【文章內(nèi)容簡介】 變化，從而成為載有信息的光信號稱為外調(diào)制。無論是外調(diào)制還是內(nèi)調(diào)制，每一種調(diào)制方法都有各種不同的調(diào)制形式，主要有脈沖調(diào)幅、脈沖調(diào)寬和脈沖調(diào)頻。此外直接調(diào)制還有脈碼調(diào)制，外調(diào)制中有振幅調(diào)制、頻率調(diào)制、脈碼調(diào)制、偏振調(diào)制等。 杭州電子科技大學本科畢業(yè)論文 5 光接收系統(tǒng) 光接收是把從遠處傳來的已被調(diào)制的光信號通過光學接收透鏡匯聚、濾波器濾波、光電探測器進行光電轉(zhuǎn)換的過程。 接收方法有直接檢測接收和外差檢測接收。直接檢測接收是利用光學系統(tǒng)和光電探測器把光學信號直接轉(zhuǎn)換成電信號的過程，它是一種簡單而實用的接收方 式，如砷化鎵激光通信就是直接檢測接收，缺點是靈敏度低，信噪比小。 外差檢測接收的原理與無線電波的外差檢測接收相似，如圖 2 所示。光學系統(tǒng)接收到頻率為 fc 的光信號，經(jīng)濾波器和有選擇反射鏡到光混頻器的光敏面上，同時本振激光器所產(chǎn)生的頻率為 f0 的激光通過反射鏡也反射到混頻器的光敏面上?；祛l器就是一個光電檢測器，它對兩束疊加的光波起檢測和混頻作用，輸出差頻 fm＝ f0－ fc 中頻信號，經(jīng)中 心頻率為 fm 的帶通濾波器還原成電信號。這種接收方式靈敏度高，信噪比大，但設(shè)備復雜，技術(shù)難度大。 光電檢測器（或光電探測器）也是激光通信的核心部件，用于光信號接收轉(zhuǎn)換。目前常用的光電探測器有光電子發(fā)射型光電倍增管、光生伏特型 PIN 光電二極管和雪崩光電二極管（ APD）等，它們可用于半導體激光通信、 Nd： YAG 激光通信和 CO2 激光通信等系統(tǒng)。 大氣傳輸技術(shù) 激光在大氣中傳輸受氣候條件影響很大，即光在傳輸時強度衰減很快，這主要是由于大氣的氣體分子和大氣氣溶膠分子的“散射”“吸收”造成的。大氣中 使光的性質(zhì)受到影響的主要因素是 CO氧、煙、灰塵、水滴、冰片等。在較低的大氣層中大部分水份以水滴、霧和水蒸氣的形式集合起來，占大氣體積的 4％，同時光的傳播也受到天氣的影響，它使大氣能見度變差。 大氣對激光強度的衰減程度，據(jù)統(tǒng)計，傳輸損耗對雨是 3～ 8 dB／ km，對霧是 3～ 10 dB／ km，對雪是 3～ 20 dB／ km。不同波長的激光在大氣中的吸收衰減也不同。克服大氣對通信的影響是大氣激光通信研究的主要內(nèi)容之一 [11]。下面列出一些減少激光在大氣中傳輸損失、增加通信距離的辦法和措施： （ 1）采用處于大氣 窗口的波長較長的激光器作為光源進行通信； （ 2）提高激光器的輸出功率； （ 3）提高光電探測器的靈敏度，降低自身的噪聲，以求探測更微弱的信號； （ 4）研制能同沿幾個方向進行傳輸?shù)耐ㄐ叛b置； （ 5）設(shè)立多個中繼站，在通信傳輸線路中設(shè)立一個或多個中繼站，中繼站可將變?nèi)醯? 杭州電子科技大學本科畢業(yè)論文 6 系統(tǒng)的總體設(shè)計方案 系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 調(diào)制方法研究 在國外 , 美國 、 日本、歐洲等國家是較早進行大氣激光通信研究的國家 。美國宇航局 (NASA)在 LCoS(Laser Communieation Demonstration System)系統(tǒng)中 ,對信號光的調(diào)制方式曾經(jīng)有開關(guān)鍵控 (00K)調(diào)制與差分脈沖位置 (DPPM)調(diào)制兩種選擇 ,OOK 調(diào)制的優(yōu)點是對激光器光源頻率的穩(wěn)定性要求不高 , 但是缺點是接收機不可能達到量子極限 ,DPPM 調(diào)制方式可達到量子極限 , 但對激光器光源頻率的穩(wěn)定性要求嚴格 ,NASA 最終選擇了 OOK 調(diào)制 ,而信標光采用連續(xù)波 (CW)調(diào)制方式。八十年代 ,美國海軍學院 ( Navy Academy)研制出一種用于海島與海岸之間進行圖象和數(shù)據(jù)交換的大氣激光傳輸通信系統(tǒng) ,利用聲光調(diào)制和雪崩光電二極管接收 ,具有 SMHz 的帶寬 ,可以傳送 25 路數(shù)據(jù)和一路視頻信號。日本從 80 年代中期就開始星間激光通信的研究工作 ,主要有郵政省的通信研究實驗室 (CRL)、高級長途通信研究所 (ATR)的光學及無線電研究室。 