无线光通信系统课程设计简易无线光通信系统设计论文.docx
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无线光通信系统课程设计简易无线光通信系统设计论文
光电子课程设计（第一版）
设计题目：
简易无线光通信系统设计
主要容
1简易无线光通信发射部分设计
2简易无线光通信接收部分设计
3LABVIEW解调
第1章无线光通信介绍
1.1无线光通信的概述
激光通信是当今社会信息传播的最重要、最常规的手段。
按照传输介质的不同，激光通信可分为光纤通信、自由空间光通信和水下通信。
自由空间光通信（FreeSpaceOpticsComunication，简称FSO），也称为无线激光通信，是一种通过激光在大气信道中实现点对点、点对多点或多点对多点间语音、数据、图像信息的双向通信技术。
广义的自由空间光通信系统包括星际间的通信和大气间的通信，狭义的自由空间光通信系统就是指大气间的无线传输。
现代的通信网主要由传输网、交换网和接入网三大部分组成。
在上个世纪末的光纤网络建设热潮中，业者把重点放在骨干网络上，目前，我国许多城市己基本实现光纤到路边（FTTC），光纤到小区（FTTZ），而接入网由于建设技术复杂、实施难度大与耗资庞大而成为通信网建设中的“瓶颈”（即“最后一公里”问题），发展较为缓慢。
当前有很多接入技术可供用户选择，如光纤，本地多点分配业务（LMDS）、数字用户线（DSL）、射频技术以与空间光通信（FSO）等。
其中光纤传输无疑是最可靠的通信方式，但光纤铺设的周期长，费用高以与在某些地方不易铺设，这些都限制了光纤的普与;LMDS比FSO的传输距离远，但这种接入方式需要高额的初始投资;铜缆的带宽太低，难以满足人们对带宽日益增长的需求。
相比较而言，FSO技术既能提供类似光纤传输的速率，又无需在频谱等稀有资源方面有很大的初始投资;另外，激光技术的进步已经使耐用可靠的器件变得很便宜，大大降低了FSO设备的造价。
因此，在目前许多企业和机构都不具备光纤线路，但又需要较高速率的情况下不失为一种解决“最后一公里”瓶颈问题的有效途径之一。
1.2FSO系统组成与工作原理
最初的无线光通信系统与无线电系统的结构大致一样，其原理如图1所示。
待传送的信号经过编码器编码后，加载到调制器的激励器上，调制器的激励电流就随着信号的变化规律变化，激光器的输出信号经过调制器调制之后，相关的参数（强度、相位、振幅和偏振）就会按照相应的规律变化。
最后经过光学天线变换为发散角很小的已调光束向空间发射出去。
接收端接收到已调光束之后，首先经过光检测器转换成射频电流，然后馈入射频检波器，最后由解码器解调出原来的信号。
其中光学天线就是望远镜。
图1无线激光通信原理图
后来为了提高FSO通信的有效性和可靠性，在FSO系统常还包括ATP（Acquisition、TrackingandPointing）功能的光学系统，用来实现链路的捕获、追踪和瞄准。
FSO的实物图见图2。
[1]
图2FSO实物（单收单发型）
1.3FSO发射部分的原理
光学发射端机的设计取决于要求的传输距离，传输速率以与FSO系统的具体应用场合。
一旦FSO系统的应用场合确定了，光学发射端机中的几个重要的参数选择随之确定，这些参数包括:
光源的工作波长、系统有无跟踪系统、发射与接收机的个数以与光电探测器直接耦合还是光纤耦合。
1.4光源
1.工作波长
无线光通信波长选择有两个条件：
一是对眼睛没有伤害；二是处在大气低损耗窗口。
我们将透过率较高的波段称为"大气窗口"，如图3所示，
红外波段的大气窗口有780nm~850nm与1520nm~1600nm。
780nm和850nm的器件由于成本较低，在过去受到很多公司的青睐。
波段在152Onm~1600nm的光载波更适合FSO系统，这个波长可以利用EDFA技术，这对大功率（>500mW）和高速（>2.SGbit/s）的FSO系统而言非常重要。
