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1、天津大学硕士学位论文远距离红外激光无线通信系统设计与实现姓名：马鑫申请学位级别：硕士专业：计算机应用技术指导教师：李晓红20080501摘要随着科技的发展，无线通信系统得到了越来越广泛的应用。与射频无线通信系统相比，红外无线通信系统无需频率申请，并且其反侦听特性能够为通信系统提供良好的安全性。但是，红外通信发射器件的功率限制了其应用范围，过短的通信距离一直是制约红外通信系统发展的瓶颈。课题围绕提高红外通信系统通信距离的研究，提出了将红外激光发生器应用到红外通信平台中的设计思路，着重论述了物理层红外激光通信系统硬件平台的搭建，基于A R M 7 系统的底层驱动程序的开发和应用层系统支持程序的设计
2、，并整合蓝牙，W i f i 通信技术，设计并实现了远距离红外激光无线通信系统。首先，本文依据设计思路制定出系统的整体设计方案，并进行了可行性理论计算。针对激光器工作时产生的瞬间强电流，独立设计完成了频率可调，占空比可调的直流脉冲调制电路，采用大电流对管的信号键控电路和能够产生最大1 5 A电流的主板支持电路。对P C B 布局、布线进行优化设计，保证系统的稳定性。其次，在系统软件开发方面，优化设计并编写了A R M 底层驱动程序，利用中断实现对系统的控制；针对P D A 抗干扰能力差的特点，设计了自定义的U D P通信协议，保证系统通信的正确性。最后，通过对关键模块和系统整体等规范测试，验证
3、该系统可以有效的进行远距离的数据传输，传输距离可以达到l o o m 左右，系统工作稳定，抗干扰性强。远距离红外激光通信系统的设计与实现是一次对于研究和探索远距离红外传输的有益尝试，开发出的原型系统具有一定市场前景。关键词：红外激光无线通信A R M 蓝牙w i f iA BS T R A C TA l o n gw i t ht h ed e V e l o p m e n to ft e c h n o l o g y，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mg e t sw i d e l yu s e d C o m p a
4、 r i n gt ot h eR Fs y s t e m，I Rs y s t e mh a sf o l l o w i n ga d v a n t a g e s：I Rd o e sn o tn e e dt oa p p l yf o rm e 仔e q u e n c y；i tc a np r o v i d es e c u r i 够c o m m u n i c a t i o nb e c a u s eo fi t s 锄t i l i s t e n i n gc h a r a t e r i s t i c B u tI i m i t e db yt h e
5、p o w e ro f l Rt r a n s m i t e r，I Rw i r e】e s ss y s t e mc o u J do n l yb eu s e di nt 1 1 er o o mo ro t h e r s m a l la r e a S h o r tc o m m u n i c a t i n gd i s t a n c ei st h eb o t t l e n e c ko ft h eI Rc o m m u n i c a t i o ns v s t e m，sd e V e l o p m e n t T bi m p r o V et
6、 h ec o m m u n i c a t i n gd i s t a n c eo fI Rs y s t e m，t h ea u t h o rp r o p o s eas c h e m et h a ta p p l yI RL a s e rD i o d ei nt h eI Rs y s t e m T h ed i s s e r t a t i o np u t se m p h a s i so nt h eh a r d、V a r ep l a t f o r n lb u i J d i n go fI RL a s e rW i r e l e s sC
