激光通信的基本原理和国内外发展状况

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1、摘摘 要要本文概述了激光通信的基本原理和国内外发展状况，介绍了其特点和用途。通过对大气信道通信特点的分析，激光波长选择分析，编码方式分析，结合实际设计出一个基于无线激光通信的语音传输装置。大气信道分析主要围绕大气信道的衰减、散射、湍流影响展开；波长分析则与目前较为成熟的红外光通信相比较 ，展示出红色激光用于通信的可行性和优越性；编码方式分析则比较了几种常用的激光通信编码，本文选择了较简单且高效的 PPM 调制来实现通信编码。另外，对 PPM 编码的实现方法讨论则有较新颖的地方。关键词：激光通信 大气信道 PPM ABSTRACTThis article outlines the basic p

2、rinciples of laser communication and its development,describes its characteristics and uses. Through the atmosphere channel on the characteristics of communication analysis, the laser wavelength selection analysis, coding analysis, combined with the actual design of a laser based wireless communicat

3、ions equipment for voice transmission. The analysis of atmosphere channel mainly describes the decay, scattering, turbulence influence of, Wavelength analysis is to show the superiority and feasibility of red laser compared with the mature IR communication, coding analysis makes a comparison of seve

4、ral commonly used laser communication code and choose PPM modulation to achieve the communication code for its simplicity and efficiency.In addition,the discussion of the implementation of PPM encoding has new areas.Key words： laser communications atmospheric channel PPMI目目 录录摘 要.1ABSTRACT.1第一章 绪论.1

5、1.1 激光通信的概述.11.2 激光通信技术的发展.11.3 激光通信的国内外发展现状.21.3.1 国外发展现状.21.3.2 国内发展现状.21.4 激光通信技术用于语音传输的目的和意义.3第二章 大气信道分析.33.1 大气吸收.33.2 大气散射.43.3 大气衰减.43.4 背景光.53.5 大气湍流效应.5第四章 波长选取分析.74.1 红光与红外.74.2 红光实验.9第五章 硬件系统设计.125.1 系统总体框图.125.2 发射端设计.12II5.2.1 激光器的选择.125.2.2 半导体激光器调制方式和发射天线选择.145.3 调制方式.155.3.1 调制方式介绍.1

6、55.3.2 PPM.165.3.3 我的 DPPM 实现方法.175.4 接受端设计.185.4.1 光接受端.185.4.2 接收端的噪声分析.185.4.3 光探测器的选择.20第六章 软件设计.226.1 ATMEGA16 应用到的主要特性.236.2 ADC 转换.246.3 连续转换的实现.25参 考 文 献.28致 谢.291第一章第一章 绪论绪论1.1 激光通信的概述激光通信的概述1960 年激光的出现极大地促进了许多学科的发展，其中也包括通信领域。激光以其良好的方向性、相干性及高亮度性等特点成为光通信的理想光源。将激光应用于通信，掀开了现代光通信史上崭新的一页，成为当今信息传

7、递的主力军。激光通信是以激光光束作为信息载体的一种通信方式，和传统的电通信一样，它可分为有线激光通信和无线激光通信两种形式。其中，有线激光通信就是近年来发展迅猛的光纤通信。无线激光通信也可称为自由空间激光通信，它直接利用激光在大气或太空中进行信号传递，可进行语音、数据、电视、多媒体图像等信号的高速双向传递。根据使用情况，无线激光通信可分为:点对点、点对多点、环形或网络状通信。在本文中，我们主要研究的是点对点的通信。大气激光通信是自由空间激光通信的一个分支，它以近地面大气作为传输媒介，是激光出现后最先研制的一种通信方式。大气激光通信系统主要由光源、调制器、光发射机、光接收机及附加的电信发送和接收

8、设备等组成。根据所用光源的不同，大气激光通信系统大致可分为半导体激光通信系统、气体激光通信系统和固体激光通信系统。半导体激光器体积小，重量轻，灵活方便，但光束发散角稍大，适合于近地面的短距离通信。气体激光通信系统的体积和重量都较大，但其通信容量也大，光束发散角较小，适合于卫星间通信和定点之间的大容量通信。1.2 激光通信技术的发展激光通信技术的发展人们不断寻找更高频率的信息传载体，以实现更大容量地传输信息的目的。1960 年第一台激光器的问世，由于激光所具备的良好的光束特性(单色性好、方向性强、功率密度大等)，引发了人们探索以激光光波为载体的通信，即激光通信。激光通信包括激光大气通信(激光无线

9、通信)和光纤通信(激光有线通信)两种形式。激光大气通信，是激光在大气空间传输的一种通信方式。激光大气通信的发送设备主要由激光器、光调制器、光学发射天线(透镜)等组成；接收设备主要由光学接收天线、光检测器等组成信息发送时，先转换成电信号，再由光调制器将其调制在激光器产生的激光束上，经光学天线发射出去。信息接收时，光学接收天线将接收到的光信号聚焦后，送至光检测器恢复成电信号，在还原为信息。大气激光通信的容量大，保密性好，不受电磁干扰。但激光在大气中传输时受雨、雾、雪、霜等天气影响，衰耗要增2大，故一般用于边防、海岛、跨越江河等近距离通信，以及大气层外的卫星间通信和深空通信。早期的激光大气通信所用光

10、源多数为二氧化碳激光器、氦氖激光器等。二氧化碳激光器输出激光波长为 10.6 微米，此波长正好处在大气信道传输的低损耗窗口，是较为理想的通信光源。从 70 年代末到 80 年代中期，由于在技术实现上难以解决好全天候、高机动性、高灵活性、稳定性等问题，激光大气通信的研究陷入低潮。90 年代初，俄罗斯研制成功了大功率半导体激光器，并开始了激光大气通信系统技术的实用化研究。不久便推出了 10 千米以内的半导体激光大气通信系统，并在莫斯科、瓦洛涅什、图拉等城市应用。在瓦涅什河两岸相距 4千米的两个电站之间，架设起了半导体激光大气通信系统，该系统可同时传输 8 路数字电话。在距离瓦洛涅什城 200 千米

