（信号与信息处理专业论文）基于arm技术的大气激光信号处理技术研究.pdf

摘要 大气激光通信是指以激光光波作为载体，大气作为传输介质的光通信系统。 在空间大气激光通信中，由于大气的散射、吸收，大气湍流等作用，在激光接收 端就会出现光斑抖动、相位起伏等现象，因此研究一种适合在高速率、弱信号条件下 处理技术，保证激光信号的误码率是有着十分重要的意义。 本文研究一种基于嵌入式微处理器系统的大气激光信号处理方法。 论文从空间激光发展现状及信道环境出发，提出了一种采用a r m 微处理控制器并 在控制器上移植实时操作系统uc o s i i ，运用浮动阈值算法来减小大气信道对激光 探测的影响的方法。在测试中，取得了比较好的实验效果。 关键宇：大气激光通信大气信道a r m l p c 2 11 4pc 0 s i l a b s t r a c t a t m o s p h e r i cl a s e rc o m m u n i c a t i o ni saa t m o s p h e r i co p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m st h a ti sc a r r i e d b yl a s e rl i g h t ，a n dt r a n s m i s si na t m o s p h e r i c i nt h e a t m o s p h e r e l a s e rc o m m u n i c a t i o n ，a sa 犯s i l i to fa t m o s p b e r i cs c a t t e r i n g , a b s o r p t i o n ， a t m o s p h e r i co n f l o w a n ds oo n ，a n dw i l lb r i n gf a c u l av i b r a t i o n ，s i g u a lp h a s i cu n d u l a t i o na n ds oo ni nt h e r e c e i v i n ge n d ，t h e r e f o r en e e d st os t u d yo n ek i n do fm e t h o dt os u i tt h ep r o c e s s e su n d e rt h eh i g hs p e e d ， t h ew e a ks i g n a lc o n d i t i o n ，a n dg u a r a n t e et h ee r r o rr a t eo fl a s e rs i g n a l t h i si n v e s t i g a t e so n ek i n do f a t m o s p h e r el a s e rs i g u a lp r o c e s s i n gm e t h o do nt h e e m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o rs y s t e m t h ep a p e rs t a r t sf r o mt h ed e v e l o p m e n to fs p a c el a s e ra n dt h ea i rc h a n n e le n v i r o n m e n t s ，a d o p t st h e a r mc o n t r o h e rm i c r oa n dt r a n s p l a n t st h er e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mg c o s 一1 1o nt h ec o n t r o l l e r , u s i n g t h ef l u c t u a t i o nt h r e s h o l dv a l u ea l g o r i t h mt om i n i s ht h ei n f e c t i o no ft h ec h a n n e lo ft h ea t m o s p h e r e a n d t a k i n gm o r ee f f e c ti nt h et e s t i n g k e yw o r d ：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 n a i rc h a n n e la r ml p c 2 1 1 4l lc 0 s ii 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基于a r m 技术的大气激光信号处理技术研究是本人 在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：堂塞左幽年上月上日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理t 大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同 意长春理工大学保留并向国家有关部fj 或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权长春理：大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：童壅茎逾舜上月上日 指导导师签名：么绝妇上只l 同 第一章绪论 1 1 概述 空间激光通信是指以激光光波作为载体，大气作为传输介质的光通信系统。