無線光通信系統(tǒng)課程設(shè)計簡易無線光通信系統(tǒng)設(shè)計論文

1、 .PAGE183 / NUMPAGES183光電子課程設(shè)計( 第一版)設(shè)計題目：簡易無線光通信系統(tǒng)設(shè)計主要容1 簡易無線光通信發(fā)射部分設(shè)計2 簡易無線光通信接收部分設(shè)計3 LABVIEW解調(diào) 無線光通信介紹無線光通信的概述激光通信是當(dāng)今社會信息傳播的最重要、最常規(guī)的手段。按照傳輸介質(zhì)的不同，激光通信可分為光纖通信、自由空間光通信和水下通信。自由空間光通信 (Free Space Optics Comunication，簡稱FSO)，也稱為無線激光通信，是一種通過激光在大氣信道中實現(xiàn)點對點、點對多點或多點對多點間語音、數(shù)據(jù)、圖像信息的雙向通信技術(shù)。廣義的自由空間光通信系統(tǒng)包括星際間的通信和大氣

2、間的通信，狹義的自由空間光通信系統(tǒng)就是指大氣間的無線傳輸?，F(xiàn)代的通信網(wǎng)主要由傳輸網(wǎng)、交換網(wǎng)和接入網(wǎng)三大部分組成。在上個世紀(jì)末的光纖網(wǎng)絡(luò)建設(shè)熱潮中，業(yè)者把重點放在骨干網(wǎng)絡(luò)上，目前，我國許多城市己基本實現(xiàn)光纖到路邊(FTTC)，光纖到小區(qū)(FTTZ)，而接入網(wǎng)由于建設(shè)技術(shù)復(fù)雜、實施難度大與耗資龐大而成為通信網(wǎng)建設(shè)中的“瓶頸”(即“最后一公里”問題)，發(fā)展較為緩慢。當(dāng)前有很多接入技術(shù)可供用戶選擇，如光纖，本地多點分配業(yè)務(wù) (LMDS)、數(shù)字用戶線(DSL)、射頻技術(shù)以與空間光通信(FSO)等。其中光纖傳輸無疑是最可靠的通信方式，但光纖鋪設(shè)的周期長，費用高以與在某些地方不易鋪設(shè)，這些都限制了光纖的普與

3、;LMDS比FSO的傳輸距離遠，但這種接入方式需要高額的初始投資;銅纜的帶寬太低，難以滿足人們對帶寬日益增長的需求。相比較而言，F(xiàn)SO技術(shù)既能提供類似光纖傳輸?shù)乃俾剩譄o需在頻譜等稀有資源方面有很大的初始投資;另外，激光技術(shù)的進步已經(jīng)使耐用可靠的器件變得很便宜，大大降低了FSO設(shè)備的造價。因此，在目前許多企業(yè)和機構(gòu)都不具備光纖線路，但又需要較高速率的情況下不失為一種解決“最后一公里”瓶頸問題的有效途徑之一。FSO系統(tǒng)組成與工作原理最初的無線光通信系統(tǒng)與無線電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大致一樣，其原理如圖1所示。待傳送的信號經(jīng)過編碼器編碼后，加載到調(diào)制器的激勵器上，調(diào)制器的激勵電流就隨著信號的變化規(guī)律變化，激光

4、器的輸出信號經(jīng)過調(diào)制器調(diào)制之后，相關(guān)的參數(shù)（強度、相位、振幅和偏振）就會按照相應(yīng)的規(guī)律變化。最后經(jīng)過光學(xué)天線變換為發(fā)散角很小的已調(diào)光束向空間發(fā)射出去。接收端接收到已調(diào)光束之后，首先經(jīng)過光檢測器轉(zhuǎn)換成射頻電流，然后饋入射頻檢波器，最后由解碼器解調(diào)出原來的信號。其中光學(xué)天線就是望遠鏡。激光器調(diào)制器發(fā)射機光學(xué)天線接收機光學(xué)天線調(diào)制器激勵器編碼器光學(xué)接收機無線電接收機解碼器信息信號已還原信息信號圖1 無線激光通信原理圖后來為了提高FSO通信的有效性和可靠性，在FSO系統(tǒng)常還包括ATP（Acquisition、Tracking and Pointing）功能的光學(xué)系統(tǒng)，用來實現(xiàn)鏈路的捕獲、追蹤和瞄準(zhǔn)。F

5、SO的實物圖見圖2。1圖2 FSO實物（單收單發(fā)型）FSO發(fā)射部分的原理光學(xué)發(fā)射端機的設(shè)計取決于要求的傳輸距離，傳輸速率以與FSO系統(tǒng)的具體應(yīng)用場合。一旦FSO系統(tǒng)的應(yīng)用場合確定了，光學(xué)發(fā)射端機中的幾個重要的參數(shù)選擇隨之確定，這些參數(shù)包括:光源的工作波長、系統(tǒng)有無跟蹤系統(tǒng)、發(fā)射與接收機的個數(shù)以與光電探測器直接耦合還是光纖耦合。光源1.工作波長無線光通信波長選擇有兩個條件：一是對眼睛沒有傷害；二是處在大氣低損耗窗口。我們將透過率較高的波段稱為大氣窗口，如圖3所示，紅外波段的大氣窗口有 780nm850nm與1520nm1600nm。780nm和850nm的器件由于成本較低，在過去受到很多公司的青