7、o m m u n i c a t i o nS y s t e mo nt h ep h y s i c a l1 a y e r，d r i V e rp r o g r 锄m i n gb a s eo nA j R M 7，s u p p o r t i n gp r o g r a md e s i g n i n go nt h ea p p l i c a t i n gl a y e r，a n dd e s i g nL o n gD i s t a n c eI RL a s e rW i r e l e s sC o m m u n i c a t i o nS y s
8、t e mc o m b i n d e dw i t hBl u e t o o t h，W i f it e c h n o l o l g y F i r s t，t h ed i s s e r t a t i o nf o 啪u I a t e st h eg e n e r a lb l u e p r i n ta n dc o m p u t i n gt h em a x i m u mc o m m u n j c a t i n gd i s t a n c ei nt h e o T oa d 印tt h ei n s 协ts t r o n gc u n n ti n
9、L Dw o r k i n g，d e s i g n i n gt h em o d u l a t i n gw a V eg e n e r a t i o nc i r c u i tw h i c hc o u l da d ju S t仔e q u e n c ya n dd u t)，f a c t o r；d e s i g n i n gt h es i g n a lc o n t r o lc i r c u i tw i t hd y n a t r o nw h i c hc o u l dr e s i s t 曲r o n gc u l l r e n t；d
10、e s i g n i n gA R Mm a s t e rb o a r d、v h i c hc o u l dg e n e r a t e1 5 Ac u r r e n t；a n dd e s i g n i n gt h eP C Bt om a k et h es y s t e mw o r ks t a b I y S e c o n d，i ns y S t e ms o f h V a r ed e s i g n i n g，c a 州n go u tt h ee 历c i e n tARMd r i v e r sp r o g r a m m i n gt 0c
11、 o n t r o lt h es y s t e mw i t ht h ei n t e m】p t s；d u et oP D Ad e v i c ec o u l dn o tr e s i S tt h es t r o n ge n V i r o n m e n tR Fd i s t u r b a n c e，d e s i g n i n gac u s t o mp r o t o c o lt op r o v i d ea c c u r a t ec o m m u n i c a t i o n F i n a l l y，i no r d e rt oc o
12、 n f i 咖s y s t e mp e r f o n n a n c e，c a r r i n go u tp l e n t yo ft e s t，i n c J u d i n gk e ym o d u l et e s ta n dS y s t e mt e s t T h es y s t e ma c h i e v e sl0 0 mi nt e s t，a n dw o r l(s t a b l e T h er e s e a r c hi nt h ed i s s e r t a t i o ni sag o o da 慨m p tf o rI Rt r
13、a n s m i s s i o nt h e o r y T h ed e s i g nf o rt h eI Rs y s t e ma l s oh a si tm a r k e tp r o s p e c t K E YW o R D S：I RL a s e rW i r e J e s sC o m m u n i c a t i o nA R MB l u e t o o t hW i f j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己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼
