無線光通信系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易無線光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

1、 .PAGE183 / NUMPAGES183光電子課程設(shè)計(jì)( 第一版)設(shè)計(jì)題目：簡(jiǎn)易無線光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要容1 簡(jiǎn)易無線光通信發(fā)射部分設(shè)計(jì)2 簡(jiǎn)易無線光通信接收部分設(shè)計(jì)3 LABVIEW解調(diào) 無線光通信介紹無線光通信的概述激光通信是當(dāng)今社會(huì)信息傳播的最重要、最常規(guī)的手段。按照傳輸介質(zhì)的不同，激光通信可分為光纖通信、自由空間光通信和水下通信。自由空間光通信 (Free Space Optics Comunication，簡(jiǎn)稱FSO)，也稱為無線激光通信，是一種通過激光在大氣信道中實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)或多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)間語音、數(shù)據(jù)、圖像信息的雙向通信技術(shù)。廣義的自由空間光通信系統(tǒng)包括星際間的通信和大氣

2、間的通信，狹義的自由空間光通信系統(tǒng)就是指大氣間的無線傳輸?，F(xiàn)代的通信網(wǎng)主要由傳輸網(wǎng)、交換網(wǎng)和接入網(wǎng)三大部分組成。在上個(gè)世紀(jì)末的光纖網(wǎng)絡(luò)建設(shè)熱潮中，業(yè)者把重點(diǎn)放在骨干網(wǎng)絡(luò)上，目前，我國許多城市己基本實(shí)現(xiàn)光纖到路邊(FTTC)，光纖到小區(qū)(FTTZ)，而接入網(wǎng)由于建設(shè)技術(shù)復(fù)雜、實(shí)施難度大與耗資龐大而成為通信網(wǎng)建設(shè)中的“瓶頸”(即“最后一公里”問題)，發(fā)展較為緩慢。當(dāng)前有很多接入技術(shù)可供用戶選擇，如光纖，本地多點(diǎn)分配業(yè)務(wù) (LMDS)、數(shù)字用戶線(DSL)、射頻技術(shù)以與空間光通信(FSO)等。其中光纖傳輸無疑是最可靠的通信方式，但光纖鋪設(shè)的周期長(zhǎng)，費(fèi)用高以與在某些地方不易鋪設(shè)，這些都限制了光纖的普與

3、;LMDS比FSO的傳輸距離遠(yuǎn)，但這種接入方式需要高額的初始投資;銅纜的帶寬太低，難以滿足人們對(duì)帶寬日益增長(zhǎng)的需求。相比較而言，F(xiàn)SO技術(shù)既能提供類似光纖傳輸?shù)乃俾?，又無需在頻譜等稀有資源方面有很大的初始投資;另外，激光技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)使耐用可靠的器件變得很便宜，大大降低了FSO設(shè)備的造價(jià)。因此，在目前許多企業(yè)和機(jī)構(gòu)都不具備光纖線路，但又需要較高速率的情況下不失為一種解決“最后一公里”瓶頸問題的有效途徑之一。FSO系統(tǒng)組成與工作原理最初的無線光通信系統(tǒng)與無線電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大致一樣，其原理如圖1所示。待傳送的信號(hào)經(jīng)過編碼器編碼后，加載到調(diào)制器的激勵(lì)器上，調(diào)制器的激勵(lì)電流就隨著信號(hào)的變化規(guī)律變化，激光