同时由于人眼对不同波长的光的敏感程度不同，在人眼安全围，1520nm~1600nm波段的光源所允许的发射功率是780nm~850nm波段光源的50~65倍。
图3光波在大气中的衰减
2.光源的选择
从市场需求程度来说，只有调制速率能够达到20Mbit/s此到2.5Gbit/s的激光器才符合要求。
另外，光源的调制方式与调制之后的光功率也是我们选择光源时需要考虑的重要问题。
因此，FSO系统的光源必须满足下面的条件：
l）能够提供足够大的功率
2）调制速率高
3）功耗低
4）工作的温度围较大
因此，对于短波长的FSO系统，通常采用垂直腔面发射激光器（VCSEL）作为光源，对于长波长的FSO系统，通常选择分布反馈式（DFB）激光器作为光源。
[2]
1.5FSO的优缺点
FSO的优势
（1）安全性好。
由于FSO通信的光束是窄波束和视距传输（LineofSight,LOS）、定向性强，不象无线传输那样会向其它方向辐射，因此它比无线电链路具有更强的性。
如果窃密者想窃取FSO通信的数据信号，只能把接收器直接置于光束路径当中，而且还要严格地对准发射器，通过捕获光束去获得数据。
这样一来，光路被中断，数据停止发送，窃密者不仅得不到数据，而且马上会被人发现。
（2）使用频谱无须申请批准。
全球都开放300GHz以上电磁波频段的应用。
FSO通信使用的频谱在300GHz以上，不须申请频段许可证就可以使用。
它的窄波束和视距传输决定了系统外不存在同频干扰，因此，在系统能够在同一地点应用若干套发射器和接收器同时工作，不会互相影响，与系统外的无线电设备也互不干扰，这些特点给FSO通信的广泛应用提供了良好的基础。
（3）扩容性好。
FSO通信的设备升级容易，其开放的接口支持多种厂商的设备，而且系统在需要增加用户的节点时，原有网络的结构和设备仍可以使用，只要在原来基础上增添新的节点和设备就可以了，系统的扩容性好，起始投资少，缩短了投资回报期。
（4）安装方便快捷。
设备的安装十分简单，只需要一天左右的时间便可以完成安装和调试任务，在不适宜有线敷设的地方以与机动、临时性的场所，它能发挥优越性。
2.4.2FSO的缺点
无线光通信在大气层中利用光束传送信号，大气对激光具有吸收与散射的作用，同时由于大气始终运动状态，还必须考虑大气湍流效应对FSO通信的影响。
另外对人身安全性也存在疑虑。
（1）气对信号的衰减。
主要的衰减来自雾,雾对红外光的作用,类似于雨引起微波的衰落。
由于雾中水气微粒对光线的散射作用,使得传送的光线逐渐变弱。
对于这种大气现象处理的方式与微波通信中对待雨衰相似。
要在系统传输的计算中为光信号的衰减留有足够的系统功率余度。
以便在出现浓雾的情况下,仍能接收到所需的光信号功率。
（2）大气引起的漂移。
实用的光无线通信系统还需要保证收发两点之间光信号良好的准直稳定。
使发送的光信号在接收端,光瓣能够覆盖接收机望远镜,不会因为大气折射率的起伏而漂离目标。
克服这缺陷的常用方式,是有意使发射光束展宽,保证光信号始终能够被接收。
（3）建筑物晃动对激光对准的影响。
对光无线通信来说,为了保证光传输链路的性能,光链路两端的对准（捕获）和保持（跟踪）至关重要。
但在对准以后,在风力和其他因素的作用下,建筑物会有些晃动,这就要求链路两端设备都必须具备自动跟踪的能力。
（4）人身安全问题。
由于这类系统采用的,是毫瓦级的小功率光源,其主要的危险是激光对肉眼造成的。
国际电工委员会针对激光对肉眼的安全,规定了一种激光光源指标,这类光源即使肉眼直接观察也可保证安全。
厂商的产品,只要符合此标准,是不会对人体构成损伤的。
[4]
2.5FSO的应用
目前，近距离固定点间的FSO已经在实际中得到了应用，具体有：
（1）FSO在局域网连接中的应用
图4无线光通信在局域网连接中的应用
（2）FSO在城域网与边缘网中的应用
