信號(hào)稱為內(nèi)調(diào)制。把調(diào)制元件(如光電晶體等)放剄光源之外，使被信息信號(hào)調(diào)制了的電信號(hào)加到調(diào)制晶體上，當(dāng)光束通過晶體后，其光束中的某個(gè)參數(shù)(強(qiáng)度、頻率、相位、偏振等)隨電信號(hào)變化而變化，從而成為載有信息的光信號(hào)，這一過程稱為外調(diào)制。無論是外調(diào)制還是內(nèi)調(diào)制，每一種調(diào)制方法都有不同的調(diào)制形式。
本通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)為強(qiáng)度調(diào)制／值接檢測(cè)(IM／DD)系統(tǒng)。目前應(yīng)用于強(qiáng)度／直接檢測(cè)(IM／DD)系統(tǒng)的常用幾種調(diào)制技術(shù)有：(1)開關(guān)鍵控(On-Off Key，OOK)；(2)脈沖位置調(diào)制(Pulse Position Modulation，PPM)；(3)差分脈沖位置調(diào)制(Differential Pulse Position Modula tion，DPPM)。紫外光通信效果的好壞，與系統(tǒng)信號(hào)調(diào)制方式也有很大關(guān)系。對(duì)于通信系統(tǒng)來講，帶寬越小越好，比較OOK、DPPM、PPM3種調(diào)制方式，在相同通信速率的條件下，OOK調(diào)制方式所需帶寬最低，本系統(tǒng)采用OOK調(diào)制方法。
OOK是一種連續(xù)比特調(diào)制，其中“1”代表有脈沖，“0”代表沒有脈沖。在OOK系統(tǒng)中，通過在每一比特間隔內(nèi)使光源脈沖開或關(guān)對(duì)每個(gè)比特進(jìn)行發(fā)送。這是調(diào)制光信號(hào)最基本的形式，只需使光源閃爍即可編碼。用Tb表示每比特連續(xù)時(shí)間段，Rb=1／Tb代表傳輸比特率。脈沖寬度為Tw，若每比特時(shí)間段與脈沖寬度占空比為x，則有Tw=xTb。當(dāng)x1時(shí)，參考時(shí)鐘可以通過對(duì)周期轉(zhuǎn)換的傳輸比特序列進(jìn)行濾波得到。OOK解
調(diào)是由積分清除濾波并閾值使它符合50％的脈沖能量。采用OOK調(diào)制對(duì)應(yīng)的誤碼率、信噪比為：
其中，函數(shù)
，Pr代表探測(cè)器接收到的能量，Pb代表探測(cè)器的背景干擾能量，PN代表探測(cè)器暗電流。背景光輻射是波長(zhǎng)的函數(shù)，如前所述，波長(zhǎng)低于280nm的波段可以忽略。探測(cè)器微粒噪聲如下式所示：
這里，h是普朗克常量，ηqe是量子效率，B表示接收帶寬。調(diào)制機(jī)制的帶寬利用率是比特傳輸率與傳輸所需要帶寬的比值。對(duì)于OOK調(diào)制，帶寬利用率可以表示為：
當(dāng)0x≤1時(shí)，占用了部分脈沖寬度；而x=1時(shí)，采用非歸零碼時(shí)，帶寬利用率最高。
3．3 紫外光通信系統(tǒng)接收端設(shè)計(jì)
紫外光接收系統(tǒng)主要由北京濱松的R212型光電倍增管、濾光片和一些相關(guān)電路組成。紫外光信號(hào)在大氣中經(jīng)過多次散射和吸收，到達(dá)接收端時(shí)信號(hào)會(huì)非常微弱，并且在大氣傳輸過程中會(huì)有噪聲光的干擾，在進(jìn)入光電倍增管探測(cè)器之前，紫外光信號(hào)首先會(huì)通過濾光片得到提純，濾光片選取為270～360 nm帶通濾波片，BPF-UB1T2濾波片光譜圖如圖2所示，由于R212型光電倍增管屬于精密儀器，所以對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)能力較強(qiáng)，圖3為光電倍增管光譜圖。在檢測(cè)具有高速脈沖的光信號(hào)時(shí)，通常使用具有50 Ω或75 Ω特性阻抗的同軸電纜，來連接光電倍增管和后續(xù)電路。為了使波形在傳輸中不失真，后續(xù)回路應(yīng)與電纜的特性阻抗相匹配。接收端通過倍增管將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后進(jìn)行整形放大并送處理芯片凌陽SPCE061A進(jìn)行時(shí)鐘提取和同步解調(diào)，最后輸出數(shù)據(jù)信號(hào)。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/168559.htm
在光電倍增臂易受干擾的340 nm以上波段的區(qū)域，通過帶通濾光片的濾除作用使絕大多數(shù)噪聲干擾都無法對(duì)系統(tǒng)造成影響，這樣搭配能保證在現(xiàn)有的條件下實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的信號(hào)采集效果。光電倍增管采集到信號(hào)十分微弱，其本身輸出的信號(hào)高低電平差很小，系統(tǒng)采用LM393作為判決芯片，使輸出信號(hào)變成標(biāo)準(zhǔn)TTL電平，方便后續(xù)電路識(shí)別、整理。
評(píng)論