4、器的輸出信號(hào)經(jīng)過調(diào)制器調(diào)制之后，相關(guān)的參數(shù)（強(qiáng)度、相位、振幅和偏振）就會(huì)按照相應(yīng)的規(guī)律變化。最后經(jīng)過光學(xué)天線變換為發(fā)散角很小的已調(diào)光束向空間發(fā)射出去。接收端接收到已調(diào)光束之后，首先經(jīng)過光檢測(cè)器轉(zhuǎn)換成射頻電流，然后饋入射頻檢波器，最后由解碼器解調(diào)出原來的信號(hào)。其中光學(xué)天線就是望遠(yuǎn)鏡。激光器調(diào)制器發(fā)射機(jī)光學(xué)天線接收機(jī)光學(xué)天線調(diào)制器激勵(lì)器編碼器光學(xué)接收機(jī)無線電接收機(jī)解碼器信息信號(hào)已還原信息信號(hào)圖1 無線激光通信原理圖后來為了提高FSO通信的有效性和可靠性，在FSO系統(tǒng)常還包括ATP（Acquisition、Tracking and Pointing）功能的光學(xué)系統(tǒng)，用來實(shí)現(xiàn)鏈路的捕獲、追蹤和瞄準(zhǔn)。F

5、SO的實(shí)物圖見圖2。1圖2 FSO實(shí)物（單收單發(fā)型）FSO發(fā)射部分的原理光學(xué)發(fā)射端機(jī)的設(shè)計(jì)取決于要求的傳輸距離，傳輸速率以與FSO系統(tǒng)的具體應(yīng)用場(chǎng)合。一旦FSO系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合確定了，光學(xué)發(fā)射端機(jī)中的幾個(gè)重要的參數(shù)選擇隨之確定，這些參數(shù)包括:光源的工作波長(zhǎng)、系統(tǒng)有無跟蹤系統(tǒng)、發(fā)射與接收機(jī)的個(gè)數(shù)以與光電探測(cè)器直接耦合還是光纖耦合。光源1.工作波長(zhǎng)無線光通信波長(zhǎng)選擇有兩個(gè)條件：一是對(duì)眼睛沒有傷害；二是處在大氣低損耗窗口。我們將透過率較高的波段稱為大氣窗口，如圖3所示，紅外波段的大氣窗口有 780nm850nm與1520nm1600nm。780nm和850nm的器件由于成本較低，在過去受到很多公司的青

6、睞。波段在152Onm1600nm的光載波更適合FSO系統(tǒng)，這個(gè)波長(zhǎng)可以利用EDFA技術(shù)，這對(duì)大功率(500mW)和高速(2.SGbit/s)的FSO系統(tǒng)而言非常重要。同時(shí)由于人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的光的敏感程度不同，在人眼安全圍，1520nm1600nm波段的光源所允許的發(fā)射功率是780nm850nm波段光源的5065倍。 圖3 光波在大氣中的衰減2. 光源的選擇從市場(chǎng)需求程度來說，只有調(diào)制速率能夠達(dá)到20Mbit/s此到2.5Gbit/s的激光器才符合要求。另外，光源的調(diào)制方式與調(diào)制之后的光功率也是我們選擇光源時(shí)需要考慮的重要問題。因此，F(xiàn)SO系統(tǒng)的光源必須滿足下面的條件：l)能夠提供足夠大的功率

7、2)調(diào)制速率高3)功耗低4)工作的溫度圍較大因此，對(duì)于短波長(zhǎng)的FSO系統(tǒng)，通常采用垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)作為光源，對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)的FSO系統(tǒng)，通常選擇分布反饋式(DFB)激光器作為光源。2 FSO的優(yōu)缺點(diǎn)FSO的優(yōu)勢(shì)(1)安全性好。由于FSO通信的光束是窄波束和視距傳輸（Line of Sight, LOS） 、定向性強(qiáng)，不象無線傳輸那樣會(huì)向其它方向輻射，因此它比無線電鏈路具有更強(qiáng)的性。如果竊密者想竊取FSO通信的數(shù)據(jù)信號(hào)，只能把接收器直接置于光束路徑當(dāng)中，而且還要嚴(yán)格地對(duì)準(zhǔn)發(fā)射器，通過捕獲光束去獲得數(shù)據(jù)。這樣一來，光路被中斷，數(shù)據(jù)停止發(fā)送，竊密者不僅得不到數(shù)據(jù)，而且馬上會(huì)被人發(fā)現(xiàn)。 (