11、以及在距莫斯科不远的地方，也开通了半导体激光大气通信系统线路。随着半导体激光器的不断成熟、光学天线制作技术的不断完善、信号压缩编码等技术的合理使用，激光大气通信正重新焕发出生机。1.3 激光通信的国内外发展现状激光通信的国内外发展现状1.3.1 国外发展现状国外发展现状随着骨干网的基本建成和最后一公里问题的出现，以及近年来大功率半导体激光器技术、自适应变焦技术、光学天线的设计制作及安装校准技术的发展和成熟，自由空间光通信的研究重新得到重视。在国外，FSO(Free-Space Optical Columniation )系统主要在美英等经济和技术发达的国家生产和使用。到目前为止，FSO 己被多

12、家电信运营商应用于商业服务网络，比较典型的有Terabeam 和 Airfiber 公司。在悉尼奥运会上,Terabeam 公司成功地使用 FSO设备进行图像传送，并在西雅图的四季饭店成功地实现了利用 FSO 设备向客户提供 10OMb/s 的数据连接。该公司还计划 4 年内在全美建设 100 个 FSO 城市网络。而 Airfiber 公司则在美国波士顿地区将 FSO 通信网与光纤网(SONET)通过光节点连接在一起，完成了该地区整个光网络的建设。1.3.2 国内发展现状国内发展现状2002 年哈尔滨工业大学成功地研制了国内首套综合功能完善的激光星间链路模拟实验系统，该系统可模拟卫星间激光链

13、路瞄准、捕获、跟踪、通信及其性能指标的测试。所研制的激光星间链路模拟实验系统的综合功能、卫星平台振动对光通信系统性能的影响及对光通信关键单元技术的攻关研究有创新性，其技术水平为国内领先，达到国际先进水平，目前该项研究已进入3工程化研究阶段。上海光机所研制出了点对点 155M 大气激光通信机样机，该所承担的“无线激光通信系统”项目也在 2003 年 1 月份通过了验收，该系统具有双向高速传输和自动跟踪功能，其传输速率可达 622Mb/s，通信距离可以达到 2km，自动跟踪系统的跟踪精度为 0.1mrad，响应时间为 0.2s。中科院成都光电所于 2004 年在国内率先推出了 10M 码率、通信距

14、离 300m 的点对点国产激光无线通信机商品。桂林激光通信研究所也在 2003 年正式推出 FSO商品，最远通信距离可达 8km，速率为 10155M。武汉大学于 2006 年在国内首先完成 42M 多业务大气激光通信试验，2007 年 3 月又在国内率先完成全空域 FSO 自动跟踪伺服系统试验,这为开发机载、星载激光通信系统和地面带自动目标捕获功能的 FSO 系统创造了条件。另外在光无线通信系统设计、以太网光无线通信、USB 接口光无线通信、大气激光传输、大气光通信收发模块和信号复接/分接技术等方面都取得了多项成果。1.4 激光通信技术用于语音传输的目的和意义激光通信技术用于语音传输的目的和

15、意义 信息传输是当今信息社会的一大特征，例如：打电话、发短信、上网等都是信息交流的方式，它们都离不开信息的传输，而作为信息传输的媒介，例如：报纸、书籍、电话、网络等都是以信息交流为目的，作为信息传输的媒介而存在的。从当初的烽火传信到现代的激光通信，通信技术在不断发展。人与人异地交流的方式也在不断发展，我们需要更快速、更准确、更大量的交流方式，据估计，纽约时报一周的内容比 18 世纪的人一生所接受到的资讯量还多。激光通信技术因其速度快、容量大、更节能环保等优点而应用到语音传输，日本 NTT 公司已成功测试了一种光纤，每条每秒可传输 14 兆位，即每秒传输2660 张 CD 或者 2 亿 1 千万

16、部电话，激光通信在解决“最后一公里问题”上有巨大优势，在未来必将发挥更巨大的作用。第二章第二章 大气信道分析大气信道分析3.1 大气吸收大气吸收光通过大气时,大气分子在光波电场作用下产生极化,并以入射光的频率作受迫振动。光波为了克服大气分子内部阻尼力要消耗能量,这个能量的一部分转化为其他形式的能量(如热能),表现为大气分子的吸收。当入射光的频率等于大气分子的固有频率时,发生共振吸收,吸收出现极大值。因此分子4的吸收特性强烈地依赖于光波的频率。对可见光和红外光来说,分子的散射作用很小,但是分子的吸收效应对任意光波段都是不可忽略的。3.2 大气散射大气散射 大气微粒的直径很宽,从 10-4 微米至

17、数十微米。对于直径从0.110um的粒子。可采用单粒子散射理论,即瑞利(Rayleigh)散射和米耶(Mie)散射来近似分析大气的散射。大气中除了大气分子外,还有大量直径在 0.032000um之间的固态和液态微粒,它们是尘埃、烟粒、微水滴、盐粒以及有机微生物等。其中大多数固态微粒不但直接使大气浑浊(称为霾),而且也是水蒸气的凝结中心。由于这些微粒在大气中的悬浮呈胶溶状态,所以通常称为大气气溶胶。经过测试表明,气溶胶微粒对激光的瑞利散射作用可以不考虑,而主要考虑米耶散射作用。米耶散射使用于如小雨、雾滴、霾等球形粒子。米耶散射系数由下式确定： (1)2)(),(rmXQNrsrm式中,N(r)为

18、单位体积中的粒子数(1/)；r 为粒子半径(cm)；Qs 为散3cm射效率,即为粒子散射的能量与入射到粒子几何截面上的能量之比,是粒子的相对尺度 Xr=2r/ 和复数折射率 m=n-ik 的函数。n 和 k 分别为复数折射率的实部和虚部。当粒子在半径 r1 和 r2 之间存在连续分布时,米耶散射系数由下式求得： (2)drrmXQnrsrrrm2)(),(21式中,n(r)为单位体积中半径分布在r，r+dr的粒子数。工程上计算大气散射系数的常用公式为： (3)qV)550/)(/19. 3(式中, 为大气散射系数；V 为能见度(km)；q 为与能见度密切相关的常数,具体取值为：q=1.6(V5

