【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 變化，從而成為載有信息的光信號(hào)稱為外調(diào)制。無(wú)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(xué)本科畢業(yè)論文 5 光接收系統(tǒng) 光接收是把從遠(yuǎn)處傳來(lái)的已被調(diào)制的光信號(hào)通過(guò)光學(xué)接收透鏡匯聚、濾波器濾波、光電探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的過(guò)程。 接收方法有直接檢測(cè)接收和外差檢測(cè)接收。直接檢測(cè)接收是利用光學(xué)系統(tǒng)和光電探測(cè)器把光學(xué)信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的過(guò)程，它是一種簡(jiǎn)單而實(shí)用的接收方 式，如砷化鎵激光通信就是直接檢測(cè)接收，缺點(diǎn)是靈敏度低，信噪比小。 外差檢測(cè)接收的原理與無(wú)線電波的外差檢測(cè)接收相似，如圖 2 所示。光學(xué)系統(tǒng)接收到頻率為 fc 的光信號(hào)，經(jīng)濾波器和有選擇反射鏡到光混頻器的光敏面上，同時(shí)本振激光器所產(chǎn)生的頻率為 f0 的激光通過(guò)反射鏡也反射到混頻器的光敏面上?；祛l器就是一個(gè)光電檢測(cè)器，它對(duì)兩束疊加的光波起檢測(cè)和混頻作用，輸出差頻 fm＝ f0－ fc 中頻信號(hào)，經(jīng)中 心頻率為 fm 的帶通濾波器還原成電信號(hào)。這種接收方式靈敏度高，信噪比大，但設(shè)備復(fù)雜，技術(shù)難度大。 光電檢測(cè)器（或光電探測(cè)器）也是激光通信的核心部件，用于光信號(hào)接收轉(zhuǎn)換。目前常用的光電探測(cè)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(dǎo)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(shí)強(qiáng)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(lái)，占大氣體積的 4％，同時(shí)光的傳播也受到天氣的影響，它使大氣能見(jiàn)度變差。 大氣對(duì)激光強(qiáng)度的衰減程度，據(jù)統(tǒng)計(jì)，傳輸損耗對(duì)雨是 3～ 8 dB／ km，對(duì)霧是 3～ 10 dB／ km，對(duì)雪是 3～ 20 dB／ km。不同波長(zhǎng)的激光在大氣中的吸收衰減也不同。克服大氣對(duì)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(zhǎng)較長(zhǎng)的激光器作為光源進(jìn)行通信； （ 2）提高激光器的輸出功率； （ 3）提高光電探測(cè)器的靈敏度，降低自身的噪聲，以求探測(cè)更微弱的信號(hào)； （ 4）研制能同沿幾個(gè)方向進(jìn)行傳輸?shù)耐ㄐ叛b置； （ 5）設(shè)立多個(gè)中繼站，在通信傳輸線路中設(shè)立一個(gè)或多個(gè)中繼站，中繼站可將變?nèi)醯? 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 6 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 調(diào)制方法研究 在國(guó)外 , 美國(guó) 、 日本、歐洲等國(guó)家是較早進(jìn)行大氣激光通信研究的國(guó)家 。美國(guó)宇航局 (NASA)在 LCoS(Laser Communieation Demonstration System)系統(tǒng)中 ,對(duì)信號(hào)光的調(diào)制方式曾經(jīng)有開(kāi)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(diǎn)是對(duì)激光器光源頻率的穩(wěn)定性要求不高 , 但是缺點(diǎn)是接收機(jī)不可能達(dá)到量子極限 ,DPPM 調(diào)制方式可達(dá)到量子極限 , 但對(duì)激光器光源頻率的穩(wěn)定性要求嚴(yán)格 ,NASA 最終選擇了 OOK 調(diào)制 ,而信標(biāo)光采用連續(xù)波 (CW)調(diào)制方式。八十年代 ,美國(guó)海軍學(xué)院 ( Navy Academy)研制出一種用于海島與海岸之間進(jìn)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(hào)。日本從 80 年代中期就開(kāi)始星間激光通信的研究工作 ,主要有郵政省的通信研究實(shí)驗(yàn)室 (CRL)、高級(jí)長(zhǎng)途通信研究所 (ATR)的光學(xué)及無(wú)線電研究室。 CRL 研制的 ETS 一 Vl/LCE 系統(tǒng)中 ,信號(hào)光采用曼徹斯特碼脈沖調(diào)制 ,信標(biāo)光用 SKHz 的信號(hào)進(jìn)行 20%的幅度調(diào)制。ATR 主要對(duì)光束控制 、 調(diào)制等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究和論證 ,并建立了一套自由空間模擬裝置進(jìn)行地面模擬實(shí)驗(yàn)。