自由空 间激光通信结合了光纤通信与微波通信的优点，既具有体积小、保密性好、抗干扰能 力强、大通信容量、高速传输的优点，又不需要铺设光纤，因此各技术强国在空间激 光通信领域投入大量人力物力，并取得了很大进展“1 。 ( 1 ) 大通信容量：激光的频率比微波高3 - 4 个数量级( 其相应光频率在1 0 1 3 1 0 1 7 h z ) ，作为通信的载波有更大的利用频带。光纤通信技术可以移植到空间通信中来，目 前光纤通信每束波束光波的数据率可达2 0 g b p s 以上，并且可采用波分复用技术使通信 容量上升几十倍。因此在通信容量上，光通信比微波通信有更大的优势。 ( 2 ) 功耗：激光的发散角很小，能量高度集中，落在接收机望远镜天线上的功率密 度高，发射机的发射功率可大大降低，功耗相对较低。这对应于能源成本高昂的空间 通信来说，是十分适用的。 ( 3 ) 体积小、重量轻：由于空间激光通信的能量利用率高，使得发射机及其供电系 统的重量减轻；由于激光的波长短，在同样的发散角和接收视场角要求下，发射和接 收望远镜的口径都可以减小。摆脱了微波系统巨大的碟形天线，重量减轻，体积减小。 ( 4 ) 抗干扰、保密性好：激光具有高度的定向性，发射波束纤细，激光的发散角通常 为毫弧度，这使激光通信具有高度的保密性，可有效地提高抗干扰、防窃听的能力。 ( 5 ) 光空间通信具有较低的建造经费和维护经费。 尽管空间光通信具有以上众多的优点，但同样也面l 临着挑战： ( 1 ) 高精度、准确的光束对准： ( 2 ) 背景光源，如太阳、月亮及行星的干扰； ( 3 ) 近衍射极限( 几十u r a d ) 的光学准值； ( 4 ) 大气随机信道对光波传输的影响； ( 5 ) 大容量、远距离、小型、轻便、低功耗等。 因此研究一种适合在高速率、弱信号条件下处理技术，保证激光信号的误码率是 有着十分重要的意义。 1 2 空间激光通信发展现状和趋势 1 2 1 光通信国际现状“” ( 1 ) 美国 美国是世界上开展卫星光通信最早的国家，主要研究部门是美国宇航局( n a s a ) 。 美国宇航局选择喷气推进实验室( j e tp r o p u l s i o nl a b o r a t o r y j p l ) 丌展了卫星 光通信系统的研制工作。j p l 计划开始于1 9 7 9 年，随后开发了一台光通信演示器( o c d ) 一实验室证实的工程模型，且产生了许多系统级的演示。1 9 9 5 年完成了激光通信演示系 统( l a s e rc o m m u n i c a t i o nd e m o n s t r a t i o ns y s t e m l c d s ) ，数据率为7 5 0m b p s ，该系 统要求至少有一个通信端机在太空中，其研究的目的有两个：一是演示两个运动平台 之间及平台与地面之间的高码率光通信连接；二是论证在未来的卫星通信中，激光通 信与无线电通信相比，在性能、体积、重量、功耗及传输码率等方面的优势。 美国的战略导弹防御组织( b m d o ) 也在积极进行空间光通信的研制开发工作，该工 程由空军提供主要经费，由m i t 林肯实验室进行有关关键技术的研究。2 0 0 0 年6 月7 日，b m d o 宣布：s t r v z 在美国西部标准时间上午6 ：2 9 从v a n d e n b e r g 军基地成功发射。 s t r v z 是空军空间测试计划的t s x 一5 卫星的主要有效载荷。它包含一套高级技术试验， 这些试验包括高带宽激光通信系统、一个有源振动抑制系统、空间辐射影响和微流星 体传感器、一个低成本复合空间结构，以及一个红外传感器试验。 ( 2 ) 欧洲 1 9 7 7 年，欧洲航天局( e s a ) 开始了一项关于空间高数据率激光链路的调制器的评 估的科技研究。这标志着一个长期的e s a 涉足空间光通信的开始。e s a 在空间光通信研 究方面不仅起步早，而且制定了一系列研究计划，在近二十年的时间里对有关技术进 行了周密详细的研究。 从1 9 8 5 年起，e s a 开始实施半导体激光卫星间链路试验( s i l e x ) 计划，即在两颗 卫星间建立实验性激光通信链路，其主要目的是在实验和预研的水平上，研制并验证 所有有关卫星间激光通信的单元和予系统。s i l e x 是一个自由空间光通信系统，它是由 两个光通信有效载荷组成，被装载在e s a 的a r t e m i s ( 高级中继和科技任务卫星) 太空 船和法国地球观测站太空船s p o t 4 上。它将允许数据以5 0 m b p s ，用g a a i a s 二极管和直 接探测，从l e o 发射到g e o 。欧洲第一个卫星间激光通信系统，也是世界第一个民用激 光通信系统- s i l e x 系统己经设计完毕，并且装载了s i l e x 系统的a r t e m i s 同步轨道卫 星已于2 0 0 1 年7 月发射，已实现了与1 9 9 8 年2 月发射的s p o t 4 ( l e o ) 之间的光通信 实验。