19、0km)；q=1.3(6kmV50km)；q=0.585V1/3(V6km)。式(3)显示出米耶散射系数随波长的增加而减小。当光的波长远大于散射粒子尺寸时,就产生瑞利散射。其散射系数为：/) 1)(3/32()(423Nnm其中, N 为单位体积内粒子数; 为波长； n 为媒质的折射率。3.3 大气衰减大气衰减大气的吸收和散射的共同影响表现为大气衰减,用大气透射率来度量,单色波的大气透射率可表示为：5水平均匀传输时： )()(ze斜程传输时： ),(sec0)(dhhHe其中,()为波长 时的大气透射率； z 为传输距离； 为总的衰减系数,它是波长和海拔高度的函数；,这里为散射系数, smh)

20、,(m为吸收系数； 为天顶角； H 为垂直高度。若初始光通量为,传输距离s0Iz 后的光通量 I(z)为: (4)()(0 IzI在空-地激光传输中,大气衰减效应与大气粒子密度密切相关,当),(h海拔高度逐渐升高时,高空处的大气衰减效应远远小于地面附近的衰减。如前所述,当海拔高度超过 20 km 时,大气的粒子浓度已经很低,对激光的衰减效应非常微弱,可以忽略不计。不同海拔高度处的大气衰减系数不同。3.4 背景光背景光与光纤通信不同，背景光噪声是影响无线激光通信系统性能的重要因素。尤其在强背景光影响下，背景光电流引起的散弹噪声使接收机灵敏度降低，并引起探测器的饱和。在无线光通信系统中，太阳是主要

21、的背景光干扰源，因此在系统实际应用中应考虑太阳光辐射的影响。太阳光在大气层外的辐照度为 1340W /m2，由于部分波长的光衰减，到达地面处时其值在晴朗天气下变成 1000W /m2。超过 90%的光是直射到地面的，这时背景光功率非常高，而在非直射情况下，其强度将大大降低。太阳辐照度光谱主要集中在400750 nm 可见光范围内，峰值在 500 nm 左右。对于目前常用的激光器波段，太阳光在 800 nm 处的辐射强度约为峰值的在 1550 nm 处的辐射强度约为峰值的 1/10，而在处于 620750 nm 的红光波段太阳辐射强度约为峰值的3/5。3.5 大气湍流效应大气湍流效应所谓激光的大

22、气湍流效应，实际上是指激光信号在折射率起伏场中传输时的效应。大气的折射率随空间和时间作无规则的变化，将使激光信号在传播过程中随机地改变其光波参量，使光束质量受到严重影响，出现所谓光束截面内的强度起伏闪烁、光束的弯曲和漂移(亦称方向抖动)、相位起伏、光束弥散畸变以及空间相干性退化等现象，统称为大气湍流效应。它会使激光信号受到随机的寄生调制而呈现出额外的大气湍流噪声，使接收信噪比减小，6使激光雷达的探测率降低、漏检率增加；使模拟调制的大气激光通信噪声增大；使数字激光通信的误码率增加。光束方向抖动则将使激光偏离接收孔径，降低信号强度；而光束空间相干性退化则将使激光外差探测的效率降低等。大气湍流折射率

23、谱模型。由于光波在空间传播过程中的闪烁主要依赖于空间折射率谱。实际的大气湍流谱的形式很复杂，经多次对湍流谱进行修正得到了 Rytov 方法中用到的湍流谱，在 Rytov 近似下，把包含湍流内外尺度的影响的湍流谱形式上记为：)(254. 0)(802. 11 033. 0)(6/7/3/1122llkknnkkkkekCkl式中 k =，为湍流的内尺度。但在惯性子区间内，当波数 k 大于0/3 . 3l0l某临界波数时，其均匀湍流谱表示为：3/112033. 0)(kCknn而当仅考虑内尺度影响时用 Tatarskii 湍流谱给出：mkknnekCk/3/1122033. 0)(在仅考虑外尺度影

24、响时选用常用的 Vonkarman 湍流谱修正式：mkkmnnekkCk/6/112222)(033. 0)(0/29. 5lkm7第四章第四章 波长选取分析波长选取分析4.1 红光与红外红光与红外在此处我选取三种不同波段的光做比较：红光波段 635nm、近红外波段780nm 和中红外波段 1550nm。背景光。由上一章中背景光的分析可知，对于近红外的红光和短波红外来说，背景光对它们的影响差别并不明显。另外太阳光对无线激光通信系统的影响取决于接收机的峰值响应波长和太阳光在接收机处的入射角.调整和优化链路设计很容易减小背景光对通信链路的影响。大气吸收。大气吸收使激光的功率衰减，吸收特征依赖于光波

25、频率，但光束质量不发生改变。研究表明水分子对 1300-1400 nm 波段的光表现出强吸收，另外其它大气分子对不同波长光束的吸收也具有一定的选择性：对于有些波长的光波表现出强烈的吸收，光波几乎无法通过；而对于某些区段(称为“大气窗口”)则呈现弱吸收。吸收在大气衰减中处于次要位置，在进行设计时只要选择避开位于大气强吸收处的工作波长就可以忽略激光束传输过程中由于大气吸收导致的功率损耗。红光和红外波段的激光波长均不在大气强吸收范围内。大气散射。由分子引起的散射用 Rayleigh 模型描述，其影响只对波长小于 400nm 的光才显著。这里主要考虑大雾或阴霾天气中大气中的气体悬浮物(气溶胶)引起的光

26、散射，可以用 Mie 散射模型描述。吸收和散射均可引起传输光辐射强度衰减。波长为 、光子强度为的光在大气中传输距离 R 后l0I光子强度减弱为 I，则大气的透过率可定义为：RlleIIT0/为波长为 的光在大气信道中总的衰减系数， 。ll)()()(lllmabsorbl其中 absorb 为大气吸收系数，为气溶胶散射系数，为大气分子散射am系数。忽略吸收损耗和 Rayleigh 散射的情况下，激光在大气信道中衰减系数可由下式计算：qllVl)550(912. 3434. 4)(其中 V 为大气的能见度(km)，q 为与能见度相关的常数。图（1）给出了分别处于红光波段、近红外波段和中红外波段的

