【正文】 .................... 23 波形顯示 ....................................................................................................... 24 第 5 章 結(jié)論 ................................................................................................................ 27 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 28 致謝 .............................................................................................................................. 29 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) IV 附錄 1 總原理圖 ......................................................................................................... 30 附錄 2 矩陣鍵盤掃描程序 ......................................................................................... 31 附錄 3 12864 液晶的引腳說明 ................................................................................... 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)”。激光具有高方向性，故直接傳輸有優(yōu)勢，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。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。 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。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。 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)。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。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 ,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)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 。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 .。本文經(jīng)過對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。傳輸距離與信號質(zhì)量的矛盾非常突出，傳輸距離越大，光束就會(huì)越寬，接收的光信號質(zhì)量越差。 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通信信號輻 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。現(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。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。而無線光通信則很好的解決的以上問題。 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?，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)。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。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)。 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。 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。 本設(shè)計(jì)的 研究路線 第一：查閱通信相關(guān)知識，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。 第五：對本設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)和 反思。 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的傳輸。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，本章將分發(fā)送和接收兩個(gè)部分分別對其做相應(yīng)的闡述。本節(jié)介紹激光的直接調(diào)制原理。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。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。 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。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。若 把調(diào)制信號加到激光器（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。但必須注意，把調(diào)制信號源與直流偏置相隔離，避免直流偏置源對調(diào)制信號源產(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。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?，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。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。其調(diào)制線性好壞與調(diào)制深度 m有關(guān)。因此，應(yīng)選擇合適的 m值。 