（通信与信息系统专业论文）无线光通信（fso）收发机的研究与实现.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：自由空间光( f r e es p a c eo p t i c a l ，f s o ) 通信是最近几年兴起的一门通信技 术。大气激光通信是其在地面上的特定实现，是解决接入网“最后一公里”问题 的方法之一。由于其具有设计简单，接入方便，高速率低成本等优点，是目前所 见到的最有效的解决方案。大气激光通信是一种宽带技术，主要的特点是在近距 离通信时能以灵活的方式，用比现有系统低得多的成本，获得光纤传送的容量， 可广泛应用于智能建筑、军事等方面。本文结合一台6 2 2 m b p s 多点对单点无线光 端机的研制，对无线光通信系统做了详细的讨论。 本设计概括的介绍了f s o 系统的基本概念、基本工作原理和相关技术，分析 了无线光通信优、缺点以及国内外研究现状，提出本课题的研究背景。基于以上 理论首先阐述了系统的方案设计，在这个过程中对系统的各个部分的功能、特点 都进行了简单的分析。接着，对光发射子系统的光发射单元、发射控制单元；光 接收子系统接收单元、放大电路等几个部分进行了详细探讨，其中对光发射单元 中激光二极管( l a s e rd i o d e 。l d ) 和自动光功率控制，光接收单元中p i n 探测器、 前置放大、限幅放大等关键问题都作了较详细的分析说明。另外，还对器件的性 能参数以及整个系统的噪声、灵敏度、动态范围等重要指标进行了分析。 参考比较成熟的光纤通信，给出了硬件设计方案。根据所选用的l d 、p i n 光 电二极管选择能满足其电流要求的m a x i m 公司的激光驱动芯片m a x 3 7 3 8 、低功 耗互阻前置放大芯片m a x 3 7 6 0 、限幅放大芯片m a x 3 7 6 2 进行系统设计。设计电 源电路、配置芯片外围电路，设计发射端的发光告警电路、收端的信号丢失指示 电路。同时还介绍了p e c l 电平的性质及耦合方式。给出了具体的硬件原理电路 图，并进行了p c b 布局布线。 最后，针对系统的特点，制定出具体的测试方案，对所设计的系统进行了部 分调试和性能测试。虽然没有完全测试完毕，但是为将来的继续研究提供了指导， 就系统设计中可能存在的问题提出了进一步的改进方案，并提出了许多在具体的 硬件调试工作中要注意的事项和测试步骤。 关键词：f s o ；激光驱动；l d ；功率控制；p e c l ：p i n 光电二极管；光信号放大 分类号：t n 9 2 9 1 2 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：f r e e - s p a c eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ni sap r o s p e c t i v et e c h n o l o g ya tp r e s e n t t h ea t m o s p h e r el a s e rc o m m u n i c a t i o ni si t sr e a l i z i n gs p e c i f i c a l l yo ne a r t h ，a n di so n eo f t h em e t h o d st h a ts o l v et h ep r o b l e mo f ”t h el a s to n ek i l o m e t e r ”i na c c e s sn e t w o r k i ti s as y s t e me a s yt ob ei m p l e m e n t e d ，i m m e d i a t e l yu t i l i z e da n di so n eo ft h em o s tc o s t e f f e c t i v eb r o a d b a n dw i r e l e s ss o l u t i o n st h a tw eh a v es e e nt od a t e t h ea t m o s p h e r i cl a s e r c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi sp r i m a r i l yf e a t h e r e db yf l e x i b l ea c c e s sm e t h o da n dl o w c o s ti ns h o r td i s t a n c e ，c o m p a r e dt of i b e rt r a n s m i s s i o nc a p a c i t y , a n dc a nb ew i d e l y a p p l i e di nt h ef i e