邢占宇，何晨，汪永剛，趙太飛

（西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西西安710048）

在人類發(fā)展史上，無線電通信技術(shù)的誕生，為人類通信能力的提升提供了前所未有的推動(dòng)力，使人類的通信技術(shù)發(fā)生了本質(zhì)性的變革[1]。但是在某些特殊場(chǎng)合并不能完全滿足需求，例如在礦井下通信等應(yīng)急救援通信場(chǎng)景中，使用無線電通信設(shè)備，有可能會(huì)產(chǎn)生尖端放電現(xiàn)象，遇到瓦斯等易燃易爆氣體，極有可能發(fā)生爆炸等危險(xiǎn)，嚴(yán)重威脅井下工作和施工人員以及設(shè)備的安全。并且，現(xiàn)如今社會(huì)信息急劇增加，通信壓力巨大，主流的無線電通信出現(xiàn)頻帶匱乏等現(xiàn)象，成為嚴(yán)重制約信息時(shí)代向前發(fā)展的難題，而解決這個(gè)難題的鑰匙正是頻譜資源豐富的無線光通信[2-3]。無線光通信是用無線傳輸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的導(dǎo)線，在空氣中即可傳輸信號(hào)，解決了很多不宜架設(shè)傳統(tǒng)傳輸線路的特殊環(huán)境下的通信難題，以靈活簡(jiǎn)便的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，作為有線光通信的補(bǔ)充，在通信領(lǐng)域取得了較好的發(fā)展，其發(fā)展前景極為廣闊[4-5]。并且無線光通信在國(guó)內(nèi)外已有廣泛和深入的研究，在收發(fā)信機(jī)的設(shè)計(jì)，調(diào)制解調(diào)方式，信道傳輸特性和信道編碼等方面均已有很多研究成果[6]。各個(gè)波長(zhǎng)的無線光有不同的通信特性，所以在通信中也有著不同的應(yīng)用場(chǎng)景。無線激光通信傳輸距離較遠(yuǎn)，并且還具有很高的速率，信道容量相對(duì)無線電通信更大。無線光通信中也包括紫外光通信，它是一種新型通信方式，是利用紫外光在大氣中的明顯的散射特性來進(jìn)行信息傳輸[7]。它的光線可以借助光散射實(shí)現(xiàn)非直視通信，以避免無線激光通信中APT技術(shù)的難題。但是在很多場(chǎng)景下，單一波長(zhǎng)無線光通信也不能滿足需求，所以提出研究多波長(zhǎng)無線光中繼通信系統(tǒng)。使用的方式為紫外光和紅光激光中繼。

1 系統(tǒng)總體框圖與各子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體框圖

一般來說，無線光通信系統(tǒng)主要的構(gòu)成部分有三方面，即信道、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)[6]，該系統(tǒng)也是在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)完成的。其基本工作原理是將實(shí)時(shí)拍攝的圖片或視頻數(shù)據(jù)先通過紅光激光或紅外激光在干路發(fā)送，激光接收機(jī)將接收到的信號(hào)通過中繼器轉(zhuǎn)為紫外光傳輸，紫外接收機(jī)接收并解調(diào)，最后在PC上顯示出來。而且因?yàn)楣馔ㄐ啪褪且怨饫w為承載介質(zhì)的通信[8]，所以傳輸?shù)倪^程中需要改變方向時(shí)可以使用反射鏡。系統(tǒng)整體示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體示意圖

1.2 子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由3個(gè)模塊組成：激光發(fā)信機(jī)模塊，中繼轉(zhuǎn)發(fā)器模塊和紫外收信機(jī)模塊。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

由圖像傳輸軟件在PC端采集視頻信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)從串口發(fā)送出來。信號(hào)經(jīng)過調(diào)制后由驅(qū)動(dòng)電路加載到激光器上發(fā)射出去。濾光片是用來選取所需輻射波段的光學(xué)器件[9]，可以濾除大氣環(huán)境中存在的背景光引發(fā)的背景噪聲。

光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)[10]，由放大器放大后達(dá)到可以處理的程度送入解調(diào)器。該信號(hào)被再次調(diào)制后被加載到紫外燈管，這樣就完成了紅光激光信號(hào)向紫外光信號(hào)的轉(zhuǎn)換。接收端經(jīng)過同樣的步驟就可以解調(diào)出信號(hào)并通過串口送給PC，在PC上用圖像傳輸軟件顯示出來。