在进行s i l e x 计划的同时，欧洲航天署还致力于一些旨在使卫星间光通信更实 用化和商业化的高级系统，关键技术和关键元器件的研究，例如高功率固体激光器， 犬型电光调制器，高码率相干光接收机，捕获和跟踪组件，单镜精定位组件，相控接 收天线阵列等，并取得了很大的成就。 ( 3 ) 日本 日本于八十年代中期就开始了光学空间通信研究工作。日本航天局的主要系统是始 于1 9 8 5 年的l u c e ( l a s e ru t i l i z i n gc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t ) 系统，它安装于o i c e t s ( o p t i c a li n t e r o r b i tc o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n gt e s ts a t e l l i t e ) 卫星( 在2 0 0 0 年夏天发射) 上，该通信端机和欧洲的s i l e x 通信端机兼容，并与e s a 的g e o 轨道上 的a r t e m i s ( a d v a n c e dr e l a ya n dt e c h n o l o g ym i s s i o ns a t e l l i t e ) 卫星上的s i l e x 系统进行光通信实验，在轨道上证实对准、捕获和跟踪技术，以及轨道问光通信的其 它关键技术。c r l 丌发的空间光通信设备( l a s e rc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t l c e ) ，装 载于1 9 9 4 年8 月2 8 日发射的e t s v i 实验卫星上，进行空问激光通信系统的基本技术 2 的演示。该卫星没有被发射到原计划的g e o 轨道上，由于轨道错误影响了其生存期。 在e t s y i 有限的生存期( 1 9 9 4 1 9 9 6 ) 内，c r l 和n a s a 的j p l 进行了一些空对地实验。 实验中使用强度调制和直接探测( i m d d ) ，建立了1 0 2 4 m b p s 的双向链路，卫星上使 用7 5 c m 直径天线。下行链路使用波长0 8 3 u m 、1 3 8 m w 的a 1 g a a s 激光二极管。东京 的上行链路采用0 5 1 u m 波长的a r g o n 激光器，天线孔径1 5 m 。值得一提的是，1 9 9 5 年，美国与日本两颗相距3 9 万公里的卫星实现了互联，并成功的通话了8 分钟，是空 间光通信的第一次突破。 ( 4 ) 国内 我国卫星光通信的研究相对国际发达国家起步晚，初期主要是光器件等条件并不具 备。我国是从“六五”期间开始空间光通信技术的初步研究的。其中开展大气激光通 信起步最早，最具代表性的单位是电子科技大学、长春理工大学、哈尔滨工业大学等， 从七十年代以来长期从事激光大气通信技术及系统的研究。自2 0 世纪9 0 年代以来， 随着激光通信器件的进步和对外开放度的增加，许多科研单位都开始了对于卫星激光 通信的研究，在一些领域里取得了突破性的进展。 1 2 2 空间光通信发展趋势 科学与应用研究成果的推广，空间应用将成为经济和社会发展的重要推动力之一。 随着科技的进步，空间激光通信成为了目前研究的重大课题。 目前，空间激光通信的一些难度较大的关键技术( 包括空间光束跟瞄技术、高背景 噪声抑制技术等) 己经取得了较好的解决，研究更加深入，技术也更加成熟。从世界 卫星光通信发展格局与特点来看有以下四个方面： ( 1 ) 卫星光通信技术与系统的日趋完善； ( 2 ) 卫星光通信体制和通信协议的建立己被列入议事日程； ( 3 ) 卫星单元技术研究的进一步深化； ( 4 ) 卫星光通信的应用范围日益扩大，卫星通信正在经历着革命性的变化，卫星间 光通信领域的研发人员也已经改变了他们的步伐和方向。小型、更好、更快是下一代 系统的特性，可以肯定的是数据率的提高。主要目的是赶上陆地光纤系统。较高功率 的激光和较高速度的光开关，同时还有高速电子系统( a s i c 和m m i c ) 将有助于达到这 个目标。 关于光波长的研究，早期的许多工作集中在0 8 u m ，目前达到1 0 6 u m 。陆地光纤系 统采用掺饵光纤放大器达到高容量，这对空间光通信系统来说具有吸引力，所以目前 的系统采用的波长集中在0 5 3 u m 。采用新材料也可以使系统更轻。低质量、小尺寸、 宽带以及相对较低的成本的终端，与r f 解决方案相比，在高比特率方面，具有明显的 优势。 值得提出的是，空间光通信的发展是与高质量大功率半导体激光器、精密光学元件、 高质量光滤波器件、高灵敏度光学探测器及快速、精密的光、机、电综合技术的研究 和发展密不可分的。近几年来光电器件、激光技术、电子学技术的发展，为空间光通 3 信奠定了物质基础，在人力、物力上也作了准备。高新技术的发展和应用不仅为空间 通信信息产业的发展创造了条件，开拓了市场，其关键技术的实现也为未来移动通信、 计算机多媒体通信等终端联网，以及轻便光通信等民用和军用方面采用空间光通信技 术奠定了基础。 