27、 635、780 和 1550 nm 3 种波长的光在不同能见度情况下传输时的衰减情况。可见,各种能见度下 3 种波长的光的衰减差别并不显著。8图（1）大气湍流。大气信道折射率受地面和空气热效应影响随空间和时间做无规则变化，这种湍流状态将使激光信号在传播过程中随机地改变其光波参量，使光束质量受到严重影响，出现光束截面内的强度闪烁、光束的弯曲和飘移等现象，即所谓的大气湍流效应，其强度大小通常用湍流指数表示：1222222IIIIIl其中 I 为激光光子强度，符号表示取其均值。根据弱湍流理论，湍流指数正比于 Rytov 变量：2l6/116/7222)2(23. 1),(LlpCLlCnnl 为激

28、光波长，L 为链路距离，是通常用来表示湍流强度的参数。对l2nC于近地面短距离水平通信链路， 可以视为与高度无关的折射率结构常量。2nC由上式可知湍流指数正比于折射率结构常数，近似与激光波长成反比、和链路距离的平方成正比。图（2）分析了 3 种波长的激光在不同湍流强度的情况下湍流对数幅度方差的比较。其中中强湍流时取,弱湍流时)(103/2112mCn取。从图中可以看出，由于短距离无线激光通信系统一般工)(103/2162mCn作在地面上距离相对较近的两个工作终端之间，湍流效应随激光波长变化并不显著。9图（2）3 种处于不同波段的激光束在短距离无线大气信道中传输特性的理论分析和计算可以看出,红色

29、波段和红外波段激光在大气中短距离传输时受大气信道的影响差别不大,红色波段的激光具有用于无线激光通信的可行性。4.2 红光实验红光实验 为了验证红色激光用于通信的可行性及其通信的性能，特做如下实验来验证。电路图如下，图（3）是发射端电路，图（4）是接受端电路。图（3）发射端10图（4）接受端发射端采用简单的模拟调制和负反馈，因为激光头自带聚光镜片就没有再做发射天线，接收端采用光敏二极管阵列，和二级放大。因为音频传输必须考虑到频率变化，通常，音频的范围是 20 到20000Hz，为达到测试频率变化性能，我将发射端与接受端做波形比较，同时使频率在音频范围内变化。结果如下图：图（5）较低频率，图（6）

30、较高频率。图（5）11图（6）图（6）是频率在大约 50KHz 时的波形比较，可以很明显得看出延迟，这个延迟是系统的反应时间，在较高频率时就无法忽略了。整个系统的噪声控制在一定范围内，主要是电子器件干扰噪声，效果仿佛普通的收音机。另外采用光敏阵列总有间隙，当发生光斑漂移时就会出现较明显的幅度变化，整个系统的通信距离超过 5 米，但不足 20 米，较远距离散射和噪声太严重。12第五章第五章 硬件系统设计硬件系统设计5.1 系统总体框图系统总体框图5.2 发射端设计发射端设计5.2.1 激光器的选择激光器的选择1、激光器介绍激光器用于产生激光信号，并形成光束射向空间，激光器的好坏直接影响通信质量及

31、通信距离，对系统整体性能的影响很大，因而它的选择是非常重要的。半导体激光器的种类有很多，结构性能各不相同，分类方式各异。按泵浦方式分类，可分为电子束泵浦的半导体激光器、P-N 结注入的激光二极管、光泵浦的半导体激光器和雪崩泵浦的半导体激光器，其中最成熟和常用的是 P-N 结注入式的激光器。按异质结构的发展分类，可分为同质结、单异质结、双异质结、四异质结、大光腔、分离限制(SCH)等结构。同质结具有输出功率小，闭值电流大的缺点；单异质结的闭值电流虽比同质结的明显减小，但仍较高；双异质结的闭值电流小但输出功率也小；大光腔兼有闲值电流低和输出功率大的优点。按谐振腔分类，可分为法布里一泊罗(F-P)型

32、LD 分布反馈(DFB)和分布布拉格反射器(DBR)、量子阱(QW)LD 和垂直腔面发射激光器(VCSEL)等。其中，DFB-LD、DB-RLD、VCSEL 这三种激光器具有动态单模的输出特性，是光通信应用中不可缺少的光源。它们的优点是：发射天线接受天线CPU、PPM 调制采样，ADC放大、解调DAC，模拟输出大气信道13能有效选择激射波长、稳定地以单纵模方式工作、具有高的主边模抑制比和良好的温度特性以及较高的输出效率。2、激光器的性能在选择半导体激光器时，除了要考虑到它的腔面结构外还要考虑其特性，标志半导体激光器质量水平的一个重要特征是转换效率，转换效率通常用“量子效率”和“功率效率”来度量

33、。功率效率。RIIVpoutp2式中，为发射的激光功率，I 是工作电流，V 为器件正向压降，R 为outp串联电阻。实际测量 P-I 时，常利用工作电流大于闽值电流几之后的功率同电流的线性关系描述，引进外微分量子效率的概念：eIIhvpeIIhvppthoutththoutD/ )(/ )(/ )(式中为 P-I 曲线以上线性部分的斜率。DthIV-I 特性和 P-I 特性。V-特性为外加工作电压同驱动电流的关系，PI 特性为激光输出功率同驱动电流的关系。在到达阐值电流之前，流经二极管的电流同电压呈指数关系： 1II)(0IRVje式中为饱和电流，为二极管参数。0Ij当电流达到阑值之后，二极管

34、电流与电压呈线性关系：IReEVg式中为禁带宽度，斜率为串阻 R。gE光在大气中传播，会有包括空气吸收、散射、折射等引起的损耗，还会遇到大气闪烁使光线发生折射，接收信号发生起伏。选择激光器的主要因素是中心波长、输出功率、准直性能、谱线宽度和温度稳定性等。其中波长的选择主要考虑：光波在大气中的透过率、器件的现实性(包括器件性能价格14比的预计)以及保密性等。由于大气激光通信是以大气作为信号传输媒介，因此大气信道的不稳定是光无线通信面临的一个严重问题。不同的天气情况对光通信的衰减有很大差别，如发射光功率保持在一个恒定功率，当天气变化引起光衰减增大时，接收系统接收到的光信号太微弱，信噪比太小，则接收