英國(guó)設(shè)菲爾德大學(xué)對(duì)光無(wú)線通信調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了深入研究 , 對(duì)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(jìn)行了全面的比較和分析，并實(shí)現(xiàn)了 PPM 調(diào)制解調(diào)的硬件電路。 隨著我國(guó)通信事業(yè)的迅速發(fā)展 , 也對(duì)大氣激光通信提出了要求 ,從 70 年代起便開(kāi)始了大氣激光通信的研究。國(guó)內(nèi)成都光機(jī)所、上海光機(jī)所 、 桂林電子工業(yè)學(xué)院 、 成都電子科技大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京大學(xué)等科研單位對(duì)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(xué)院通信工程系在 2021 年 1 月份的飛機(jī)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(shí)現(xiàn)通信 , 并采用單片機(jī)完成編碼 ,其硬件實(shí)現(xiàn)電路簡(jiǎn)單。華中科技大 學(xué)提出了一套完整的大氣激光通信系統(tǒng)實(shí)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(dǎo)體光放大器 ),可以把光放大至少 10DB 以上 從國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以看出來(lái) ,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(guó)外已經(jīng)將該技術(shù)應(yīng)用到了實(shí)際系統(tǒng)中 ,并取得了性能良好的實(shí)驗(yàn)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(guó)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(gè)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(jiǎn)單、能量傳輸效率高的優(yōu)點(diǎn)，是激光無(wú)線通信中常用的調(diào)制方式。常見(jiàn)的 PPM 調(diào)制器一般以單片機(jī)或 CPLD/FPGA 作為主控芯片，通過(guò)對(duì)芯片編程，加上外圍輔助電路來(lái)完成 PPM 信號(hào)的編碼解碼，是對(duì)傳統(tǒng)以模杭州電子科技大學(xué)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(jī)為核心的電路，其辦法是生成攜帶數(shù)據(jù)信息的 PWM 信號(hào)，然后通過(guò)觸發(fā)整形電路轉(zhuǎn)換為響應(yīng)的 PP,M信號(hào)，它需要額外的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，且產(chǎn)生的 PPM 信號(hào)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(jī)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(gè)模塊，各用一個(gè)主控芯片，而不是由一個(gè)芯片同時(shí)完成，這使得電路相對(duì)復(fù)雜，且成本提高，本文所述的 PPM 調(diào)制全雙工激光無(wú)線通信收發(fā)器就克服了以上的不足。 在室外無(wú)線空間環(huán)境下實(shí)現(xiàn)兩個(gè)數(shù)據(jù)終端點(diǎn)對(duì)點(diǎn)短距離通信， 兩點(diǎn)直線距離間無(wú)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(cuò)的選擇。一般使用半導(dǎo)體激光器件產(chǎn)生激光，用激光收發(fā)器完成 PPM 信號(hào)的編碼解碼、發(fā)射與接收，并通過(guò) RS 一 232 異步串行口 與數(shù)據(jù)終端 PC 機(jī)相連 。 收發(fā)器完成數(shù)據(jù)傳送的功能，實(shí)際上就是為兩個(gè)數(shù)據(jù)終端之間提供一條物理通道，實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)中的物理層，高層協(xié)議借助物理層來(lái)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(jì)成與數(shù)據(jù)終端相對(duì)獨(dú)立的模塊，它為兩個(gè)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(guò)修改軟件改變 )，該通道對(duì)數(shù)據(jù)終端是“透明的”，相當(dāng)于用一條串口線纜連接了兩個(gè)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(hào) 