6、睞。波段在152Onm1600nm的光載波更適合FSO系統(tǒng)，這個波長可以利用EDFA技術(shù)，這對大功率(500mW)和高速(2.SGbit/s)的FSO系統(tǒng)而言非常重要。同時由于人眼對不同波長的光的敏感程度不同，在人眼安全圍，1520nm1600nm波段的光源所允許的發(fā)射功率是780nm850nm波段光源的5065倍。 圖3 光波在大氣中的衰減2. 光源的選擇從市場需求程度來說，只有調(diào)制速率能夠達到20Mbit/s此到2.5Gbit/s的激光器才符合要求。另外，光源的調(diào)制方式與調(diào)制之后的光功率也是我們選擇光源時需要考慮的重要問題。因此，F(xiàn)SO系統(tǒng)的光源必須滿足下面的條件：l)能夠提供足夠大的功率

7、2)調(diào)制速率高3)功耗低4)工作的溫度圍較大因此，對于短波長的FSO系統(tǒng)，通常采用垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)作為光源，對于長波長的FSO系統(tǒng)，通常選擇分布反饋式(DFB)激光器作為光源。2 FSO的優(yōu)缺點FSO的優(yōu)勢(1)安全性好。由于FSO通信的光束是窄波束和視距傳輸（Line of Sight, LOS） 、定向性強，不象無線傳輸那樣會向其它方向輻射，因此它比無線電鏈路具有更強的性。如果竊密者想竊取FSO通信的數(shù)據(jù)信號，只能把接收器直接置于光束路徑當(dāng)中，而且還要嚴格地對準(zhǔn)發(fā)射器，通過捕獲光束去獲得數(shù)據(jù)。這樣一來，光路被中斷，數(shù)據(jù)停止發(fā)送，竊密者不僅得不到數(shù)據(jù)，而且馬上會被人發(fā)現(xiàn)。 (

8、2)使用頻譜無須申請批準(zhǔn)。全球都開放300GHz 以上電磁波頻段的應(yīng)用。FSO通信使用的頻譜在300GHz以上，不須申請頻段許可證就可以使用。它的窄波束和視距傳輸決定了系統(tǒng)外不存在同頻干擾，因此，在系統(tǒng)能夠在同一地點應(yīng)用若干套發(fā)射器和接收器同時工作，不會互相影響，與系統(tǒng)外的無線電設(shè)備也互不干擾，這些特點給FSO通信的廣泛應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)。 (3) 擴容性好。FSO通信的設(shè)備升級容易，其開放的接口支持多種廠商的設(shè)備，而且系統(tǒng)在需要增加用戶的節(jié)點時，原有網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和設(shè)備仍可以使用，只要在原來基礎(chǔ)上增添新的節(jié)點和設(shè)備就可以了，系統(tǒng)的擴容性好，起始投資少，縮短了投資回報期。 (4)安裝方便快捷。設(shè)

9、備的安裝十分簡單，只需要一天左右的時間便可以完成安裝和調(diào)試任務(wù)，在不適宜有線敷設(shè)的地方以與機動、臨時性的場所，它能發(fā)揮優(yōu)越性。2.4.2 FSO的缺點無線光通信在大氣層中利用光束傳送信號，大氣對激光具有吸收與散射的作用，同時由于大氣始終運動狀態(tài)，還必須考慮大氣湍流效應(yīng)對FSO通信的影響。另外對人身安全性也存在疑慮。(1) 氣對信號的衰減。主要的衰減來自霧,霧對紅外光的作用,類似于雨引起微波的衰落。由于霧中水氣微粒對光線的散射作用,使得傳送的光線逐漸變?nèi)?。對于這種大氣現(xiàn)象處理的方式與微波通信中對待雨衰相似。要在系統(tǒng)傳輸?shù)挠嬎阒袨楣庑盘柕乃p留有足夠的系統(tǒng)功率余度。以便在出現(xiàn)濃霧的情況下,仍能接收

10、到所需的光信號功率。(2)大氣引起的漂移。實用的光無線通信系統(tǒng)還需要保證收發(fā)兩點之間光信號良好的準(zhǔn)直穩(wěn)定。使發(fā)送的光信號在接收端,光瓣能夠覆蓋接收機望遠鏡,不會因為大氣折射率的起伏而漂離目標(biāo)?？朔@缺陷的常用方式,是有意使發(fā)射光束展寬,保證光信號始終能夠被接收。(3)建筑物晃動對激光對準(zhǔn)的影響。對光無線通信來說,為了保證光傳輸鏈路的性能,光鏈路兩端的對準(zhǔn)(捕獲)和保持(跟蹤) 至關(guān)重要。但在對準(zhǔn)以后,在風(fēng)力和其他因素的作用下,建筑物會有些晃動,這就要求鏈路兩端設(shè)備都必須具備自動跟蹤的能力。(4)人身安全問題。由于這類系統(tǒng)采用的,是毫瓦級的小功率光源,其主要的危險是激光對肉眼造成的。國際電工委員