8、2)使用頻譜無須申請(qǐng)批準(zhǔn)。全球都開放300GHz 以上電磁波頻段的應(yīng)用。FSO通信使用的頻譜在300GHz以上，不須申請(qǐng)頻段許可證就可以使用。它的窄波束和視距傳輸決定了系統(tǒng)外不存在同頻干擾，因此，在系統(tǒng)能夠在同一地點(diǎn)應(yīng)用若干套發(fā)射器和接收器同時(shí)工作，不會(huì)互相影響，與系統(tǒng)外的無線電設(shè)備也互不干擾，這些特點(diǎn)給FSO通信的廣泛應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)。 (3) 擴(kuò)容性好。FSO通信的設(shè)備升級(jí)容易，其開放的接口支持多種廠商的設(shè)備，而且系統(tǒng)在需要增加用戶的節(jié)點(diǎn)時(shí)，原有網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和設(shè)備仍可以使用，只要在原來基礎(chǔ)上增添新的節(jié)點(diǎn)和設(shè)備就可以了，系統(tǒng)的擴(kuò)容性好，起始投資少，縮短了投資回報(bào)期。 (4)安裝方便快捷。設(shè)

9、備的安裝十分簡(jiǎn)單，只需要一天左右的時(shí)間便可以完成安裝和調(diào)試任務(wù)，在不適宜有線敷設(shè)的地方以與機(jī)動(dòng)、臨時(shí)性的場(chǎng)所，它能發(fā)揮優(yōu)越性。2.4.2 FSO的缺點(diǎn)無線光通信在大氣層中利用光束傳送信號(hào)，大氣對(duì)激光具有吸收與散射的作用，同時(shí)由于大氣始終運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，還必須考慮大氣湍流效應(yīng)對(duì)FSO通信的影響。另外對(duì)人身安全性也存在疑慮。(1) 氣對(duì)信號(hào)的衰減。主要的衰減來自霧,霧對(duì)紅外光的作用,類似于雨引起微波的衰落。由于霧中水氣微粒對(duì)光線的散射作用,使得傳送的光線逐漸變?nèi)?。?duì)于這種大氣現(xiàn)象處理的方式與微波通信中對(duì)待雨衰相似。要在系統(tǒng)傳輸?shù)挠?jì)算中為光信號(hào)的衰減留有足夠的系統(tǒng)功率余度。以便在出現(xiàn)濃霧的情況下,仍能接收

10、到所需的光信號(hào)功率。(2)大氣引起的漂移。實(shí)用的光無線通信系統(tǒng)還需要保證收發(fā)兩點(diǎn)之間光信號(hào)良好的準(zhǔn)直穩(wěn)定。使發(fā)送的光信號(hào)在接收端,光瓣能夠覆蓋接收機(jī)望遠(yuǎn)鏡,不會(huì)因?yàn)榇髿庹凵渎实钠鸱x目標(biāo)。克服這缺陷的常用方式,是有意使發(fā)射光束展寬,保證光信號(hào)始終能夠被接收。(3)建筑物晃動(dòng)對(duì)激光對(duì)準(zhǔn)的影響。對(duì)光無線通信來說,為了保證光傳輸鏈路的性能,光鏈路兩端的對(duì)準(zhǔn)(捕獲)和保持(跟蹤) 至關(guān)重要。但在對(duì)準(zhǔn)以后,在風(fēng)力和其他因素的作用下,建筑物會(huì)有些晃動(dòng),這就要求鏈路兩端設(shè)備都必須具備自動(dòng)跟蹤的能力。(4)人身安全問題。由于這類系統(tǒng)采用的,是毫瓦級(jí)的小功率光源,其主要的危險(xiǎn)是激光對(duì)肉眼造成的。國際電工委員