調(diào)制信號(hào)受到信源二進(jìn)制符號(hào)的控制 脈沖的時(shí)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(guò)編碼 首先要有一個(gè)同步信號(hào) 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(hào) 就可以通過(guò)信道發(fā)送 但又不可能無(wú)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(guò)編碼 這樣接收機(jī)捕獲同步信號(hào)后 開(kāi)始解調(diào)隨后的脈沖信號(hào) 直到收到結(jié)束標(biāo)志表明一組數(shù)據(jù)接收完畢 G 在每一幀周期時(shí)間段里又分為傳信時(shí)段和靜默時(shí)段 ( 保護(hù)段 ) 更具體的講 ， 我們是根據(jù)時(shí)隙脈沖在傳信時(shí)段的不同位置表示不同信息的 。 考慮到 PIC 單片機(jī)有兩個(gè) CCP(capture／ tom— pare／PWM)模塊，可以同時(shí)輸出兩路 PWM 信號(hào)。這兩路 PWM 輸出共用同一個(gè)時(shí)基timer2，它們的每個(gè)周期都是同步的，有相同的周期長(zhǎng)度、起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn) ， 因此可以來(lái)生成 PPM 信號(hào)。 PIC 單片機(jī)系列產(chǎn)品齊全，性能優(yōu)越，久經(jīng)市場(chǎng)考驗(yàn)， 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(rèn)為是抗干擾性能最優(yōu)異的單片機(jī)之一。這里的 PPM 收發(fā)器對(duì)選用的單片機(jī)要求片上資源有兩路同步 PWM 以產(chǎn)生 PPM 信號(hào)，有一個(gè) 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(shí)要求有足夠快的運(yùn)行速度以同時(shí)完成 PPM 信號(hào)的編碼解碼。PIC 單片機(jī)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(jī)只有一個(gè)中斷入口、沒(méi)有硬件優(yōu)先級(jí)；而對(duì)于到來(lái)的 PPM 脈沖必需作出實(shí)時(shí)響應(yīng)，杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 8 并且每次響應(yīng)時(shí)間必需嚴(yán)格相同，否則可能解碼出錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，因此讓 PPM 脈沖事件獨(dú)占單片機(jī)的中斷資源，通過(guò)細(xì)致合理的程序設(shè)計(jì)很好地完成了預(yù)期的功能。PIC 單片機(jī)軟件部分主要有 3 個(gè)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(jī)的數(shù)據(jù)交換。模塊中設(shè)置了 發(fā)送和接收兩個(gè)環(huán)形隊(duì)列緩沖區(qū)，以使模塊有較好的性能。本模塊將 PC 傳來(lái)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(hào)編碼關(guān)鍵在于找出數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的 PPM信號(hào)在一個(gè) PPM周期中的位置，也即在 PPM 周期開(kāi)始后，需要在什么時(shí)刻發(fā)送出一個(gè) PPM 脈沖。根據(jù)協(xié)議，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系變得很簡(jiǎn)單。系統(tǒng)上電初始化后， PPM 編碼模塊被啟動(dòng)并一直不間斷地生成 PPM 周期。當(dāng)發(fā)送緩沖區(qū)為空時(shí)，．不發(fā)送 PPM 脈沖 (或者認(rèn)為是在發(fā)送空周期 )，這時(shí)保持 CCP 模塊中的 CCPRIL 和 CCPR2L 清空即可。 CCP 模塊 的時(shí)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(gè)時(shí)基計(jì)數(shù)單位，共有 32 個(gè)時(shí)隙寬度，每個(gè)時(shí)隙 T=256／ 32=8 個(gè)肘基計(jì)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(dāng)于乘以 8)就被轉(zhuǎn)化成了對(duì)應(yīng)的 PWM 脈沖寬度，無(wú)需作查表或者復(fù)雜的運(yùn)算。當(dāng)緩沖區(qū)中有待發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，取半字節(jié)數(shù)據(jù)Ⅳ，其 PWM 一 1 信號(hào)脈寬為Ⅳ 7， PWM 一 2 信號(hào)脈寬為 (Ⅳ7+7)