基于单LED的无线紫外光通信系统设计与实现

摘要：介绍了紫外光通信特点和信道模型，以LED为光源、光电倍增管为光接收器设计无线紫外光数字通信系统方案，研制了无线紫外光通信设备样机，在不同条件下进行实验。实验结果表明，在夜晚，晴天，近距离，校准条件下的通信效果优于白天，下雨，远距离，未校准的条件下的通信效果，验证了无线紫外光通信的可行性。
关键词：紫外光通信；大气信道；00K；信号检测

    紫外光波长10～400nm，是光谱中波长最短部分，主要由太阳辐射出来，又称紫外线，紫外光传输性能与传输范围内大气的品质密切相关，如大气中的O3浓度、散射粒子的浓度、大小、均匀性、几何尺寸等。研究大气中分子和粒子的散射时主要考虑Rayleigh散射和Mie散射。与此同时，紫外光的传播方式以散射为主，虽然传输过程中衰减严重，但可绕过一定障碍物，这两点决定了紫外光通信系统可以实现全天候的非视距通信(Non Line Of Sight，NLOS)。随着国内日盲段紫外LED生产线的投产，紫外光通信的实现将更具可行性。

1 研究背景
    紫外光作为通信手段被提出最早在上个世纪初，当时美国军方提出用于海军海上通信。国内近两年在此领域研究的也有一些，其中国防科技大学在2007年研究了一款直升机紫外光通信系统，在这项研究中是国内首次使用日盲段LED点阵作为光源，并在样机上实现通信；重庆大学光电研究试验室在2006年也完成了基于紫外光的语音系统设计与实施，该系统在反映灵敏度及抗干扰方面都有着不错的表现。与此同时，在业界领先的美国加州大学Center for UbiquitousCommunication by Light实验室，在2007年实现了在使用光功率为0.5mW的10个24单元阵列LED为紫外光光源，00K调制方式下紫外光通信的数据传输速率达到了如表1所示，包括视距通信(Line Of Sight，LOS)和非视距通信两种方式。

2 大气散射信道
    由于紫外光是在大气中进行无线传输，大气信道的质量直接关系到通信质量，传输距离等重要通信指标。当散射粒子的直径远小于波长时就发生Rayleigh散射，大气分子对紫外光的散射就用Rayleigh散射理论来处理，但是只有在晴朗天气(能见度Rv≥20 km)中Rayleigh散射才是主要的。Rayleigh散射是指散射粒子线度比波长小得多的粒子对光波的散射。其主要特点有：1)散射光强与入射波长的4次方成反比；2)散射光强随观察方向而变，在不同的观察方向上，散射光强不同；3)散射光具有偏振性，其偏振程度决定于散射光与耦极矩方向的夹角。Rayle igh散射规律使用于微粒线度在十分之一个波长以下的极小微粒。
    当大气中粒子的直径与辐射的紫外线波长相当时发生的散射称为Mie散射。这种散射主要由大气中的微粒，如烟、尘埃、小水滴及气溶胶等引起。在复杂天气情况下，大气中气溶胶微粒对光波的散射远大于大气分子散射，此时需要用Mie散射理论处理。因此，针对复杂环境风沙天气、海雾、雨天、雪天等，在研究过程中主要考虑Mie散射。Mie散射的辐射强度与波长的二次方成反比，散射在光线向前的方向比向后的方向更强，方向性比较明显。

3 紫外光通信系统设计
    从“数字信号”开始，直到通过LED光源把信号传输到大气信道中，这个模块称为发射模块；另一端从紫外光信号进入滤光片开始，直到信号输出为接收模块，无线紫外光通信原理框图如图1所示。

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3．1 紫外光通信发射端设计
    紫外光通信发射端设计主要是由发光模块和调制模块构成，其中发送模块光源的选取很关键，本系统采用紫外LED作为发射光源，具体为UV365～375 nm普亮标准型LED，其响应速度快，功率低，输出功率商，数据传输速率可达数MHz。数据编码电路的设计是由发射端对数据信号进行PCM编码，然后调制到紫外LED上进行传输，也就是完成电光转换部分。电光转换电路中采用芯片HD74HC00，稳压电路采用线性低压差稳压器LM1117通过电容滤除杂波得到稳定的3．3 V直流电源，保护电路采用稳压二极臂1N4728。LM358与9013构成负反馈结构，为系统提供较稳定的直流偏置电压，这样光源不会因为电流过大而永久损坏。由OOK信号作为该系统的调制信号输入，并由HD74HC00整形后驱动。电位器为电流反馈电路提供基准电压，从而对输出的信号幅值和偏置电压进行调整。
3．2 调制方式
    调制就是把信号叠加到载波上。紫外光通信系统中的调制器是一种电光转换器，它使输出光束的某个参数(强度、频率、相位、偏振等)随电信号变化，完成光的调制过程。调制方式分为内调制和外调制2类。把被信息信号调制了的电信号直接加到光源(或电源)上，使光源发出随信息信号变化的光信号称为内调制。把调制元件(如光电晶体等)放刭光源之外，使被信息信号调制了的电信号加到调制晶体上，当光束通过晶体后，其光束中的某个参数(强度、频率、相位、偏振等)随电信号变化而变化，从而成为载有信息的光信号，这一过程称为外调制。无论是外调制还是内调制，每一种调制方法都有不同的调制形式。
    本通信系统设计为强度调制／值接检测(IM／DD)系统。目前应用于强度／直接检测(IM／DD)系统的常用几种调制技术有：(1)开关键控(On-Off Key，OOK)；(2)脉冲位置调制(Pulse Position Modulation，PPM)；(3)差分脉冲位置调制(Differential Pulse Position Modula tion，DPPM)。紫外光通信效果的好坏，与系统信号调制方式也有很大关系。对于通信系统来讲，带宽越小越好，比较OOK、DPPM、PPM3种调制方式，在相同通信速率的条件下，OOK调制方式所需带宽最低，本系统采用OOK调制方法。
    OOK是一种连续比特调制，其中“1”代表有脉冲，“0”代表没有脉冲。在OOK系统中，通过在每一比特间隔内使光源脉冲开或关对每个比特进行发送。这是调制光信号最基本的形式，只需使光源闪烁即可编码。用Tb表示每比特连续时间段，Rb=1／Tb代表传输比特率。脉冲宽度为Tw，若每比特时间段与脉冲宽度占空比为x，则有Tw=xTb。当x<1时，参考时钟可以通过对周期转换的传输比特序列进行滤波得到。OOK解
调是由积分清除滤波并阈值使它符合50％的脉冲能量。采用OOK调制对应的误码率、信噪比为：
   