35、系统不能有效地识别信号，误码率上升；如接收到的光信号太强，则会使接收探测器饱和、消光比下降，同样会引起误码率上升。所以激光发射功率应该根据天气情况进行实时调整，以提高通信可靠度。因此正确选择激光器的发光功率是很重要的。5.2.2 半导体激光器调制方式和发射天线选择半导体激光器调制方式和发射天线选择1、调制特性调制器的作用是把模拟或数字信息叠加在光源上。调制器有两种基本类型，即内部调制器和外部调制器。内部调制是信号对光源本身直接调制，产生调制的光场输出，通过偏置电流的变化对光源进行幅度或强度调制。改变激光管的腔长可以实现频率和相位调制。脉冲调制比较简单，可以利用电脉冲控制产生脉冲激光输出。外部调

36、制中光源输出首先聚焦，然后通过一个外部器件，调制信号主要使光波的传输特性发生变化。这种调制方式的优点是可以利用全部的光源功率输出，通过调制器物质的电光或声光效应来实现对传输光波的调制。比如外部电流可以改变入射光的传输特性。折射率变化、极化方向的变化、传输方向的变化等效应如果导致时延变化，则为相位调制；导致极化变化则为强度调制。2、驱动电路 由于我要使用 PPM 调制（后面将提到） ，这是一种数字调制技术，用电信号控制激光二极管开关，所以需要用到内调制，而其电路也很简单。用 CPU的输出电压直接控制三激光开关电路即可。3、准直系统它由一个准直镜叠加一个伽氏望远镜组成。准直镜是个实焦系统，而伽氏望

37、远镜为无焦系统。全系统的实际焦距为前者的焦距与后者的放大率之乘积，是一个等效焦距。该系统的准直实际上是一个准直再准直的过程，也可以说是二次准直，它首先由准直镜进行初始准直，然后再经伽氏望远镜进行精确准直，最终获得最佳的准直效果。现在的激光器都集成有此系统，不在此做进一步介绍。4、发射天线光学天线实际上是一个光学望远镜由目镜和物镜组成，物镜一般有透射15式、反射式、折反射组合式三种。在大气通信中，很少用透射式天线，因为这种光学天线光能损失较大且装配调整比较困难。反射式光学天线的优点在于对材料要求不太高、重量轻、成本低、光能损失小、不存在色差等，因而空间激光通信系统中大都采用反射式光学天线。按反射

38、镜面的个数，可以分成单反射面天线和双反射面天线。其中最常用的是双反射面天线，如卡塞格伦天线就是其中的一种。发射端光学天线如下图。5.3 调制方式调制方式5.3.1 调制方式介绍调制方式介绍当前大气激光通信普遍采用强度调制/直接检测(Intensity Modulation,IM/Direct Detection,DD)系统,调制方式有：开关键控(On-Off Keying,OOK),脉冲位置调制(PPM)，差分脉冲位置调制(DifferentialPulse Position Modulation,DPPM)，数字脉冲间隔调制(Digital Pulse Interval Modulation

39、,DPIM)以及双头脉冲间隔调制( Double Heads-Pulse IntervalModulation,DH-PIM)等。1、OOK-NRZ 调制大气激光通信系统中的 OOK 调制方式中,每个信息位时间 Tb(单位 s)内光脉冲处于开状态， “1”表示有光脉冲， “0”则表示无光脉冲。2、PPM 调制在 PPM 调制方式中,信息是由光脉冲所在的位置表示的。用 M 位二进制表示一帧某特定位置的光脉冲，M 为正整数。每个 PPM 帧包含 2M 个时隙，光脉冲位于 2M 个时隙位置之一。3、DPPM 调制DPPM 调制是一种改进的 PPM 调制方式。只要把 PPM 调制方式信号中16“1”时

40、隙后面的“0”时隙去掉就可以得到相应得 DPPM 调制信号,它由一串低电平和一位高电平构成。4、DPIM 调制 DPIM 调制方式是一种脉冲间隔调制，用两个连续的光脉冲间的相对距离(时隙数)传递信息。它的帧长度不固定，每帧都是以“1”开始,后面跟上相应个数的“0” 。5.3.2 PPM其实，在实际中最常用的是 PPM 和 DPPM 调制，因为其相比于 OOK 调制有很多优点，同时又易于实现，所以我的系统中采用 DPPM 调制，下面我对PPM 调制做详细介绍。目前广泛采用的 IM/DD 方式是脉冲位置调制，用调制信号改变电脉冲序列中每一个脉冲产生的时间，则每个脉冲的位置与未调制时的位置有一个与调

41、制信号成比例的位移，这种调制称为脉冲位置调制，进而再对光载波进行调制，便可以得到相应的光脉位调制波。单脉冲脉冲位置调制(L-PPM)可以实现用 L 位的 PPM 调制信号传送比特的信息，其实现原理如下：将 n 位l2log二进制数据组映射到 2n 个时隙长的时间段内的某一个时隙上的单脉冲信号。如果将 n 位二进制数据写成如下形式：其中 ),.,(121mmmmMnnim(1in)表示第 i 位上的数字；脉冲的时隙位置记为 k，则单脉冲脉冲位置调制的映射编码关系可以写成如下的函数表达式：121212.22:mmmmknnnnPPM 调制方式采用周期性的光脉冲作为载波，载波在调制信号的控制下，通过

42、脉冲时间位置的变化而传递信息。相比于 OOK 调制方式，它的能量传输率高，抗干扰能力强，实验证明 PPM 比 OOK 可提高接收灵敏度 12dB 大大降低了对发射端激光平均功率的要求，可取得较好的平均功率利用率，且编码电路简单，容易实现。在无线激光通信中，采用这种调制方式，可以在给定的激光脉冲重复频率下，用很小的光平均功率达到很高的数据传输率。研究还发现，PPM 调制在提高激光器的功率效率的同时，其抗信道误码能力也显著增强，使得 PPM 调制广泛应用于信道噪声复杂且功率受限的无线激光通信系统中。IEEE802.11 委员会于 1995 年 11 月正式推荐 PPM 调制方式用于速率 0-10M