14、太堂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。学位论文作者签名：签字日期：一矽年莎月厂日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解丞洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权丞洼太堂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：加圹年钐月厂日导师签名：李吻签字日期：夕彳年多月了日第一章绪论1 1 选题背景和意义第一章绪论红外光又称
15、红外辐射或红外线。自然界中的一切物体，只要它的温度高于绝对零度就存在分子和原子无规则的运动，其表面就会不断地辐射红外线，温度越高辐射红外线的强度也越大。自从18 0 0 年英国天文学家F w I e r s c h e l 发现红外辐射至今，红外技术发展经历了两个多世纪。从那时起，红外辐射和红外元件、部件的科学研究逐步发展，但发展速度比较缓慢，直到1 9 4 0 年前后才真正出现现代红外技术。作为红外技术主要应用，红外通信技术由来已久，它是以红外线为载体，利用红外技术实现两点间的近距离保密通信和信息转发。红外无线通信采用光传输及无线工作机制，一般由红外发射和红外接收系统两部分组成。发射系统对一
16、个红外辐射源调制后发射，接收系统通过光电转换器件接收，对信号进行放大、检波、解调、整形等后输出。红外通信按链接方式可以分为定向可视链接方式和非定向可视链接方式。其中非定向可视链接通信通过发射机发出大发散角光束，并扩大接收机的接收视野，使得接发两端不需要严格对准便可进行通信，由于信号在传输过程中需要经过墙壁或天花板的反射，所以此种链接方式通常应用于室内通信。定向可视链接在实际中应用较多，例如各种电器的遥控器等。而且，它也是红外数据协会(I r D A)选用的用于非中心对等网络的链接方式，但是由于其常用于短距离低速率通信，限制了其进一步发展。在红外技术的发展中，6 0 年代激光的出现极大地影响了红
17、外技术的发展，很多重要的激光器件都在红外波段，激光的相干性使其便于移用电子技术中的外差接收技术，使雷达和通信都可以在红外波段实现，并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。近几年，激光通信一直是光通信领域的研究热点，但是，激光通信系统通常需要大功率激光辐射源(C 0 2 激光器，H e 2 N e 激光器等)和大规模的资金支持，所以通常用于军事领域和公共设施。本文设计的红外激光无线通信系统结合了红外通信和激光通信的特点。克服了传统红外通信定向传输距离短的弱点：使用了更为常见的红外波段的半导体激光器作为载波光源发生器，节约了成本，有助于军品向民品的转化；综合应用了蓝牙，w i f i 等多种无线通信
18、方式，提高了本系统应用的灵活性。并且，在理论方面，本文对于红外激光通信的领域的研究也有一定的借鉴意义。第一章绪论1 2 国内外研究现状随着红外技术的不断发展，红外通信系统以其体积小，功耗低，功能强，成本低等特点，而成为目前广泛使用的一种通信方式，同时也广泛应用于各种家用电器产品、金融和商业设施中。此外，在有高压、辐射、有毒气体和粉尘等环境下的工业设备中，红外通信系统也以其可靠和隔离电气干扰等特性而深受设计者的喜爱。近几年，随着智能化设备原来越普及，红外通信技术因其抗干扰性能突出，从而被广泛的应用到针对智能机器人，智能电器，智能家居的设计方案中。中南大学机器人研究所从1 9 9 8 年初开始跟踪
19、国外智能机电人工腿的研究，智能人工腿系统分为手持遥控器和C I P IL e g 直流伺服电机控制系统两部分，它们之间除采用有线通信方式之外，也采用无线通信方式实现交互，红外通信就是最常用的近距离无线通信方式之一，采用红外通信的优点是低成本、高速率且低功耗，因此也就成为设计手持遥控器的的首选【2】。除此之外，在基于单片机的智能家居设计中，红外通信作为单片机之间的通信手段与电信市话通信手段结合，实现了对家居异常情况(盗窃，火警，燃气泄漏，漏水等)电话远程报警、远程遥控功能p J。在互联网越来越普及的今天，人们在感受互联网带来的方便同时，也深深的体会到(R F)无线射频通信所带来的信号干扰问题，由
