无线光通信收发机系统设计与实现

无线光通信收发机系统设计与实现 何美生 摘 要：提出了一种适合大气随机信道传输的无线光通信系统，详细分析了无线光发射机和无线光接收机的工作原理与结构设计，并对该系统进行了模拟信道和数字信道的大气无线激光多媒体通信测试试验。该设计在降低系统成本的同时，能够有效的补偿大气随机信道对传输信号的衰减损耗，提高系统的通信质量。关键词：无线光通信；无线光发射机；无线光接收机；大气随机信道；衰减损耗引言20世纪90年代后期， 随着全光接入网的发展，人们对传输速率的要求越来越高；随着无线通信范围的延伸，人们对建立快捷通信链路的兴趣进一步提高。目前主要的通信传输手段是光纤通信和微波通信。光纤通信系统的带宽容量大，但无法快速建立自由便捷的通信链路；微波通信可以灵活快捷地组成点、线结合的无线通信网，但其信道容量小，无法满足现代高速率通信的带宽需求。无线光通信结合了光纤通信与微波通信的优点，既具有通信容量大的优点，又能进行自由快捷地高速通信1-5。无线光通信系统是指在自由空间中以激光为载体传送数据的双向无线宽带通信系统。该技术具有通信容量大，调制速率高，建网机动灵活，通信安全保密，不占用频谱资源，无电磁波辐射，建设周期短，运行成本低等特点。该系统可以广泛应用于“最后一公里”的宽带接入、企业内部互联、无线基站数据回传、城域网扩建、临时场所通信、通信系统备份等领域6-7。目前的无线激光通信系统的收发机设计大多引用光纤通信的结构设计。光纤信道的传输特性是均匀分布 8，而大气信道的介质是随机分布的，激光在大气信道中传输受到大气衰减、湍流和闪烁效应的影响9，导致激光强度及相位起伏、光束扩展、漂移和像点抖动，系统的通信质量受大气影响，系统成本较高，难以推广普及。本文提出一种新的无线光收发机设计方案。采用自治愈环路反馈电路设计和自适应信道编码技术，自行研制了适合于大气信道传输的光收发机系统。该系统不但成本低、体积小，便于集成推广，而且还能有效补偿大气信道对激光传输的影响，适用于地面大气激光通信。1系统总体功能原理无线光通信是以激光作为信息载体，不使用光纤等有线信道的传输介质，而在空气中直接传输光信号的通信方式，是利用激光束在大气空间信道中直接进行语音、数据、图像等信息双向传输的一种技术。 图1无线光通信系统结构框图无线光通信系统包括发射和接收两部分，如图1所示。发射部分主要由激光器、调制器和光学发射天线组成，接收部分主要由光学接收天线、光电检测器和电信号处理电路组成。由信息源产生的某种形式的信息通过信道编码增加抗干扰码元，使信号更适合大气信道传输。传输信号通过信号匹配电路实现电平和阻抗的匹配，然后通过调制驱动模块调制到激光器的光载频上；于是载频作为光束或称为光场，通过光学天线发射到大气或自由空间中。受调制的光载波经过大气信道衰减、闪烁后，发送到接收一方；在接收端通过光学天线将光波电磁场收集起来，用光聚焦镜改善接收光场的空间特性，用光滤波器改善接收光场的频域特性，然后通过光探测器实现光电转换，将调制的光载波信号转换成电信号，并经过前置放大、滤波整形处理后送入信道解码电路，还原成以前的输入信号。在无线光通信系统电路中，激光器和光电探测器是决定通信带宽和距离的核心器件，也是误差干扰信号的主要来源；调制驱动和整形滤波是保障通信稳定流畅的重要模块，也是抑制误差干扰补偿大气衰减的主要手段。因此无线光发射机和接收机必须围绕这些器件的工作特性来设计。2无线光发射机设计无线光发射机子系统主要实现光信号的发射、光信号的调制、光功率自动控制补偿、系统状态检测、大气信道编码、接口电路转换等功能，主要由光发射单元和控制单元组成。光发射单元将电信号转换成光信号并以一定的光功率发射出去。控制单元主要实现产生检测信号、激光功率控制、大气信道补偿等功能。2.1 光源激光器设计中需要考虑的指标主要有波长的选择、功率的选择、激光器类型选择等。波长选择：应该选大气信道损耗最小的波长，大气的传播特性及背景辐射对激光波长的选择至关重要，810860nm、9801060nm 和15501600nm波段均是良好的大气窗口。在阴霾天及更好天气情况下，1550nm的衰减系数比785nm小，在雾天两者的衰减系数一样。而且不同波长对人眼的危害程度不同，1400nm以上的激光对人眼的致伤功率阈值要比1400nm以下的激光大50倍以上。故本设计将1550nm定为理想工作波长。