l d so fi n t e l l i g e n c eb u i l d i n ga n dm i l i t a r y t h i sp a p e rm a k e si nd e t a i l d i s c u s s i n gt o t h el a s e rt r a n s m i s s i o n s u b s y s t e mc o m b i n i n g o n es e to f6 2 2 m b p s m u l t i p o i n t t o p o i n tw i r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t i n t h i sp a p e r , w ei n t r o d u c et h eb a s i ct h e o r y , f u n d a m e n t a lo p e r a t i n gp r i n c i p l e sa n d r e l a t e dt e c h n o l o g y b a s e do nt h e s et h e o r i e s ，e x p l a i n e ds y s t e m a t i cc o n c e p t u a ld e s i g na t f i r s t ，t h ee v e r yp a r to ft h es y s t e mi sm a d es i m p l ed i s c u s s i n ga n da n a l y s i si nt h i ss e c t i o n n e x t , t h ep a p e rd i s c u s s e st h eo p t i c a lt r a n s m i s s i o na n dr e c e i v e rc o m m u n i c a t i o n s u b s y s t e mi n d e t a i l t h a ti n c l u d e sl a s e rt r a n s m i s s i o nu n i t ；c o n t r o lu n i t ；r e c e i v e ru n i t ； a m p l i f yc i r c u i t a n dt h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e mi sa l s oa n a l y z e d a m o n gt h i sp a r tt h e k e yt e c h n o l o g i e ss u c ha sa u t o m a t i cp o w e rc o n t r o l ( a p e ) ，l di nl a s e rt r a n s m i s s i o n m o d u l e ；p i np h o t o d i o d e ；t r a n s i m p e d a n c ep r e a m p l i f i e r ；l i m i t i n ga m p l i f i e ra r em a d e d e t a i l e da n a l y s i s m o r e o v e r , s o m ei m p o r t a n tt a r g e ts u c ha sc o m p o n e n tp e r f o r m a n c e p a r a m e t e r 舔w e l la so v e ra l ls y s t e mn o i s e ；t h es e n s i t i v i t y ；t h ed y n a m i cr a n g ea n d s oo n a r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt oq u i t em a t u r ef i b e ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s ，h a sg i v e nt h eh a r d w a r e d e s i g np l a n c o r r e s p o n d i n gt ol da n dp i np h o t o d i o d e ，m a x i mc o r p o r a t i o n sl a s e r d r i v e rc h i pm a x 3 7 3 8 ，l o wp o w e rt r a n s i m p e d a n c ep r e a m p l i f i e rc h i pm a x 3 7 6 0 ， r e s t r i c t i o ne