CRL 研制的 ETS 一 Vl/LCE 系統(tǒng)中 ,信號光采用曼徹斯特碼脈沖調(diào)制 ,信標光用 SKHz 的信號進行 20%的幅度調(diào)制。ATR 主要對光束控制 、 調(diào)制等關(guān)鍵技術(shù)進行研究和論證 ,并建立了一套自由空間模擬裝置進行地面模擬實驗。英國設(shè)菲爾德大學對光無線通信調(diào)制技術(shù)進行了深入研究 , 對各種己經(jīng)或可能應(yīng)用 于大氣激光通信的包括 OOK、 PPM、 PIM、 DH 一PIM 等調(diào) 制技術(shù)進行了全面的比較和分析，并實現(xiàn)了 PPM 調(diào)制解調(diào)的硬件電路。 隨著我國通信事業(yè)的迅速發(fā)展 , 也對大氣激光通信提出了要求 ,從 70 年代起便開始了大氣激光通信的研究。國內(nèi)成都光機所、上海光機所 、 桂林電子工業(yè)學院 、 成都電子科技大學、華中科技大學、北京大學等科研單位對大氣激光通信的調(diào)制解調(diào)技術(shù)研究較多。桂林電子工業(yè)學院通信工程系在 2021 年 1 月份的飛機與水下潛艇的光通信系統(tǒng)中應(yīng)用即 M 調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)通信 , 并采用單片機完成編碼 ,其硬件實現(xiàn)電路簡單。華中科技大 學提出了一套完整的大氣激光通信系統(tǒng)實現(xiàn)方案 ,調(diào)制技術(shù)采用的是 1M/DD 在光的調(diào)制之后與解調(diào)之前均增加 SOA(半導體光放大器 ),可以把光放大至少 10DB 以上 從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以看出來 ,應(yīng)用于深空星際間或水下激光通信中的 PPM 調(diào)制技術(shù)己經(jīng)有了比較深入的研究 ,國外已經(jīng)將該技術(shù)應(yīng)用到了實際系統(tǒng)中 ,并取得了性能良好的實驗數(shù)據(jù) ,但是應(yīng)用于近地大氣激光通信系統(tǒng)中的 PPM 調(diào)制的研究卻較少 ,尤其在國內(nèi)只有較少的科研單位涉及這一領(lǐng)域的研究。因此 ,應(yīng)用于近地大氣激光通信系統(tǒng)中的 PPM 調(diào)制及解調(diào)技術(shù)是一個較新的研究領(lǐng)域 [1]。 控制方法的確定 該領(lǐng)域現(xiàn)有的控制方法 PPM 調(diào)制方式具有編碼簡單、能量傳輸效率高的優(yōu)點，是激光無線通信中常用的調(diào)制方式。常見的 PPM 調(diào)制器一般以單片機或 CPLD/FPGA 作為主控芯片，通過對芯片編程，加上外圍輔助電路來完成 PPM 信號的編碼解碼，是對傳統(tǒng)以模杭州電子科技大學本科畢業(yè)論文 7 擬和數(shù)字邏輯器件組成的純硬件電路的提高。以單片機為核心的電路，其辦法是生成攜帶數(shù)據(jù)信息的 PWM 信號，然后通過觸發(fā)整形電路轉(zhuǎn)換為響應(yīng)的 PP,M信號，它需要額外的信號轉(zhuǎn)換電路，且產(chǎn)生的 PPM 信號的脈沖寬度是固定的，不可由軟件設(shè)定。而 以 CPLD/FPGA 為核心的電路，在抗干擾和成本等方面比不上基于單片機的電路。另外，這些電路中常常是把調(diào)制和解調(diào)分成兩個模塊，各用一個主控芯片，而不是由一個芯片同時完成，這使得電路相對復雜，且成本提高，本文所述的 PPM 調(diào)制全雙工激光無線通信收發(fā)器就克服了以上的不足。 在室外無線空間環(huán)境下實現(xiàn)兩個數(shù)據(jù)終端點對點短距離通信， 兩點直線距離間無障礙，且要求通信具有一定的保密性，用激光作載體是一種不錯的選擇。一般使用半導體激光器件產(chǎn)生激光，用激光收發(fā)器完成 PPM 信號的編碼解碼、發(fā)射與接收，并通過 RS 一 232 異步串行口 與數(shù)據(jù)終端 PC 機相連 。 收發(fā)器完成數(shù)據(jù)傳送的功能，實際上就是為兩個數(shù)據(jù)終端之間提供一條物理通道，實現(xiàn)通信系統(tǒng)中的物理層，高層協(xié)議借助物理層來通信，但并不需要了解物理層的具體結(jié)構(gòu)。因此收發(fā)器設(shè)計成與數(shù)據(jù)終端相對獨立的模塊，它為兩個數(shù)據(jù)終端提供一條全雙工異步串行數(shù)據(jù)傳輸通道，數(shù)據(jù)傳輸率為 9600 bps(可通過修改軟件改變 )，該通道對數(shù)據(jù)終端是“透明的”，相當于用一條串口線纜連接了兩個數(shù)據(jù)終端 。 