基于單LED的無(wú)線紫外光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了紫外光通信特點(diǎn)和信道模型，以LED為光源、光電倍增管為光接收器設(shè)計(jì)無(wú)線紫外光數(shù)字通信系統(tǒng)方案，研制了無(wú)線紫外光通信設(shè)備樣機(jī)，在不同條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在夜晚，晴天，近距離，校準(zhǔn)條件下的通信效果優(yōu)于白天，下雨，遠(yuǎn)距離，未校準(zhǔn)的條件下的通信效果，驗(yàn)證了無(wú)線紫外光通信的可行性。
關(guān)鍵詞：紫外光通信；大氣信道；00K；信號(hào)檢測(cè)

    紫外光波長(zhǎng)10～400nm，是光譜中波長(zhǎng)最短部分，主要由太陽(yáng)輻射出來(lái)，又稱紫外線，紫外光傳輸性能與傳輸范圍內(nèi)大氣的品質(zhì)密切相關(guān)，如大氣中的O3濃度、散射粒子的濃度、大小、均勻性、幾何尺寸等。研究大氣中分子和粒子的散射時(shí)主要考慮Rayleigh散射和Mie散射。與此同時(shí)，紫外光的傳播方式以散射為主，雖然傳輸過(guò)程中衰減嚴(yán)重，但可繞過(guò)一定障礙物，這兩點(diǎn)決定了紫外光通信系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全天候的非視距通信(Non Line Of Sight，NLOS)。隨著國(guó)內(nèi)日盲段紫外LED生產(chǎn)線的投產(chǎn)，紫外光通信的實(shí)現(xiàn)將更具可行性。

1 研究背景
    紫外光作為通信手段被提出最早在上個(gè)世紀(jì)初，當(dāng)時(shí)美國(guó)軍方提出用于海軍海上通信。國(guó)內(nèi)近兩年在此領(lǐng)域研究的也有一些，其中國(guó)防科技大學(xué)在2007年研究了一款直升機(jī)紫外光通信系統(tǒng)，在這項(xiàng)研究中是國(guó)內(nèi)首次使用日盲段LED點(diǎn)陣作為光源，并在樣機(jī)上實(shí)現(xiàn)通信；重慶大學(xué)光電研究試驗(yàn)室在2006年也完成了基于紫外光的語(yǔ)音系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施，該系統(tǒng)在反映靈敏度及抗干擾方面都有著不錯(cuò)的表現(xiàn)。與此同時(shí)，在業(yè)界領(lǐng)先的美國(guó)加州大學(xué)Center for UbiquitousCommunication by Light實(shí)驗(yàn)室，在2007年實(shí)現(xiàn)了在使用光功率為0.5mW的10個(gè)24單元陣列LED為紫外光光源，00K調(diào)制方式下紫外光通信的數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到了如表1所示，包括視距通信(Line Of Sight，LOS)和非視距通信兩種方式。

2 大氣散射信道
    由于紫外光是在大氣中進(jìn)行無(wú)線傳輸，大氣信道的質(zhì)量直接關(guān)系到通信質(zhì)量，傳輸距離等重要通信指標(biāo)。當(dāng)散射粒子的直徑遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)就發(fā)生Rayleigh散射，大氣分子對(duì)紫外光的散射就用Rayleigh散射理論來(lái)處理，但是只有在晴朗天氣(能見(jiàn)度Rv≥20 km)中Rayleigh散射才是主要的。Rayleigh散射是指散射粒子線度比波長(zhǎng)小得多的粒子對(duì)光波的散射。其主要特點(diǎn)有：1)散射光強(qiáng)與入射波長(zhǎng)的4次方成反比；2)散射光強(qiáng)隨觀察方向而變，在不同的觀察方向上，散射光強(qiáng)不同；3)散射光具有偏振性，其偏振程度決定于散射光與耦極矩方向的夾角。Rayle igh散射規(guī)律使用于微粒線度在十分之一個(gè)波長(zhǎng)以下的極小微粒。
    當(dāng)大氣中粒子的直徑與輻射的紫外線波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)發(fā)生的散射稱為Mie散射。這種散射主要由大氣中的微粒，如煙、塵埃、小水滴及氣溶膠等引起。在復(fù)雜天氣情況下，大氣中氣溶膠微粒對(duì)光波的散射遠(yuǎn)大于大氣分子散射，此時(shí)需要用Mie散射理論處理。因此，針對(duì)復(fù)雜環(huán)境風(fēng)沙天氣、海霧、雨天、雪天等，在研究過(guò)程中主要考慮Mie散射。Mie散射的輻射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的二次方成反比，散射在光線向前的方向比向后的方向更強(qiáng)，方向性比較明顯。