n l a r g e m e n tc h i pm a x 3 7 6 2t oc a r r yo nt h es y s t e md e s i g nm u t u a l l y t o d e s i g np o w e rc i r c u i t ，t h ed i s p o s i t i o no fp e r i p h e r a lc i r c u i t , t h et r a n s m i t t i n gi l l u m i n a t i o n a l a r mc i r c u i t ，r e c e i v e rs i g n a ll o s si n d i c a t i n gc i r c u i t s i m u l t a n e o u s l ya l s oi n t r o d u c e dt h e p e e ll e v e ln a t u r ea n dt h ec o u p l e dm o d e h a sg i v e nt h ec o n c r e t eh a r d w a r es c h e m a t i c c i r c u i t ，a n dh a sc a r r i e do nt h ep c bl a y o u t f i n a l l y , w es e t d o w nd e t a i l e dt e s tp l a na n dm a k et h et e s t a f t e rt h et e s t ，w ed r a w s o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sa n dg i v et h eg u i d et ot h ec o n t i n u o u sw o r k v 北京交通大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：f s o ；l a s e rd r i v e r ；l d ；a p c ；p e c l ；p i np h o t o d i o d e ；o p t i c a ls i g n a l ； a m p l i f i e r c l a s s n o ：t n 9 2 9 12 北京交通大学硕士学位论文 图表目录 图1 - 1 原始空间光通信1 图卜2f s o 典型的应用2 图1 - 3c t 安检机框架- 4 图2 - 1f s o 系统应用9 图2 - 2 光发送机框图1o 图9 - 3l e b 的模拟调制1 1 图2 - 4 数字调制原理1 2 图2 5 半导体激光器驱动电路1 3 图2 - 6a p c 电路方框图1 4 图2 7 光接收机框图。l5 图2 8p i n 光接收模块噪声分布示意图l6 图2 - 9 误码率计算示意图1 8 图2 1 0b e r 随q 参数的变化2 0 图2 一l1 空间光通信技术与其他接入方式的比较2 3 图3 - 1 光发射子系统组成框图。2 5 图3 2 光发射模块框图2 6 图3 - 3 激光二极管2 7 图3 - 4m a x 3 7 3 8 功能框图。2 8 图3 - 5 高速驱动调制电路2 9 图3 - 6m a x 3 7 3 8 安全电路图3l 图3 - 7p e c l 接口输入结构3 2 图3 - 8p e c l 电路的输出结构。3 3 图3 9 直流耦合示意图3 4 图3 - 1 0 交流耦合示意图。3 5 图3 - 1 1 光发射电路原理示意图3 7 图3 一1 2 电源电路3 7 图3 - 1 3 错误告警电路3 8 图3 - 1 4l d 的电流与功率曲线图3 9 图3 - 1 5 检测器电流同调制电阻的关系曲线。4 l 图3 - 1 6 调制电流同调制电阻的关系曲线4 2 图4 1 光接收系统框图。4 5 图4 - 2 接收机模型4 6 图表目录 图4 - 3p i n 光电二极管的伏安特性曲线，。4 7 图4 - 4p i n 光电二极管对波长响应范围4 8 图4 - 5p i n 光电二极管5 l 图4 - 6m a x 3 7 6 0 功能框图5 2 图4 - 7m a x 3 7 6 0 被限幅输出。5 2 图4 - 8 消直流对输入的影响5 3 图4 - 9m a x 3 7 6 2 功能框图5 4 图4 - 1 0 信号丢失比较电路5 5 图4 - 11 选择信号丢失可编程电阻5 5 图4 - 1 2 灵敏度计算模型5 6 图4 - 1 3 多点对单点光斑示意图。