11、會針對激光對肉眼的安全,規(guī)定了一種激光光源指標(biāo),這類光源即使肉眼直接觀察也可保證安全。廠商的產(chǎn)品,只要符合此標(biāo)準(zhǔn), 是不會對人體構(gòu)成損傷的。42.5 FSO的應(yīng)用目前，近距離固定點間的FSO已經(jīng)在實際中得到了應(yīng)用，具體有：（1）FSO在局域網(wǎng)連接中的應(yīng)用 圖4 無線光通信在局域網(wǎng)連接中的應(yīng)用（2）FSO在城域網(wǎng)與邊緣網(wǎng)中的應(yīng)用目前，城域網(wǎng)的建設(shè)可謂日新月異，通信帶寬可達10Gbit/s，已基本上能夠滿足數(shù)據(jù)通信的需求。但隨著城市的發(fā)展，以往的效區(qū)也在逐漸被納入城市之中來，因此如何高效、低成本地對城域網(wǎng)進行擴展與迅速占領(lǐng)新市場，已成為各大電信運營商十分關(guān)注的問題。于是紛紛采用FSO技術(shù)來實現(xiàn)這一

12、目的，圖25所示的就是一種采用FSO技術(shù)解決邊緣網(wǎng)的方案。在這種方案中，F(xiàn)SO技術(shù)集中展現(xiàn)了帶寬、方便、快捷、靈活的優(yōu)勢。城市網(wǎng)絡(luò)郊區(qū)網(wǎng)絡(luò) 圖5 城域網(wǎng)的建設(shè)與擴展（3）FSO在最后一公里接入的應(yīng)用由于對Internet需求不斷地增長，越來越多的公司、團體和個人，特別是大型企業(yè)都要求以寬帶的方式加入Internet。當(dāng)然，寬帶接入的方式有很多，如ADSL、ISDN、FTTB+LAN等，但由于受各種因互的限制，例如公路開挖，第三地區(qū)無法使用微波等，現(xiàn)有的接入方式在解決寬帶接入方面均有所不足，因此FSO就成了一種可知地的解決方案，如圖6所示。大樓大樓大樓無線光通信設(shè)備Internet10Mbit/

13、s100Mbit/s無線光通信光纖 圖6 光纖到樓FSO除了以上應(yīng)用外，還有一處是在衛(wèi)星間、衛(wèi)星與地面站間的應(yīng)用，如圖7所示。由于這是一種遠距離通信的應(yīng)用，目前仍在研發(fā)之中，但衛(wèi)星間光通信具有容量大，不需要ITU協(xié)調(diào)等優(yōu)勢，可以預(yù)言，在不久的將來必將成為最主要的通信手段。5圖7 無線光通信在衛(wèi)星間、衛(wèi)星與地面站間通信的應(yīng)用簡易無線光通信發(fā)射部份設(shè)計原理整個商用的FSO發(fā)射系統(tǒng)是相當(dāng)復(fù)雜的，本設(shè)計只考慮最基礎(chǔ)和最必要的部分來完成簡易無線光通信發(fā)射部分的設(shè)計。本設(shè)計包括模擬發(fā)送模塊和數(shù)字發(fā)送模塊兩部分。模擬發(fā)送模塊原理框圖如圖1所示，先把信號進行放大,然后直接就可以通過LD驅(qū)動電路把信號以光的形式

14、發(fā)送出去。音頻信號放大電路LD驅(qū)動電路圖1 模擬發(fā)送模塊原理框圖數(shù)字發(fā)送模塊原理框圖如圖2所示，先把放大的語音信號通過AD轉(zhuǎn)換電路把模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號,再通過并入串出轉(zhuǎn)換器把并行的信號轉(zhuǎn)變?yōu)榇械男盘?最后通過LD驅(qū)動電路把串行的信號以光的形式發(fā)送出去。音頻信號放大電路AD轉(zhuǎn)換電路并入串出轉(zhuǎn)換器LD驅(qū)動電路圖2 數(shù)字發(fā)送模塊原理框圖FSO模擬發(fā)射模塊電路 LD驅(qū)動電路 圖 LD驅(qū)動電路電阻R6為三極管的直流偏置電阻，保證三極管VT1工作在線性放大狀態(tài)下。音頻信號通過電容C2送到三極管VT1的基極，使三極管的基極電流隨著音頻信號的變化而變化。共射電路能為激光二極管提供大的電流，這樣使接在三極