20、于8 0 2 1 1 b 儋协议，B l u e t o o t h协议等无线传输协议共用2 4 G H z 频段，因而当多个无线射频设备同时进行通信时很容易有互相干扰现象的发生。这种现象的出现催生了一个新的研究领域的诞生一基于红外光的室内无线通信系统的研究。相比无线电通信，光通信具有与生俱来的优势，可以灵活定义通信频率，具有高带宽高容量等等。世界上第一套室内无线光通信系统产生于1 9 7 9 年，是由美国I B M 公司的F R G f e l I e r 和U H B a p s t 主持研发的 4 1。该系统属于一种漫射式红外通信系统，使用的是9 5 0 肿波长的红外光，通信距离可以达到
21、5 0 m，当采用P C M 和F S K 两种不同调制方式时，通信速率分别为1 2 5 k b p s 和6 4 k b p s。但该系统仅仅局限于实验室内，并未投入商用。1 9 9 8年，日本胜利公司(J V C)研发出一种商用室内无线红外通信系统一v I P S L A N 1 0【5】，成为第一个完全适于与以太网互联的无线红外局域网系统。2 0 0 0年，S p e c t r i x 公司生产了一种商用系统【6】，可供1 0 0 0 m 2 覆盖范围内所有的用户同时互相通信使用。相比之下，国内在室内无线红外通信方面的研究起步比较晚。2 0 0 5 年，浙江工业大学利用室内漫反射的无线
22、红外光作为信息载体，使用大面积P 探测器和高灵敏度接收电路制作无线光接收器，实现1 0 M 传输速度的无线上网【7 1。尽管红外通信系统有许多优势，但其先天的不足也很明显，非定向可视连接2第一章绪论需要借助墙壁等物体反射才可建立链接并通信，因而只能被用在室内无线光通信领域。定向可视连接由于其发射接收装置功率限制，不能被用于远距离的通信传输。随着2 0 世纪6 0 年代红外激光的出现，为解决室外红外通信的距离问题带来了希望。从上世纪7 0 年代至今，针对激光通信领域研究从来没有停止过脚步，时至今日，激光通信已经成为无线通信界学术研究的热点问题。从7 0 年代开始，针对特殊应用场合的早期的大气激光
23、通信研究开始出现。然而，这期间的研究更多的只是涉及到航天航空与军事通信领域。如美国空军于1 9 7 1 年提出代号为4 0 5 B 的激光通信计划【引，其目标就是实现星际间的激光通信，从8 0 年代中期到1 9 9 4 年间，美国空军支持麻省理工学院林肯实脸室建起的高速星际激光通信实验装置L I T E(L a s e r I n t e r s a t e l l t eT r a n s m i s s i o nE X p e r i m e n t)是世界上首次采用外差式接收方式的激光通信实验系统，其目的是验证相干激光通信的可行性。该实验采用3 0 m W 半导体激光数8 英寸口径的望
24、远系统，通信距离为4公里。欧洲空间局从7 0 年代起，对空间徽光通信的有关技术进行了有步骤、周密细致的研究。从1 9 8 9 年起开始实施半导体激光星际链路实验S I L E X(S e m i c o n d u c t o rL a s e r I n t e r s a t e l l i t eL i n kE x p e r i m e n t)【l o】【1，并于19 9 4 年通过S I L E X设备的方案评审，1 9 9 6 年进行了子系统的性能测试。如今，美国、日本、德国等国家已经推出一些大气激光通信系统产品，如美国L i 曲t p o i n t e，T e 帆b e a
25、 m 等公司的一系列大气激光通信产品，日本佳能的大气激光通信系统等【l2 1。中国联通公司所使用的3 0 套大气激光通信设备就是美国L i 曲t p o i n t e 公司的产品，这些产品已经在国际和国内得到了推广和实际应用。2 0 0 0 年悉尼奥运会期间，美国T e m b e a m 公司在水上中心于演播中心之间建立了一条8 波道的无线激光链路，并始终保持畅通，效果良好I”J。相比国际上激光通信技术领先的国家，国内对于激光通信系统研究工作尚属起步阶段，2 0 0 2 年以前还没有无线激光通信技术的商业应用先例。2 0 0 3 年，中国科学院光电技术研究所成功研制开发出J T W S l