5 8 图4 - 1 4 光斑内光功率的分布5 9 图4 一1 5 两路信号的延时关系图6 0 北京交通大学硕士学位论文 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：沙矿年 导师签名： 了 签字日期：力彩阵6 月l 日 芍 诅h 口h 肫 瑁复f月 f b 北京交通大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 靴做僦轹社搏醐_ 肚伊 北京交通大学硕士学位论文 致谢 本论文的工作是在我的导师陶成副教授的悉心指导下完成的，陶成副教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢二年来 陶成老师对我的关心和指导。 陶成副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向陶成老师表示衷心的谢意。 同实验室刘留博士对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此 表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，花再军、王学运等同学对我论文中的f p g a 研 究工作、电路板p c b 布局布线工作给予了热情帮助，黄奇，蒋梁，周来金，马环 宇，罗亚男等同学也为我的论文提供了许多建议和帮助在此向他们表达我的感 激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的目的与意义 1 1 1 自由空间光通信的应用 自由空间光( f r e es p a c eo p t i c a l ，简称f s o ) 通信是通过空间传输调制红外光的 光通信技术，它基于光传输方式、采用红外激光承载高速信号、以大气空间为介 质，用点对点、点对多点或多点对单点方式实现连接，是一种既有无线通信特征 又有光通信高速传输优势的视距技术【i j 。 几千年前，人们就开始使用烽火来传递简单的信息。1 8 8 0 年，电话的发明人 a l e x a n d e rg r a h a mb e l l 在实验中把声音转换成电信号，通过空气沿光束进行了最早 的空间光通信的实验，如图1 - 1 所示。 图卜1 原始空间光通信 f i g u r el - 1o r i g i n a l i t yf r e es p a c eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n 他用弧光灯作光源，用稳定的光强照射在话筒的薄膜上。当人说话时，薄膜 随话音的振动而振动。从而反射光也随之波动，这叫光强被声音振动调制。在接 收端利用一个大型抛物面反射镜，将发送来的调制光汇聚到硅光电池上，转化成 变化的光电流，再将光电流送进听筒转化成声振动，完成了“光电话”的接收。 以后，人们虽不断地研究改进，但因光源、大气衰减、检测器等方面的困准，“光 电话”进展甚慢瞄j 。 上世纪六十年代，随着卫星技术的发展和红宝石激光器的诞生，空间光通信 技术曾掀起过全球范围的研究热潮。但随后受大气信道、器件技术相对滞后的影 响，使得空间光通信研究一度陷入低谷。近年来，随着半导体激光器技术、自适 应变焦技术、光波窄带滤波技术、信号压缩编码技术和光学天线的设计制作及安 北京交通大学硕1 学位论文 装校准技术的发展和成熟，空间光通信又成为下代光通信的发展方向之。在 世界发达国家中，各种形式空间光通信系统的研究正在广泛进行。目前，我围的 通信事业的迅速发展也对空间光通信提出了新的要求。常见典型的光通信如图卜2 所示，可以实现视距传输。 t 譬 了跫鎏 咝盟匦 捍棒蛮输 图卜2f s o 典型的应用 f i g u r e 1 2t y p i c a la p p l i c a t i o no ff s o 空问光通信主要可分为星际空间光通信和地面空间光通信两大类。在卫星通 信日益拥挤的今天，光波波段通信有着极大的潜力，是实现高速大容量星际通信 的最佳方案，甚至可以说是唯一方案，这己是通信领域许多专家的共识。 在地面通信方面。光纤通信的迅速发展已经证明光波是宽带信息的最理想载 体。但在实践中，光纤通信网络的发展也遇到了诸如材料费用高、架设难度大等 问题。现有光纤通信宽带网络虽然可以接到楼外，但进户到室、到桌面，仍以金 属介质线材为主。这种传输介质在传输速度和带宽方面受到限制。绝大多数用户 都在离骨干光缆的主要光节点一定距离之外，宽带网络的“最后一公里”的接入 遇到了瓶颈i jj 。同时，光纤通信网络仅是一个平面型的网络，三维立体组网目前 还要靠卫星的微波通信实现，然而，微波的缺点，又制约了它的发展。 宽频接入和骨干网的扩展。目前主干网的频带容量急剧增加，从6 2 2 m b i t s 到 1 0 g b i t s ，再到更高的4 0 g b i t sd w d m 。同样，客户端网络的带宽也从1 0 m b i t s 绪论 增加到1 0 0 m b i t s ，再到g b i t s 的以太网络p j 。但网络接入部分仍未有可突破频宽 成本与容量瓶颈的有效解决方法。通信服务厂商在骨干网建设上花费大量资金， “最后一公里”问题的解决有利于提升网络整体性能和满足快速发展的市场需求。 