43、Hz 的红外无线激光通信系统。美国 NASA 也将 PPM 调制方式应用于不同的大气激光通信系统中，近年来我国也广泛开展了这方面的研究，目前在 8公里以内的大气激光通信系统中广泛应用。PPM 调制对平均功率要求的降低17是以对带宽需求的增加为代价的，随着无线激光通信系统中数据率的提高，不同的系统采用的编码方式也会不同，新的编码方式、探测方式也在不断的出现，如数字脉冲间隔调制(DPIM)、组合脉冲位置调制（CPPM） 、自差式探测、相干探测等；利用不同偏振(极化)方向的偏振光实现多通道传输，如美国 NASA 的喷气推进实验室(JPL)研制的空间光通信模拟系统采用不同极化的两路通道传输，每路通道传

44、输数据率为 600Mbps，从而使整个系统的数据率达到 1.2Gbps。5.3.3 我的我的 DPPM 实现方法实现方法目前，PPM 调制技术已经成熟，也已经产生了专用的 PPM 调制芯片，但是 PPM 调制实际上并不复杂，结合我所学知识，我对实现 PPM 或者 DPPM 有三种方法。 （PPM 同 DPPM 相差不多，实现方法也相似） 。方法一。PPM 的实质就是在两个“1”中间插入“0”时隙，时隙的长度作为与调制信号（数字）值成比例的时间。这个时隙可以有很多种，可以是调制信号值以时钟振荡周期为单位的延时，也可以是其数值取补再做延时的值。因此实现方法是多样的，我的实现方法是将每个采样到的信号

45、值放入CPU 的寄存器中，使其做自减“1”运算，当寄存器为零时，输出一个高电平。 所以，两个高电平之间的时间就是信号的值这种方法实现的是 DPPM调制。但是，这种方法涉及到一个问题，那就是转换时间可能过长，若采用10 位的 ADC，那么调制时间就会很长，这就会造成信号传输的不连续。同样，也有解决办法，我可以每次不是自减 1 而是自减 2 或者 3，这样可以解决调制时间问题，但是它以损失量化精度为代价的，这同使用 8 位 ADC 有相似的效果。还有一种解决办法是用数字电路搭接 PPM 转换器。方法二。用门电路实现 PPM 调制。如下图。18图中所示是 4-PPM。设计方案如下：先对二进制数字序列

46、进行串/并转换,具体地说,是对二进制序列进行奇数、偶数位的提取。目的是为了得到 log2L=2(L=4)的信源比特流，然后使奇数、偶数位序列分别输入到一个数据选择器的两输入端，这样便可以实现对脉冲序列的选择输出。方法三。大家都知道，ADC 有三种实现方法：逐次逼近、双积分和法。这三种方法都需要转换时间，其中双积分方法的转换时间同信号电压有基本线性的关系。所谓双积分法，就是用两个电压对同一个电容或者两个相同的电容充电，一个是标准电压，一个则是信号采样得到的电压，通过比较两次充电所用的时间来是得到信号电压与标准电压的比例，就得到采样的电压值，数字值就轻松得到。我所讲的第三种方法是，在双积分每次转换

47、完成后便输出一个高电平，利用这个充电时间做时隙，这种方法同时实现了采样量化和 DPPM 调制。因为信号的电压可以放大缩小，那么这个充电时间就可以控制，也就是说这个方法可以控制转化时间，ADC 时间和 PPM 时间都可以控制，就能实现信号的连续采样和连续传输。5.4 接受端设计接受端设计5.4.1 光接受端光接受端光接收端机的作用是将接收天线接收到的微弱光信号转换成电信号，并进行放大输出。它主要由光电探测器、前置放大电路、主放大电路、自动增益控制电路、均衡电路、码型变换、输出接口电路等部分构成。设计时，元器件的选择和单元电路的设计同光发射机一样，尽量采用成熟的单元电路功能模块；此外，设计时除了认

48、真研究分析电子线路中的量子噪声、热噪声、散弹噪声外，还要考虑恶劣气候(雨、雾、雪、湍流等)出现的附加噪声；为保证系统具有强的抗干扰能力和抵御大气衰减的能力，设计光发射功率要足够大，这就要求光接收机具有很宽的光动态范围：最后，如何减少背景光的干扰也是光接收端机设计时需要考虑的一个问题。光接受端的基本结构如下图。接受天线光学滤波遮光处理光电探 测前置放大解调、DAC放大输出195.4.2 接收端的噪声分析接收端的噪声分析在信号的传输过程中对信号影响的因素都可以归结为噪声，噪声主要来自三个方面：发射机方面、大气方面、接收部分方面。发射面的噪声主要是激光器自身的原因和各种匹配等因素造成的，大气的影响主

49、要是由大气中的粒子对红外光的吸收和散射造成的。这两点在前面文章中已有叙述，这里就不再介绍。接收部分的主要噪声源有:暗电流噪声、散粒噪声、热噪声、放大器噪声和背景噪声，这里将作详细分析。1、探测器噪声分析。 探测器噪声主要有暗电流噪声、散粒噪声、热噪声三种，下面对这三种噪声进行理论分析。暗电流噪声。当光电二极管在没有光照的环境中，处于偏压条件下时，电路会产生暗电流，从而产生暗电流噪声。它等于本体暗电流与表面漏电dI流之和。该电流的大小与工作温度、偏压和探测器的表面、类型紧密相关。LI对一个光接收机而言，暗电流规定了其可探测信号功率水平的噪声基底。故对探测器要进行仔细设计加工，尽可能减小暗电流。一

50、般通讯机中用的 Si-PIN 光电二极管中的暗电流通常为 100pA，而 Si-APD 中的暗电流通常为10pA。散粒噪声。当光信号进入光电二极管时，光子产生和结合的统计特性就会引起此类噪声。其统计特性符合泊松过程。光电效应使得光载波的数量起伏变化，由于它是光电探测过程的一个基本特性，所以总是存在的。当所有其他条件都适合时，接收机的灵敏度被限制的比较低。散粒噪声的电流均方值为：elBish22其中 I 是随机产生的电子流造成的电流，等于平均暗电流和平均光电dI流之和。B 是单侧接收机带宽，如果暗噪声电流相对平均光电流而言较大，pI平均光电流就有可能被噪声掩埋，从而无法使用；如果暗电流相对较小，