目前，城域网的建设可谓日新月异，通信带宽可达10Gbit/s，已基本上能够满足数据通信的需求。
但随着城市的发展，以往的效区也在逐渐被纳入城市之中来，因此如何高效、低成本地对城域网进行扩展与迅速占领新市场，已成为各大电信运营商十分关注的问题。
于是纷纷采用FSO技术来实现这一目的，图2－5所示的就是一种采用FSO技术解决边缘网的方案。
在这种方案中，FSO技术集中展现了带宽、方便、快捷、灵活的优势。
图5城域网的建设与扩展
（3）FSO在最后一公里接入的应用
由于对Internet需求不断地增长，越来越多的公司、团体和个人，特别是大型企业都要求以宽带的方式加入Internet。
当然，宽带接入的方式有很多，如ADSL、ISDN、FTTB+LAN等，但由于受各种因互的限制，例如公路开挖，第三地区无法使用微波等，现有的接入方式在解决宽带接入方面均有所不足，因此FSO就成了一种可知地的解决方案，如图6所示。
图6光纤到楼
FSO除了以上应用外，还有一处是在卫星间、卫星与地面站间的应用，如图7所示。
由于这是一种远距离通信的应用，目前仍在研发之中，但卫星间光通信具有容量大，不需要ITU协调等优势，可以预言，在不久的将来必将成为最主要的通信手段。
[5]
图7无线光通信在卫星间、卫星与地面站间通信的应用
第2章简易无线光通信发射部份设计
2.1原理
整个商用的FSO发射系统是相当复杂的，本设计只考虑最基础和最必要的部分来完成简易无线光通信发射部分的设计。
本设计包括模拟发送模块和数字发送模块两部分。
模拟发送模块原理框图如图1所示，先把信号进行放大,然后直接就可以通过LD驱动电路把信号以光的形式发送出去。
图1模拟发送模块原理框图
数字发送模块原理框图如图2所示，先把放大的语音信号通过AD转换电路把模拟信号转变为数字信号,再通过并入串出转换器把并行的信号转变为串行的信号,最后通过LD驱动电路把串行的信号以光的形式发送出去。
图2数字发送模块原理框图
2.2FSO模拟发射模块电路
2.3LD驱动电路
图LD驱动电路
电阻R6为三极管的直流偏置电阻，保证三极管VT1工作在线性放大状态下。
音频信号通过电容C2送到三极管VT1的基极，使三极管的基极电流随着音频信号的变化而变化。
共射电路能为激光二极管提供大的电流，这样使接在三极管集电极上的激光二极管中的电流受到音频信号的调制，通过激光光束把音频信号传输出去。
2.3.1音乐芯片发送模块电路（基本要求设计一）
图音乐芯片发送模块电路
如上图所示，音乐芯片输出的声音信号比较大，用放大直接通过电容C2把信号加载在三极管的基极上，使接在三极管集电极上的激光二极管中的电流受到音乐信号的调制，通过激光光束把音频信号传输出去。
2.3.2语音模拟发送模块电路（基本要求设计二）
图8语音模拟发送模块电路
图8中，小话筒MIC可以将声音信号转变为电信号，可调电阻器R1为小话筒的工作提供一个合适的工作电压。
电容C1起着隔直通交的作用，把音频信号加到运算放大器的反向输入端，再又运算放大器把语音信号放大。
最后把信号加载在三极管的基极上，使接在三极管集电极上的激光二极管中的电流受到音频信号的调制，通过激光光束把语音信号传输出去。
2.4FSO数字发送模块电路（中高级要求设计三）
2.5A/D转换电路
A/D转换器是一种能把输入模拟电压或电流变成与它成正比的数字量，即能把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息。
A/D转换器从原理上通常分为以下四种：
计数器式、双积分式、逐次逼近式和并行式。
ADC0804是CMOS集成工艺制成的逐次比较型A/D转换器芯片。
分辨率为8位，转换时间为100μs，输出电压围为0～5V，增加某些外部电路后，输入模拟电压可为±5V。
