激光無線通信光發(fā)射與接收電路的設計

1、第卷第期年月孝感學院學報激光無線通信光發(fā)射與接收電路的設計魯?shù)鲁?，呂昊，吳迪（孝感學院物理與電子信息工程學院，湖北孝感）摘要：提出了一種為半導體激光器的調(diào)制驅(qū)動電路，能夠在大氣激光通訊中穩(wěn)定工作。還研究了大氣信道的特點，并討論了大氣信道對信號的吸收、散射和湍流影響，給出了衰減的因子。結(jié)合信道編碼定理，討論了適于在大氣中傳輸?shù)拇a型，特別是碼，得出了適合大氣信道的編碼碼長和碼率的選擇依據(jù)。關(guān)鍵詞：無線激光通信；大氣信道；碼型分析中圖分類號：文獻標識碼：文章編號：（）激光無線通信又稱為自由空間光通信（），它以大氣作為傳輸介質(zhì)進行通訊也，與傳統(tǒng)的通信方式相比，有著許多優(yōu)勢，如傳輸速率高，光束方向性好，

2、保密性高，不需無線電頻率使用許可，不影響市政建設，成本低，結(jié)構(gòu)輕巧，通信頻帶寬，尤其是激光特性中具有高度的定向性，發(fā)射波束纖細，在短時間內(nèi)能夠傳輸大量數(shù)據(jù)，通信時間短，具有高度的保密性和抗干擾性，能有效地防止竊聽和偵測“。激光器的直接調(diào)制電路圖是數(shù)字式直接調(diào)制電路圖，圖中晶體管和為發(fā)射極耦合對，組成非飽和電流選擇開關(guān)。當：基極電位高于基極電位時，導通，恒流源的驅(qū)動電流。全部流過：，故流過的電流為零；反之，當基極電位低于基極電位時，導通，所有驅(qū)動電流都通過。電流開關(guān)的轉(zhuǎn)換過程由輸人數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成電平來控制，電平為“”碼時，輸出為一，為“”碼時，輸出為，經(jīng)過和電平移動后加到基極，而基極電平固定在一

3、，它由溫度補償?shù)膮⒖茧娖浇?jīng)。和電平移動得到。一是“”碼和“”碼電平的中間值。選擇適當?shù)妮斎腚妷?，使晶體管不驅(qū)動到飽和狀態(tài)，就能起到快速開關(guān)作用，同時恒流源可使開關(guān)噪聲很小。調(diào)制發(fā)射電路圖是調(diào)制驅(qū)動電路圖，主要由公司的的芯片和內(nèi)部帶有監(jiān)視二極管的激光器構(gòu)成。內(nèi)部的主偏置電源提供溫度補償偏置和參考電壓輸出和，通過電阻、和對內(nèi)部的高速調(diào)制驅(qū)動電路、激光器和監(jiān)視二極管進行編程。的輸出電流都被內(nèi)部的鏡像電流隨著、一等接口技術(shù)的推廣及其卓越的使用性能，越來越多的電腦外設都逐漸配備了此類接口，若將此類接口技術(shù)應用于無線激光通信上，則是計算機利用自身接口以激光為傳輸載體，以大氣為傳輸媒介的通信方式曲，無需搭設

4、新的網(wǎng)絡即可通信，即插即用，安裝簡捷。無線激光通信的研制在軍用和民用上都具有十分重要的意義歸。本文針對光纖通信系統(tǒng)的數(shù)字式的光發(fā)射機和光接收機電路部分進行設計。調(diào)制發(fā)射電路設計光發(fā)射電路實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換功能，它由光源、驅(qū)動器和調(diào)制器組成，將來自于電端機的電信號對光源發(fā)出的光波進行調(diào)制，成為已調(diào)光波，然后再將已調(diào)的光信號通過外圍設備發(fā)送出去。調(diào)制發(fā)射電路組成見圖。收稿日期：作者簡介：魯?shù)鲁酰ㄒ唬?，男，湖北孝感人，孝感學院物理與電子信息工程學院實驗師。一萬方數(shù)據(jù)激光無線通信光發(fā)射與接收電路的設計圖調(diào)制發(fā)射電路組成框圖圖數(shù)字式直接調(diào)制電路圖圖調(diào)制驅(qū)動電路激光器，保證輸出穩(wěn)定的光功率。輸人的差分信號、由內(nèi)