综上所述，全球大容量、多波段、立体覆盖的信息产业和通信技术的发展需求，将 必然为空间光通信开辟广阔的天地，对从事空间光通信的科技和工程人员是机遇，也 更是挑战，但相信通过共同的努力，空间光通信步入工程化和实用化是指日可待的。 可以预见，在不远的将来，卫星激光通信作为现代通信的一种新型技术，将走入人类 生活。 1 3 嵌入式微处理器的发展现况 l 、嵌入式系统简介 嵌入式微处理器是由通用计算机的c p u 演变而来的。它的特征是具有3 2 位以上的 处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但与计算机处理器不同的是，在 实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能 部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。和工业控制计算机相 比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌 入式处理器类型有a i i l l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 一4 0 0 、p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m 系列等。 从国内外发展现状来看，嵌入式应用广泛，主要用于各种信号处理与控制，目前已 在国防、国民经济及社会生活各领域普及应用，用于企业、军队、办公室、实验室以 及个人家庭等各种场所。 2 、a r m 微处理器 a r m 是a r m 公司研发出的，授权其它公司生产的r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc p u ) 精简指令集采用冯诺依曼( v o nn e u m a n n ) 结构的高速、低功耗、可在线编程、高度 保密的1 6 位3 2 位嵌入式微处理器。a r m 微处理器使用流水线来提高处理器指令流的 速度。这样可使几个操作同时进行，并使处理和存储系统连续操作，能提供0 9 m i p s m h z 的指令执行速度。并且a r m 微处理器具有程序存储器擦写可达i 0 0 0 0 次以上、支持程 序的在系统编程i s p 、丰富的外设( r t c 、w a t c h d o g 、a d 转换器、p w m 、u a r t 接口) 、 多重密码保护锁死功能。因此，a r m 微处理器被广泛应用于计算机外部设备、工业实时 控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。 实时操作系统能够在限定的时间内完成所规定的功能，并能在限定的时间内对外部 的异步事件做出响应。实时操作系统主要应用于过程控制、数据采集、通信、多媒体 信息处理等对时间敏感的场合。 嵌入式实时操作系统uc o s i i 的构思巧妙、可读性很强，同时又具备了实时操作 系统的全部功能，用户只要做很少的工作就可以把它移植到各类8 位、1 6 位、3 2 位嵌 入式处理器上。 4 在a r m 上移植实时操作系统能及时快速地响应外部事件、增加系统的稳定性、对系 统资源和多个任务进行管理，具有高稳定性、高可靠性、实时性等优点。 基于激光通信信号处理高可靠性、高处理速度、高稳定性等的要求，采用a r m 微处 理器并在处理器上移植实时操作系统“c o s - i i 来达到项目的要求。 1 4 本课题研究的主要内容 本课题主要是基于a r m 技术的大气激光信号处理技术研究，主要研究内容是： ( 1 ) 大气信道中激光传输特性研究； ( 2 ) 系统总体方案设计； ( 3 ) 硬件电路设计； ( 4 ) 软件设计； ( 5 ) 系统调试。 第二章大气信道中激光传输特性研究 激光在信道传输中，受大气信道的影响很大。 由于大气构成成分的复杂性以及光接收受天气等因素影响的不稳定性，光波在大气 中传播时，大气气体分子及气溶胶的吸收和散射会引起的光束能量衰减，空气折射率 不均匀会引起的光波的振幅和相位起伏；当光波功率足够大、持续时间极短时，非线 性效应也会影响光束的特性，因此有必要研究激光大气传播特性。 2 1 大气衰减 激光辐射在大气中传播时，部分光辐射能量被吸收而转变为其他形式的能量( 如热 能等) 部分能量被散射而偏离原来的传播方向( 即辐射能量空间重新分配) ，吸收和散 射的总效果使传输光辐射强度的衰减。 - - - - - - - - - - - - - - - - - - + - - - - - - - - - + ， - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + 图2 1 激光衰减示意图 设强度为，的单色光辐射，通过厚度为础的大气薄层，单色光辐射的强度变为， 如图2 1 所示。不考虑非线性效应，光强衰减量谢正比与，及棚，即 d i ，仁( 卜n 一一8 d l电吣 b 为大气衰减系数，在应用中，衰减系数常用单位为( 1 k m ) 或( d b k m ) ，二者之 间的换算关系为： f l ( d b k m ) = 4 3 4 3 x 芦( 1 k m ) ( 2 2 ) 上式积分后得大气透过率7 1 为： 减。 丁= ，。