15、管集電極上的激光二極管中的電流受到音頻信號的調(diào)制，通過激光光束把音頻信號傳輸出去。音樂芯片發(fā)送模塊電路（基本要求 設(shè)計一） 圖 音樂芯片發(fā)送模塊電路如上圖所示，音樂芯片輸出的聲音信號比較大，用放大直接通過電容C2把信號加載在三極管的基極上，使接在三極管集電極上的激光二極管中的電流受到音樂信號的調(diào)制，通過激光光束把音頻信號傳輸出去。語音模擬發(fā)送模塊電路（基本要求 設(shè)計二） 圖8 語音模擬發(fā)送模塊電路圖8中，小話筒MIC可以將聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，可調(diào)電阻器R1為小話筒的工作提供一個合適的工作電壓。電容C1起著隔直通交的作用，把音頻信號加到運算放大器的反向輸入端，再又運算放大器把語音信號放大。最后

16、把信號加載在三極管的基極上，使接在三極管集電極上的激光二極管中的電流受到音頻信號的調(diào)制，通過激光光束把語音信號傳輸出去。 FSO數(shù)字發(fā)送模塊電路 (中高級要求 設(shè)計三) A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換器是一種能把輸入模擬電壓或電流變成與它成正比的數(shù)字量，即能把被控對象的各種模擬信息變成計算機可以識別的數(shù)字信息。A/D轉(zhuǎn)換器從原理上通常分為以下四種：計數(shù)器式、雙積分式、逐次逼近式和并行式。ADC0804是CMOS集成工藝制成的逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器芯片。分辨率為8位，轉(zhuǎn)換時間為100s，輸出電壓圍為05V，增加某些外部電路后，輸入模擬電壓可為5V。該芯片有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，當(dāng)與計算機連接時，轉(zhuǎn)換電路的輸

17、出可以直接連接到CPU的數(shù)據(jù)總線上，無需附加邏輯接口電路。ADC0804的引腳圖見圖10所示，ADC0804的控制信號的時序圖見圖11，單片機讀取ADC0804信號的過程是：單片機送一個低電平到WR以啟動ADC0804；AD轉(zhuǎn)換結(jié)束之后，INTR送出低電平請求單片機來提取數(shù)據(jù)；單片機要來提取數(shù)據(jù)之前，送一個低電平到RD來通知ADC0804；最后單片機讀取總線的數(shù)據(jù)。圖10 ADC0804引腳圖 圖11 ADC0804控制信號的時序圖本設(shè)計模數(shù)轉(zhuǎn)換是連續(xù)轉(zhuǎn)換的，具體的連線圖如圖12所示，ADC0804接受外部時鐘脈沖，INTR接WR，這樣可以令I(lǐng)NTR引腳輸出的完成轉(zhuǎn)換信號，成為WR引腳的開始轉(zhuǎn)

18、換信號。7 圖12 ADC0804實際接線圖 單片機處理電路本系統(tǒng)單片機芯片使用：AT89C52AT89C52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片含8k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和256bytes的隨機數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)與8052產(chǎn)品引腳兼容，片置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大。AT89C52單片機適用于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場合。 主要性能參數(shù)：與MCS-51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容、 8k字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲器、 10

19、00次擦寫周期、全靜態(tài)操作：0HZ24Mhz、三級加密程序存儲器2568字節(jié)部RAM、32個可編程I/O口線、3個16位定時/計數(shù)器、8個中斷源、可編程串行UART通道、低功耗空閑和掉電模式、功能特性概述：AT89C52提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash閃速存儲器，256字節(jié)部RAM，32個I/O口線，3個16位定時/計數(shù)器，一個6向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串口通信口，片振蕩器與時鐘電路。同時，AT89C52可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信與中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的容，但振蕩器停止工

20、作并禁止其他所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。圖13 單片機芯片引腳圖 圖14 單片機芯片接線圖語音數(shù)字發(fā)送模塊電路語音信號經(jīng)過放大后，通過ADC0804轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，然后單片機把并行的信號轉(zhuǎn)為串行的信號，最后通過LD驅(qū)動電路把信號以光的形式發(fā)送出去，語音數(shù)字發(fā)送模塊電路具體的接線如圖15所示。圖15 語音數(shù)字發(fā)送模塊電路器件選擇與其參數(shù) 激光筆激光筆是由一個半導(dǎo)體激光二極管和一個68限流電阻組成。具體有關(guān)參數(shù)如下：額定電壓：4.5V；工作電流：10mA20mA；輸出波長：630nm650nm；輸出功率：1mW；工作溫度：040 圖 1 激光筆激光筆里面已經(jīng)安裝了可調(diào)焦的透鏡模組，固定焦、紅色點