5、部的高速輸人緩沖和共射極差分輸出組成的調(diào)制器調(diào)制，調(diào)制電流的大小由確定的電流。決定。選擇的大小，使激光器有適當?shù)恼{(diào)制電流，輸出足夠的光功率，并具有良好的消光比，同時應使、一端的電壓在以上，以防激光器飽和。一萬方數(shù)據(jù)源控制，這些鏡像電流源都有的結(jié)溫漂移，參考電壓設置在時，結(jié)溫漂移可以被抵消。選擇電阻以調(diào)節(jié)激光器靜態(tài)偏置電流，使略小于激光器的閾值電流，以使激光器的輸出具有良好的消光比。內(nèi)部的監(jiān)視二極管將光強變化轉(zhuǎn)換為電流。，經(jīng)內(nèi)部變換產(chǎn)生反饋電流，通過公式（），將激光器的光強變化轉(zhuǎn)換成偏置電流的一部分，反饋作用于魯?shù)鲁?，呂昊，吳迪接收解調(diào)電路設計光接收機的任務是以最小的附加噪聲及失真恢復出光載波所

6、攜帶的信息，因此光接收機的輸出特性綜合反映了整個光纖通信系統(tǒng)的性能。轉(zhuǎn)換成電壓信號后，由前置放大器加以放大。但前置放大器在將信號進行放大的同時，也會引入放大器本身電阻的熱噪聲和晶體管的散彈噪聲。另外，后面的主放大器在放大前置放大器的輸出信號時，也會將前置放大器產(chǎn)生的噪聲一起放大。前置放大器的性能優(yōu)劣對接收機的靈敏度有十分重要的影響。為此，前置放大器必須是低噪聲、寬頻帶放大器。接收解調(diào)電路的設計原理圖是接收解調(diào)電路的組成框圖，經(jīng)光電檢測器檢測而得到的微弱信號電流，流經(jīng)負載電阻圈接收解調(diào)電路的組成框圖主放大器（見圖）主要用來提供高的增益，將前置放大器的輸出信號放大到適合于判決電路所需的電平。前置放

7、大器的輸出信號電平一般為量級，而主放大器的輸出信號一般為光電檢測器的響應度以及檢測器和放大器的噪聲。接收解調(diào)電路圖是接收解調(diào)電路圖，由和配以必要的外圍器件組成。的低噪聲芯片組成前置放大器，其內(nèi)部包含一個跨阻前置放大器和一個帶射極跟隨輸出的倒相放大器，并集成了的跨阻，可將接收的微弱光電流轉(zhuǎn)換成差分輸出電壓。：的組成后級放大調(diào)理電路，其內(nèi)部有個限幅放大器組成的串行功率檢測器，每個限幅放大器都有一個全波對數(shù)檢測器，用來檢測輸入信號功率的大小。個檢測結(jié)果在，端加在（彤峰值）。均衡器的作用是對主放大器輸出的失真的數(shù)字脈沖信號進行整形，使之成為最有利于判決，碼間干擾最小的升余弦波形。均衡器的輸出信號通常分

8、為兩路，一路經(jīng)峰值檢波電路變換成與輸入信號的峰值成比例的直流信號，送人自動增益控制電路，用來控制主放大器的增益；另一路送人判決再生電路，將均衡器輸出的升余弦信號恢復為“”或“”的數(shù)字信號。圖為無源堡圖接收機前端原理圖塒叭骱姍舭的電平信號；當輸入信號幅值小于時，數(shù)據(jù)輸出端輸出高電平，一輸出低電平，所有的限幅放大器拒絕接收輸入信號，并且后級放大器輸出無光告警信號。一一一一一一一一一一桃淵眥刪賊洞瞅同眠衛(wèi)輸：瀚一一一一一硒成撕穩(wěn)閾定結(jié)論無線激光傳輸中調(diào)制編碼部分主要包括收發(fā)圖無源均衡器原理圖定時提取電路用來恢復采樣所需的時鐘。衡量接收機性能的主要指標是接收靈敏度，在接收機的理論中，中心的問題是如何降