26、 商业型无线激光通信机，其体积小，重量轻(机体重量为3 k g)，发射光功率为3 m W 3 0 m w，工作波长为8 5 0 n m，传输距离为0 4 k m，信噪比为2 0 d B。该通信机安装简单，适用面广，包括不宜铺设光缆的地区以及不宜采用或限制使用无线电通信的地方、军事设施或其他要害部门，以及需要严格保密的场合1 14|。进入2 1 世纪以后，国内各大科研机构加强了对激光通信领域的研究，但毕竟国内起步较晚，系统的稳定性和通信速率上与国际领先水平有一定的差距。相信随着国内无线光通信市场的形成与不断扩大，及研究的不断深入，国内的技术水平会迎头赶上国际领头羊。目前对于激光通信领域的研究主要
27、集中在两方面，一方面是对于大气激光传第一章绪论输抗干扰性的研究，主要研究大气湍流等气候现象对激光传输的影响，另一方面的主要研究工作集中在利用体积更小，功率更高的激光器实现数据传输。本文所实现的红外激光通信系统，融合了红外通信和激光通信的优点，在分析了红外激光通信系统可行性基础上，成功的利用半导体激光器实现了9 8 0 n m 波段的红外远距离传输，并整合了蓝牙，W i f i 无线传输技术，以较低的成本实现了激光通信系统的研制，为激光通信系统进一步普及作出了贡献。1 3 研究内容及论文结构本课题主要研究如何提高红外通信系统的通信距离以及实现全无线模式下的红外通信，为解决上述问题，本文将半导体激
28、光器应用到无线通信平台上，整合多种通信技术，设计并实现了远距离红外激光通信系统。激光器的工作原理决定了激光驱动电路的强电流特性，因此强电流环境下的通信系统电路设计与实现是课题研究的关键环节，在验证了可行性的基础上，本文设计了频率可调，占空比可调的红外激光通信驱动电路，并针对系统中强电流的干扰进行了一系列的优化设计工作。相比较传统的红外通信驱动电路，该电路驱动能力更强，可以很好的驱动红外激光器工作并且能保持很高的稳定性。为了在系统中整合红外，蓝牙，W i f i 无线通信技术，实现全无线通信。本文进行电路设计时，在主板上为各种外围设备设计了相应的接口。在此基础上开发了基于A R M 的红外，蓝牙
29、驱动程序，针对室外W i 行信号干扰强的特点，设计了自定义的U D P 通信协议，提高了数据传输的正确性。最终设计的原型系统通过规范测试可以实现远距离红外通信，通信距离在1 0 0 m 左右。本文按照通信系统开发过程进行展开并划分章节，全文分为八章，本人工作主要集中在第三章第七章，具体的章节安排如下：第一章绪论。介绍了系统开发的背景，研究现状及意义第二章红外激光通信系统技术综述。主要介绍了红外激光系统的通信原理，设计P C B 和A R M 驱动程序的一般原则，以及蓝牙，w i f i 等无线通讯技术在本系统中的应用。第三章系统总体设计方案及理论可行性分析。详细叙述了系统总体方案的设计和基于该
30、方案的理论可行性研究，主要工作集中在确定激光发生器，红外接收模块参数值是否可以达到方案中距离的要求。第四章系统硬件平台的设计与实现。该章是本文的重点章节，在本章中，分模块介绍了整个红外通信系统硬件平台的设计和开发过程。在硬4第一章绪论件平台的设计中，又以红外调制解调模块的设计作为整个系统设计的中心环节。第五章系统驱动程序的开发。驱动程序的开发工作是基于A R M 7 平台上进行的，选用的三星公司生产的S 3 C 4 4 8 0 x 芯片。在本章中对系统驱动程序的总体设计，分模块实现都进行了详细的叙述。第六章系统应用层通信程序的开发。应用层通信程序是基于W C E 平台开发，运行在P D A 上
31、的程序。本章主要着重介绍自定义的U D P 协议设计和实现过程。第七章系统性能测试。本章主要介绍对系统的测试过程，包括关键模块一红外调制解调模块的测试和系统整体测试两部分。第八章结论与今后的工作展望。对论文进行了总结并提出了下一步工作计划。第二章红外激光通信系统技术研究与分析第二章红外激光通信系统技术研究与分析2 1 红外激光通信红外激光通信实质就是将需要发送的信息利用激光作为传输介质传输到接收端，实现这种传输的关键技术在于对待发送信号的调制。调制就是把信号叠加到载波上。调制电路是一种电光转换电路，它使输出光束的某个参数(强度、频率、相位、偏振等)随电信号变化，完成光的调制过程。对于常见的激光
32、器，目前主要的调制方式有两种：外调制与内调制。外调制是指激光形成之后聚焦在调制器上，用调制信号改变调制器的物理性能，使通过调制器的激光束的光波的某个参量发生变化，见图2 1。其优点是可以利用全部的光源功率输出，通过调制器物质的电光或声光效应来实现对传输光波的调制。但是，外调制需要有专门的光调制器，而外部调制器将引入很大的耦合损耗，调制深度也有所限制，并且对于调制驱动要求较高I l 川。图2 1 外调制示意图内调制是信号对光源本身直接调制，以调制信号改变激光器的振荡参数，通过偏置电流的变化改变激光管腔长，从而改变激光器输出特性以实现调制，加载信号是在激光振荡过程中进行的，见图2 2。目前，内调制