该芯片有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接到CPU的数据总线上，无需附加逻辑接口电路。
ADC0804的引脚图见图10所示，ADC0804的控制信号的时序图见图11，单片机读取ADC0804信号的过程是：
单片机送一个低电平到WR以启动ADC0804；AD转换结束之后，INTR送出低电平请求单片机来提取数据；单片机要来提取数据之前，送一个低电平到RD来通知ADC0804；最后单片机读取总线的数据。
图10ADC0804引脚图
图11ADC0804控制信号的时序图
本设计模数转换是连续转换的，具体的连线图如图12所示，ADC0804接受外部时钟脉冲，
，INTR接WR，这样可以令INTR引脚输出的完成转换信号，成为WR引脚的开始转换信号。
[7]
图12ADC0804实际接线图
2.5.1单片机处理电路
本系统单片机芯片使用：
AT89C52
AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片含8kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统与8052产品引脚兼容，片置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大。
AT89C52单片机适用于许多较为复杂控制应用场合。
主要性能参数：
与MCS-51产品指令和引脚完全兼容、8k字节可重擦写Flash闪速存储器、1000次擦写周期、全静态操作：
0HZ——24Mhz、三级加密程序存储器256×8字节部RAM、32个可编程I/O口线、3个16位定时/计数器、8个中断源、可编程串行UART通道、低功耗空闲和掉电模式、功能特性概述：
AT89C52提供以下标准功能：
8k字节Flash闪速存储器，256字节部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串口通信口，片振荡器与时钟电路。
同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信与中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。
图13单片机芯片引脚图图14单片机芯片接线图
2.5.2语音数字发送模块电路
语音信号经过放大后，通过ADC0804转为数字信号，然后单片机把并行的信号转为串行的信号，最后通过LD驱动电路把信号以光的形式发送出去，语音数字发送模块电路具体的接线如图15所示。
图15语音数字发送模块电路
2.6器件选择与其参数
2.6.1
激光笔
激光笔是由一个半导体激光二极管和一个68Ω限流电阻组成。
具体有关参数如下：
额定电压：
4.5V；
工作电流：
10mA~20mA；
输出波长：
630nm~650nm；
输出功率：
1mW；
工作温度：
0℃～＋40℃
图1激光笔
激光笔里面已经安装了可调焦的透镜模组，固定焦、红色点状光斑、连续输出，连续使用寿命>5000小时。
激光灯对眼睛会有损害，使用时不能直射眼睛。
激光笔原使用三节AG13型纽扣电池，它的金属外壳接电源正极，壳有一根小弹簧接电源负极，本设计不使用原来的电池，改为外接电源。
具体的接法是：
把按钮短路，再用两根导线分别焊接金属外壳和里面的小弹簧，最后把这两根导线连接在电路里面。
2.6.2话筒
本设计采用驻极体话筒，驻极体话筒基本结构可以用图2来表示：
图2驻极体话筒的基本结构
话筒的基本结构由一片单面涂有金属的驻极体薄膜与一个上面有若干小孔的金属电极（背称为背电极）构成。
驻极体面与背电极相对，中间有一个极小的空气隙，形成一个以空气隙和驻极体作绝缘介质，以背电极和驻极体上的金属层作为两个电极构成一个平板电容器。
电容的两极之间有输出电极。
由于驻极体薄膜上分布有自由电荷。