因此，在此方面f s o 有很大的发展空间。目前用f s o 来解决宽带接入中“最后一 公里”的问题是较好的选择。 光纤网络的备份。目前大多数电信运营商都采用两条光纤连接来保证所构建 的商业应用网的安全。现在，运营商无需部署两条光纤链路，可以选择f s o 系统 作为备份光纤的冗余链路，以节省投资。 企业局域网应用。由于f s o 是以小功率的红外激光束为载体，可将收发器装 设在楼顶或窗外传输数据。f s o 的灵活性使它可以应用于许多企业和学校，例如 企业l a n 到l a n 的连接及校园网的连接。以f s o 来代替光纤连接入各终端，不 但能降低成本，而且具有更高的传输速度。 其它需要高速接入的终端：有强电磁干扰的场所；在一些不宣布线的场 所，比如具有纪念意义的古建筑，危险性大的工厂、车间；在走线成本高、施 工难度大，或经市政部门审批困难的楼与楼之间、横跨诸如公路与河流之类复杂 地形的；一些临时性的场所，如灾难恢复、网络快速部署方案等，以及展览厅、 短租的商务办公室或l 临时野外工作环境：一些具有移动性的场合，如使用便携 式电脑的交易大厅等p 】。 1 1 2 课题研究的背景 本设计具有明确的应用背景，近年来随着公共场合安全系统的不断升级，对 电子安检产品的要求越来越高。如图1 - 3 所示，为本设计f s o 应用场合，其中被 扫描的物体通过大圆桶中，里面布满射线源对物体进行三维扫描。既然叫三维动 态扫描那么必然存在大量的原始数据，怎样将数据送到处理器中呢。有线的方式 可以到达很高的速率，但是因为该产品是处于不断的转动中，不宜布线，因此该 方法行不通。 上面初步介绍了f s 0 ，恰巧符合我们的设计要求t 不但速度达到光纤的速度， 而且正好是无线方式。 北京交通大学硕士学位论文 图卜3c t 安检机框架 f i g u r ei - 3t h ef r a m eo fc ts a f e t yc h e c k 下面介绍一下该f s o 系统工作环境。左边是一个大圆桶，分内桶和外桶。其中 外桶是固定不动的，而内桶是以1 5 转缈的速度转动，内桶的内壁有射线源，传 感器。对经过其中传送带上的物品进行扫描检测。接收端如图中右侧的一个屏障。 它是中空( 中间要过传送带) 的，内径大约在8 0 c m 以上。外径跟大圆桶一样( 1 8 m ) 数据要传出来，而且要保证是连续的方式，那么必然存在多发多受、多发单收或 者单发多收三种方案。通过对比单发多收对接收端来说太复杂，因此我们选定多 发单收。即滚动的圆桶均匀分布几个发射天线，接收端固定一个天线。 本设计要完成的主要任务就是首先实现单点对单点无线光通信链路，然后再 结合实际的要求针对多发单收作一些测试。 1 2国内外发展现状及优缺点分析 1 2 1 无线光通信系统的特点和优势f 6 】 频带宽，速率高 从理论上讲，f s o 的传输带宽与光纤通信的传输带宽相同，只是光纤通信中 的光信号在光纤介质中传输，而f s o 的光信号在空气介质中传输。f s o 产品目前 最高速率可达2 5 g b i t s ，最远可传送4 k m 。 频谱资源丰富 与微波技术相比，f s o 设备多采用红外光传输，有相当丰富的频谱资源，不 需要申请频率执照，也不需要交纳频率占用费，这是一般微波通信和无线通信无 法比拟的。 适用任何通信协议 适用于任何环境，不依赖某种协议。现在通信网络常用的s d h 、a t m 、以太 4 绪论 网、快速以太网等都能通过，并可支持2 5 g b i t s 的传输速率，用于传输数据、声 音和影像等各种信息。 架设灵活便捷 f s o 可以直接架设在屋顶，以及在江河湖海上进行通信，可以完成地对空、 空对空等多种光纤通信无法完成的通信任务，而且无需埋设光纤，可以在几小时 内建立起通信链路，方便快捷，大大缩短了施工周期。 令安全可靠 无线光通信的安全性是非常显著的，由于光通信具有非常好的方向性和非常 窄的波束，因此窃听和人为干扰几乎是不可能的。 令经济 光纤网络的成本通常很高，铺设过程耗时，而且投资不可撤回，而无线光通 信技术可以在城域网之外提供高带宽连接，而成本只有在地下埋设光缆的五分之 一o 1 2 2 无线光通信系统存在的问题【7 】 f s 0 是一种视距宽带通信技术，发射机与接收机之间需要严格的视线传播，当 通信设备安装在高楼的项部时，在风力的作用下建筑物会发生摆动，这样便会影 响激光器的对准。由于大楼结构中某些部分的热胀或轻微的地震等原因，有时也 会导致发射机和接收机无法对准。 恶劣的天气情况，会对传播信号产生衰耗。空气中的散射粒子，会使光线在 空间、时间和角度上产生偏差。大气中的粒子还会吸收激光的能量，衰减信号的 发射功率。 传输距离与信号质量的矛盾非常突出，传输距离越大，光束就会越宽，接收 的光信号质量越差。 激光的安全问题必须考虑。发射功率必须限制在保证眼睛安全的功率范围内。 超过一定功率电平的激光有可能对人眼产生影响，人体也可能被激光系统释放的 能量伤害。