21、狀光斑、連續(xù)輸出，連續(xù)使用壽命5000小時。激光燈對眼睛會有損害，使用時不能直射眼睛。激光筆原使用三節(jié)AG13型紐扣電池，它的金屬外殼接電源正極，殼有一根小彈簧接電源負極，本設(shè)計不使用原來的電池，改為外接電源。具體的接法是：把按鈕短路，再用兩根導(dǎo)線分別焊接金屬外殼和里面的小彈簧，最后把這兩根導(dǎo)線連接在電路里面。 話筒本設(shè)計采用駐極體話筒，駐極體話筒基本結(jié)構(gòu)可以用圖2來表示： 圖2駐極體話筒的基本結(jié)構(gòu) 話筒的基本結(jié)構(gòu)由一片單面涂有金屬的駐極體薄膜與一個上面有若干小孔的金屬電極（背稱為背電極）構(gòu)成。駐極體面與背電極相對，中間有一個極小的空氣隙，形成一個以空氣隙和駐極體作絕緣介質(zhì)，以背電極和駐極體上

22、的金屬層作為兩個電極構(gòu)成一個平板電容器。電容的兩極之間有輸出電極。由于駐極體薄膜上分布有自由電荷。當(dāng)聲波引起駐極體薄膜振動而產(chǎn)生位移時；改變了電容兩極版之間的距離，從而引起電容的容量發(fā)生變化，由于駐極體上的電荷數(shù)始終保持恒定，根據(jù)公式：Q =CU 所以當(dāng)C變化時必然引起電容器兩端電壓U的變化，從而輸出電信號，實現(xiàn)聲電的變換。由于實際電容器的電容量很小，輸出的電信號極為微弱，輸出阻抗極高，可達數(shù)百兆歐以上。因此，它不能直接與放大電路相連接，必須連接阻抗變換器。通常用一個專用的場效應(yīng)管和一個二極管復(fù)合組成阻抗變換器。部電氣原理如圖3 ，駐極體話筒必須滿足一定的偏置條件才能正常工作。（實際上就是保證

23、置場效應(yīng)管始終處于放大狀態(tài)）8圖3駐極體話筒的偏置電路 音樂芯片音樂芯片的型號是LX9300，典型的管腳接線圖如圖4，通電后按鈕沒有閉合，電路處于待機狀態(tài)，當(dāng)按下按鈕后，觸發(fā)端得到觸發(fā)信號，LX9300輸出端輸出“至愛麗絲”的音樂信號，當(dāng)響完一次后，又回到待機狀態(tài)，等待下一次觸發(fā)。 圖4 音樂芯片的典型接法 NE5532的簡介NE5532是高性能低噪聲雙運放，它具有較好的噪聲性能，優(yōu)良的輸出驅(qū)動能力與相當(dāng)高的小信號與HYPERLINK :/ dianziaihaozhe /dianyuan/ o 電源電源帶寬。用作音頻放大時音色溫暖，保真度高。NE5532的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片

24、式。特性如下:圖5 NE5532管腳圖（1）小信號帶寬：10MHz； （2）輸出驅(qū)動能力：600，10V； （3）工作溫度圍： 070 ； （4）DC 電壓增益：50000； （5）AC 電壓增益：10KHz 時 2200； （6）電源帶寬：140KHz； （7）轉(zhuǎn)換速率：9V/S； （8）大電源電壓圍：320V。 簡易FSO發(fā)射模塊的制作與調(diào)試LD驅(qū)動電路的調(diào)試激光發(fā)射裝置的工作電壓為4.5V。電路的工作電流約為15mA，三極管的集電極電壓應(yīng)為1V1.5V。如果不合適，可以調(diào)整電阻器R6的大小，R6的阻值越小，集電極的電壓越低。同時R6阻值的變化會影響到三極管的靜態(tài)工作點，用3KHz，100

25、mV的正弦信號在R5端輸入，調(diào)節(jié)R6可以看到以下的波形，圖中上面的信號是輸入信號，下面的是輸出信號：EBC信號狀態(tài)11.80V0.72V0V不失真，見圖222.14V0.71V0V底部失真，見圖333.19V0.67V0V頂部失真，見圖4圖2 輸出信號不失真 圖3 輸出信號底部失真圖4 輸出信號頂部失真由于這種激光筆的功率很小，在黑暗的環(huán)境能夠在2030m清晰地看到光斑，白天由于在各種環(huán)境光的干擾下，傳輸?shù)木嚯x會有所減小，光為可見的紅色激光，信號在大氣的衰減很大，本設(shè)計能在15m左右把信號發(fā)送出去。音樂芯片發(fā)送模塊的調(diào)試音樂芯片的輸出的信號頻率不斷變化的矩形波，調(diào)節(jié)R6使三極管處于不失真放大的

26、狀態(tài)，可以看到音樂芯片的輸出信號和放大后的信號。 語音信號模塊的調(diào)試首先，如果話筒不靈敏或話音很小，要調(diào)節(jié)R1的電阻，使駐極體話筒上面有一個合適的偏壓，使話音引起的電壓變化圍增大，如圖6所示，話筒的信號經(jīng)過放大到激光筆兩端時的波形如圖7所示，噪音比較大。圖6 話筒的信號 圖7 話筒放大后的信號 數(shù)字發(fā)送模塊的調(diào)試在ADC0804的輸入端輸入3.8V電壓，單片機的輸出的信號和經(jīng)過LD驅(qū)動電路的信號如圖8所示，當(dāng)在ADC0804的輸入端接入話筒的信號時，單片機沒有輸出波形。測量ADC0804的輸入電壓，電壓為1.32V2.05V，語音信號變化很快，ADC0804不能準(zhǔn)確去讀取到信號，單片機沒有輸出