9、低輸入端的噪聲，提高接收靈敏度。光接收機靈敏度主要取決于一一模塊、大氣信道的吸收、散射、湍流效應對信號的衰減作用，適合通信的編碼方式選擇，得出了最佳碼率的選擇，實現(xiàn)了無線激光通信的外場可靠傳輸和碼型的選擇。對光接收和發(fā)送部分進行了電萬方數(shù)據(jù)激光無線通信光發(fā)射與接收電路的設計路設計，提出并設計電路模塊，初步解決了功率、溫度和自動控制問題。另外，本系統(tǒng)是用于大氣無線光通信中的，實際通信中距離遠，工作條件千變?nèi)f化，因此實際應用中肯定會碰到很多問題，需要根據(jù)具體的實際情況來解決。激光無線通信技術(shù)必將在諸如無線局域網(wǎng)、保密通信、快速通信鏈路建立等領(lǐng)域有更好的應用前景。圖接收解調(diào)電路圖參考文獻江劍平半導體

10、激光器北京：電子工業(yè)出版社，張文濤自由空間光通信技術(shù)及國內(nèi)外發(fā)展狀況量子電子學報，（）趙紹剛，肖征榮城市光無線通信網(wǎng)絡中的問題及，；其解決方案電信科學，（）白杉，陳婭冰，趙尚弘透視自由空間光通信的基本技術(shù)當代通信，（）黃海波，艾勇，劉磊，等基于以太網(wǎng)的光無線通信，：，：系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)電子技術(shù)應用，（），王新梅，肖國鎮(zhèn)糾錯碼原理與方法西安：西安電子科技大學出版社，丁么明光纖通信新技術(shù)武漢：湖北科學技術(shù)出版社。，（，）：，：；（責任編輯：鄒禮平）萬 方數(shù)據(jù)一 激光無線通信光發(fā)射與接收電路的設計作者：作者單位：刊名：英文刊名：年，卷(期：被引用次數(shù)：魯?shù)鲁酰?呂昊， 吳迪， Lu Dechu， L

11、v Hao， Wu Di孝感學院,物理與電子信息工程學院,湖北,孝感,432000孝感學院學報JOURNAL OF XIAOGAN UNIVERSITY2007，27(30次參考文獻(9條1. Weichel H Laser beam propagation in the atmosphere 19902. Carbonneau T H. Wisely D R Opportunities and challenges for optical wireless; the competitiveadvantage of free space telecommunications links in

12、todays crowded marketplace 19973. 丁么明 光纖通信新技術(shù) 20014. 江劍平 半導體激光器 20005. 張文濤 自由空間光通信技術(shù)及國內(nèi)外發(fā)展狀況期刊論文-量子電子學報 2003(036. 趙紹剛. 肖征榮 城市光無線通信網(wǎng)絡中的問題及其解決方案期刊論文-電信科學 2005(017. 白杉. 陳婭冰. 趙尚弘 透視自由空間光通信的基本技術(shù) 2004(078. 黃海波. 艾勇. 劉磊 基于以太網(wǎng)的光無線通信系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)期刊論文-電子技術(shù)應用 2004(029. 王新梅. 肖國鎮(zhèn) 糾錯碼-原理與方法 2001相似文獻(9條1.學位論文 趙云鵬 無線激光通信

13、仿真研究 2007無線激光通信是一種新興的無線通信方式，它將傳輸?shù)男畔⒄{(diào)制在光脈沖THz光譜范圍內(nèi)傳輸信息，具有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，無線激光通信成為下一代光通信的發(fā)展方向之一。近地面無線激光通信用于寬帶接入，是解決最后“一公里”問題的有效方法，而在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星激光通信被認為是解決衛(wèi)星通信高碼率瓶頸問題的唯一途徑。在無線激光通信系統(tǒng)中，由于采用的是大氣隨機信道，在傳輸過程中受到大氣散射、折射、湍流等很多因素的影響，會造成激光光能量衰減，光強閃爍，光束隨機偏轉(zhuǎn)，能否克服這些影響是無線激光通信推廣應用的關(guān)鍵，所以研究大氣隨機信道本身的特性對通信系統(tǒng)性能的影響非常重要。本文在搜集與查閱大量的相