一e x p ( - f of l d l 】 ( 2 3 ) 简化为： t 。e x p ( 一肚) ( 2 4 ) 公式2 4 为描述大气衰减的朗伯定律，表明光强随传输距离的增加呈指数规律衰 6 因为衰减系数6 描述了吸收和散射两种独立物理过程对传播光辐射强度的影响， 所以b 可表示为： = k 。+ o _ + k 。+ 吼 ( 2 5 ) 式中k m 和o m 分别为分子的吸收和散射系数； k a 和o a 分别为大气气溶胶的吸收和散射系数。 对大气衰减的研究可归结为对上述四个基本衰减参数的研究。 2 1 1 大气分子的吸收 光波在大气中传播时，大气分子在光波电场的作用下产生极化，并以入射光的频率 作受迫振动。所以为了克服大气分子内部阻力要消耗能量，表现为大气分子的吸收。 分子的固有吸收频率由分子内部的运动形态决定。 极性分子的内部运动一般有分子内电子运动、组成分子的原子振动以及分子绕其质 量中心的转动组成。相应的共振吸收频率分别与光波的紫外和可见光、近红外和中红 外以及远红外区相对应。 由此，分子的吸收特性依赖于光波的频率。 大气中n ：、0 2 分子虽然含量最多( 约9 0 ) ，但它们在可见光和红外区几乎不表现 吸收，对远红外和微波段才呈现出很大的吸收。在可见光和近红外区，一般不考虑其 吸收作用。 大气中除包含上述分子外，还包含有h e ，a r ，x e ，0 3 ，n e 等，这些分子在可见光 和近红外有可观的吸收谱线，但其大气中的含量甚微，一般不考虑其吸收作用。只是 在高空处，其它衰减因素都很弱时，才考虑它们吸收作用。 f h 0 和c 0 2 分子，特别是h 2 0 分子在近红外区有宽广的振动一转动及纯振动结构，是 可见光和近红外区最重要的吸收分子，是晴天大气光学衰减的主要因素，它们的一些 主要吸收谱线的中心波长如表2 一l 所示。 表1 可见光和近红外区主要吸收谱线 吸收分主要吸收谱线中一t l , 波长( m ) 子 0 7 2o 8 2o 9 30 9 41 1 3 1 3 81 4 61 8 72 6 63 1 56 2 6 h 2 0 1 1 71 2 61 3 51 4 3 c 0 2 1 41 62 0 5 4 3 5 29 41 0 4 0 2 4 79 6 从表l 不难看出，对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收，光波几乎无法 通过。根据大气的这种选择吸收特性，一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高 的波段称为“大气窗口”。在这些窗口之内，大气分子呈现弱吸收。目前常用的激光 波长都处于这些窗口之内。 2 1 2 大气分子散射 大气中总存在着局部的密度与平均密度统计性的偏离密度起伏，破坏了大气的 光学均匀性，一部分辐射光会向其他方向传播，从而导致光在各个方向上的散射。 7 在可见光( o 4 0 0 7 6v t m ) 和近红外波段，辐射波长总是远大于分子的线度，这 一条件下的散射为瑞利散射。瑞利散射光的强度与波长的四次方成反比。 吒= 0 8 2 7 x n x a 3 ( 2 6 ) 式中，o m 为瑞利散射系数( c m - 1 ) ：n 为单位体积中的分子数( c m - 1 ) ；h 为分子的 散射截面( c m 2 ) ；九为光波长( c m ) 。 2 1 3 大气气溶胶的衰减 大气气溶胶的概念：大气中有大量的粒度在0 0 3 岬到2 0 0 0p u n 之间的固态和液 态微粒。由于这些微粒在大气中的悬浮呈胶溶状态，所以通常又称为大气气溶胶。 当光的波长相当于或小于散射粒子尺寸时，即产生米一德拜散射。米一德拜散射则主 要依赖于散射粒子的尺寸、密度分布以及折射率特性，与波长的关系远不如瑞利散射 强烈( 可以近似认为与波长无关) 。 气溶胶微粒的尺寸分布极其复杂，受天气变化的影响也十分大，不同天气类型的气 溶胶粒子的密度及线度的最大值列于表2 中。 表2 霾、云和降水天气的物理参数 天气类型 n ( c l n 。)口( i 肌)气溶胶类型 霾m 1 0 0 c l n o3海上或岸边的气溶胶 霾l 1 0 0c l n 32大陆性气溶胶 霾h 1 0 0c m _ 30 6高空或平流层的气溶胶 雨m 1 0 0c l n 。3 0 0 0小雨或中雨 雨l 1 0 0 0 m o2 0 0 0大雨 冰雹h 1 0 m 36 0 0 0含有大量小颗粒的冰雹 积云c 1 1 0 0 c m 31 5积云或层云、雾 云c 2 l o oc m 。7 有色环的云 云c 3 1 0 0 c m - 33 5 贝母云 云c 41 0 0 c m 。35 5太阳周围的双层或三层环的云 2 2 大气湍流效应 在气体或液体的某一容积内，惯性力与此容积边界上所受的粘滞力之比超过某一临 界值时，液体或气体的有规则的层流运动就会失去其稳定性而过渡到不规则的湍流运 动，这一比值就是表示流体运动状态特征的雷诺数r e ： r e t p a v f 叩 ( 2 7 ) 式中，p 为流体密度( k g m 3 ) ；，为某一特征线度( m ) a 订为在j 量级距离上 运动速度的变化量( m s ) ；r 为流体粘滞系数( k g m s ) 。雷诺数庙是一个无量纲的数。 当肪小于临界值? e c r ( 由实验测定) 时，流体处于稳定的层流运动，而大于r e c r 时为湍流运动。