目前有关激光的安全标准都建议其功率电平应允许让裸视和助视( 如 双筒望远镜) 时，眼睛看到不会受到伤害。为此激光发射功率必须符合激光安全 标准，在此标准中，将光源按其发射功率分为四大级( 见表1 1 ) 。大气激光通信 的功率必须满足i 级的人眼安全标准。 北京交通大学硕士学位论文 表1 1 激光功率安全等级表 6 5 0 n m 可见光8 8 0 n m 红外光1 3i o n m 红外光 1 5 5 0 n m 红外光 i 级小于0 2 m w小于o 5 m w小于8 8 m w小于1 0 m w i i 级o 2 一l m wn an an a i i i a 级 l - 1 5 m w 0 5 - 2 5 m w8 8 4 5 m w1 0 5 0 m w i i i b 级1 5 5 0 0 m w2 5 - 5 0 0 m w4 5 5 0 0 m w5 0 5 0 0 m w 1 2 3 国外研究现状【8 】 在f s o 领域，国外已经开始了将近1 0 年的研究，但是f s o 产品真正投入使 用也就是最近几年的事情。在f s o 这个领域里，国外几个大的f s o 厂家，包括 l i g h t p o i n t e 、a i r f i b e r 、c a n o n 、t e r a b e a m 。 l i g h t p o i n t e 将自由空间光学技术用于创造、设计和制造电信公司等级的光传 输设备，向电信服务商提供比传统光缆传输速度更快、成本更低的高速通讯解决 方案。l i g h t p o i n t e 的系统以超快的带宽速度提供安全可靠的无线传输，速度最高 可达2 5 g b i t s ，产品适应性强，可解决城市地区的连接问题。 a i r f i b e r 位于美国加洲s a nd i e g o ，主要服务于大城市大楼宽带接入。它的产 品称为o p t i m e s h ，网络结构为网眼状拓扑结构，冗余备份短距离6 2 2 m b i t s 无线光 传输系统。 c a n o n 主要产品有：c a n o b e a md t - 5 0 ，速率从2 5 m b i t s 到6 2 2 m b i t s ，可连接 f a s te t h e m n e t 、f d d i 、a t m 。特点是具有自动跟踪系统，调整探测器件的位置以 检测激光束的光轴，所以不因建筑物的摆动而使传输中断。同时，镜头自动跟踪 特性增加传输距离达2 k m 。c a n o b e a mi l h 数据速率达到6 2 2 m b i t s ，有不同的网络 接口，如a t m 、f d d i 、f a s te t h e m e t ，并可选择卧m p 的t c p i p 。 t e r a b e a mi n t e m e ts y s t e m s 产品是基于i p 的无光纤点到多点网络，发送和接收 机，固定在办公室窗户上小卫星碟。这些卫星碟型天线的波束与安装在楼内的基 站相连。 1 2 4 国内研究现状【9 1 目前在中国，无线光通信技术基本处于起步阶段，有几家公司在实验室做出了样 机，但是没有规模性的生产，主要原因有f s o 本身的可靠性问题，一些人对f s o 技 术存有一定程度的误解和疑虑；还有些用户对f s o 技术了解不多。桂林三十四 6 绪论 所、清华同方有限公司、中科院成都光电技术研究所、深圳飞通有限公司、上海 光机所等几家单位，有比较成熟的样机。 桂林三十四所产品的主要性能参数有以下一些：传输速率8 m b i t s ， 3 4 m b i t s ，1 5 5 m b i t s ；工作波长8 5 0 n m ：通信距离l 4 k m ；光发射功率：小于4 0 m w 。 清华同方推出了面向未来的无线光链路的自由空间通信产品o w l i n ke 1 0 0 。 清华同方在快速追踪系统具有自动校准功能获得了专利，其产品还遵循眼睛安全 标准。 中科院成都光电技术研究所，开发的产品主要性能参数有传输速率：1 0 m b i t s ； 工作波长：8 5 0n m ；通信距离：l 4 k m ；发射功率：3 - - 3 0 m w 。 上海光机所承担的”无线激光通信系统”具有双向高速传输和自动跟踪功能。 其传输速率可以达到6 2 2 m b i t s ，通信距离可以达到2 k m 。自动跟踪系统采用双波 长同光路接收镜筒和高灵敏度探测器，实现灵敏度动态跟踪。 深圳飞通有限公司开发出的样机，其速率有1 5 5 m b i t s 、6 2 2 m b i t s 以及 1 2 5 g b i t s 几种，通信距离最远可达4 k m 。 1 3作者在论文中的主要工作 本文旨在设计符合实际应用场合的无线光通信传输方式，提出解决方案，验 证方案的可行性，搭建f s o 系统硬件平台。