无线光通信（FSO）收发机的研究与实现

论文摘要

自由空间光(Free Space Optical,FSO)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622Mbps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FSO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(Laser Diode,LD)和自动光功率控制,光接收单元中PIN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LD、PIN光电二极管选择能满足其电流要求的MAXIM公司的激光驱动芯片MAX3738、低功耗互阻前置放大芯片MAX3760、限幅放大芯片MAX3762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PECL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PCB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。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 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
• 1.1.2 课题研究的背景
• 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
• 1.2.2 无线光通信系统存在的问题
• 1.2.3 国外研究现状
• 1.2.4 国内研究现状
• 1.3 作者在论文中的主要工作
• 2 FSO的工作原理及相关技术
• 2.1 光发送机
• 2.1.1 光发送机的基本组成及指标
• 2.1.2 光源的调制
• 2.1.3 光发送机的驱动电路
• 2.2 光接收机
• 2.2.1 光接收机的构成及其主要性能指标
• 2.2.2 光接收机的噪声
• 2.2.3 接收机的误码率
• 2.2.4 接收机的灵敏度
• 2.3 FSO与其他接入技术的比较
• 2.4 结束语
• 3 光发射子系统的硬件实现
• 3.1 光发射子系统的组成部分
• 3.2 激光器
• 3.3 激光驱动器
• 3.3.1 高速调制驱动器
• 3.3.2 消光比控制
• 3.3.3 安全电路
• 3.3.4 安全电路电流监测器
• 3.4 PECL电平
• 3.4.1 PECL接口输入结构
• 3.4.2 PECL接口输出结构
• 3.4.3 PECL到PECL的连接
• 3.5 光发射单元硬件设计
• 3.5.1 电源电路的设计
• 3.5.2 外围电路的配置
• 3.5.3 系统功耗和减小功耗的方法
• 3.6 参数的选取与性能分析
• 3.6.1 LD激光器的参数选取
• 3.6.2 MAX3738激光驱动器的参数选取
• 3.7 本章小节
• 4 光接收子系统硬件实现
• 4.1 接收机总体设计方案
• 4.2 PIN光电二极管
• 4.2.1 PIN光电二极管的主要特性
• 4.2.2 设计中PIN光电二极管的主要参数
• 4.3 信号放大电路
• 4.3.1 前置放大器
• 4.3.2 限幅放大器
• 4.4 接收单元硬件设计
• 4.4.1 光信号检测器
• 4.4.2 前置放大电路
• 4.4.3 限幅放大电路
• 4.5 接收机性能参数分析
• 4.5.1 噪声分析
• 4.5.2 灵敏度估计
• 4.5.3 动态范围
• 4.6 光接受链路预算
• 4.6.1 光斑重叠部分影响数据速率的估算
• 4.6.2 光斑内光功率的分布情况
• 4.7 本章小节
• 5 系统性能测试
• 5.1 硬件电路调试
• 5.1.1 驱动电路端
• 5.1.2 接收电路端（前置放大和限幅放大）
• 5.2 测试方案
• 5.2.1 光发射端机的测试
• 5.2.2 光接收端的测试
• 6 结论
• 参考文献
• 附录 A
• 附录B
• 作者简历
• 学位论文数据集