当声波引起驻极体薄膜振动而产生位移时；改变了电容两极版之间的距离，从而引起电容的容量发生变化，由于驻极体上的电荷数始终保持恒定，根据公式：
Q=CU所以当C变化时必然引起电容器两端电压U的变化，从而输出电信号，实现声—电的变换。
由于实际电容器的电容量很小，输出的电信号极为微弱，输出阻抗极高，可达数百兆欧以上。
因此，它不能直接与放大电路相连接，必须连接阻抗变换器。
通常用一个专用的场效应管和一个二极管复合组成阻抗变换器。
部电气原理如图3，驻极体话筒必须满足一定的偏置条件才能正常工作。
（实际上就是保证置场效应管始终处于放大状态）[8]
图3驻极体话筒的偏置电路
2.6.3音乐芯片
音乐芯片的型号是LX9300，典型的管脚接线图如图4，通电后按钮没有闭合，电路处于待机状态，当按下按钮后，触发端得到触发信号，LX9300输出端输出“至爱丽丝”的音乐信号，当响完一次后，又回到待机状态，等待下一次触发。
图4音乐芯片的典型接法
2.6.4NE5532的简介
NE5532是高性能低噪声双运放，它具有较好的噪声性能，优良的输出驱动能力与相当高的小信号与电源带宽。
用作音频放大时音色温暖，保真度高。
NE5532的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。
特性如下:
图5NE5532管脚图
（1）小信号带宽：
10MHz；
（2）输出驱动能力：
600Ω，10V；
（3）工作温度围：
0℃～70℃；
（4）DC电压增益：
50000；
（5）AC电压增益：
10KHz时2200；
（6）电源带宽：
140KHz；
（7）转换速率：
9V/μS；
（8）大电源电压围：
±3～±20V。
2.7简易FSO发射模块的制作与调试
2.7.1LD驱动电路的调试
激光发射装置的工作电压为4.5V。
电路的工作电流约为15mA，三极管的集电极电压应为1V~1.5V。
如果不合适，可以调整电阻器R6的大小，R6的阻值越小，集电极的电压越低。
同时R6阻值的变化会影响到三极管的静态工作点，用3KHz，100mV的正弦信号在R5端输入，调节R6可以看到以下的波形，图中上面的信号是输入信号，下面的是输出信号：
E
B
C
信号状态
1
1.80V
0.72V
0V
不失真，见图2
2
2.14V
0.71V
0V
底部失真，见图3
3
3.19V
0.67V
0V
顶部失真，见图4
图2输出信号不失真
图3输出信号底部失真
图4输出信号顶部失真
由于这种激光笔的功率很小，在黑暗的环境能够在20~30m清晰地看到光斑，白天由于在各种环境光的干扰下，传输的距离会有所减小，光为可见的红色激光，信号在大气的衰减很大，本设计能在15m左右把信号发送出去。
2.7.2音乐芯片发送模块的调试
音乐芯片的输出的信号频率不断变化的矩形波，调节R6使三极管处于不失真放大的状态，可以看到音乐芯片的输出信号和放大后的信号。
2.7.3语音信号模块的调试
首先，如果话筒不灵敏或话音很小，要调节R1的电阻，使驻极体话筒上面有一个合适的偏压，使话音引起的电压变化围增大，如图6所示，话筒的信号经过放大到激光笔两端时的波形如图7所示，噪音比较大。
图6话筒的信号
图7话筒放大后的信号
2.7.4数字发送模块的调试
在ADC0804的输入端输入3.8V电压，单片机的输出的信号和经过LD驱动电路的信号如图8所示，当在ADC0804的输入端接入话筒的信号时，单片机没有输出波形。
测量ADC0804的输入电压，电压为1.32V～2.05V，语音信号变化很快，ADC0804不能准确去读取到信号，单片机没有输出信号。
图8单片机的输出的信号和经过LD驱动电路的信号
2.7.5单片机的程序调试（中级要求设计四）
1.单片机的程序
org0000h
jmpmain
org30h
main:
movp2,p1;读取ADC0804的输出信号
movr1,#8
