光通訊模擬論文：光通訊模擬體系及性能探究
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本文作者：王旭1王中宇1毛方儒2李萌3作者單位：1北京航空航天大學2中國空間技術研究院3中國空間技術研究院
系統設計
無衍射光通信系統采用強度調制／直接檢測。其結構包括上位機、發送系統和接收系統，如圖1所示。工作時上位機經過串口發送信號，經接口電路的電平轉換，傳輸給微處理器，微處理器進行信號調制，把經過調制的信號傳輸給激光驅動器，激光驅動器驅動激光器發出光信號，經過無衍射光發生裝置，以無衍射光的形式發送出去；光電接收把接收的光信號轉換為電信號，經過放大電路、整形電路、解調模組和接口電路把收到的信號傳送給上位機。上位機比較發送的數據和接收的數據，進而計算出誤碼率。
1無衍射光的產生
本系統采用結構簡單、能量利用率高的圓錐透鏡法產生無衍射光。如圖2所示，激光器發出的激光通過準直透鏡，之后入射圓錐透鏡，圓錐透鏡后的光場在最大無衍射距離內滿足貝塞爾分布。無衍射距離zmax由圓錐透鏡的孔徑半徑a和底角φ決定［4］。激光器輸出波長為635nm，工作電流小于70mA，出瞳功率為2mW，工作溫度范圍為－10℃～40℃。準直透鏡放大倍數為5×～10×，圓錐透鏡的規格為Φ30，α＝0．5°。產生的無衍射光最大傳輸距離超過3000mm。
2調制解調設計
本系統采用微處理器進行雙頭脈沖間隔調制（DH－PIM）及其解調。DH－PIM的每個符號所包含的時隙數是變化的，并且采用兩種起始脈沖。調制符號Sk（k為符號所表示的十進制數）由頭部時隙和后續的m個空時隙組成。頭部時隙由α＋1個時隙組成（α為整數），兩種頭部形式為H1和H2。H1起始脈沖寬度為α／2個時隙，其后為（α／2）＋1個保護時隙；H2脈沖寬度為α個時隙，其后為1個保護時隙。當k＜2M－1時，Sk符號的頭部時隙為H1，反之為H2。DH－PIM調制不需要時鐘的同步，具有較好的功率利用率、較高的傳輸容量、較小的誤時隙率等優點［13］。
3激光驅動設計
激光驅動器選擇MAXIM公司MAX3766，它為622MbpsLAN／WAN激光驅動器，包括激光調制器、自動功率控制、安全關閉等組件。激光驅動模塊如圖3所示，調整BIASMAX端口電阻阻值，設置激光器靜態工作電流（即偏置電流），偏置電流要略小于激光器閾值電流；調整MOD端口電阻阻值，設置調制電流。
4接收系統設計
接收系統的作用是檢測光信號，將受調制的光信號轉換為電信號，再經放大、整形、解調等過程后發送給計算機。接收系統由光電探測器、放大電路、整形電路、解調模塊等組成。光電探測器采用PIN光電二極管，其使用簡單，靈敏度較高。本系統中采用KODENSHI公司生產的HPI－1KL5作為光電探測器，它屬于硅PIN光電二極管，感光波長范圍為450nm～1050nm。放大電路由兩級集成運放組成。第一級為電壓并聯負反饋放大電路，其可以看作是電流－電壓轉換電路，把光電二極管的電流信號轉換為電壓信號；第二級同為電壓并聯負反饋放大電路，把第一級放大電路的輸出反相并放大。由于光信號在大氣中傳播，造成的信號衰減及噪聲，導致信號畸變，所以需要對經過放大電路的信號進行整形。經過整形的信號要滿足TTL電平。整形電路由AD790電壓比較器實現。AD790的響應時間為40ns。基準電壓選擇2V。當輸入電壓大于2V，輸出4．7V，當電壓小于2V，輸出0．5V。經過整形的信號傳輸給信號解調模塊，解調之后，通過串口傳輸給上位機。
實驗驗證
本系統示意圖如圖4所示，計算機通過串口發送數據，經過微處理器調制，激光驅動模塊驅動半導體激光器，經過無衍射光發生光路后，由PIN光電二極管接收光信號并轉換為電信號，再經放大整形及微處理器解調，最后又串口發送給計算機接收。計算機對發送的數據和接收的數據進行對比，計算出無衍射光通信系統的誤碼率。
1無衍射光產生實驗
本系統產生的近似無衍射光的光斑如圖5所示，在1000mm和2000mm處的無衍射光斑基本相同，表明無衍射光在傳輸過程中光場分布基本不變，光斑的略微變形是由于圓錐透鏡加工誤差、準直透鏡的焦距誤差、激光器輸出不穩定等因素造成的。
2傳輸性能測試
本實驗使用誤碼率對基于無衍射光的自由空間光通信系統進行傳輸性能評價。誤碼率是指在測量時間內，數字碼元誤差的數量與數字碼元總數之比［14］。在本實驗中，計算機通過串口發送隨機數據，經過此通信系統后返回計算機，之后對比發送的數據和接收的數據，計算出誤碼率。調整激光器驅動電流，使半導體激光器輸出功率分別為2mW和0．8mW，通信比特率設為9600bps，在不同的通信距離下的誤碼率如圖6所示。從實驗結果可以看出，當激光器輸出功率設為2mW和0．8mW時，在無衍射光最大傳輸距離內，誤碼率都能滿足要求。當激光器輸出功率為2mW時誤碼率的波動不大，誤碼率隨傳輸距離的變化較小。誤碼率主要由光電接收器件的分辨力、激光驅動裝置和信號檢測電路的誤差、串口通信的誤碼等因素引起。當激光器輸出功率為0．8mW、傳輸距離大于1500mm時，誤碼率明顯增大，這主要是由于激光器的輸出功率較小，在傳輸至較遠距離時光強較弱，導致PIN光電二極管接收到的高低電平不易分辨，使傳輸系統的誤碼率上升。因此在合理的范圍內提高激光器的輸出功率，或者使用更高靈敏度的光電接收器件和更精密的檢測電路，都可以有效地改善通信系統的質量。
結論
本文將無衍射光和自由空間光通信有機地結合起來，構建了基于無衍射光的自由空間光通信系統。該系統利用無衍射光作為自由空間光通信的信息載體，發揮其中心光斑直徑小、零發散的特點，增加了自由空間光通信的能量利用率和互聯密度；采用雙頭脈沖間隔調制的調制方式避免了調制解調過程中的時鐘同步問題；使用專用的激光驅動芯片大大簡化了電路設計的復雜程度，有利于系統的小型化和集成化；通過對誤碼率的測試，分析了通信的性能。實驗結果表明可以有效地滿足串口通信的基本要求。