由于气体的粘滞系数叶较小，所以气体的运动多半为湍流运动。 大气湍流气团的线尺度，有一个上限o 和下限t o ，即l o kf o ，o 和1 0 分别称为湍 8 流气团的外尺度和内尺度( 图2 2 ) 。在近地面附近，1 0 通常是毫米量级，工。则是观察 点( 如激光传输光路) 离开地面高度。 图2 2 大气湍流示意图 激光的大气湍流效应，实际上是指激光辐射在折射率起伏场中传输时的效应。 湍流理论表明，大气速度、温度、折射率的统计特性服从“2 3 次方定律”： d ；( r ) 一( 一f 2 ) 2 一c ? r 2 ” ( 2 8 ) 式中，j 分别代表速度( d 、温度( 乃和折射率( 刀) ；，为考察点之间的距离； 伍为相应场的结构常数，单位是m 4 ”。 大气湍流折射率的统计特性直接影响激光束的传输特性，通常用折射率结构常数 c i 的数值大小表征湍流强度，即：弱湍流：c n = 8 x i 0 9 m 4 胆，中等湍流： c n = 4 x 1 0 - 8 m 叫3 ，强湍流：c n = 5 x 1 0 - 7 m “3 。 2 2 1 大气闪烁 光束强度在时间和空间上随机起伏，光强忽大忽小，即所谓光束强度闪烁。 大气闪烁的幅度特性由接收平面上某点光强，的对数强度方差盯i 来表征： 斫一 i n ( i o ) 】2 = 4 1 n ( a a o ) 2 = 4 x 2 式中，可通过理论计算求得，而o r ；则可由实际测量得到。 在弱湍流且湍流强度均匀的条件下： ( 2 9 ) 1 2 3 ( 2 砌) “7 f u 6 三二旭 厶)i 当湍流强度增强到一定程度或传输距离增大到一定限度时，闪烁方差就不再按上 述规律继续增大，却略有减小而呈现饱和，故称之为闪烁的饱和效应。 9 2 2 2 光束的弯曲和漂移 在接收平面上，光束中心的投射点( 即光斑位置) 以某个统计平均位置为中心，发 生快速的随机性跳动( 其频率可由数赫到数十赫) ，此现象称为光束漂移。若将光束视 为体，经过若干分钟会发现，其平均方向明显变化，这种慢漂移亦称为光束弯曲。 光束弯曲漂移现象亦称天文折射，主要受制于大气折射率的起伏。弯曲表现为光束 统计位置的慢变化，漂移则是光束围绕其平均位置的快速跳动。 当传播的光束直径d b 小于端流直径l 时，光束直径包含在一个湍流漩涡内，湍流 的作用主要使光束整体发生随机偏折。所以在接收平面上，光束中心( 光斑) 以某个统 计平均位置为中心，发生快速随机性跳动，即光束弯曲，数值上可用漂移量表示。若 将光束视为整体，其平均方向会明显发生变化，成为光束弯曲。如忽略湿度影响，在 光频段大气折射率n 可近似表示为 一1 7 9 x 1 0 4 p t ( 或n 一( 斤一1 ) x 1 0 6 7 9 p t ) 佗2 1 3 1 尸为大气压强；f 为大气温度( k ) 。 由折射定律，在水平传输情况下，光束曲率c 为“1 ： c d 一一( 7 9 t x d p d h ) + ( 7 9 p t 2 ) ( d t d h ) ( 2 1 1 ) 式中p 为大气压强：t 为大气温度；h 为垂直高度。 c 为正，光束向下弯曲；当i d t d hi 为 0 2 见( r ) 忙) 2 ( 2 1 5 ) 对平面波相位结构函数d ( ，) 为： d ( r ) 一6 8 8 ( ，v o ) “3 ( 2 1 6 ) 2 3 背景光干扰 空间激光通信除了受上述几个因素影响外，还存在背景光的影响。这些背景光主要 来源于太阳、月亮、金星、地球和其他星球的辐射、反射，各背景光源的辐射强度不 同，频谱分布不同，对接收机所成的张角也不同。当接收机视场角包含的噪声源不同 时，接收机受到的影响也不同。背景光有时可以达到很强的程度，远远大于接收到的 信号光强度，这就要求卫星之间的通信系统具有较强的抗背景噪声能力。 第三章基于a r m 技术的方案设计 3 1 组成框图 由于大气信道的衰减、湍流等作用，针对在激光接收端接收到的信号会产生信号 抖动、相位起伏等现象，本论文研究了一种基于a r m 技术的激光信号处理方法来减小 大气信号对激光的影响。组成框图如图3 1 所示： 图3 1 组成框图 本电路设计的主要功能是：激光接收器接收到激光信号后，由c p l d 控制芯片控制 a d 转换芯片，并把读取到的转换值存储到双口r a m 中；而微控制器在读取双口r a m 中 的数据后，对数据进行浮动阈值运算，然后把运算过的数据传送到d a 转换芯片；而后 转换后的模拟信号通过运算放大器放大后，传送到比较器与激光信号接收器接收到的 激光信号进行比较，完成整个电路的功能。 浮动阈值是应用在光信号探测处理技术中的一种方法，针对探测信号幅值浮动的特 点，考虑利用与其同步的闽值电平来对输入信号进行切割，保证阂值电压随着输入信 号的浮动而浮动，保证光电探测器能够可靠地探测到信号，这个过程是实时的。系统 包括a d c 、d a c 、微控制器、运算放大器和比较器。 3 2 微控制器选择 本论文采用的是a r m 微处理器做为数据处理器。 3 2 1a r m 微处理器结构“” i 、r i s c 体系结构 传统的c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，复杂指令集计算机) 结构有 其固有的缺点，即随着计算机技术的发展而不断引入新的复杂的指令集，为支持这些 新增的指令，计算机的体系结构会越来越复杂，然而，在c i s c 指令集的各种指令中， 其使用频率却相差悬殊，大约有2 0 的指令会被反复使用，占整个程序代码的8 0 。 