【正文】 ........................................................ 33 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第 1 章 緒論 無線激光通信 無線激光通信是指利用激光束做載波在陸地或外太空直接進(jìn)行語音、數(shù)據(jù)、圖像信息雙向傳輸?shù)囊环N技術(shù)，又稱為“自由空間激光通信”（ Free Space Optics，F(xiàn)SO），“無纖激光通信”或“無線激光網(wǎng)絡(luò)”。無線激光通信以大氣為傳輸介質(zhì)，或在大氣層外的空間直接傳輸。激光具有高方向性，故直接傳輸有優(yōu)勢(shì)，但在大氣層傳輸時(shí)受大氣干擾和地理遮擋嚴(yán)重，所以無線激光通信一般只能用于近距離通信或太空通信。 目前，主要的通信傳輸手段有微波通信、光纖通信等。微波通信可節(jié)省大量有色金屬，并易于跨越復(fù)雜地形，可以較靈活地組成點(diǎn)、線結(jié)合的通信網(wǎng)、使一些海島、山區(qū)、農(nóng)村等偏遠(yuǎn)地區(qū)的用戶較方便地利用干線進(jìn)行信息交換。 光纖通信系統(tǒng)的線路容量大，不易受外界干擾，但必須安裝光纜，當(dāng)遇到惡劣地形條件時(shí)，工程施工難度大，建設(shè)周期長，費(fèi)用高。 無線光通信結(jié)合了光纖通信與微波通信的優(yōu)點(diǎn)，通信容量大，又不需要敷設(shè)光纖，它以激光束作為信息載體，是不需要任何有線傳輸介質(zhì)的通信方式；缺點(diǎn)是光束以直線傳輸，不能跨越復(fù)雜地形。目前，衛(wèi)星間只能以微 波形式通信，微波的物理特性決定了它不可能達(dá)到與光纖通信一樣的帶寬，這樣就造成地面與衛(wèi)星通信時(shí)出現(xiàn)了瓶頸。拓展星間鏈路的一種解決方法是多發(fā)射衛(wèi)星，然而地球外空間資源有限，發(fā)射衛(wèi)星收到一定的限制。衛(wèi)星間必須是無線通信，因此衛(wèi)星間大容量通信的矛盾只能是通過發(fā)展無線光通信來解決。 本論文研究的目的及意義 無線光通信最早起源于古代的烽火通信，而現(xiàn)代意義上的光通信源自于愛因斯坦受激輻射概念的提出、以及激光器的正式出現(xiàn)。 1880 年發(fā)明電話的貝爾進(jìn)行的光電話實(shí)驗(yàn)則是近代無線光通信的雛形，實(shí)現(xiàn)的通話距離可達(dá) 200 多米，由于太陽光、燈光等都屬于普通可見光源是寬光譜非相干光源，其缺點(diǎn)是穩(wěn)定性差，不適合成為可靠的高強(qiáng)度的通信光源 。而當(dāng)時(shí)無線電技術(shù)發(fā)展迅速，已成為通信行業(yè)的主流技術(shù)，因此在激光技術(shù)出現(xiàn)之前，無線光通信技術(shù)發(fā)展是處于停滯不前的狀況。 無線光通信系統(tǒng)將來的研究將集中在增加傳輸容量、延長傳輸距離、自動(dòng)方向?qū)?zhǔn)、降低設(shè)備成本等方面。如果這些問題能得到有效解決，那么無線光通信將發(fā)揮巨大潛能和優(yōu)勢(shì) ,成為無線通信領(lǐng)域的一個(gè)新亮點(diǎn)。無線光通信技術(shù)具有建網(wǎng)速度快、成本低、可移動(dòng)性強(qiáng)和高帶寬等優(yōu)點(diǎn)，因此其在寬帶接入項(xiàng)目上有長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 很 強(qiáng)的競爭力，但因受天氣，特別是霧的影響較大，對(duì)其穩(wěn)定性及相關(guān)補(bǔ)償技術(shù)還需進(jìn)行深入研究。 無線光通信技術(shù)要發(fā)展并推廣應(yīng)用應(yīng)該解決的關(guān)鍵技術(shù)問題主要包括 :瞄準(zhǔn)、接收和跟蹤等高性能的光學(xué)收發(fā)天線的研制 。減輕惡劣天氣影響的情況，提高系統(tǒng)的可靠性 。背景噪聲的濾除技術(shù)研究，加快頻率穩(wěn)定的激光器的研制 .。隨著國內(nèi) Inter 的迅猛發(fā)展，人們對(duì)多媒體和寬帶的需求會(huì)更加強(qiáng)烈，高速率的無線光通信技術(shù)將是一個(gè)理想的選擇。本文經(jīng)過對(duì)無線光通信的研究之后，形成了設(shè)計(jì)一個(gè)短距離無線光通信音頻傳輸系統(tǒng)的構(gòu)想。 本文之所以選擇短距 離無線光通信信號(hào)傳輸，就是為了避免信號(hào)在傳輸過程當(dāng)中過多的受外在環(huán)境因素的影響，比如惡劣的天氣情況，會(huì)對(duì)傳播信號(hào)產(chǎn)生衰耗，空氣中的散射粒子，會(huì)使光線在空間、時(shí)間和角度上產(chǎn)生偏差，大氣中粒子還會(huì)吸收激光的能量，衰減信號(hào)的發(fā)射功率。傳輸距離與信號(hào)質(zhì)量的矛盾非常突出，傳輸距離越大，光束就會(huì)越寬，接收的光信號(hào)質(zhì)量越差。