14、關(guān)文獻資料，學習無線激光通信的相關(guān)原理后，研究了大氣信道對激光的衰減及其對激光衰減的方式，大氣湍流效應引起的光強閃爍，本文結(jié)合折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)對大氣閃爍建立模型并進行仿真，同時還研究了大氣湍流導致的光束彎曲和漂移。本文研究了激光信號在收發(fā)過程中的噪聲，分析了噪聲產(chǎn)生的原因。同時本文還分析了接收機中噪聲的分類。而在無線激光通信中采用多點發(fā)射可以減小大氣信道產(chǎn)生的噪聲。本文由光的衍射理論，將激光信號在大氣中的傳輸看作是光在湍流介質(zhì)中的衍射，利用惠更斯-菲涅耳（Huygens-Fresnel）原理和基爾霍夫（Kirchhoff）衍射理論建立信道模型，并用matlab軟件對模型進行仿真。本文分析研究了無

15、線激光通信的幾種調(diào)制方式，并分析研究了各自的特性。光脈沖位置調(diào)制（PPM）具有能量傳輸效率高（每光子傳輸?shù)男畔⒘浚?，抗干擾能力強等優(yōu)點，是無線激光通信中的一項關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)PPM調(diào)制信號的特點，建立了PPM調(diào)制信號的數(shù)學模型，對最常用的單脈沖位置調(diào)制信號的功率譜進行了詳細的分析，以理想PPM信道為例，討論了PPM信號的功率利用率和頻帶利用率。 本文結(jié)合大氣信道討論了大氣信道對光調(diào)制信號的影響，分析了常用調(diào)制方式的誤碼率。2.學位論文 安建梅 大氣信道對無線激光通信的影響 2007大氣激光通信是自由空間光通信在地面上的特定實現(xiàn)，在近距離通信時能以靈活的方式，用比現(xiàn)有系統(tǒng)低得多的成本，獲得光纖傳送

16、的容量。由于具有設計簡單、接入方便、速率高、成本低等優(yōu)點，是目前所見到的解決接入網(wǎng)“最后一公里”問題的最有效的解決方案，廣泛應用于智能建筑、軍事等方面。在大氣激光通信系統(tǒng)中，由于大氣散射、折射、湍流等諸多因素的影響，會造成激光信號在傳輸過程中能量衰減，光強閃爍，光束隨機偏轉(zhuǎn)。能否克服這些影響是大氣激光通信推廣應用的關(guān)鍵，因此對大氣激光通信信道的研究格外重要。 本論文研究的主要內(nèi)容：(1介紹了無線激光通信的特性、國內(nèi)外的研究動態(tài)、無線激光通信系統(tǒng)的原理和關(guān)鍵技術(shù)以及未來在無線激光領(lǐng)域內(nèi)需要研究的課題等。(2基于大氣信道的特點，分析了大氣吸收、大氣散射、大氣湍流對激光傳輸?shù)挠绊?。大氣吸收和大氣散?/p>

17、引起了光能量的衰減，即大氣衰減。大氣湍流引起了光強的起伏，其表現(xiàn)形式為光強閃爍、光束漂移、到達角起伏等。(3探討了大氣吸收和大氣散射引起的大氣衰減。由于大氣吸收和大氣分子的散射時很小，通常用氣溶膠的散射引起衰減來表示大氣衰減，大氣衰減的強弱通常用透射率來表示。通過分析透射率隨傳輸距離和波長的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果和理論偏差較大，并且偏差隨著波長的增加而變大，經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)的偏差與大氣衰減方程中的q值有關(guān)。本文針對上述現(xiàn)象對q值進行擬合、修正，進一步采用修正后的q值模擬透射率，找出了在不同的波長的情況下，趨于一致的q值。(4基于大氣湍流的的麥克斯韋方程和大氣湍流的特性，推導了光傳輸過程中光強起伏的麥克斯韋方程和接收面上光強分布的方程；通過分析接收面上光強起伏的累計概率和統(tǒng)計規(guī)律，探索了增加接收面上的相關(guān)面元可減小光接收面上光強起伏方差的原因，進一步研究了多孔徑發(fā)射和湍流的相干性對光