1.2.1 激光發(fā)信機(jī)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用方向性好，路徑損耗小的650 nm的紅光激光器進(jìn)行干路信息傳輸。半導(dǎo)體激光器的電源需要使用恒流源，恒流源的基本作用是消除或削弱電源電壓、負(fù)載電阻和環(huán)境溫度變化對(duì)輸出電流的影響[11]。其驅(qū)動(dòng)和調(diào)制電路框圖如圖3所示。

圖3 激光器驅(qū)動(dòng)和調(diào)制電路框圖

恒流電路可以產(chǎn)生高穩(wěn)定度的電流來驅(qū)動(dòng)激光器。電路中可能會(huì)出現(xiàn)浪涌，慢啟動(dòng)電路是用來避免該現(xiàn)象有可能對(duì)系統(tǒng)造成的損害[12]。因?yàn)檫^流有可能會(huì)使半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生不可恢復(fù)的損壞，所以要加入限流保護(hù)電路。調(diào)制電路是用來完成信號(hào)調(diào)制功能的，。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 Modulation，DPPM）[13]。本系統(tǒng)采用OOK調(diào)制方式，光波在基帶信號(hào)控制下通-斷變化，可用公式（1）表示：

其中A是電平幅值，ωc為光波角頻率，在這里它的值就是波長(zhǎng)λ=650 nm的紅光對(duì)應(yīng)的角頻率。

1.2.2 中繼轉(zhuǎn)發(fā)器設(shè)計(jì)

中繼轉(zhuǎn)發(fā)器作為本系統(tǒng)的核心模塊，其主體功能是光電管將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，放大電路將其放大到可以處理的程度，然后由解調(diào)器解調(diào)出傳送的信號(hào)。該信號(hào)再次送入調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路，調(diào)制后將其加載到紫外光管上并發(fā)射出去。具體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖4 中繼轉(zhuǎn)發(fā)器框圖

光電接收管采用650 nm窄帶硅光電池，有效接收面積是3×3 mm，峰值接收波長(zhǎng)為650 nm。經(jīng)測(cè)試，當(dāng)激光光斑肉眼可見時(shí)，輸出電流約為100～200 μA。對(duì)于信號(hào)放大電路。常用的放大電路都是對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大，所以，首先要將光電管輸出的電流信號(hào)需要采用一定的方式轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)[14]。電流信號(hào)經(jīng)過互阻放大電路轉(zhuǎn)化為放大的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)過阻容高通濾波電路和低通，例放大電路組成的窄帶通放大電路后，經(jīng)過比較器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)被還原解調(diào)電路接收[15]。當(dāng)信號(hào)失真不嚴(yán)重時(shí)，閾值電壓為0即可成功對(duì)信號(hào)進(jìn)行判決。而當(dāng)信號(hào)失真較為嚴(yán)重時(shí)可以使用分壓電位器來調(diào)節(jié)閾值電壓而后判決。

中繼轉(zhuǎn)發(fā)器除了需要將信號(hào)解調(diào)出來，還要將其加載到紫外光上。因?yàn)樽贤夤饨邮斩耸鞘褂幂敵龇绞綖榉聪噍敵龅墓怆姳对龉苓M(jìn)行接收，為了接收端方便處理，發(fā)送端需要對(duì)源信號(hào)進(jìn)行反相。又因?yàn)樾盘?hào)為TTL電平，所以可以直接使用數(shù)字反相器對(duì)其進(jìn)行處理。信號(hào)放大后，因?yàn)長(zhǎng)ED管對(duì)驅(qū)動(dòng)電路要求不高，所以可以使用三極管搭建共射放大電路來完成驅(qū)動(dòng)和調(diào)制的功能。至此，中繼轉(zhuǎn)發(fā)器的主體功能已經(jīng)設(shè)計(jì)完畢。

但是光有這個(gè)功能是不夠的，因?yàn)檎９ぷ鞯那疤崾钦麄€(gè)通信路徑的成功建立。在調(diào)試時(shí)，需要獲得是否成功的反饋，通過反饋回來的信息繼續(xù)調(diào)整對(duì)準(zhǔn)方向和判斷閾值電壓。一般有兩種方式，反饋信息量比較大的是直接將解調(diào)后信號(hào)發(fā)給PC，通過當(dāng)前接收數(shù)據(jù)的形式判斷是否成功建立鏈路。這種方式比較可靠，但缺點(diǎn)是需要PC的參與，使用起來較為麻煩。另一種方法是利用單片機(jī)制作報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)單片機(jī)判斷鏈路成功建立時(shí)，驅(qū)動(dòng)LED和蜂鳴器以特定的頻率閃爍和發(fā)聲。我們選擇將兩種方式一起采用。串口模塊電路已經(jīng)十分成熟，選擇的芯片是CH340。單片機(jī)報(bào)警系統(tǒng)的硬件較為簡(jiǎn)單，單片機(jī)最小系統(tǒng)和LED燈/蜂鳴器配合即可。監(jiān)測(cè)原理是將解調(diào)后信號(hào)送入MCU，對(duì)其進(jìn)行判斷。發(fā)送端在建立通信鏈路時(shí)可以一直發(fā)送信標(biāo)字符，比如“0”。單片機(jī)若監(jiān)測(cè)到連續(xù)N個(gè)“0”字符時(shí)，可以認(rèn)為鏈路成功建立。