所以我们作为在校研究生研究该课题 的主要目的为：以该课题作为研究载体，培养自学能力，锻炼搜索资料能力，提 高提出问题、分析问题、解决问题的能力以及实际动手能力。 在课题研究期间，作者通过i n t e r n e t 查询、文件检索、向国内外厂商索取资料、 样片，同国内外相关公司技术人员交流等多种方式。仔细研究了该技术的现状及 部分厂商的详细情况。 在课题研究期间，作者主要完成的工作如下： 1 研究实际产品的应用场合，及其设备的运作。 2 确定无线光通信( f s o ) 接收方案，并作可行性论证。 3 制定详细的系统设计方案和测试方案。 4 器件的选型：发光二极管l d 、接受探测器p i n 通过对比确定适合自己实际 场合的器件参数，进而确定器件型号。 5 硬件电路的设计：采用m a x i m 光通信芯片设计包括发端驱动电路、接受端 信号放大电路。 6 对系统的主要性能进行分析。包括噪声分析、灵敏度分析、动态范围分析。 7 提出系统的测试方案。 北京交通大学硕士学位论文 8 对所做工作进行总结，展望下一步所要开展的工作重点。 f s o 的 i 作原理及相关技术 2f s o 的工作原理及相关技术 无线光通信系统是以大气作为传输媒质来进行光信号的传送的。只要在收发 两个端机之间存在无遮挡的视距路径和足够的光发射功率，就可以进行通信【1 0 】。 一个无线光通信系统包括三个基本部分：发射机、信道和接收机。在点对点 传输的情况下，每端都设有光发剁机和光接收机，可以实现全双工的通信。如 图2 1 所示。 2 1光发送机 图2 - 1f s o 系统应用 f i g u r e 2 - 1f s os y s t e mi m p l e m e n t a t i o n 在无线光通信系统中，光发射机的作用是将输入电信号转化成光信号并发射 出去。下面简要介绍光发送机的基本原理。 2 1 1 光发送机的基本组成及指标【1 1 1 图2 - 2 为光发送机的组成框图，其核心是光源及驱动电路。在数字通信中，输 入电路将输入i 狗p c m 脉冲信号进行整形，变换成n r z r z 码- 后通过驱动电路调制光 源( 直接调制) ，或送到光调制器，调制光源输出的连续光波( 外调制) 。对直 接调制，驱动电路还要给光源加一直流偏置；而外调制方式中光源的驱动为恒定 电流，以保证光源输出连续光波。控制电路是为了稳定输出的平均功率和工作温 北京交通大学硕士学位论文 度。此外，光发送机中还有报警电路，用以检测和报警光源的工作状态。数字通 信系统中的光发送机与模拟系统中的光发送机组成相比，除了都有一个驱动电路 和光源外，它还多了线路编码和控制部分。 图2 2 光发送机框图 f i g u r e 2 2o p t i c a lt r a n s m i t t e rd i a g r a m 光发送机的性能主要包括以下几个方面： 1 ) 光源性能，包括波长、谱宽、p - i 特性及寿命等。 2 ) 输出光功率及稳定性。 发送机的输出光功率，实际上是从其发射端的出射点测得的光功率，因此应 称为出端光功率。光功率的单位有时用绝对值表示，如弦形或m w 。有时用相对值 表示，即相对于lm w 光功率的分贝数( 1m w 光功率定义为0 d b ) ，在工程上主要 采用相对值表示，即 p a v a = 1 0 l o g p l l ( m m w 1 ) ( d b m ) ( 2 - 1 ) 发送机的输出功率大小直接影响系统的中继距离，是进行无线光通信系统设 计时不可缺少的一个原始数据。输出光功率的稳定性要求是指在环境温度变化或 器件老化过程中，输出光功率要保持恒定，如稳定度为5 一- - 1 0 。 3 ) 消光e l e x t 消光比是指发全“1 ”码时的输出光功率只和发全“0 ”码时输出光功率只之 比。即 脚= 筹蒜虢 协3 ， 4 ) 调制方式，模拟、数字或外调制。 5 ) 光脉冲的上升时间t ，、下降时间t ，以及电光延迟时间t 。 6 ) 无张弛震荡。 下面先简要介绍光载波的调制方式，然后着重介绍光源的驱动电路。 2 1 2 光源的调制 1 0 f s o 的工作原理及相关技术 同光纤通信系统类似，f s o 系统中信息由l e d 或l d 发出的光波所携带，光波 就是载波。把信息加载到光波上的过程就是调制。按调制信号的形式，光调制通 常可分为两大类，即模拟调制和数字调制。模拟调制又有两类，一类是用模拟基 带信号直接对光源强度调制( d 1 m ) ，另一类采用连续或脉冲的射频( r f ) 波作 为副载波，模拟基带信号先对它的幅度、频率、或相位等进行调制，再用该受调 制的副载波对光源进行强度调制。 图2 - 3 就是对发光二极管进行模拟信号强度调制的原理图。如图所示，连续的 模拟信号电流叠加在直流偏置电流上，适当地选择直流偏置电流的大小，可以减 小光信号的非线形失真。模拟调制的优点是设备简单，占用带宽较窄，但它的抗 干扰性能差，中继时噪声累积。【1 2 】 图2 3l e d 的模拟调制 。 