圖 23 模擬信號驅(qū)動(dòng)電路及光強(qiáng)度調(diào)制 接收部分 接收部分與發(fā)送部分相反，需要完成信號的解調(diào)。 光生伏特效應(yīng) 光生伏特效應(yīng)指的是由光照引起電動(dòng)勢的現(xiàn) 象。雖然他們之間有一定相似的地方，但產(chǎn)生這兩個(gè)效應(yīng)的具體機(jī)制是不相同的。 半導(dǎo)體界面包括有：由于摻雜半導(dǎo)體不同而形成的 P 型區(qū)和 N型區(qū)的界面，即 PN 結(jié)；金屬和半導(dǎo)體接觸的界面；不同半導(dǎo)體材料制成的異質(zhì)結(jié)面以及由金屬 — 絕緣體 — 半導(dǎo)體組成系統(tǒng)的界面。光照產(chǎn)生的電子空穴對，在自建電場作用下運(yùn)動(dòng)，就是形成廣 生伏特效應(yīng)的原因。 在 PN 結(jié)交界處 N 區(qū)一側(cè)帶正電荷， P 區(qū)一側(cè)帶負(fù)電荷，空間電荷區(qū)中自建電場方向由 N 區(qū)指向 P 區(qū)。在空間電荷區(qū)附近一定范圍內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對，只要它們能通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)到達(dá)空間電荷區(qū)，同樣可以形成光致電流。光致電流使 N 區(qū)和 P 區(qū)分別積累了負(fù)電荷和正電荷，在 PN 結(jié)上形成電勢差，引起方向與 光致電流相反的 N 結(jié)正向電流。如果 PN 結(jié)兩段用外電路連接起來，則有一股電流通過，在外電路負(fù)載電阻很低的情況下，這股電流就等于光致電流，稱為短路電流。 光敏二極管（ PD） 光敏二極管是一種 PN 結(jié)單向?qū)щ娦缘慕Y(jié)型光電信息轉(zhuǎn)換器件。與光電池不同，光敏二極管工作時(shí)一般加反相偏壓，加反相偏壓的目的是加一個(gè)方向與 PN 結(jié)內(nèi)電場方向一致的外電場，從而在原理上克服了光電池的弱點(diǎn)，這樣，光敏二極管的線性特性和頻率 特性將徹底改善，光電流的輸出僅受光照強(qiáng)弱變化的影響，與負(fù)載電阻的大小無關(guān)。 當(dāng)光敏二極管受光照時(shí)， PN 結(jié)附近經(jīng) 受光子轟擊吸收其能量而產(chǎn)生電子空穴對，從而使 P 區(qū)和 N 區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，在外加電場和內(nèi)電場的共同作用下， P 區(qū)的電子渡越阻擋層進(jìn)入 N 區(qū)， N 區(qū)的空穴進(jìn)入 P 區(qū)，從而使通過 PN 結(jié)的反向電流大大增加，這就形成了光電流。 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 5 0 01 0 0 01 02 03 04 05 0I （ 微 安 ）L （ 勒 克 斯 ） 圖 24 光照特性曲線+ E + EUU( a )( b )( c )RR光 敏 二 極 管光 敏 二 極 管 圖 25 光敏二極管等效電路 (a)、 (b)：光敏二極管的兩種接法（方向相反）； (c):光敏二極管的等效電路。 由于 ??Φ = ??Φ，由圖 (c)可知， ???? = ??Φ???? = ??Φ???? (25) 式中， S 是光敏二極管的靈敏度， Φ是入射到光敏二極管的光通量， ????是等效負(fù)載電阻，即 ????是 R 和后級電路輸入阻抗的并聯(lián)值。在圖25(c)中， ????是結(jié)電容，一般較小，故在中頻內(nèi)可忽略，但在高頻時(shí)不能忽略， ????直接影響光敏二極管的高頻特性。 ∵ ??max = ??Φ????，當(dāng) U = ????????√2 = ????。這個(gè)結(jié)論對其他光電信息轉(zhuǎn)換器也適用。 系統(tǒng)總原理框圖如圖 31 所示， 首先我們設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單的麥克風(fēng)語音實(shí)時(shí)輸入模塊，用來實(shí)時(shí)采集語音信息并送入發(fā)送器，發(fā)送器則實(shí)時(shí)發(fā)送出該語音信號，接收器則實(shí)時(shí)接收光信號并從中解調(diào) 還原出原始的語音信號。 本文所設(shè)計(jì)的音頻傳輸系統(tǒng)還可以接入外圍設(shè)備（如手機(jī)、 mp3 播放器 等）的音頻信號，到底傳輸?shù)氖悄囊宦芬纛l信號則受單片機(jī)控制。 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 麥克風(fēng)實(shí)時(shí)語音輸入電路的設(shè)計(jì) 本模塊的主要器件是傳聲器，俗稱麥克風(fēng)，其作用是將聲音轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，以聲波表現(xiàn)的電信號被傳感器接收后，使換能機(jī)構(gòu)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，由換能機(jī)構(gòu)輸出電信號。根據(jù)傳聲器的工作原理，我們只需 要將由聲波引起的微變信號進(jìn)行隔直、濾波和放大，便可得到語音信 號 。 其中，使用 的電容對電源進(jìn)行濾波，凈化電源，輸出端的 1K電阻為分流電阻。因此需要進(jìn)行音源選擇的電路設(shè)計(jì)，由于本系統(tǒng)基于單片機(jī)，因此選用數(shù)控的方式。 CD4051 系列模擬開關(guān)是用數(shù)字信號控制的多路調(diào)制 /選擇模擬開關(guān)，具有低導(dǎo)通電阻和很低的關(guān)態(tài)漏電流。例如，選 VDD=5V， VSS=0V， VEE= 5V，那么幅度 5V～ +5V 的模擬信號就可用 0V～ 5V 的數(shù)字信號來控制 傳輸。 CD4051B 是八選一 模擬開關(guān)，用 3個(gè)二進(jìn)制輸入信號控制端 A、 B、 C來選擇八個(gè)模擬通道中的任 意 一個(gè)為“ ON”狀態(tài)。如圖 33是 CD4051B 的引腳圖。 UA74112V81010uFMK+5V1K音頻輸出12V長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 圖 33 CD4051B的引腳圖 我們想要實(shí)現(xiàn)的功能如圖 34（ a）所示，但是該電路是不受單片機(jī)控制的，只能手動(dòng)切換。 (a) (b) 圖 34 音源切換電路 表 31 切換電路 對應(yīng) 的 真值表 I/O 端口狀態(tài) 通斷狀態(tài) PD0 PD1 PD2 PD3 0 1 0 0 audio1 接通 0 1 1 0 audio2 接通 1 x x x 都斷開