高速率紫外光通信系统接收端研究

论文摘要

紫外光通信系统作为一种新型的军事通信系统,具有抗干扰能力强、保密性好、非视距通信、灵活机动以及全方位通信等优点。经过几十年的发展已逐渐成熟,但由于采用气体放电灯的紫外光通信系统(以下统称为低速率紫外光通信系统)通信速率只有几Kbit/s的水平,使其应用受到很大局限。随着紫外LED、紫外滤光片和紫外光电倍增管技术的进步,出现了以紫外LED作为光源的高速率紫外光通信系统。与低速率紫外光通信系统相比,高速率紫外光通信系统的体积小、功耗低、机动性更强并且其通信速率在原有的基础上有了大幅度提高,可以满足现代军事通信的要求。大气分子和大气气溶胶粒子的散射和吸收是紫外光通信系统的理论基础,本文介绍了大气吸收、大气散射以及大气湍流效应对紫外光通信的影响,以瑞利散射和米氏散射理论为基础,建立了基于椭球坐标系的单散射模型和基于蒙特卡罗算法的多散射模型,采用后者作为高速率紫外光通信系统的分析模型。为提高系统的抗干扰能力,采用脉冲位置调制(PPM: Pulse Position Modulation)方式驱动紫外光源,通过研究PPM信号的功率利用率、误码率,说明PPM可以降低对光辐射平均功率的要求,提高系统的稳定性,较为适合本文的高速率紫外光通信系统。在低速率紫外光通信系统的基础上,以提高系统通信速率为主要目标,做了如下硬件设计和改进:以阵列紫外LED代替低压汞灯作为光源,采用聚光罩改善光源发光特性;以紫外滤光片和紫外“日盲”光电倍增管接收光信号;研究光电转换电路和信号预处理电路,将光电倍增管接收到的紫外光信号,在经过光电转换、电流/电压变换、放大、滤波以及整形等信号处理后,转换为标准的CMOS数字方波信号;采用FPGA设计PPM解调器,其中PPM同步帧信号的提取为FPGA解调器设计的难点。实验结果表明,设计的高速率紫外光通信系统在室内通信速率可以达到115.2Kbit/s,并且体积小、功耗低,达到了预期的目标,为高速率紫外光通信系统的实用化奠定了良好的基础。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪 论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外发展现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本文研究目的和研究内容
• 1.3.1 本文研究的目的
• 1.3.2 本文研究的内容
• 2 紫外光大气信道传输理论及散射模型
• 2.1 地球大气成分
• 2.2 大气效应对紫外光通信的影响
• 2.2.1 大气吸收作用
• 2.2.2 大气散射作用
• 2.2.3 大气湍流效应
• 2.3 恶劣天气对紫外光通信的影响
• 2.3.1 霾的影响
• 2.3.2 雾的影响
• 2.3.3 云、雨和雪的影响
• 2.4 NLOS 紫外光通信传输模型
• 2.4.1 紫外光 NLOS 单散射模型
• 2.4.2 紫外光 NLOS 多散射模型
• 2.5 本章小结
• 3 系统总体设计及关键器件
• 3.1 高速率紫外光通信系统结构
• 3.2 紫外光源
• 3.2.1 传统紫外光源
• 3.2.2 深紫外 LED
• 3.3 紫外滤光片
• 3.4 光电探测器比较与选择
• 3.4.1 光电倍增管
• 3.4.2 光电二极管
• 3.4.3 雪崩光电二极管
• 3.4.4 探测器的确定
• 3.5 紫外光聚光系统的设计
• 3.5.1 典型聚光装置
• 3.5.2 反射面材料
• 3.6 本章小结
• 4 PPM 信号分析
• 4.1 PPM 的调制原理
• 4.1.1 单脉冲位置调制
• 4.1.2 差分脉冲位置调制
• 4.1.3 多脉冲相位调制
• 4.1.4 PPM 调制方式比较
• 4.2 PPM 接收机探测器输出模型
• 4.3 PPM 信号功率利用率、误码率分析
• 4.4 本章小结
• 5 接收端硬件实现
• 5.1 紫外光信号的接收和预处理
• 5.1.1 电流电压转换电路
• 5.1.2 滤波电路
• 5.1.3 单限比较整形电路
• 5.2 可编程逻辑设计思想
• 5.3 PPM 解调器 FPGA 实现
• 5.3.1 时钟产生模块
• 5.3.2 帧同步时钟提取模块
• 5.3.3 串并转换和并串转换模块
• 5.3.4 解调器仿真结果
• 5.3.5 解调器静态时序分析
• 5.4 本章小结
• 6 实验结果及展望
• 6.1 实验平台搭建
• 6.2 高速紫外光通信系统实验结果
• 6.3 模拟烟雾实验结果
• 6.4 两种紫外光通信系统对比
• 6.5 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录