f i g u r e 2 3l e da n a l o gm o d u l a t e 数字调制是光通信的主要调制方式，模拟信号经过抽样、量化、编码( p c m ) 以后，以二进制的数字信号“l ”或“0 对光载波进行通断调制，因此也常称为 光源的0 0 k ( o n o f fk e y i n g ) 调制。图2 - 4 给出y l e d 和l d 数字调制原理。数字调 制的优点是抗干扰能力强，中继时噪声及色散的影响不积累，因此可实现长距离 传输。 北京交通大学硕士学位论文 p = 二二二二j ( a ) l e d 数字调制原理图 p 厶； i 磊 ( b ) l d 数字调制原理图 图2 4 数罕调制原理 f i t u r e 2 4d i g i t a lm o d u l a t ep r i n c i p l e 按调制方式与光源的关系来分，光调制又可以分为直接调制和外调制两种。 前者指直接用电调制信号来控制半导体光源的振荡参数( 光强、频率等) ，得到 光频的调幅波或调频波，这种调制也称内调制；后者是让光源输出的幅度与频率 等参数恒定的光载波通过光调制器，电信号通过调制器实现对光载波的幅度、频 率及相位等进行调制。光直接调制的优点是简单，但调制速度受载流子寿命及高 速率下的性能劣化的限制( 如频率啁啾) 。外调制方式需要调制器，结构复杂， 但可以获得良好的调制性能，尤其适合于高速下运用。 2 1 3 光发送机的驱动电路 光源是光发送机的主要器件，但是它并不是唯一的器件，其他一些器件，如 转变电数据流为光脉冲流的调制器，供给光源电流的驱动电路等也是构成光发送 机所必不可少的。光源注入偏置电流和调制电流，就能发射光，光源接上驱动电 路就构成了发送机的主体部分。本设计只涉及到数字调制方式，所以在此只是简 单的介绍一下数字光发送机的驱动电路。 1 数字光发送机的驱动电路 l e d 用作数字光通信系统的光源时，驱动电路应能提供几十到几百毫安的 “开”、“关”电流。一般l e d 不加偏置或只有小量的正向偏置电流。l e d 对温度 不是很敏感，因此驱动电路中般不采用复杂的自动功率控制( a p c ) 和自动温 度控制( a t c ) 。 与l e d 相比，对l d 的调制就要复杂的多，由于l d 一般用于高速系统，而且是 阈值器件，它的温度稳定性比较差，因此l d 驱动电路复杂的要多。尤其是在高速 1 2 f s o 的工作原理及相关技术 率调制系统中，驱动条件的选择、调制电路的形式和工艺、激光器的控制等，都 对调制性能至关重要。 图2 5 给出一个实际的工作在4 4 7 mb s 光发送机的射极耦合l d 驱动电路。啊、 嘎组成电流开关发射耦合对。如果啊的基极电位高于基极电位时，电流源 的所有电流流经啊集电极，则没有电流流经激光器，就不发光。如果啊的基极 电位低于基极电位时，所有的驱动电流通过激光器l d 从而发光。这两种情况 由p e c l 输入信号控制，输入信号“l 码为1 8 v ，“0 码为0 8 v ，经过阻和二 极管慨使电平移动，再加到啊管，隅的基极则由温度补偿的参考电压珞。固定 在2 6 v ，这是“1 码和“0 码电平移动后的中间电压。用了发射耦合电路并适 当选择输入电压的大小，从而能够得到很快的开关作用。 图2 - 5 半导体激光器驱动电路l l 川 f i g u r e 2 5l dd r i v e rc i r c u i t 2 激光器驱动电路 半导体激光器是高速调制的理想光源，但是，半导体激光器对温度变化是很 敏感的，稳定的激光器的输出光信号是必须研究的问题。 控制电路的作用，就是消除温度变化和器件老化的影响，稳定输出光信号。 除了一些特殊的发光器件外，一般的半导体激光器发送机中都含有温度控制( a t c ) 电路和自动功率控制( a p c ) 电路。 本设计中只加了自动功率控制，下面就一个简单的例子来说明a p c 的工作原 理。由于激光器的阈值电流和外微分量子效应都会随温度和器件的老化而变化， 因此，要精确控制激光器的输出功率，应从两个方面着手：第一，控制激光器的 偏置电流，使其能自动跟踪阈值的变化，从而使激光器总是偏置在最佳的工作状 态；第二，控制激光器的调制脉冲电流的幅度，使其能自动跟踪外微分子量子效 率的变化，从而保持输出光脉冲信号的幅度恒定，图2 - 6 给出这样的a p c 电路框图。 北京交通大学硕士学位论文 图2 6a p c 电路方框图 f i g u r e 2 - 6d i a g r a mo fa p cc i r c u i t 在图2 6 所示的控制系统中，利用激光器谐振腔的后镜面发射的光作为反馈光 信号，利用光电二极管p d 将光功率转换成光生电流，其输出的电信号馈送到一个 低漂移的直流放大器4 和一个宽带交流放大器4 。4 的输出信号与激光器发射的 平均光功率只矿成正比例，丘的输出信号送入由s d l 和c 3 组成的正峰检波器，丘的 输出信号与己。一成正比例；s d 2 和c 4 组成负峰值检波器，4 的输出信号