shuchu:
mova,p2
rla
movp2,a;把读取的信号从高位到低位
calldel1;移位发送出去
nop
djnzr1,shu
calldel2
jmpmain
del1:
movr6,#4
djnzr6,$
ret
del2:
movr5,#40
djnzr5,$
ret
end
第3章简易无线光通信接收部分的设计
光电二极管的光接收模块：
光电探测器的选择、信号放大电路的设计
接收部分的噪声、动态围、灵敏度分析
3.1系统整体设计方案
3.1.1无线光通信系统组成
本文中介绍的是一种传输单路图像的无线光通信系统，它的基本组成如图1所示。
其结构与光纤通信系统相似，区别只在于信息传输媒体由光纤变成大气，并增加了光学系统。
图1大气激光通信系统简图
光发射模块主要实现光电转换，由输入、驱动级、光发射器件组成。
在系统接收端，光学天线将空间传播的激光信号汇聚到接收模块中的光接收器件表面，光接收器件将激光信号转换为电信号后经过放大器进行放大，最后还原出原传输信息。
光接收器件与放大器为光接收模块的关键部分，光接收器件可选用PIN或APD，APD具有增益和较高灵敏度的特点，而PIN则具有使用简单的特点。
在设计中要选择量子效率高、灵敏度高、响应速度快、噪声小的光电探测器，放大器的噪声性能对于整个系统的信噪比等关键参数至关重要，所以必须精心设计以最大限度地减小噪声。
3.1.2系统的技术指标
在无线光通信系统中，光学接收部分设计的好坏很大程度上决定了通信系统的性能。
因此，接收部分的设计非常重要，光学接收组件应尽可能地将光束汇聚成理想的光斑，以便光电检测器接收。
在设计中要选择量子效率高、灵敏度高、响应速度快、噪声小的光电探测器。
发射端光学天线主要将激光器光束的发散角压缩后再通过发射透镜进一步准直成毫弧度级光束；接收端光学天线的作用是将接收到的空间激光信号收集并汇聚到光接收器件的有效接收表面。
系统主要技术指标见表1
表1系统主要设计指标
系统参数
设计要求指标
传输波长
650nm
接收器件
Si光电二极管
通信距离
100m左右
光束发散角
1mrad
工作温度
25℃~30℃
发射光功率
1mW
电源电压
9VAC
在给定的传输速率与传输距离的条件下，合理设计所用激光器、光探测器和光学天线的主要技术参数，是保证自由空间通信系统在各种天气条件下正常通信的前提。
系统设计指标如图3所示：
图3系统设计指标设计图
由上图可见，合理地增大输出光功率，减小光发射器件的光学发散角，在系统体积允许的情况下增大光学接收天线的有效接收面积，选择灵敏度高的光接收器件以与减少光学通道中的损耗都有助于增大系统的传输距离。
3.2光接收部分的设计
3.2.1光接收部分的基本原理与结构
光接收部分的设计考虑
光接收部分的作用是将接收天线接收到的微弱光信号转换成电信号，并进行放大输出。
它主要由光电探测、信号放大电路、自动增益控制电路、信号还原与输出等部分构成。
设计时，元器件的选择和单元电路的设计尽量采用成熟的单元电路功能模块；此外，设计时除了认真研究分析电子线路中的量子噪声、热噪声、散弹噪声外，还要考虑恶劣气候（雨、雾、雪、湍流等）出现的附加噪声；放大器将信号和噪声幅值提高到某一水平，使后续阶段的并发噪声对全局信噪比的影响可以忽略不计；最后，如何减少背景光的干扰也是光接收端机设计时需要考虑的一个问题[6]。
光接收部分的基本结构与原理
光发射机发射的光信号经传输后，幅度衰减了，光接收部分的作用是把接收到的微弱的光信号汇聚后转化成电信号，用作其他设备或者通讯系统的输入，接收部分的基本功能组成如下：
（1）光学天线——把光的能量进行汇聚；
（2）探测器——将接收到的光信号转变成电信号；（3）放大器——放大信号；（4）信号输出。
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