51、其效应就可以忽略，减少该噪声的办法就是设置合适的放大器的带宽，这样可以大大减小这个噪声的影响。热噪声。它起源于光电二极管负载电阻，任何电阻内的电子都永远不lR会静止不动，即使没有外加电压，它们也会因为自身的热能而不停地运动。电子运动是随机的，所以任何时刻的净电荷流都可能向着某个电极，也可能指向其它位置，所以电阻中存在着随机变化的电流，其均方值为：20loBshRBTki42其中是波耳兹曼常数，是绝对温度，是负载阻抗。BkoTlR2、放大器的噪声分析在光接收机中，由于有负载电阻的存在，因此除探测器外，其它元件也会产生热噪声，其中以前置放大器的影响最为突出，引入前置放大器的噪声系数凡，它代表热噪声

52、被前置放大器放大的倍数。由此可将上式改写为：nloBshFRBTki42改善前置放大器的内部设计，可减少这部分的噪声。3、背景辐射和背景噪声分析对于采用近红外波段为光源的大气激光通信系统，其主要的背景辐射来自直接或间接的太阳辐射，若不考虑地球大气的影响，太阳的直接辐射可用一条 5900K 的黑体辐射曲线很好的描述。由黑体辐射方程得：)/()1(22/32HzsrmWeVChLKThvv它给出了每个频率增量的光谱辐照度，对近地面使用的激光通信系统，由于地球大气成分的吸收，并不能完全按照上式估计，而应作适当修正。比如，为设计方便，我们可取：)/(10421nmmWL设激光通信系统有效接收面积为，滤

53、光镜带宽，接收光路总透过A率，由此可算出当系统直接对准太阳时的光子通量：rrAhvL这种背景噪声是很大的，它甚至会淹没信号，故激光接收系统不允许直接对准太阳。对工作于地面或近地面的激光通信系统来说，太阳辐射的影响主要是窄接收视场对应的锥形大气柱中大气微粒对太阳光散射引起的。显然，这时并不是所有的大气散射都能进入接收系统，若我们只考虑一次散射过程，那么只有以接收元件为底，以接收视场角为边界的空气柱中的散射才可能进入接收系统。因此，我们采用窄带滤光镜来滤除大部分的背景光，并选取合适的接收天线口径及接收视场角来减小背景辐射带来的噪声，提高接收系统的信噪比和抗干扰能力。215.4.3 光探测器的选择光

54、探测器的选择光电探测器将接收到的光信号转换为电流信号，是光接收机的一个基本组成部分，并且是一个决定整个系统性能至关重要的器件。由于接收到的光信号很弱，所以光探测器必须满足高性能的要求。其中最重要的是在选定的波长范围内具有高灵敏度、最小系统附加噪声及快速响应速度或足够的响应带宽。按器件结构分，光电探测器可分为：PN 结光电二极管、PIN 光电二极管、金属-半导体-金属(MSM)光电探测器以及雪崩光电二极管(APD)。其中，PN结光电二极管结构最简单，制造最容易;PIN 光电二极管结构稍复杂，但性能优异，外加一 20V 的反向电压能稳定工作，且具有相当好的光电响应、低噪声、宽频带等特性;雪崩光电二

55、极管(APD)结构复杂，兼有探测放大的功能，能将探测到的光电流进行放大，增加接收机灵敏度;MSM 无需制造 PN 结，适合难于掺杂的半导体材料，同电子器件制造工艺完全相容，能同场效应管(FET)一起制成光电集成电路(OEIC)，但它暗电流较大、量子效率不高，限制广泛应用。 评价光电探测器的性能主要有:响应度、量子效率、暗电流噪声、信噪比和频率带宽等。量子效率。hvPeIoip/-入射光子数量空穴对数量生成电子式中为入射光子能量，为光电流，为入射光在半导体内表面处hvpIoiP的光功率。响应时间。由入射光转变为光电流所需的时间。影响探测器响应时间的因素有:耗尽层中光生载流子的渡越时间;耗尽层外面

56、载流子的扩散时间;RC 时间常数，即负载电流和分布电容引起的信号延迟时间。频率带宽。它是表征探测系统能够工作的频率范围，必须足以容纳应用系统传输信号的速率，通常光电探测器带宽为系统传输比特率的 1.5 倍以上。由于我们所选取的半导体激光器的发射功率较低，激光信号在大气中又衰得较为严重，尤其在有雾、有灰尘等天气条件下，到达接收端的信号是十分微弱的。从提高大气激光通信系统的性能方面看，提高对接收信号的灵敏度比提高射向接收端的激光功率更有效。因为我们的半导体激光器的发射功率仅为 50mW，只有提高接收灵敏度，才不会增加系统的体积、质量和复杂性。大气激光通信机的小型化固然与激光技术的发展有关，但起决定

57、作用的22还是接收技术的迅速发展，它使系统接收灵敏度提高了两个数量级。第六章第六章 软件设计软件设计软件设计主要解决的问题是对采样得到的信号进行 PPM 调制，应用之前叙述过的 PPM 调制方法，软件设计并复杂。在发射端对信号进行采样，ADC 转换后得到数字信号，对其进行 PPM 调制。这里用到的芯片是 MEGA16，因为它本身集成 8 通道的 10 位 ADC 转换器，同时 CPU 时钟频率很高，模拟信号转换后足够达到普通的 MP3 的比特率，其效果是足够的。其自身集成 ADC 就避免了外接 ADC 模块的接口问题，简化了电路。而且采用 C 编程，编程简单。软件设计的流程图如下。开始模拟输入

58、ADC 转换，结果送入寄存器寄存器自减寄存器为零输出一个高电平一次转换结束236.1 ATmega16ATmega16 应用到的主要特性应用到的主要特性外设特点 两个具有独立预分频器和比较器功能的8 8 位定时器/ 计数器 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的1616 位定时器/ 计数器 具有独立振荡器的实时计数器RTCRTC 四通道PWMPWM 8 8路1010 位ADCADC8 8 个单端通道TQFPTQFP 封装的7 7 个差分通道2 2 个具有可编程增益（1x,1x, 10 x,10 x, 或200 x200 x）的差分通道 面向字节的两线接口 两个可编程的串行USARTUSART