這樣對(duì)信號(hào)傳輸?shù)拿劫|(zhì)的要求就會(huì)較高，更加適合室內(nèi)的應(yīng)用。 短距離無線光通信其傳輸?shù)氖侄尉褪菓?yīng)用光波的傳輸，與當(dāng)前的無線電波傳輸相比，對(duì)人體的輻射的程度可以說是降低到了最小，完全可以消除人們對(duì)通信信號(hào)輻 射身體的憂慮，更加注重環(huán)保和身體健康的人們，必定會(huì)青睞這種無線光通信傳輸方式。 光信號(hào)傳播信息的速度，是其它信號(hào)無法相比的，其單位時(shí)間傳輸?shù)男畔⒘恳彩窍喈?dāng)可觀的，無線光通信相對(duì)于其他接入設(shè)備最大的優(yōu)勢(shì)之一就是帶寬?，F(xiàn)在無線光通信產(chǎn)品的速率從 2 Mbit/s 開始，形成多個(gè)系列，比較典型的有 10 Mbit/s、 100 Mbit/s、 155 Mbit/s、 622 Mbit/s。有的公司采用波分復(fù)用技術(shù)，速率可以達(dá)到 Gbit/s、 10 Gbit/s。在追求短時(shí)間高效率的當(dāng)代社會(huì)，這種光傳輸?shù)姆绞絼t更顯示出其無與倫比的優(yōu)勢(shì)。 光纖通信的速度雖然也是很快，但是其成本卻很大，鋪設(shè)線路需要預(yù)先設(shè)計(jì)，而且還需要專用的工具和設(shè)備進(jìn)行連接，并且光纖光纜的彎曲半徑不能過小，一旦設(shè)備進(jìn)行移動(dòng)或更換位置，以前鋪設(shè)的線路則無法更好的使用。而無線光通信則很好的解決的以上問題。因此，對(duì)無線光通信的研究，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國外研究現(xiàn)狀 美國宇航局選擇噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（ Jet PulsionLab,JPL）進(jìn)行衛(wèi)星 0 激光通信系統(tǒng)的研制， 1995 年完成了激光通信演示系統(tǒng)（ Laser Communication Demonstration System,LCDS），數(shù)據(jù)率為 750Mb/s。美國的戰(zhàn)略導(dǎo)彈防御組織（ BMDO）也正在積極進(jìn)行空間激光通信的研制開發(fā)工作，該工程由空軍供給主要經(jīng)費(fèi)，由長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 MIT 林肯實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行有關(guān)關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)的研究?，F(xiàn)已研制出激光通信終端設(shè)備，并進(jìn)行了作用距離 42km、信息率 1Gb/s、誤碼率為 10?6的全天候跟蹤掃描實(shí)驗(yàn)。 歐洲空間局（ ESA）于 20世紀(jì) 80 年代后期開始確立了一項(xiàng)宏偉計(jì)劃 ——SILEX(Semiconductor Laser InterSatellite Link Experiment )系統(tǒng)研制計(jì)劃，該計(jì)劃的目的是在兩顆衛(wèi)星間建立實(shí)驗(yàn)性的激光通信鏈路，其中高軌道（ GEO）終端機(jī)置于 ESA 的 ARTEMIS 同步衛(wèi)星上，低軌道（ LEO）終端載于法國的地球觀測(cè)衛(wèi)星 SPOT IV 上。整個(gè) SILEX 系統(tǒng)從 SPOT IV（ LEO）至 ARTEMIS(GEO)的通信碼率和從 ARTEMIS(GEO)至 SPOT IV(LEO)的碼率分別為 50Mb/s 和 2Mb/s。 德國的空間光通信研究致力于發(fā)展高碼率激光衛(wèi)星空間系統(tǒng)，例如， 1989年開始的空間固體激光通信系統(tǒng)（ Solid State Laser Communication Space，SOLACOS）。該計(jì)劃主要包括兩個(gè)方面的工作，即建立一套完整的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)和一套實(shí)驗(yàn)室模擬演示系統(tǒng)。該系統(tǒng)的光源分別采用 1064nm的 YAG 固體激光器和 810nm半導(dǎo)體激光器，兩端機(jī)通信碼率分別為 650Mb/s 和 10Mb/s。 我國的研究現(xiàn)狀 我國第一臺(tái)紅包是激光裝置，是 1961 年在中國科學(xué)院長春物理光學(xué)精密機(jī)械研究所（現(xiàn)長春理工大學(xué)）成功運(yùn)行；第一臺(tái)氣體激光裝置（ HeNe 激光 器）1963 年也是在該所成功運(yùn)行的。其后在該所相繼研制成功了砷化鎵半導(dǎo)體激光器、氟化鈣激光器、釹玻璃激光器、轉(zhuǎn)鏡 Q 開關(guān)激光器等。 