33、主要用在光通信的注入式半导体激光源中。多数光通信系统的光源基本上都选用这类半导体激光器，采用最简单的直接调制方式。这使得整个调制装置变得简单、可靠1 16|。图2 2 内调制示意图6第二章红外激光通信系统技术研究与分析相比之下，内调制虽然增加了调制电路的设计难度，但由于不需要另外购买专门的外部光调制器，所以本系统采用内调制作为激光的调制方式。一般地，通信系统中常用的为编码脉冲信号，但编码脉冲信号的频率较低，不能够以较大的红外发射功率发射，也不利于接收端的放大及抑制。因此，必须对编码脉冲信号进行调制【1 刀。所谓红外脉冲信号的调制，就是利用低频脉冲信号调控高频编码脉信号，使高频脉冲信号的幅度或宽
34、度随低频信号的变化而变化形成调制波。而最终由红外激光器发射出的信号就是经调制后的红外激光信号。对于红外激光通信系统，发送的是A R M 系统的U A R T 传送的数字信号，是具有“0”和“l”两种电平的脉冲。对于这类的脉冲信号，可采用一种特殊的调制方式键控调制，使脉冲信号的幅度随调制信号键值的变化而变化。图2 3 是键控调制的示意图。从图中可以看出，载波脉冲信号的频率要远远大于调制脉冲信号的频率，一般要相差几十倍几百倍。调制信号高频载波图2 3 键控调制的示意图当调制信号脉冲为高电平时“l”时，调制波信号有输出；当调制信号脉冲为低电平“0”时，调制波信号无输出。因此，调制波信号是断续的高频信
35、号，调制解调电路设计的主要问题就转化为载波生成电路的设计和信号键控电路两部分。键控调制的关键在于准确的载波频率，但是在实际应用中，往往由于电阻电容本身的电气误差，不能准确生成所需频率的载波8|，因此本文设计的可调频率的红外调制解调模块，对解决该问题有一定的借鉴意义。2 2 激光传输衰减分析激光无线通信是利用激光束作为载波在空间直接进行信息传送。激光光源是无线通信的主体部分，光源的光谱波段、发散角、发射能量等性能指标直接影响着通信的质量。因此选择合适的激光光源是无线通信得以实现的保证【19 1。第二章红外激光通信系统技术研究与分析2 2 1 背景光对激光传输的干扰分析与光纤通信不同，背景光噪声是
36、影响无线激光通信系统性能的重要因素。尤其在强光影响下，背景光电流引起的噪声使接收机灵敏度降低，并引起探测器的饱和。在无线光通信系统中，太阳是主要的背景光干扰源，因此在系统实际应用中应考虑太阳光辐射的影响。太阳光在大气层外的辐照度为1 3 4 0 W m 2，由于部分波长的光衰减，到达地面处时其值在晴朗天气下变成1 0 0 0W，m 2。超过9 0 的光是直射到地面的，这时背景光功率非常高，而在非直射情况下，其强度将大大降低。太阳辐照度光谱主要集中在4 0 0 7 5 0 n m 的可见光范围内，峰值在5 0 0n m左右。对于目前常用的激光器波段，太阳光在8 0 0n m 处的辐射强度约为峰值
37、的1 2，在1 5 5 0 n m 处的辐射强度约为峰值的1 1 0，而在处于6 2 0 7 5 0n m 的红光波段太阳辐射强度约为峰值的3 5【2。由此可见，处于于红外波段激光器(8 0 0 n m 1 5 5 0 n m)相比红光波段的激光器(6 2 0 7 5 0m)对太阳光有更好的抗干扰性，由于本系统工作场合以室外为主，所以没有选择红光波段的激光器，而是选择了抗干扰性更好的红外波段的激光器。2 2 2 大气对激光传输的衰减分析地球表面的大气层，存在着多种气体以及各种微粒，如尘埃、烟、雾、小水滴等等。还可能要发生各种复杂的气象现象，如雨、雾、雪、风等。这些因素对光波有衰减作用，会使激光
38、能量大大减小，或者使激光偏离原来的传输方向，破坏了激光原有的特性。这些影响主要来自以下两个方面：大气成分(各种分子和气溶胶)对光波的吸收和散射。大气对激光传输的衰减程度一般用透过率来度量，根据布格尔一朗伯定律，波长为九，光子强度为I o 的光在大气中传输距离R 后光子强度减弱为I，大气的透过率h 可定义为：TI一rtRlA=_=P O公式(2 1)式中：yr 波长为九的光在大气中总衰减系数，Y 九=k m+k a+om+o。k。广大气分子吸收系数，l(a 一气溶胶分子吸收系数，o 一大气分子散射系数，o 一气溶胶散射系数，大气衰减的研究可归结为上述四个基本衰减参数的确定。一、大气分子对激光的吸