11、會(huì)針對(duì)激光對(duì)肉眼的安全,規(guī)定了一種激光光源指標(biāo),這類光源即使肉眼直接觀察也可保證安全。廠商的產(chǎn)品,只要符合此標(biāo)準(zhǔn), 是不會(huì)對(duì)人體構(gòu)成損傷的。42.5 FSO的應(yīng)用目前，近距離固定點(diǎn)間的FSO已經(jīng)在實(shí)際中得到了應(yīng)用，具體有：（1）FSO在局域網(wǎng)連接中的應(yīng)用 圖4 無線光通信在局域網(wǎng)連接中的應(yīng)用（2）FSO在城域網(wǎng)與邊緣網(wǎng)中的應(yīng)用目前，城域網(wǎng)的建設(shè)可謂日新月異，通信帶寬可達(dá)10Gbit/s，已基本上能夠滿足數(shù)據(jù)通信的需求。但隨著城市的發(fā)展，以往的效區(qū)也在逐漸被納入城市之中來，因此如何高效、低成本地對(duì)城域網(wǎng)進(jìn)行擴(kuò)展與迅速占領(lǐng)新市場(chǎng)，已成為各大電信運(yùn)營(yíng)商十分關(guān)注的問題。于是紛紛采用FSO技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這一

12、目的，圖25所示的就是一種采用FSO技術(shù)解決邊緣網(wǎng)的方案。在這種方案中，F(xiàn)SO技術(shù)集中展現(xiàn)了帶寬、方便、快捷、靈活的優(yōu)勢(shì)。城市網(wǎng)絡(luò)郊區(qū)網(wǎng)絡(luò) 圖5 城域網(wǎng)的建設(shè)與擴(kuò)展（3）FSO在最后一公里接入的應(yīng)用由于對(duì)Internet需求不斷地增長(zhǎng)，越來越多的公司、團(tuán)體和個(gè)人，特別是大型企業(yè)都要求以寬帶的方式加入Internet。當(dāng)然，寬帶接入的方式有很多，如ADSL、ISDN、FTTB+LAN等，但由于受各種因互的限制，例如公路開挖，第三地區(qū)無法使用微波等，現(xiàn)有的接入方式在解決寬帶接入方面均有所不足，因此FSO就成了一種可知地的解決方案，如圖6所示。大樓大樓大樓無線光通信設(shè)備Internet10Mbit/

13、s100Mbit/s無線光通信光纖 圖6 光纖到樓FSO除了以上應(yīng)用外，還有一處是在衛(wèi)星間、衛(wèi)星與地面站間的應(yīng)用，如圖7所示。由于這是一種遠(yuǎn)距離通信的應(yīng)用，目前仍在研發(fā)之中，但衛(wèi)星間光通信具有容量大，不需要ITU協(xié)調(diào)等優(yōu)勢(shì)，可以預(yù)言，在不久的將來必將成為最主要的通信手段。5圖7 無線光通信在衛(wèi)星間、衛(wèi)星與地面站間通信的應(yīng)用簡(jiǎn)易無線光通信發(fā)射部份設(shè)計(jì)原理整個(gè)商用的FSO發(fā)射系統(tǒng)是相當(dāng)復(fù)雜的，本設(shè)計(jì)只考慮最基礎(chǔ)和最必要的部分來完成簡(jiǎn)易無線光通信發(fā)射部分的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)包括模擬發(fā)送模塊和數(shù)字發(fā)送模塊兩部分。模擬發(fā)送模塊原理框圖如圖1所示，先把信號(hào)進(jìn)行放大,然后直接就可以通過LD驅(qū)動(dòng)電路把信號(hào)以光的形式