27、信號。圖8 單片機的輸出的信號和經(jīng)過LD驅(qū)動電路的信號單片機的程序調(diào)試 （中級要求 設(shè)計四）1.單片機的程序org0000hjmpmainorg30hmain:movp2,p1 ;讀取ADC0804的輸出信號movr1,#8shuchu: mova,p2rlamovp2,a;把讀取的信號從高位到低位calldel1;移位發(fā)送出去nopdjnzr1,shucalldel2jmpmaindel1:movr6,#4djnzr6,$retdel2:movr5,#40djnzr5,$retend簡易無線光通信接收部分的設(shè)計光電二極管的光接收模塊：光電探測器的選擇、信號放大電路的設(shè)計接收部分的噪聲、動態(tài)圍

28、、靈敏度分析系統(tǒng)整體設(shè)計方案無線光通信系統(tǒng)組成本文中介紹的是一種傳輸單路圖像的無線光通信系統(tǒng)，它的基本組成如圖1所示。其結(jié)構(gòu)與光纖通信系統(tǒng)相似，區(qū)別只在于信息傳輸媒體由光纖變成大氣，并增加了光學(xué)系統(tǒng)。放大器驅(qū)動電路激光器信號輸入光電探測器放大電路信號整形電路號輸出圖1 大氣激光通信系統(tǒng)簡圖光發(fā)射模塊主要實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，由輸入、驅(qū)動級、光發(fā)射器件組成。在系統(tǒng)接收端，光學(xué)天線將空間傳播的激光信號匯聚到接收模塊中的光接收器件表面，光接收器件將激光信號轉(zhuǎn)換為電信號后經(jīng)過放大器進行放大，最后還原出原傳輸信息。光接收器件與放大器為光接收模塊的關(guān)鍵部分，光接收器件可選用PIN或APD，APD具有增益和較高靈敏

29、度的特點，而PIN則具有使用簡單的特點。在設(shè)計中要選擇量子效率高、靈敏度高、響應(yīng)速度快、噪聲小的光電探測器，放大器的噪聲性能對于整個系統(tǒng)的信噪比等關(guān)鍵參數(shù)至關(guān)重要，所以必須精心設(shè)計以最大限度地減小噪聲。系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)在無線光通信系統(tǒng)中，光學(xué)接收部分設(shè)計的好壞很大程度上決定了通信系統(tǒng)的性能。因此，接收部分的設(shè)計非常重要，光學(xué)接收組件應(yīng)盡可能地將光束匯聚成理想的光斑，以便光電檢測器接收。在設(shè)計中要選擇量子效率高、靈敏度高、響應(yīng)速度快、噪聲小的光電探測器。發(fā)射端光學(xué)天線主要將激光器光束的發(fā)散角壓縮后再通過發(fā)射透鏡進一步準(zhǔn)直成毫弧度級光束；接收端光學(xué)天線的作用是將接收到的空間激光信號收集并匯聚到光接收

30、器件的有效接收表面。系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)見表1表1 系統(tǒng)主要設(shè)計指標(biāo)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計要求指標(biāo)傳輸波長650nm接收器件Si光電二極管通信距離100m左右光束發(fā)散角1mrad工作溫度2530發(fā)射光功率1mW電源電壓9VAC在給定的傳輸速率與傳輸距離的條件下，合理設(shè)計所用激光器、光探測器和光學(xué)天線的主要技術(shù)參數(shù)，是保證自由空間通信系統(tǒng)在各種天氣條件下正常通信的前提。系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)如圖3所示：光發(fā)射端光接收端輸出功率=5mW幾何損耗=21dB光學(xué)損耗=6dB透鏡損耗=4dB接收靈敏度-40dB圖3 系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)設(shè)計圖由上圖可見，合理地增大輸出光功率，減小光發(fā)射器件的光學(xué)發(fā)散角，在系統(tǒng)體積允許的情況下增大光學(xué)接

31、收天線的有效接收面積，選擇靈敏度高的光接收器件以與減少光學(xué)通道中的損耗都有助于增大系統(tǒng)的傳輸距離。光接收部分的設(shè)計光接收部分的基本原理與結(jié)構(gòu)光接收部分的設(shè)計考慮 光接收部分的作用是將接收天線接收到的微弱光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并進行放大輸出。它主要由光電探測、信號放大電路、自動增益控制電路、信號還原與輸出等部分構(gòu)成。設(shè)計時，元器件的選擇和單元電路的設(shè)計盡量采用成熟的單元電路功能模塊；此外，設(shè)計時除了認真研究分析電子線路中的量子噪聲、熱噪聲、散彈噪聲外，還要考慮惡劣氣候（雨、霧、雪、湍流等）出現(xiàn)的附加噪聲；放大器將信號和噪聲幅值提高到某一水平，使后續(xù)階段的并發(fā)噪聲對全局信噪比的影響可以忽略不計；最后