功率选择：一要考虑到激光通信传输距离的要求；二要考虑到光电接收器的光接收灵敏度；三要考虑激光在大气传输中人眼安全的问题，在设计时需遵守国家安全标准。本设计的激光器功率为10mW。激光器选型：常用的无线激光通信光源有发光管(LED)和激光管(LD)两类。LED属于大角度发射器，能量分散，使用起来更为安全，但其传输距离短，带宽比LD窄。半导体激光二极管的光发散角窄，发射功率较大，能载荷宽带信号。半导体激光器由于体积小、重量轻、电光转换效率高、寿命长、易于调制等优点而成为激光大气通信光源的首选，因此本设计选用Al(In)GaAs/GaAs系半导体激光器。激光器的性能参数选择：对于线性度良好的半导体激光器，输出功率可以表示为上式表明，激光输出功率决定于内量子效应和光腔损耗，并随着电流而增大。当注入电流时，输出功率P与I成线性关系，其斜率为10 P-I特性是选择半导体激光器的重要依据。在选择时，应选阈值电流尽可能小，对应的P值尽可能小，并且要求P-I曲线的斜率适当。斜率太小，则需要的驱动信号太大；斜率太大则会出现反射噪声，使光功率控制电路调整困难。本系统所用的半导体激光器的基本特性参数如表1所示。半导体激光器的基本特性参数波长功率阈值电流P-I斜率工作电流调制电流1550nm10mW10mA0.23mW/mA28mA18mA图2半导体激光器的P-I特征曲线图 1半导体激光器的P-I特征曲线对于激光器的动态工作范围和线性工作区间的性能，本文通过对测量半导体激光器功率和注入电流变化关系，分析激光器的P-I特性曲线。半导体激光器的P-I特性曲线如图2所示。从测试结果可以看出，半导体激光器的阈值电流为10mA，激光器的线性工作区间为10mA-50mA，当激光器的工作电流加大时，其输出的光功率渐渐趋向于最大值，即进入输出光信号的饱和区。因此激光器的最佳静态工作电流为30mA, 激光器的动态工作范围是。2.2激光调制驱动无线光通信系统使用的主要调制技术有：光强度调制/直接检测技术，光相干调制/外差检测技术。光强度调制/直接检测系统设备简单、成本较低、经济实用、容易实现，其调制速率受激光器的频率特性所限制；光相干调制/外差检测系统调制速率和接收灵敏度较高，但是技术复杂、成本较高，难点是需要频率非常稳定，相位和偏振方向可控制，谱线很窄的单模激光器11-12。因此本设计采用光强度调制/直接检测系统。光强度调制/直接检测系统模型如图3所示，发射端用电信号直接调制半导体激光器的驱动电流，使输出的光载波的强度随电信号变化，从而获得调制信号；在接收端用光检测器直接将光信号转换成电信号。 3光强度调制/直接检测系统模型激光器光源选定后，必须选择合适的激光驱动器。激光驱动器一方面为激光器提供稳定的偏置电流和电压，使激光器正常发光，提供随信号线性变化的调制电流，使激光器能够产生不失真的光信号；另一方面可以通过信道编码的反馈信息自动调节激光器的发射光功率，用来补偿大气信道的衰减效应。为了使系统不产生非线性失真并且具有充裕的动态调节范围，激光驱动器产生的偏置电流和调制电流都满足上面激光器的要求并且有一定的余量。由以上的测试分析可知激光器阈值电流为10mA。 调制激励电路采用单管共发射极电流放大电路，激光器的最佳静态工作电流为30mA，因此静态偏置电流，.激光器的动态工作范围是，则调制激励电路的输入信号动态范围是。 . 在良好天气情况下，激光器的偏置电流和调制电流由激光器的静态工作电流和动态工作电流决定。在恶劣天气条件下，系统根据信道编码的内容判定大气信道的衰减程度，调制驱动电路根据信道的衰减程度自适应调节偏置电流和调制电流，从而达到自动补偿大气信道衰减效应的作用。由于大气信道的衰减效应和湍流效应会产生随机比特误码和突发区间误码，为了保证信息传输的可靠性，提高传输质量，必须在信息码中增加一定数量的多余码元，使码字具有一定的抗干扰能力。该系统采用奇偶校验、前向纠错以及通过一些差错重发的协议来降低误码率。3无线光接收机设计光接收机分为两种形式：直接功率检测接收机和外差接收机。外差接收机的本地振荡器产生的光场通过始端透镜进行混合，然后对该组合波进行光电检测。由于外差接收机在待混合的两个光场的空间相干性要求严格， 因此接收机采用直接检测光接收机接收机主要完成接收空间光场并对其进行处理，恢复解调所发送的信息，对大气信道进行监测补偿的过程。接收机结构如图4所示，由接收透镜系统、光检测器检测后的信息处理和实时信道检测补偿器四部分组成。