14、發(fā)送出去。音頻信號(hào)放大電路LD驅(qū)動(dòng)電路圖1 模擬發(fā)送模塊原理框圖數(shù)字發(fā)送模塊原理框圖如圖2所示，先把放大的語音信號(hào)通過AD轉(zhuǎn)換電路把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào),再通過并入串出轉(zhuǎn)換器把并行的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榇械男盘?hào),最后通過LD驅(qū)動(dòng)電路把串行的信號(hào)以光的形式發(fā)送出去。音頻信號(hào)放大電路AD轉(zhuǎn)換電路并入串出轉(zhuǎn)換器LD驅(qū)動(dòng)電路圖2 數(shù)字發(fā)送模塊原理框圖FSO模擬發(fā)射模塊電路 LD驅(qū)動(dòng)電路 圖 LD驅(qū)動(dòng)電路電阻R6為三極管的直流偏置電阻，保證三極管VT1工作在線性放大狀態(tài)下。音頻信號(hào)通過電容C2送到三極管VT1的基極，使三極管的基極電流隨著音頻信號(hào)的變化而變化。共射電路能為激光二極管提供大的電流，這樣使接在三極

15、管集電極上的激光二極管中的電流受到音頻信號(hào)的調(diào)制，通過激光光束把音頻信號(hào)傳輸出去。音樂芯片發(fā)送模塊電路（基本要求 設(shè)計(jì)一） 圖 音樂芯片發(fā)送模塊電路如上圖所示，音樂芯片輸出的聲音信號(hào)比較大，用放大直接通過電容C2把信號(hào)加載在三極管的基極上，使接在三極管集電極上的激光二極管中的電流受到音樂信號(hào)的調(diào)制，通過激光光束把音頻信號(hào)傳輸出去。語音模擬發(fā)送模塊電路（基本要求 設(shè)計(jì)二） 圖8 語音模擬發(fā)送模塊電路圖8中，小話筒MIC可以將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，可調(diào)電阻器R1為小話筒的工作提供一個(gè)合適的工作電壓。電容C1起著隔直通交的作用，把音頻信號(hào)加到運(yùn)算放大器的反向輸入端，再又運(yùn)算放大器把語音信號(hào)放大。最后

16、把信號(hào)加載在三極管的基極上，使接在三極管集電極上的激光二極管中的電流受到音頻信號(hào)的調(diào)制，通過激光光束把語音信號(hào)傳輸出去。 FSO數(shù)字發(fā)送模塊電路 (中高級(jí)要求 設(shè)計(jì)三) A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換器是一種能把輸入模擬電壓或電流變成與它成正比的數(shù)字量，即能把被控對(duì)象的各種模擬信息變成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信息。A/D轉(zhuǎn)換器從原理上通常分為以下四種：計(jì)數(shù)器式、雙積分式、逐次逼近式和并行式。ADC0804是CMOS集成工藝制成的逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器芯片。分辨率為8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s，輸出電壓圍為05V，增加某些外部電路后，輸入模擬電壓可為5V。該芯片有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，當(dāng)與計(jì)算機(jī)連接時(shí)，轉(zhuǎn)換電路的輸

17、出可以直接連接到CPU的數(shù)據(jù)總線上，無需附加邏輯接口電路。ADC0804的引腳圖見圖10所示，ADC0804的控制信號(hào)的時(shí)序圖見圖11，單片機(jī)讀取ADC0804信號(hào)的過程是：?jiǎn)纹瑱C(jī)送一個(gè)低電平到WR以啟動(dòng)ADC0804；AD轉(zhuǎn)換結(jié)束之后，INTR送出低電平請(qǐng)求單片機(jī)來提取數(shù)據(jù)；單片機(jī)要來提取數(shù)據(jù)之前，送一個(gè)低電平到RD來通知ADC0804；最后單片機(jī)讀取總線的數(shù)據(jù)。圖10 ADC0804引腳圖 圖11 ADC0804控制信號(hào)的時(shí)序圖本設(shè)計(jì)模數(shù)轉(zhuǎn)換是連續(xù)轉(zhuǎn)換的，具體的連線圖如圖12所示，ADC0804接受外部時(shí)鐘脈沖，INTR接WR，這樣可以令I(lǐng)NTR引腳輸出的完成轉(zhuǎn)換信號(hào)，成為WR引腳的開始轉(zhuǎn)