39、收和散射分析第二章红外激光通信系统技术研究与分析光波在大气中传输时，大气分子(大气中的H 2 0，C 0 2，0 2 分子等)在光波电场的作用下发生极化，并以入射光的频率作受迫振动光波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。所以吸收特征依赖于光波频率，大气吸收使激光的功率衰减，但光束质量不发生改变。研究表明水分子对1 3 0 0 1 4 0 0n m 波段的光表现出强吸收，另外其它大气分子对不同波长光束的吸收也具有一定的选择性：对于有些波长的光波表现出强烈的吸收，光波几乎无法通过；而对于某些区段(称为“大气窗口”)则呈现弱吸收。由图2 4 可以直观的说明，大气渡长娜图2 4
40、不同波长光波的大气透射特性曲线O分子对于不同波长的光波透射率呈现出阶段性，窗口状。依据前人的研究表明，对于常用的红外激光波段。8 1 0 8 6 0n m、9 8 0 1 0 6 0n m 和1 5 5 0 1 6 0 0n m 波段都是良好的大气窗口 2 l】。大气激光通信采用的激光器的中心波长与谱线宽度必须限制在大气窗口的范围内。吸收在大气衰减中处于次要位置，本系统进行设计时选择了避开位于大气强吸收处的工作波长，可以忽略激光束传输过程中由于大气分子吸收导致的功率损耗。大气分子除了对激光具有吸收效应外，当激光通过大气时，光波的电磁场使大气分子产生极化，形成振动的偶极子，从而发出次波。由于大气
41、中总存在着密度起伏，破坏了大气的光学均匀性，使次波的相干性遭到破坏，从而导致光在各个方向上的散射。分子散射又称R a y l e i 曲散射，可以用R a y l e i g h 模型描述。大气分子散射引起的光信号能量衰减是确定信号畸变的主要原因。当光波在大气中传输时，大气分子使光波的传播方向改变，导致光在各个方向的散射。因为大气分子的线度很小p 1 0 3 岬)，在通信窗口，用于传输的激光波长远大于大气分子线度，根据散射理论，此时的散射为R a y l e i g h 散射。由R a y l e i 曲散射定律，R a y l e i g h 散射系数的经验公式为：9第二章红外激光通信系统技
42、术研究与分析O 8 2 7 彳3=r 一公式(2 2)式中：“一R a y l e i 曲散射系数；N 一单位体积大气中的分子数；A 一分子的散射截面积；九一光波波长。通过公式2 2，可以总结出分子的R a y l e i 曲散射系数与波长的四次方成反比，即波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。在短波可见光区域大气分子散射对激光传输影响很大，在红外波段分子散射则小得多。因此，本系统所选择的红外波段的激光器可以尽可能的避免由大气分子带来吸收和散射效应，减少传输中的大气分子衰减。二、大气气溶胶对激光的吸收和散射分析大气气溶胶是指极其细小悬浮在空气中缓慢下落的的固体或液体小颗粒，它们的尺寸介于1
43、 0。2 岬l o o m 之间，如雾、尘埃及海浪的飞沫都是这种浮质。对气溶胶粒子的研究表明，气溶胶粒子对光信号的吸收作用不是很明显，但是云、雾等气溶胶粒子对光信号的散射作用是显著的，这种散射又被称为M i e 散射口J。所以本文在对大气气溶胶进行分析时主要考虑大雾或阴霾天气中大气中的气溶胶引起的散射效应。与分析大气分子散射效应不同的是，分析大气分子散射所用的R a y l e i 曲散射理论适用于分子半径R 远小于x。=竿 o 1 o 3 波长九时的散射过程。当粒子半径R 增加到一定尺度，一般认为粒子的相对尺度时R a y l e i g h 散射公式失效，应当使用描述球形粒子散射的M i
44、e 公式：吒=万Q，砌尺2公式(2 3)式中：吒一气溶胶分子M i e 散射系数；N 一单位体积大气中的气溶胶粒子数；Q s 一散射效率函数，即粒子散射的能量与入射到粒子几何截面上的能量之比，是粒子的相对尺度X R 和复数折射率m 的函数；XR _ 粒子的相对尺度，x R=2 兀R 肌；m 复数折射率，m=n i k(i，k 分别为m 的实部和虚部)；R 一粒子半径当粒子在半径R 1 和R 2 之间存在连续分布时。M i e 散射系数由M i e 公式的积分式求得：承2吒=万j：。g(瓦，m)尺2 掀公式(2 4)本文在分析气溶胶散射时，利用了工程上计算大气气溶胶散射系数的常用公1 0第二章红
