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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(xué)2中國空間技術(shù)研究院3中國空間技術(shù)研究院

系統(tǒng)設(shè)計

無衍射光通信系統(tǒng)采用強度調(diào)制／直接檢測。其結(jié)構(gòu)包括上位機、發(fā)送系統(tǒng)和接收系統(tǒng)，如圖1所示。工作時上位機經(jīng)過串口發(fā)送信號，經(jīng)接口電路的電平轉(zhuǎn)換，傳輸給微處理器，微處理器進行信號調(diào)制，把經(jīng)過調(diào)制的信號傳輸給激光驅(qū)動器，激光驅(qū)動器驅(qū)動激光器發(fā)出光信號，經(jīng)過無衍射光發(fā)生裝置，以無衍射光的形式發(fā)送出去；光電接收把接收的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過放大電路、整形電路、解調(diào)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(fā)送的數(shù)據(jù)和接收的數(shù)據(jù)，進而計算出誤碼率。

1無衍射光的產(chǎn)生

本系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)簡單、能量利用率高的圓錐透鏡法產(chǎn)生無衍射光。如圖2所示，激光器發(fā)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(nèi)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(shù)為5×～10×，圓錐透鏡的規(guī)格為Φ30，α＝0．5°。產(chǎn)生的無衍射光最大傳輸距離超過3000mm。

2調(diào)制解調(diào)設(shè)計

本系統(tǒng)采用微處理器進行雙頭脈沖間隔調(diào)制（DH－PIM）及其解調(diào)。DH－PIM的每個符號所包含的時隙數(shù)是變化的，并且采用兩種起始脈沖。調(diào)制符號Sk（k為符號所表示的十進制數(shù)）由頭部時隙和后續(xù)的m個空時隙組成。頭部時隙由α＋1個時隙組成（α為整數(shù)），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(diào)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(yōu)點［13］。

3激光驅(qū)動設(shè)計

激光驅(qū)動器選擇MAXIM公司MAX3766，它為622MbpsLAN／WAN激光驅(qū)動器，包括激光調(diào)制器、自動功率控制、安全關(guān)閉等組件。激光驅(qū)動模塊如圖3所示，調(diào)整BIASMAX端口電阻阻值，設(shè)置激光器靜態(tài)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(diào)整MOD端口電阻阻值，設(shè)置調(diào)制電流。

4接收系統(tǒng)設(shè)計

接收系統(tǒng)的作用是檢測光信號，將受調(diào)制的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)放大、整形、解調(diào)等過程后發(fā)送給計算機。接收系統(tǒng)由光電探測器、放大電路、整形電路、解調(diào)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(tǒng)中采用KODENSHI公司生產(chǎn)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(lián)負反饋放大電路，其可以看作是電流－電壓轉(zhuǎn)換電路，把光電二極管的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；第二級同為電壓并聯(lián)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(dǎo)致信號畸變，所以需要對經(jīng)過放大電路的信號進行整形。經(jīng)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(xiàn)。AD790的響應(yīng)時間為40ns?；鶞孰妷哼x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(jīng)過整形的信號傳輸給信號解調(diào)模塊，解調(diào)之后，通過串口傳輸給上位機。

實驗驗證

本系統(tǒng)示意圖如圖4所示，計算機通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)過微處理器調(diào)制，激光驅(qū)動模塊驅(qū)動半導(dǎo)體激光器，經(jīng)過無衍射光發(fā)生光路后，由PIN光電二極管接收光信號并轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)放大整形及微處理器解調(diào)，最后又串口發(fā)送給計算機接收。計算機對發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收的數(shù)據(jù)進行對比，計算出無衍射光通信系統(tǒng)的誤碼率。

1無衍射光產(chǎn)生實驗

本系統(tǒng)產(chǎn)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(wěn)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(tǒng)進行傳輸性能評價。誤碼率是指在測量時間內(nèi)，數(shù)字碼元誤差的數(shù)量與數(shù)字碼元總數(shù)之比［14］。在本實驗中，計算機通過串口發(fā)送隨機數(shù)據(jù)，經(jīng)過此通信系統(tǒng)后返回計算機，之后對比發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收的數(shù)據(jù)，計算出誤碼率。調(diào)整激光器驅(qū)動電流，使半導(dǎo)體激光器輸出功率分別為2mW和0．8mW，通信比特率設(shè)為9600bps，在不同的通信距離下的誤碼率如圖6所示。從實驗結(jié)果可以看出，當激光器輸出功率設(shè)為2mW和0．8mW時，在無衍射光最大傳輸距離內(nèi)，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(qū)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(dǎo)致PIN光電二極管接收到的高低電平不易分辨，使傳輸系統(tǒng)的誤碼率上升。因此在合理的范圍內(nèi)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(tǒng)的質(zhì)量。

結(jié)論

本文將無衍射光和自由空間光通信有機地結(jié)合起來，構(gòu)建了基于無衍射光的自由空間光通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用無衍射光作為自由空間光通信的信息載體，發(fā)揮其中心光斑直徑小、零發(fā)散的特點，增加了自由空間光通信的能量利用率和互聯(lián)密度；采用雙頭脈沖間隔調(diào)制的調(diào)制方式避免了調(diào)制解調(diào)過程中的時鐘同步問題；使用專用的激光驅(qū)動芯片大大簡化了電路設(shè)計的復(fù)雜程度，有利于系統(tǒng)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(jié)果表明可以有效地滿足串口通信的基本要求。