透镜系统对接收到的光场进行滤波、聚焦，然后加到光检测器检测面上，把光信号转换成电信号。信息处理部分从检测器的输出信号中恢复发送端的信息。监测补偿器实时检测大气信道对传输光信号的衰减效应，并根据损耗程度在线调节检测后处理器进行补偿，同时还提取大气信道的特征信息，并将信道的状态信息Error! Reference source not found.通过数据接口器传送给上位机进行分析。图 4 无线光接收机原理图3.1光电探测器光检测器是光接收机实现光电转换的关键器件，其性能特别是响应度和噪声直接影响接收机的灵敏度。对光电检测器的要求：波长响应要和大气信道底损耗窗口（810 860nm、980 1060nm 和1550 1600nm）兼容；响应度要高，在一定的接收光功率下，能产生最大的光电流；噪声要尽可能低，能接收极微弱的光信号；性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。用于无线光通信系统应用的光检测器有Si 光电池、Si光电二极管、PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管。由于硅光电池探测器是无源探测器，它能有效的抑制大气信道的散射背景噪声和系统电路的热噪声，探测灵敏度高，输出光电流大，是用于大气信道检测补偿无线光通信系统的首选探测器。光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。硅光电池的长波限由硅的禁带宽度决定，为1.85um，峰值波长为1.4um，短波波长为0.25um。硅光电池的短路光电流与入射光构率成线性关系。硅光电池的伏安特性可表示为： 式中：为流过硅光电池的总电流；为光电流；为电流灵敏度；P为入射光功率17。光电检测器是一种功率检测器件，其输出信号正比于光电检测器所收集到的瞬时场强。检测器的输出呈显散弹噪声过程，该过程的计数强度与收集到的功率成正比。3.2 跨阻前置放大器前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。前放的噪声取决于放大器的类型，有三种类型的前放可供选择：双极型晶体管，场效应管，跨阻型。其中跨阻型前置放大器最大的优点是改善了检测器的带宽特性和动态响应范围，并具有良好的噪声特性。跨阻型前置放大电路如图5所示。跨阻型前置放大器输出的等效噪声功率为： 式中，A为放大倍数，B为放大器带宽，为FET跨导，K为波兹曼常数，T为热力学温度Error! Reference source not found.。图5 跨阻型前置放大电路4实验样机和实验结果目的：测试无线光通信系统的语音通信和数据通信的质量。使用设备：光发射机一个，光接收机一个，电话机两个，单片机两个，望远镜两个，光功率计，示波器，多功能信号源，万用表。气候条件：天气晴朗，偶有小雨，温度为1025。测试方式：在实验室端安装好光发射机和光接收机，分别在白天和晚上不同的天气条件下Error! Reference source not found.进行语音通信和数据通信的测试。按照测试装置原理图连接好光发射机和光接收机的系统模块，调试检测各模块运行参数，使系统工作在最佳状态。利用望远镜调整收发机的仰角和方位，使其精确对准。在完成光束对准过程后，在信号源端输入频率为1-5kHz的正弦波和方波检测信号，分别对具备大气信道检测补偿的闭环系统和不具备信道补偿的开环系统进行无线光通信测试，并用示波器检测各系统的光发射机和光接收机的信号传输波形。如图6所示，分别为常规的开环无线光通信系统和信道补偿的闭环无线光通信系统输出的正弦波和方波信号。结果表明常规的开环无线光通信系统输出的信号信噪比较低，传输信号受大气信道的衰减和背景光的干扰较严重，系统的稳定性和可靠性较差；通过信道补偿的闭环无线光通信系统传输时，系统输出信号信噪比得到了显著提高，能够有效补偿大气的衰减和抑制背景环境的干扰，系统的通信质量得到明显的改善。AB图 6:A) 无补偿开环通信系统正弦波信号传输. B) 信道补偿闭环通信系统正弦波信号传输 C) 无补偿开环通信系统方波信号传输. D) 信道补偿闭环通信系统方波信号传输CD在保证通信链路畅通后，开始检测无线光通信系统的模拟语音信号的传输性能。