3 紫外光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    從“數(shù)字信號(hào)”開(kāi)始，直到通過(guò)LED光源把信號(hào)傳輸?shù)酱髿庑诺乐?，這個(gè)模塊稱為發(fā)射模塊；另一端從紫外光信號(hào)進(jìn)入濾光片開(kāi)始，直到信號(hào)輸出為接收模塊，無(wú)線紫外光通信原理框圖如圖1所示。

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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(guò)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^(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程稱為外調(diào)制。無(wú)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(kāi)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(lái)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(méi)有脈沖。在OOK系統(tǒng)中，通過(guò)在每一比特間隔內(nèi)使光源脈沖開(kāi)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T(mén)w，若每比特時(shí)間段與脈沖寬度占空比為x，則有Tw=xTb。當(dāng)x<1時(shí)，參考時(shí)鐘可以通過(guò)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)0<x≤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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(yáng)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)。

    在光電倍增臂易受干擾的340 nm以上波段的區(qū)域，通過(guò)帶通濾光片的濾除作用使絕大多數(shù)噪聲干擾都無(wú)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。
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4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    以單個(gè)LED紫外發(fā)光管為光源，以BPF-UB1T2濾光片和R212光電倍增管為光電感應(yīng)器，傳輸速率為115．2 kbps，于2010年8月到11月期間，在西安理工大學(xué)室內(nèi)進(jìn)行近距離通信試驗(yàn)。在大量數(shù)據(jù)中統(tǒng)計(jì)對(duì)比匯總16組數(shù)據(jù)，通過(guò)整理得到下表：通信距離為3 m時(shí)性能指標(biāo)如表2所示，通信距離為5 m時(shí)性能指標(biāo)如表3所示，表中天氣表示測(cè)試時(shí)的天氣狀況，時(shí)間表示測(cè)試開(kāi)始時(shí)間，角度表示發(fā)送端和接收端對(duì)準(zhǔn)的偏差角度，誤碼率表示接收錯(cuò)誤字節(jié)占所發(fā)送字節(jié)的比例，丟字節(jié)率表示丟失字節(jié)占所發(fā)送字節(jié)的比例。

    在紫外光傳播過(guò)程中光子發(fā)生米氏散射、瑞利散射的比重也不相同，反映到通信上就變現(xiàn)為誤碼率、丟字節(jié)率不同；紫外光散射很強(qiáng)，導(dǎo)致單位距離衰減程度相比于可見(jiàn)光、激光大，在選取的3 m，5 m兩個(gè)距離通信效果比較時(shí)，效果差距能較容易體現(xiàn)出來(lái)。通過(guò)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，紫外光通信的性能隨著天氣條件、不同時(shí)段、通信距離、對(duì)準(zhǔn)角度的變化而變化，總體來(lái)看在晴天、晚上、近距離、對(duì)準(zhǔn)情況下通信效果要好，其中對(duì)準(zhǔn)和通信距離是決定通信性能的主要因素，其次是白天和晚上對(duì)通信效果的影響，室內(nèi)通信過(guò)程中天氣變化的影響最弱。

5 結(jié)束語(yǔ)
    本文首先闡述了紫外光通信過(guò)程中，紫外光光子的散射效應(yīng)；接著，介紹了紫外光通信系統(tǒng)的調(diào)制方式，硬件實(shí)施；最后通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比對(duì)印證了之前表達(dá)關(guān)于米氏散射、瑞利散射、調(diào)制方式對(duì)通信性能的影響，得出結(jié)論具體為：紫外光通信的性能隨著天氣條件、不同時(shí)段、通信距離、對(duì)準(zhǔn)角度的變化而變化；紫外光傳輸雖然距離有限，但相對(duì)不需要特別準(zhǔn)確的校準(zhǔn)，可進(jìn)行非視距通信，也可通過(guò)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸；另外，現(xiàn)階段紫外光通信系統(tǒng)比較適合采用OOK調(diào)制方式。