基于单LED的无线紫外光通信系统设计与实现

　　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。

表1 不同距离，误码率下紫外光视距和非视距通信的数据传输速率

　　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。

图1 无线紫外光通信原理框图

　　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