电话机发出的模拟语音信号通过光发射机调制成光信号发射到空气中，光接收机将衰减后的光信号解调并补偿还原成原始的语音信号返回给电话机。传输的声音清晰洪亮，收发端的波形如图7所示，图下端为发射机波形，上端为接收机波形，波形形状保持良好，信噪比较高，没有失真变形现象。图7无线光通信语音信号传输波形 最后开始检测无线光通信系统的数字信号的传输性能。将信号源的输入端接到单片机的串口输出端TXD，信号宿的输出端接到单片机的串口输如端RXD。通过设置发射端单片机的传送数值，接收端的单片机能实时正确的显示相应数值，收发端数字信号传输的波形如图8所示。结果表明接收信号的上升时间和下降时间较短，波形保持良好，传输信号的误码率较低，数字通信链路畅通，能够顺利实现数字信号的大气无线光通信。 图 8无线光通信语数字信号传输波形5结论 本文提出了一种区别于光纤通信系统、适合于大气随机信道传输的无线光通信系统，并实现了该系统的光发射机和光接收机的设计。详细分析了无线光发射机和无线光接收机的工作原理和结构设计，并对该系统进行了模拟信道和数字信道的大气无线激光多媒体通信测试试验。通过实验验证，该系统不仅能成功的实现高速率、远距离的激光无线通信，而且能有效的补偿大气随机信道对传输信号的衰减损耗，提高系统的通信质量，具有很大的实用价值。Transceiver Design and Realization for Free Space Optical Communication Abstract: A novel free space optical communication system for atmospheric stochastic channel is proposed, Operating principle and structural design of wireless optical transmitter and wireless optical receiver are analyzed in detail. Further, experiments of atmospheric wireless optical communications for analog signal and digital signal multimedia are carried on. This design not only reduces the system cost greatly, but also effectively compensates transmitting signal for attenuation loss in atmosphere stochastic channel, and enhances communication performance.Key word: Free space optical communications; Wireless optical transmitter; Wireless optical receiver; Atmospheric stochastic channel; Attenuation loss参考文献1 Tan J Y, Wang C Z,Wei J G . Free space optical communication technology and its application analysis J.Radio Engineering, 2003, 33(9):41-43. 2 Tan L Y, Ma J Huang B. Intersatellite optical communication system and its development J.Telecommunication Science, 1999,15(1):34-36 (in Chinese with an English abstract).3 Zhang Y H, Huo Y R. Status and development trends of free space optical communication J.China Data Communication, 2004,6(12):78-82.4 Ke X Z, Xi X L. 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