59、可工作于主机/ 从机模式的SPISPI 串行接口 具有独立片内振速度等级 0 0 - - 8 8 MHzMHz ATmega16LATmega16L 0 0 - - 1616 MHzMHz ATmega16ATmega16ADC 的主要特性。ATmega16有一个10位的逐次逼近型ADC。ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口A 的8 路单端输入电压进行采样。单端电压输入以0V (GND) 为基准。器件还支持16 路差分电压输入组合。两路差分输入24(ADC1、ADC0 与ADC3、ADC2)有可编程增益级，在A/D 转换前给差分输入电压提供0dB(1x)、20dB(10 x)

60、或46dB(200 x)的放大级。七路差分模拟输入通道共享一个通用负端(ADC1), 而其他任何ADC输入可做为正输入端。如果使用1x 或10 x 增益，可得到8 位分辨率。如果使用200 x 增益，可得到7 位分辨率。ADC 包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到ADC 的电压保持恒定。ADC 由AVCC 引脚单独提供电源。AVCC 与VCC之间的偏差不能超过 0.3V。请参考P198“ADC 噪声抑制器” 来了解如何连接这个引脚。标称值为2.56V 的基准电压，以及AVCC，都位于器件之内。基准电压可以通过在AREF引脚上加一个电容进行解耦，以更好地抑制噪声。6.2 ADC 转换转

61、换向ADC启动转换位ADSC位写“1”可以启动单次转换。在转换过程中此位保持为高，直到转换结束，然后被硬件清零。如果在转换过程中选择了另一个通道，那么ADC 会在改变通道前完成这一次转换。ADC转换有不同的触发源。设置ADCSRA寄存器的ADC自动触发允许位ADATE可以使能自动触发。设置ADCSRB 寄存器的ADC 触发选择位ADTS 可以选择触发源( 见触发源列表中对ADTS 的描述)。当所选的触发信号产生上跳沿时，ADC预分频器复位并开始转换。这提供了一个在固定时间间隔下启动转换的方法。转换结束后即使触发信号仍然存在，也不会启动一次新的转换。如果在转换过程中触发信号中又产生了一个上跳沿，

62、这个上跳沿将被忽略。即使特定的中断被禁止或全局中断使能位为0，中断标志仍将置位。这样可以在不产生中断的情况下触发一次转换。但是为了在下次中断事件发生时触发新的转换，必须将中断标志清零。ADC自动触发逻辑如下图。使用ADC 中断标志作为触发源，可以在正在进行的转换结束后即开始下25一次ADC 转换。之后ADC 便工作在连续转换模式，持续地进行采样并对ADC 数据寄存器进行更新。第一次转换通过向ADCSRA 寄存器的ADSC 写1 来启动。在此模式下，后续的ADC 转换不依赖于ADC 中断标志ADIF 是否置位。如果使能了自动触发，置位ADCSRA 寄存器的ADSC 将启动单次转换。ADSC 标志

63、还可用来检测转换是否在进行之中。不论转换是如何启动的，在转换进行过程中ADSC 一直为1。6.3 连续转换的实现连续转换的实现在默认条件下，逐次逼近电路需要一个从50 kHz到200 kHz的输入时钟以获得最大精度。如果所需的转换精度低于10 比特，那么输入时钟频率可以高于200 kHz，以达到更高的采样率。ADC 模块包括一个预分频器，它可以由任何超过100 kHz 的CPU 时钟来产生可接受的ADC 时钟。预分频器通过ADCSRA 寄存器的ADPS 进行设置。置位ADCSRA 寄存器的ADEN 将使能ADC，预分频器开始计数。只要ADEN 为1，预分频器就持续计数，直到ADEN 清零。AD

64、CSRA寄存器的ADSC置位后，单端转换在下一个ADC时钟周期的上升沿开始启动。正常转换需要13 个ADC 时钟周期。为了初始化模拟电路，ADC 使能(ADCSRA 寄存器的ADEN 置位) 后的第一次转换需要25 个ADC 时钟周期。在普通的ADC 转换过程中，采样保持在转换启动之后的1.5 个ADC 时钟开始；而第一次ADC转换的采样保持则发生在转换启动之后的13.5 个ADC时钟。转换结束后，ADC结果被送入ADC 数据寄存器，且ADIF 标志置位。ADSC 同时清零( 单次转换模式)。之后软件可以再次置位ADSC 标志，从而在ADC 的第一个上升沿启动一次新的转换。使用自动触发时，触发

65、事件发生将复位预分频器。这保证了触发事件和转换启动之间的延时是固定的。在此模式下，采样保持在触发信号上升沿之后的2 个ADC 时钟发生。为了实现同步逻辑需要额外的3 个CPU 时钟周期。如果使用差分模式，加上不是由ADC 转换结束实现的自动触发，每次转换需要25 个ADC 时钟周期。因为每次转换结束后都要关闭ADC 然后又启动它。在连续转换模式下，当ADSC 为1 时，只要转换一结束，下一次转换马上开始。ADC 连续转换的时序图如下。2627总结总结在设计激光语音通讯装置的过程中，我学到了很多知识，虽然觉得这个技术是比较前沿的，但国外已经有很多实际的应用，科技日新月异，不可一日不学。激光技术在

66、未来还会有更多更精妙的应用，无论在军事方面还是在民用方面，激光都必将成为一个很有潜力的科技领域。激光技术用于通讯，在近地短距无线激光通信中，很好得解决了“最后一公里”问题，降低了成本，也增加通讯的保密性，减少了电磁波污染。在星地通信和未来的宇宙通信中，激光因其低功耗、高频带和大信息量的特点，必将取代电磁波通信。本设计的主线是：先对大气信道进行分析，在此基础上通过比较红色激光和红外线，得出红色激光用于通信的可行性。并通过实际试验得到模拟调制的近红外红色激光在通信中的可行性证明，也更准确的产生一种无线激光通信的噪声概念，同时更加明确使用数字调制的必要性。然后，对数字调制方法进行分析，得出可行的比较优良的调制方法PPM 调制，并通过自己的方法来实现。在明确了调制方法后，系统该选用的控制器，接受端解调方法等问题都已经可以确定。最后，在发射端和接受端要用到光学发射天线，再将之前的结果连接在一起，整个系统就完成了。由于时间仓促，这个系统的设计还有很多细节部分不够细致，例如：在瞄准方面没有一个确定的科学方法，还需要再研究，希望以后还能有时间完善这个系统，并将其做成成品。28参参 考考 文文 献献1