32、，如何減少背景光的干擾也是光接收端機設(shè)計時需要考慮的一個問題6。 光接收部分的基本結(jié)構(gòu)與原理光發(fā)射機發(fā)射的光信號經(jīng)傳輸后，幅度衰減了，光接收部分的作用是把接收到的微弱的光信號匯聚后轉(zhuǎn)化成電信號，用作其他設(shè)備或者通訊系統(tǒng)的輸入，接收部分的基本功能組成如下：（1）光學(xué)天線把光的能量進行匯聚；（2）探測器將接收到的光信號轉(zhuǎn)變成電信號；（3）放大器放大信號；（4）信號輸出。信號光電探測器光信號接收電路信號整形電路信號放大電路信號串/并轉(zhuǎn)換電路信號D/A轉(zhuǎn)換電路信號放大輸出圖1 光接收部分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)接收部分的光學(xué)系統(tǒng)和探測器接收光學(xué)系統(tǒng)在大氣激光通信系統(tǒng)中，接收光學(xué)系統(tǒng)的任務(wù)是將大氣中傳輸?shù)男盘柟馐占R

33、聚到探測器表面。其設(shè)計關(guān)鍵在于接收物鏡口徑的選取。在前面“激光器波長和功率的選擇”一節(jié)中，通過公式我們已經(jīng)分析了接收天線的孔徑與接收效率對接收光功率的影響。接收功率要求接收天線的口徑越大越好，這樣系統(tǒng)的工作距離也就越大。但由于接收天線口徑增大，不僅會導(dǎo)致背景光和雜散光進入系統(tǒng)，使系統(tǒng)信噪比降低，還會大大增加系統(tǒng)的體積和重量，因此必須合理選擇接收天線口徑。光電探測器的選擇探測器是光接收部分的一個基本組成部分，并且是一個決定整個系統(tǒng)性能的至關(guān)重要的器件，由于接收到的光信號很弱，所以光探測器必須滿足高性能的要求4。光探測器應(yīng)對溫度變化不敏感，并且有適合的物理尺寸、合理的價格和比較長的使用壽命。按器件

34、結(jié)構(gòu)分，光電探測器可分為：PN結(jié)光電二極管、PIN光電二極管、金屬-半導(dǎo)體-金屬（MSM）光電探測器以與雪崩光電二極管（APD）。其中，PN結(jié)光電二極管結(jié)構(gòu)最簡單，制造最容易；MSM無需制造PN結(jié)，適合難于摻雜的半導(dǎo)體材料，同電子器件制造工藝完全相容，能同場效應(yīng)管（FET）一起制成光電集成電路（OEIC），但它暗電流較大、量子效率不高，限制廣泛應(yīng)用。目前，在激光通信中最常用的光電探測器是PIN光電二極管和雪崩光電二極管。兩者各有自己的優(yōu)缺點，PIN光電二極管結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜，但性能優(yōu)異，外加適當(dāng)?shù)姆聪螂妷耗芊€(wěn)定工作，且具有相當(dāng)好的光電響應(yīng)、低噪聲、寬頻帶等特性，PIN二極管的噪聲和相對價格較低，并與

35、電子器件工作于同一電壓，但給定的光功率下它所產(chǎn)生的電子數(shù)較少；雪崩光電二極管（APD）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，兼有探測放大的功能，能將探測到的光電流進行放大，增加接收部分靈敏度，允許更遠的傳送距離7。評價光電探測器的性能主要有：響應(yīng)度、量子效率、暗電流噪聲、信噪比和頻率帶寬等。由于考慮價格與電路方面的問題，我們選擇Si光電二極管作為本接收系統(tǒng)的探測器。其器件特性除了上述的量子效率、響應(yīng)度、響應(yīng)時間外，還有雪崩倍增特性、噪聲特性、溫度特性等。Si光電二極管特性分析Si光電二極管的電流方程在無輻射作用的情況下（暗室中），PN結(jié)硅光電二極管的伏安特性曲線與普通PN結(jié)二極管的伏安特性曲線一樣，如圖2所示。光電二極管

36、的靈敏度光譜響應(yīng)光電二極管光譜響應(yīng)曲線。接收電路的設(shè)計 （ 基本要求 設(shè)計五）Si光電二極管的輸出電流很小，必須由低噪聲的放大器進行放大，本設(shè)計選用運算放大器進行放大。本設(shè)計的接收電路系統(tǒng)只是簡單的進行信號接收，信號整形，信號放大以與信號輸出。具體電路圖如下：圖6 光接收部分的簡易電路接收部分其電路圖如圖7所示圖7 光接收部分的接收電路部分如上圖所示，VT2為硅光電二極管，當(dāng)有不同光強照射時，光電二極管產(chǎn)生不同的電流，從而改變U1A中的2管腳的輸入電流，R4是負反饋電阻，與U1A組成一個負反饋電路，經(jīng)分析為直流負反饋電路，穩(wěn)定其靜態(tài)工作點，從而穩(wěn)定輸入信號的小波形。電位器用于調(diào)節(jié)Si硅光電二極

