基于单LED的无线紫外光通信系统设计与实现
来源:维库电子 作者:--- 时间:2012-02-10 00:00
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。
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