【文章內(nèi)容簡介】 。 調(diào)制與解調(diào)器調(diào)制就是把信號疊加到載波上。調(diào)制器是一種電光轉(zhuǎn)換器，它是輸出光束的某個(gè)參數(shù)（強(qiáng)度、頻率、相位、偏振等）隨電信號變化，完成光的調(diào)制過程。調(diào)制方式有內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制兩種。把被信息信號調(diào)制了的電信號直接加到光源上（或電源）上，使光源發(fā)出隨信息信號變化的光信號稱為內(nèi)調(diào)制。把調(diào)制元件（如光電晶體等）放到光源之外，使被信息信號調(diào)制了的電信號加到調(diào)制晶體上，當(dāng)光束通過晶體后，其光束中的某個(gè)參數(shù)（強(qiáng)度、頻率、相位、偏振等）隨電信號變化而變化，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(xué)本科畢業(yè)論文5 光接收系統(tǒng)光接收是把從遠(yuǎn)處傳來的已被調(diào)制的光信號通過光學(xué)接收透鏡匯聚、濾波器濾波、光電探測器進(jìn)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(xué)系統(tǒng)和光電探測器把光學(xué)信號直接轉(zhuǎn)換成電信號的過程，它是一種簡單而實(shí)用的接收方式，如砷化鎵激光通信就是直接檢測接收，缺點(diǎn)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(xué)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(shí)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(gè)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(fù)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(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，占大氣體積的4％，同時(shí)光的傳播也受到天氣的影響，它使大氣能見度變差。 大氣對激光強(qiáng)度的衰減程度，據(jù)統(tǒng)計(jì)，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?？朔髿鈱νㄐ诺挠绊懯谴髿饧す馔ㄐ叛芯康闹饕獌?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(jìn)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(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)醯暮贾蓦娮涌萍即髮W(xué)本科畢業(yè)論文6 激光通信系統(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(jìn)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(diǎn)是對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。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(shí)驗(yàn)室(CRL)、高級長途通信研究所(ATR) 的光學(xué)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(biāo)光用 SKHz 的信號進(jìn)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(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)。英國設(shè)菲爾德大學(xué)對光無線通信調(diào)制技術(shù)進(jìn)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(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(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 2022 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(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)制方式具有編碼簡單、能量傳輸效率高的優(yōu)點(diǎn)，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(jī)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)以杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文7模擬和數(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，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(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，這使得電路相對復(fù)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(shí)現(xiàn)兩個(gè)數(shù)據(jù)終端點(diǎn)對點(diǎn)短距離通信，兩點(diǎn)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(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(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(可通過修改軟件改變)，該通道對數(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 調(diào)制信號受到信源二進(jìn)制符號的控制 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)過編碼 首先要有一個(gè)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(jī)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(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。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，有相同的周期長度、起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)，因此可以來生成 PPM 信號。 PIC 單片機(jī)系列產(chǎn)品齊全，性能優(yōu)越，久經(jīng)市場考驗(yàn)，2022 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，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、沒有硬件優(yōu)先級；而對于到來的 PPM 脈沖必需作出實(shí)時(shí)響杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文8應(yīng)，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(gè) PPM 周期中的位置，也即在 PPM 周期開始后，需要在什么時(shí)刻發(fā)送出一個(gè) PPM 脈沖。根據(jù)