基于單LED的無線紫外光通信系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
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3．1 紫外光通信發(fā)射端設(shè)計
紫外光通信發(fā)射端設(shè)計主要是由發(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普亮標準型LED，其響應(yīng)速度快，功率低，輸出功率商，數(shù)據(jù)傳輸速率可達數(shù)MHz。數(shù)據(jù)編碼電路的設(shè)計是由發(fā)射端對數(shù)據(jù)信號進行PCM編碼，然后調(diào)制到紫外LED上進行傳輸，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，保護電路采用穩(wěn)壓二極臂1N4728。LM358與9013構(gòu)成負反饋結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)提供較穩(wěn)定的直流偏置電壓，這樣光源不會因為電流過大而永久損壞。由OOK信號作為該系統(tǒng)的調(diào)制信號輸入，并由HD74HC00整形后驅(qū)動。電位器為電流反饋電路提供基準電壓，從而對輸出的信號幅值和偏置電壓進行調(diào)整。
3．2 調(diào)制方式
調(diào)制就是把信號疊加到載波上。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參數(shù)(強度、頻率、相位、偏振等)隨電信號變化，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。把被信息信號調(diào)制了的電信號直接加到光源(或電源)上，使光源發(fā)出隨信息信號變化的光信號稱為內(nèi)調(diào)制。把調(diào)制元件(如光電晶體等)放剄光源之外，使被信息信號調(diào)制了的電信號加到調(diào)制晶體上，當光束通過晶體后，其光束中的某個參數(shù)(強度、頻率、相位、偏振等)隨電信號變化而變化，從而成為載有信息的光信號，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)計為強度調(diào)制／值接檢測(IM／DD)系統(tǒng)。目前應(yīng)用于強度／直接檢測(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)信號調(diào)制方式也有很大關(guān)系。對于通信系統(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)對每個比特進行發(fā)送。這是調(diào)制光信號最基本的形式，只需使光源閃爍即可編碼。用Tb表示每比特連續(xù)時間段，Rb=1／Tb代表傳輸比特率。脈沖寬度為Tw，若每比特時間段與脈沖寬度占空比為x，則有Tw=xTb。當x1時，參考時鐘可以通過對周期轉(zhuǎn)換的傳輸比特序列進行濾波得到。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)制對應(yīng)的誤碼率、信噪比為：
其中，函數(shù)
，Pr代表探測器接收到的能量，Pb代表探測器的背景干擾能量，PN代表探測器暗電流。背景光輻射是波長的函數(shù)，如前所述，波長低于280nm的波段可以忽略。探測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。對于OOK調(diào)制，帶寬利用率可以表示為：
當0x≤1時，占用了部分脈沖寬度；而x=1時，采用非歸零碼時，帶寬利用率最高。
3．3 紫外光通信系統(tǒng)接收端設(shè)計
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。紫外光信號在大氣中經(jīng)過多次散射和吸收，到達接收端時信號會非常微弱，并且在大氣傳輸過程中會有噪聲光的干擾，在進入光電倍增管探測器之前，紫外光信號首先會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，所以對微弱信號的檢測能力較強，圖3為光電倍增管光譜圖。在檢測具有高速脈沖的光信號時，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轉(zhuǎn)化為電信號后進行整形放大并送處理芯片凌陽SPCE061A進行時鐘提取和同步解調(diào)，最后輸出數(shù)據(jù)信號。本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/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)噪聲干擾都無法對系統(tǒng)造成影響，這樣搭配能保證在現(xiàn)有的條件下實現(xiàn)最優(yōu)的信號采集效果。光電倍增管采集到信號十分微弱，其本身輸出的信號高低電平差很小，系統(tǒng)采用LM393作為判決芯片，使輸出信號變成標準TTL電平，方便后續(xù)電路識別、整理。
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