目前，還有中國科學(xué)院、電子科技大學(xué)（成都）、上海光機(jī)所、北京大學(xué)、西安理工大學(xué)等單位開展無線激光通信方面的研究工作，在單元技術(shù)、試驗(yàn)系統(tǒng)等方面已取得一定的成果并正在進(jìn)行更加深入的工作。中國科學(xué)院研制的無線激光通信機(jī)，其傳輸距離為 10km。 本設(shè)計(jì)的 研究路線 第一：查閱通信相關(guān)知識(shí)，理解通信的一般過程和調(diào)制解調(diào)理論，明確本設(shè)計(jì)需要達(dá)到的目的。 第二：在理解通信原理的基礎(chǔ)上， 繼續(xù)查閱無線光通信和有關(guān)激光通信的知識(shí)，初步建立出本設(shè)計(jì)的模型。 第三：在前面所述的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出各模塊的電路，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)電路，并完成單片機(jī)最小系統(tǒng)部分的 PCB 電路繪制，并進(jìn)行電路板的腐蝕。 第四：焊接硬件電路并進(jìn)行調(diào)試。 第五：對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)和 反思。 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及論文結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)想要實(shí)現(xiàn)的功能如圖 11 所示，本論文的下文將詳細(xì)介紹本系統(tǒng)的原理及電路設(shè)計(jì)： 第一章，本文緒論，主要介紹無線激光通信和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以及本文研究的目的及內(nèi)容安排； 第二章，介 紹本設(shè)計(jì)的主體部分（發(fā)送器和接收器）部分所涉及的理論依據(jù) ； 第三章，根據(jù) 發(fā)送和接收的理論依據(jù) 完成圖 11 所示的各模 塊的 硬件 電路設(shè)計(jì)； 第四章，進(jìn)行控制程序的設(shè)計(jì)； 第五章，對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)。 圖 11 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 麥克輸入音頻 外部輸入音頻 顯示波形 發(fā)送器 接收器 單片機(jī)控制 揚(yáng)聲器輸出 激光 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 第 2 章 音頻傳輸系統(tǒng)的理論依據(jù) 本文所設(shè)計(jì) 的 音頻傳輸系統(tǒng)需要通過激光完成音頻信號(hào)的傳輸。主要由發(fā)送器和接收器兩個(gè)部分組成，發(fā)送器完成激光的調(diào)制，將音頻信號(hào)加載到激光光束中，并向空間發(fā)送出去；接收器通過光電信息轉(zhuǎn)換器件接收來自發(fā)送器的光信號(hào)，解調(diào)出原始的音頻信號(hào)。顯然，本音頻傳輸系統(tǒng)涉及激光、調(diào)制解調(diào)和光電信息轉(zhuǎn)換的相關(guān)知識(shí)，本章將分發(fā)送和接收兩個(gè)部分分別對(duì)其做相應(yīng)的闡述。 發(fā)送部分 發(fā)送部分需要完成的工作是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，將信息加載到激光光束中，并向空間中發(fā)射出去。本節(jié)介紹激光的直接調(diào)制原理。 激光的調(diào)制 激光通信中，具有多種激光調(diào)制方法：電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制和直接調(diào)制等。電光調(diào)制、聲光調(diào)制和磁光調(diào)制都屬于激光外調(diào)制范疇，具有更高的性能，但實(shí)現(xiàn)難度較大。而直接調(diào)制是把要傳遞的信息轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)注入半導(dǎo)體光源（激光二極管 LD 或半導(dǎo)體二極管 LED），從而獲得已調(diào)制信號(hào)。由于它是在光源內(nèi)部進(jìn)行的，因而屬于內(nèi)調(diào)制，這種直接調(diào)制簡便高效率，還能夠告訴調(diào)制，是目前光通信系統(tǒng)普遍使用的實(shí)用化調(diào)制方法。