    其中，函数，Pr代表探测器接收到的能量，Pb代表探测器的背景干扰能量，PN代表探测器暗电流。背景光辐射是波长的函数，如前所述，波长低于280nm的波段可以忽略。探测器微粒噪声如下式所示：
   
    这里，h是普朗克常量，ηqe是量子效率，B表示接收带宽。调制机制的带宽利用率是比特传输率与传输所需要带宽的比值。对于OOK调制，带宽利用率可以表示为：
   
    当0<x≤1时，占用了部分脉冲宽度；而x=1时，采用非归零码时，带宽利用率最高。
3．3 紫外光通信系统接收端设计
    紫外光接收系统主要由北京滨松的R212型光电倍增管、滤光片和一些相关电路组成。紫外光信号在大气中经过多次散射和吸收，到达接收端时信号会非常微弱，并且在大气传输过程中会有噪声光的干扰，在进入光电倍增管探测器之前，紫外光信号首先会通过滤光片得到提纯，滤光片选取为270～360 nm带通滤波片，BPF-UB1T2滤波片光谱图如图2所示，由于R212型光电倍增管属于精密仪器，所以对微弱信号的检测能力较强，图3为光电倍增管光谱图。在检测具有高速脉冲的光信号时，通常使用具有50 Ω或75 Ω特性阻抗的同轴电缆，来连接光电倍增管和后续电路。为了使波形在传输中不失真，后续回路应与电缆的特性阻抗相匹配。接收端通过倍增管将接收到的光信号转化为电信号后进行整形放大并送处理芯片凌阳SPCE061A进行时钟提取和同步解调，最后输出数据信号。

    在光电倍增臂易受干扰的340 nm以上波段的区域，通过带通滤光片的滤除作用使绝大多数噪声干扰都无法对系统造成影响，这样搭配能保证在现有的条件下实现最优的信号采集效果。光电倍增管采集到信号十分微弱，其本身输出的信号高低电平差很小，系统采用LM393作为判决芯片，使输出信号变成标准TTL电平，方便后续电路识别、整理。
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4 实验结果分析
    以单个LED紫外发光管为光源，以BPF-UB1T2滤光片和R212光电倍增管为光电感应器，传输速率为115．2 kbps，于2010年8月到11月期间，在西安理工大学室内进行近距离通信试验。在大量数据中统计对比汇总16组数据，通过整理得到下表：通信距离为3 m时性能指标如表2所示，通信距离为5 m时性能指标如表3所示，表中天气表示测试时的天气状况，时间表示测试开始时间，角度表示发送端和接收端对准的偏差角度，误码率表示接收错误字节占所发送字节的比例，丢字节率表示丢失字节占所发送字节的比例。

    在紫外光传播过程中光子发生米氏散射、瑞利散射的比重也不相同，反映到通信上就变现为误码率、丢字节率不同；紫外光散射很强，导致单位距离衰减程度相比于可见光、激光大，在选取的3 m，5 m两个距离通信效果比较时，效果差距能较容易体现出来。通过对比研究发现，紫外光通信的性能随着天气条件、不同时段、通信距离、对准角度的变化而变化，总体来看在晴天、晚上、近距离、对准情况下通信效果要好，其中对准和通信距离是决定通信性能的主要因素，其次是白天和晚上对通信效果的影响，室内通信过程中天气变化的影响最弱。

5 结束语
    本文首先阐述了紫外光通信过程中，紫外光光子的散射效应；接着，介绍了紫外光通信系统的调制方式，硬件实施；最后通过对实验数据的比对印证了之前表达关于米氏散射、瑞利散射、调制方式对通信性能的影响，得出结论具体为：紫外光通信的性能随着天气条件、不同时段、通信距离、对准角度的变化而变化；紫外光传输虽然距离有限，但相对不需要特别准确的校准，可进行非视距通信，也可通过组网实现远距离传输；另外，现阶段紫外光通信系统比较适合采用OOK调制方式。