37、管的靈敏度，當(dāng)電位器的電阻過小時，背景光噪聲信號會對VT2產(chǎn)生信號。而不同的背景光下，可調(diào)節(jié)電位器來調(diào)節(jié)Si硅光電二極管的最佳工作電壓。室光背景下通常約為7.58V。接收部分的整形部分其電路如圖8所示圖8 接收部分的整形部分信號經(jīng)過傳輸之后，其波形往往會發(fā)生變化，這就需要整形部分來把這變化部分去掉，整形成與原信號一樣的波形。接收部分的放大部分其電路圖如9所示圖9 接收部分的放大部分信號經(jīng)過空間傳輸，在光接收部分接收到的信號已經(jīng)被大氣衰減了許多，所以在還原信號時必須將信號放大，保證有足夠的功率驅(qū)動揚聲器。 數(shù)字接收部分 （中高級要求 設(shè)計六）電路圖如下：圖 10 數(shù)字接收串并轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換電路

38、經(jīng)過數(shù)字調(diào)制的信號在傳輸之前先進行并串轉(zhuǎn)換，在接收端接收的數(shù)字信號是串行信號，用單片機處理成并行信號，在由DAC8032D/A轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成模擬信號，再放大輸出。本章小結(jié):通過充分的調(diào)研，合理地選擇光電探測器，并對接收電路中的信號的接收，信號的整形和信號的放大部分作了具體的設(shè)計和介紹，并且介紹了由單片機組成的數(shù)字接收串并轉(zhuǎn)換電路，構(gòu)建成了一個簡易的光接收系統(tǒng)，完成了整個接收系統(tǒng)的設(shè)計。實驗結(jié)果與分析信號傳輸實驗無線光通信樣機完成后，首先要在實驗室將其電路系統(tǒng)和光路系統(tǒng)調(diào)通，保證發(fā)射、接收、控制各個部分的功能順利完成，然后整個系統(tǒng)對準(zhǔn)。針對系統(tǒng)的整體調(diào)試，我們在實驗室進行了信號的通信，圖1給出了

39、實驗原理簡圖。圖1 實驗裝置簡圖接收部分的具體焊接電路圖如下：圖 2 具體焊接電路板本系統(tǒng)在3KHZ，Vpp為145mV的輸入信號由發(fā)射端輸出，在經(jīng)過接收端時信號如下圖所示：圖 3 接收部分接收到的正弦波形 圖 4 輸入正弦波失真時接收的波形圖5輸入波形變化時的接收波形 圖6接收數(shù)字信號時的波形（動態(tài)）從以上圖中我們能清晰的看到波形不是很平滑的，還出現(xiàn)毛剌現(xiàn)象，這是由于信號源性能、示波器帶寬等條件所限，系統(tǒng)間存在電磁干擾。從上面結(jié)果中我們還可以觀察到信號受噪聲干擾，這都是不可避免的。而且信號經(jīng)過傳輸，從圖上可以看出已經(jīng)出現(xiàn)延遲現(xiàn)象。系統(tǒng)光電性能和總體功率指標(biāo)根據(jù)系統(tǒng)的整體分析設(shè)計，并對完成后的

40、接收部分進行實際測量。 labview的介紹 （高級要求 設(shè)計七）labview虛擬解調(diào)Labview虛擬解調(diào)系統(tǒng)是利用待測信號與參考信號的互相關(guān)原理實現(xiàn)對信號的窄帶化處理，能有效地抑制噪聲，還原出所需信號，以確定待測信號的頻率、幅值、相位等物理量。軟件解調(diào)不需要借助額外的復(fù)雜的電路設(shè)計，更省去了一般的電路分析、調(diào)試等步驟，不含有微分、相乘等易于引入噪聲的相關(guān)電路。信號的采集和處理都由計算機和軟件來實現(xiàn)。利用labview軟件解調(diào)，能充分應(yīng)用了軟件的強大功能。與硬件相比，軟件解調(diào)更加靈活，成本較低，開發(fā)周期短，易于調(diào)試。軟件解調(diào)成功的解決了傳統(tǒng)實驗教學(xué)中使用傳統(tǒng)儀器所遇到的問題。鑒于傳統(tǒng)教學(xué)儀器投資大、用途單一、維護困難等缺陷，而labview軟件具有界面友好，維護簡單等特點。而在操作上十分方便，操作者只需要在計算機上操作即可，用戶不需要對儀器部的設(shè)計完全清楚明白也可以根據(jù)說明操作和應(yīng)用；還有，labview軟件數(shù)據(jù)處理方便還有利于共享，方便更多的用戶利用互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程共享和使用。隨著計算機軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，使得軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)硬件仿真實驗系統(tǒng)成為可能。labview的設(shè)計入門Labview是美