而余下的8 0 的指令却不经常使用，在程序设计中只占2 0 ，显然，这种结构是不太 合理的。 基于以上的不合理性，1 9 7 9 年美国加州大学伯克利分校提出了r i s c ( r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，精简指令集计算机) 的概念，r i s c 并非只是简单地去减 少指令，而是把着眼点放在了如何使计算机的结构更加简单合理地提高运算速度上。 r i s c 结构优先选取使用频最高的简单指令，避免复杂指令；将指令长度固定，指令格 式和寻地方式种类减少；以控制逻辑为主，不用或少用微码控制等措施来达到上述目 的。 r i s c 体系结构应具有如下特点： 采用固定长度的指令格式，指令归整、简单、基本寻址方式有2 3 种。 使用单周期指令，便于流水线操作执行。 大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载存储指令可以 访问存储器，以提高指令的执行效率。 除此以外，a r m 体系结构还采用了一些特别的技术，在保证高性能的前提下尽量缩 小芯片的面积，并降低功耗： 所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令执行效率。 可用加载存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率。 可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理。 在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。 当然，和c i s c 架构相比较，尽管r i s c 架构有上述的优点，但决不能认为r i s c 架 构就可以取代c i s c 架构，事实上，r i s c 和c i s c 各有优势，而且界限并不那么明显。 现代的c p u 往往采用c i s c 的外围，内部加入了r i s c 的特性，如超长指令集c p u 就是 融合了r i s c 和c i s c 的优势，成为未来的c p u 发展方向之一。 2 、a r m 微处理器的寄存器结构 a r m 处理器的寄存器被分为若干个组( b a n k ) ，这些寄存器包括： 通用寄存器，包括程序计数器( p c 指针) ，均为3 2 位的寄存器。 状态寄存器，用以标识c p u 的工作状态及程序的运行状态，均为3 2 位，目前只 使用了其中的一部分。 同时，a r m 处理器又有7 种不同的处理器模式，在每一种处理器模式下均有一组相 应的寄存器与之对应。即在任意一种处理器模式下，可访问的寄存器包括1 5 个通用寄 存器( r o a r l 4 ) 、一至二个状态寄存器和程序计数器。在所有的寄存器中，有些是在7 种处理器模式下共用的同一个物理寄存器，而有些寄存器则是在不同的处理器模式下 有不同的物理寄存器。 3 、a r m 微处理器的指令结构 a r m 微处理器在较新的体系结构中支持两种指令集：a r m 指令集和t h u m b 指令集。 其中，a r m 指令为3 2 位的长度，t h u m b 指令为1 6 位长度。t h u m b 指令集为a r m 指令集 的功能子集，但与等价的a r m 代码相比较，可节省3 0 4 0 以上的存储空间，同时 具备3 2 位代码的所有优点。 4 、a r m 微处理器的应用选型 鉴于a r m 微处理器的众多优点，随着国内外嵌入式应用领域的逐步发展，a r m 微处 理器必然会获得广泛的重视和应用。但是，由于a r m 微处理器有多达十几种的内核结 构，几十个芯片生产厂家，以及千变万化的内部功能配置组合，给开发人员在选择方 案时带来一定的困难，所以，对a r m 芯片做一些对比研究是十分必要的。 以下从应用的角度出发，对在选择a r m 微处理器时所应考虑的主要问题做一些简要 的探讨。 a r m 微处理器内核的选择 从前面所介绍的内容可知，a r m 微处理器包含一系列的内核结构，以适应不同的应 用领域，用户如果希望使用w i n c e 或标准l i n u x 等操作系统以减少软件开发时间，就 需要选择a r m 7 2 0 t 以上带有m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) 功能的a r m 芯片，a r m 7 2 0 t 、 a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 、a r m 9 4 6 t 、s t r o n g a r m 都带有m m u 功能。而a r m 7 t d m i 则没有m m u ， 不支持w i n d o w sc e 和标准l i n u x ，但目前有u c l i n u x 等不需要m m u 支持的操作系统可 运行于a r m 7 t d m i 硬件平台之上。事实上，u c l i n u x 已经成功移植到多种不带m m u 的微 处理器平台上，并在稳定性和其他方面都有上佳表现。 