根據(jù)調(diào)制信號(hào)的類型，直接調(diào)制又可分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制兩種，前者是用連續(xù)的模擬信號(hào)直接對(duì)光源進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制，后者是用 脈沖編碼調(diào)制的數(shù)字信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。 半導(dǎo)體激光器（ LD）的直接調(diào)制原理 半導(dǎo)體激光器是電子與光子互相作用并進(jìn)行能量直接轉(zhuǎn)換的器件。圖 3 為某半導(dǎo)體激光器的輸出光功率與驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系曲線。半導(dǎo)體激光器有一個(gè)閾值電流 tI ，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流小于 tI 時(shí)，激光器基本上不發(fā)光或者只發(fā)出很弱的譜線寬度很寬、方向性較差的熒光；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流大于 tI 時(shí)，開始發(fā)射激光，此時(shí)譜線較寬、輻射方向顯著變窄、強(qiáng)度大幅增加，而且隨電流的增加呈線性增長，如圖 22 所示。由圖 21 可以看出，發(fā)射激光的強(qiáng)弱直接與驅(qū)動(dòng)電流的大小有關(guān)。若 把調(diào)制信號(hào)加到激光器（電源）上，即可以直接改變（調(diào)制）激光器輸出光信號(hào)的強(qiáng)度，由于這種調(diào)制方式簡單，且能在高頻下工作，并能保證有良好的線性工作區(qū)和帶寬，因此在光纖通信、光盤和光復(fù)印等方面得到了廣泛的應(yīng)用。 為了獲得線性調(diào)制，使工作點(diǎn)處于輸出特性曲線的直線部分，必須在加調(diào) 制信號(hào)電流的同時(shí)加一適當(dāng)?shù)钠珗?zhí)電流，這樣就可以使輸出的光信號(hào)不失真。但必須注意，把調(diào)制信號(hào)源與直流偏置相隔離，避免直流偏置源對(duì)調(diào)制信號(hào)源產(chǎn)生影長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 響，當(dāng)頻率較低時(shí)，可用電容與電感線圈串接來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)頻率很高時(shí)，則必須采用高通濾波電路。另外，偏置電流直接影響 LD 的調(diào)制性能，通常應(yīng)選擇在閾值電流附近且略低于閾值電流，則 LD 可獲得較高的調(diào)制速率，因?yàn)樵谶@種情況下， 2 . 55 . 07 . 51 0 . 005 01 0 01 5 02 0 0I t驅(qū) 動(dòng) 電 流 / m A輸出功率/mW 圖 21 半導(dǎo)體激光器的輸出特性 圖 22 半導(dǎo)體激光器的光譜特性 LD 連續(xù)發(fā)射光信號(hào)不需要準(zhǔn)備時(shí)間，其調(diào)制速率不受激光器中載流子平均壽命的限制；同時(shí)使馳豫振蕩也會(huì)得到一定的抑制。但偏置電流選得太大，又會(huì)使激光器的消光比變壞，所以在選擇偏置電流時(shí)，要綜合考慮其影響。 半導(dǎo)體激光器處于連續(xù)調(diào)制工作狀態(tài)時(shí)，無論有無調(diào)制信號(hào)，由于有直流偏置，所以功耗較大，從而引起溫度升高，會(huì)影響或破壞器件的正常工作?，F(xiàn)在，雙異質(zhì)結(jié)激光器的出現(xiàn)，使激光器的閾值電流大大下降，則可在室溫下連續(xù)工作。 要使半導(dǎo)體激光器高頻調(diào)制下不產(chǎn)生調(diào)制畸變，最基本的要求是輸出功率要與閾值以上的電流呈良好的線性關(guān)系；另外，為了盡量不出現(xiàn)馳豫振蕩，應(yīng)采用條寬較窄的激光器結(jié)構(gòu)；還有，直接調(diào)制會(huì)使激光器主模的強(qiáng)度下降，而次模的強(qiáng)度相對(duì)增加，從而使激光器譜線加寬，而調(diào)制所產(chǎn)生的脈沖寬度與譜線寬度之間相互制約，構(gòu)成所謂傅里葉 變換的貸款限制，因此，直接調(diào)制的半導(dǎo)體激光 器的能力受脈沖寬度和譜線寬度之積的限制。故在高頻調(diào)制下宜采用量子 阱結(jié)構(gòu)調(diào)制器或其他外調(diào)制器。 半導(dǎo)體光源的模擬調(diào)制 無論是使用 LD 或 LED 作光源，都要施加偏置電流，使其工作在 LD 或 LED的 PI 特性曲線的直線部分，如圖 23（ b）所示。其調(diào)制線性好壞與調(diào)制深度 m有關(guān)。 ????： ?? = 調(diào)制電流幅度偏置電流 ?閾值電流 (21) ??????： ?? = 調(diào)制電流幅度 偏置電流 (22) 100 60 20 850 950 1050