PPM 采用斷續(xù)的周期性脈沖作為調(diào)制信號 調(diào)制信號受到信源二進制符號的控制 脈沖的時間位置 ， 隨之發(fā)生變化而傳遞信息 G 在 數(shù)字 PPM 通信中信源經(jīng)過編碼 首先要有一個同步信號 為接收端提供同步信息 稱之為同步頭 G 數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)制成 PPM 信號 就可以通過信道發(fā)送 但又不可能無限制連續(xù)發(fā)送 所以我們將其分組 類似于其他通信方式中的打包 送完一組數(shù)據(jù) 接著發(fā)送結(jié)束符 G 這里同步頭和結(jié)束符也同樣打包 也要經(jīng)過編碼 這樣接收機捕獲同步信號后 開始解調(diào)隨后的脈沖信號 直到收到結(jié)束標志表明一組數(shù)據(jù)接收完畢 G 在每一幀周期時間段里又分為傳信時段和靜默時段 ( 保護段 ) 更具體的講 ， 我們是根據(jù)時隙脈沖在傳信時段的不同位置表示不同信息的 。 考慮到 PIC 單片機有兩個 CCP(capture／ tom— pare／PWM)模塊，可以同時輸出兩路 PWM 信號。這兩路 PWM 輸出共用同一個時基timer2，它們的每個周期都是同步的，有相同的周期長度、起始點和結(jié)束點 ， 因此可以來生成 PPM 信號。 PIC 單片機系列產(chǎn)品齊全，性能優(yōu)越，久經(jīng)市場考驗， 2021 年出貨量冠全球之首，業(yè)界應(yīng)用非常廣泛，它被普遍認為是抗干擾性能最優(yōu)異的單片機之一。這里的 PPM 收發(fā)器對選用的單片機要求片上資源有兩路同步 PWM 以產(chǎn)生 PPM 信號，有一個 USART 與 PC 作異步串行通信，有一定的 RAM 資源用 作發(fā)送、接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，同時要求有足夠快的運行速度以同時完成 PPM 信號的編碼解碼。PIC 單片機是最好的選擇之一，其中檔系列中很多都滿足要求。由于 PIC 單片機只有一個中斷入口、沒有硬件優(yōu)先級；而對于到來的 PPM 脈沖必需作出實時響應(yīng)，杭州電子科技大學本科畢業(yè)論文 8 并且每次響應(yīng)時間必需嚴格相同，否則可能解碼出錯誤數(shù)據(jù)，因此讓 PPM 脈沖事件獨占單片機的中斷資源，通過細致合理的程序設(shè)計很好地完成了預(yù)期的功能。PIC 單片機軟件部分主要有 3 個模塊：串口通信模塊、 PPM 編碼模塊和 PPM 解碼模塊。 串口通信模塊完成與數(shù)據(jù)終端 PC 機的數(shù)據(jù)交換。模塊中設(shè)置了 發(fā)送和接收兩個環(huán)形隊列緩沖區(qū)，以使模塊有較好的性能。本模塊將 PC 傳來的待發(fā)送數(shù)據(jù)存入發(fā)送緩沖區(qū)，而把解碼后存 在接收 緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)回傳給 PC。 PPM 信號編碼關(guān)鍵在于找出數(shù)據(jù)與對應(yīng)的 PPM信號在一個 PPM周期中的位置，也即在 PPM 周期開始后，需要在什么時刻發(fā)送出一個 PPM 脈沖。根據(jù)協(xié)議，這種對應(yīng)關(guān)系變得很簡單。系統(tǒng)上電初始化后， PPM 編碼模塊被啟動并一直不間斷地生成 PPM 周期。當發(fā)送緩沖區(qū)為空時，．不發(fā)送 PPM 脈沖 (或者認為是在發(fā)送空周期 )，這時保持 CCP 模塊中的 CCPRIL 和 CCPR2L 清空即可。 CCP 模塊 的時基 timer2 作了 1： 4 預(yù)分頻，周期寄存器 PR2 設(shè)置為最大值 255，則 PPM 周期為 256 個時基計數(shù)單位，共有 32 個時隙寬度，每個時隙 T=256／ 32=8 個肘基計數(shù)單位。這意味著待發(fā)送的半字節(jié)數(shù)據(jù)Ⅳ只需左移 3 位 (相當于乘以 8)就被轉(zhuǎn)化成了對應(yīng)的 PWM 脈沖寬度，無需作查表或者復雜的運算。當緩沖區(qū)中有待發(fā)數(shù)據(jù)時，取半字節(jié)數(shù)據(jù)Ⅳ，其 PWM 一 1 信號脈寬為Ⅳ 7， PWM 一 2 信號脈寬為 (Ⅳ7+7)