系统的工作频率 系统的工作频率在很大程度上决定了a r m 微处理器的处理能力。a r m 7 系列微处理 器的典型处理速度为0 9 m i p s m h z ，常见的a r m 7 芯片系统主时钟为2 0 m h z 一1 3 3 m t t z ，a r m 9 系列微处理器的典型处理速度为1 1 m i p s m h z ，常见的a r m 9 的系统主时钟频率为 i o o m h z 一2 3 3 m h z ，a r m l 0 最高可以达到7 0 0 m h z 。不同芯片对时钟的处理不同，有的芯片 只需要一个主时钟频率，有的芯片内部时钟控制器可以分别为a r m 核和u s b 、u a r t 、d s p 、 音频等功能部件提供不同频率的时钟。 芯片内存储器的容量 大多数的a r m 微处理器片内存储器的容量都不太大，需要用户在设计系统时外扩存 储器，但也有部分芯片具有相对较大的片内存储空间，如a t m e l 的a t 9 1 f 4 0 1 6 2 就具有 高达2 m b 的片内程序存储空间，用户在设计时可考虑选用这种类型，以简化系统的设 计。 片内外围电路的选择 除a r m 微处理器核以外，几乎所有的a r m 芯片均根据各自不同的应用领域，扩展了 相关功能模块，并集成在芯片之中，我们称之为片内外围电路，如u s b 接口、i i s 接口、 l c d 控制器、键盘接口、r t c 、a d c 和d a c 、d s p 协处理器等，设计者应分析系统的需求， 尽可能采用片内外围电路完成所需的功能，这样既可简化系统的设计，同时提高系统 1 4 的可靠性。 3 2 2l p c 2 1 0 0 系列a r m 微处理器简介“5 2 “ 在a r m 微处理器的选择上，本论文采用的菲利普公司生产的l p c 2 11 4 处理器来做为 系统的信号处理器。 1 、l p c 2 1 1 4 微处理器简介 l p c 2 1 1 4 基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i sc p u ，并带有 1 2 8 2 5 6k 字节( k b ) 嵌入的高速f l a s h 存储器。1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速 结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低超过3 0 ，而性能的损失却很小。 由于l p c 2 1 1 4 非常小的6 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时器、4 路l o 位a d c 、 p w m 输出、4 6 个g p i o 以及多达9 个外部中断使它们特别适用于工业控制、医疗系统、 访问控制和电子收款机( p o s ) 。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于 通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其它各种类型的应用。具体的引 脚图如图3 2 1 所示。 鞴 ”+ 9 瓜“鼍釜妾i “一$ i i “c 堕e p t 2 i m 2 w n 噼p 0 砸巫n c i10， 鬃p029a1n2cap03maqli3|：|i|14m m m o oii l p 1 6 1 2 r a ( 3 e p k i d 1 6 ： ；附 图3 2 1l p c 2 1 1 4 引脚图 2 、l p c 2 1 1 4 微处理器的特性 1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s 核，超小l q f p 6 4 封装； 1 6k b 片内s r a m ： 薹萋 m 。一一昔一一一一 。：腓一 一雠疆曜。 靶整骚癸嚣髓阼槲 | i 粼能鳇一霏； 醴验茹鳇菲题眈阼黼 一 b醮癸菲警。 o伟阼档厦 醵言。 1 2 8 2 5 6k b 片内f l a s h 程序存储器，1 2 8 位宽度接口加速器可实现高达6 0m h z 工作频率； 可加密：全球首个实现可加密的a r m 微控制器； 通过片内b o o t 装载程序实现在系统编程( i s p ) 和在应用编程( i a p ) 。 5 1 2 字节行编程时间为l m s 。单扇区或整片擦除时间为4 0 0 m s ： e m b e d d e di c e 可实现断点和观察点。当使用片内r e a l m o n i t o r 软件对前任务进 行调试时，中断服务程序可继续运行； 嵌入式跟踪宏单元( e t m ) 支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪； 2 个3 2 位定时器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元( 6 路输出) 、实时时钟 和看门狗； 多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、高速1 2 c 接口( 4 0 0k h z ) 和2 个s