45、外激光通信系统技术研究与分析公式(2 5)式中：V 一大气的能见度，(1-能见度密切相关的常数，具体取值为：r 1 6Jq=弋1 3I、5 8 5 v l，3V 5 0 1(n l6 k m V 5 0 l(mV k m由此可见，虽然M i e 散射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R a y l e i 曲散射强烈，但通过M i e 散射工程公式，还是可以总结出，M i e 散射系数与波长成近似的反比关系。所以，本系统所选择的红外波段的激光的M i e 散射系数相比可见光激光器要小很多，更适合在阴霾，多雾的情况下进行数据传输。在忽略大气分子和气溶胶的吸收效应
46、的基础上，对于红外波段的激光，可以得到简化的衰减系数公式：7 五红外=+吒公式(2 6)表2 1 是两种红外波段激光在不同天气状况下的衰减系数，可以总结出，在同样是红外波段的情况下，衰减系数也是与波长成反比的。表2 1 红外波段光波在不同天气下的衰减系数天气状况衰减系数(1 1 锄)九=8 5 0 n m九=1 5 5 0 n m通过分析激光传输的衰减因素，可以得出结论，采用红外波段的激光器作为传输媒介是切实可行的。在红外波段中常见的激光器有8 5 0 n m，9 8 0 n m，1 5 5 0 n m，土渤半 Z：”=式盯第二章红外激光通信系统技术研究与分析最终本系统选择9 8 0 n m
47、激光器作为发送器件，主要基于以下几方面考虑：1、9 8 0 n m 激光器和所选择的T S O P l 7 3 8 光谱匹配度高。2、9 8 0 n m 激光器较8 5 0 n m 激光器衰减系数更小，透过率高。3、9 8 0 n m 激光器比1 5 5 0 n m 激光器价格低很多，可以达到性能成本的平衡2 3P C B 设计技术P C B 是英文(P r i n t e dC i r c u i tB o a r d)印制电路板的简称。日常生活中我们所能见到的电子产品，小到电子手表、计算器，大到计算机、各种通讯设备、航空、航天、军用武器等几乎都离不开P C B。总之，只要有二极管、三极管等
48、电子元器件，就需要P C B 把他们之间按照一定的电气关系连接起来，从而具备某种电气特性。在电子产品设计中，任何原理电路的设计意图最终都是通过P C B 实现的。因此，P C B 设计在任何产品的研制过程中都是不可缺少的一个重要环节。P c B 设计的质量直接影响电子产品的质量。目前，P C B 的设计已经占整个硬件设计费用的5 0，专家预测比例还在不断增大，很快P C B 方面的开发和研制费用将达到产品总费用的8 0 甚至更高1 24 I。在P R O T E L 的P C B 设计中，如果布局不合理，就有可能出现各种干扰，以致合理的原理方案不能实现，或使整机性能指标下降，甚至在干扰严重时造
49、成电路板根本无法工作。为使布局设计尽量合理，提高电路板的抗干扰能力，在P C B 设计中一般考虑以下几个方面：l、考虑P C B 尺寸大小P C B 尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；尺寸过小，则散热不好，且相邻的传输线之间容易引起干扰。应根据电路需要确定P C B 尺寸。一般情况下，电路板的最佳形状是矩形，长度宽度比为3：2 或4：3。2、优先确定特殊元件的位置所谓特殊元件是指那些从电、磁、热、机械强度等几方面对整机性能产生影响或根据操作要求而固定位置的元件。在设计中，应尽量做到：(1)尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰易受干
50、扰的元器件不能相互离得太近，输人和输出元件应尽量远离。(2)对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制板上便于调节的地方；：若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应，应留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。(3)注意发热元器件应该远离热敏元器件。对于温度敏感的元件，如晶体管、集1 2第二章红外激光通信系统技术研究与分析成电路和其他热敏元件j 大容量的电解电容器等，不宜放在热源附近或设备的上部。电路长期工作引起温度升高，会影响这些元件的工作状态及性能。3、布线方式布线时，所有走线应远离P C B 板的边框，至少2