1.2.3 紫外收信機(jī)設(shè)計(jì)

因?yàn)樽贤夤獾纳⑸湫詮?qiáng)[16]，所以單位面積的光功率較小，因此普通的光電管很難有效接收到信號(hào)。在此，選擇光電倍增管（PMT）作為紫外收信機(jī)的光電探測(cè)器，用于光信號(hào)接收轉(zhuǎn)換。為了使光電倍增管可以正常工作，除了使用高壓底座和開關(guān)電源，還應(yīng)將光電倍增管密閉在一個(gè)盒子里，只留出感光區(qū)窗口并加裝濾光片，這樣光電倍增管就可以很好地將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)[17]。除此之外，其余的電路與激光接收部分一致，都是放大后送入比較器進(jìn)行判決解調(diào)，在此不再另作說明。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

各個(gè)模塊的功能全部測(cè)試完畢后可以進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試。先有激光經(jīng)過接收天線后射入光電接收管。打開發(fā)送和接收PC上的串口調(diào)試助手，連續(xù)發(fā)送“0”，接收端觀察收到的信息，微調(diào)分壓電位器更改判決閾值電壓，直到接收到字符“0”。當(dāng)PC接收到字符“0”時(shí)，電路板的對(duì)準(zhǔn)報(bào)警系統(tǒng)工作。LED以固定的頻率閃爍并且蜂鳴器以相同的頻率鳴響。說明對(duì)準(zhǔn)報(bào)警系統(tǒng)是正常的。紅光激光接收電路的輸出信號(hào)端與紫外發(fā)送電路的輸入信號(hào)端連接起來，將紫外收信機(jī)的輸出信號(hào)通過串口發(fā)送給PC。調(diào)試方法與紅光激光接收機(jī)一樣，直到成功收到正確字符。另外，紫外部分需要在不同視場(chǎng)角下進(jìn)行通信試驗(yàn)，如圖5所示。

圖5 接收視場(chǎng)角測(cè)量示意圖

經(jīng)過仔細(xì)的調(diào)試，該系統(tǒng)能夠成功的進(jìn)行中繼數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了能夠準(zhǔn)確地評(píng)估系統(tǒng)的各方面性能，設(shè)計(jì)了以下3個(gè)實(shí)驗(yàn)：紅光通信實(shí)驗(yàn)，紫外光通信實(shí)驗(yàn)和多波長(zhǎng)中繼通信實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1，2，3所示。

表1 不同距離下紅光激光通信系統(tǒng)性能

表2 不同接收角時(shí)紫外光通信系統(tǒng)性能

表3 中繼通信系統(tǒng)性能

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，紅光激光傳輸距離遠(yuǎn)、方向性強(qiáng)，在相同的數(shù)據(jù)傳輸速率下誤碼率與傳輸距離成正比。與紅光激光通信系統(tǒng)相比，紫外光傳輸距離較近，但散射性強(qiáng)，覆蓋范圍廣，誤碼率會(huì)隨接收角的增大而變大。

因而紅光激光適用于干路數(shù)據(jù)傳輸，紫外光適用于移動(dòng)臺(tái)接入。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)一致，同時(shí)驗(yàn)證了多波長(zhǎng)無線光中繼通信的可行性。該系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了總體設(shè)計(jì)要求，在性能方面也達(dá)到了預(yù)期的設(shè)想。

3 結(jié)束語

文中詳細(xì)介紹了多波長(zhǎng)無線光中繼通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計(jì)功能，驗(yàn)證了多波長(zhǎng)無線光中繼通信系統(tǒng)的可行性。它的特色在于可以使得整個(gè)通信鏈路的信息載體均為光波，提高了通信方式的靈活性。同時(shí)能夠充分發(fā)揮出無線光通信的優(yōu)點(diǎn)，極大地?cái)U(kuò)展了無線光通信在生活中的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。但是系統(tǒng)仍然不可避免地存在一些問題，需要不斷分析原因，總結(jié)不足，為改進(jìn)系統(tǒng)提供有效的指導(dǎo)。

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