18、換信號(hào)。7 圖12 ADC0804實(shí)際接線圖 單片機(jī)處理電路本系統(tǒng)單片機(jī)芯片使用：AT89C52AT89C52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片含8k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和256bytes的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)與8052產(chǎn)品引腳兼容，片置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大。AT89C52單片機(jī)適用于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場(chǎng)合。 主要性能參數(shù)：與MCS-51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容、 8k字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲(chǔ)器、 10

19、00次擦寫周期、全靜態(tài)操作：0HZ24Mhz、三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器2568字節(jié)部RAM、32個(gè)可編程I/O口線、3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、8個(gè)中斷源、可編程串行UART通道、低功耗空閑和掉電模式、功能特性概述：AT89C52提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，256字節(jié)部RAM，32個(gè)I/O口線，3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串口通信口，片振蕩器與時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C52可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信與中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的容，但振蕩器停止工

20、作并禁止其他所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。圖13 單片機(jī)芯片引腳圖 圖14 單片機(jī)芯片接線圖語音數(shù)字發(fā)送模塊電路語音信號(hào)經(jīng)過放大后，通過ADC0804轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，然后單片機(jī)把并行的信號(hào)轉(zhuǎn)為串行的信號(hào)，最后通過LD驅(qū)動(dòng)電路把信號(hào)以光的形式發(fā)送出去，語音數(shù)字發(fā)送模塊電路具體的接線如圖15所示。圖15 語音數(shù)字發(fā)送模塊電路器件選擇與其參數(shù) 激光筆激光筆是由一個(gè)半導(dǎo)體激光二極管和一個(gè)68限流電阻組成。具體有關(guān)參數(shù)如下：額定電壓：4.5V；工作電流：10mA20mA；輸出波長(zhǎng)：630nm650nm；輸出功率：1mW；工作溫度：040 圖 1 激光筆激光筆里面已經(jīng)安裝了可調(diào)焦的透鏡模組，固定焦、紅色點(diǎn)

21、狀光斑、連續(xù)輸出，連續(xù)使用壽命5000小時(shí)。激光燈對(duì)眼睛會(huì)有損害，使用時(shí)不能直射眼睛。激光筆原使用三節(jié)AG13型紐扣電池，它的金屬外殼接電源正極，殼有一根小彈簧接電源負(fù)極，本設(shè)計(jì)不使用原來的電池，改為外接電源。具體的接法是：把按鈕短路，再用兩根導(dǎo)線分別焊接金屬外殼和里面的小彈簧，最后把這兩根導(dǎo)線連接在電路里面。 話筒本設(shè)計(jì)采用駐極體話筒，駐極體話筒基本結(jié)構(gòu)可以用圖2來表示： 圖2駐極體話筒的基本結(jié)構(gòu) 話筒的基本結(jié)構(gòu)由一片單面涂有金屬的駐極體薄膜與一個(gè)上面有若干小孔的金屬電極（背稱為背電極）構(gòu)成。駐極體面與背電極相對(duì)，中間有一個(gè)極小的空氣隙，形成一個(gè)以空氣隙和駐極體作絕緣介質(zhì)，以背電極和駐極體上

22、的金屬層作為兩個(gè)電極構(gòu)成一個(gè)平板電容器。電容的兩極之間有輸出電極。由于駐極體薄膜上分布有自由電荷。當(dāng)聲波引起駐極體薄膜振動(dòng)而產(chǎn)生位移時(shí)；改變了電容兩極版之間的距離，從而引起電容的容量發(fā)生變化，由于駐極體上的電荷數(shù)始終保持恒定，根據(jù)公式：Q =CU 所以當(dāng)C變化時(shí)必然引起電容器兩端電壓U的變化，從而輸出電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)聲電的變換。由于實(shí)際電容器的電容量很小，輸出的電信號(hào)極為微弱，輸出阻抗極高，可達(dá)數(shù)百兆歐以上。因此，它不能直接與放大電路相連接，必須連接阻抗變換器。通常用一個(gè)專用的場(chǎng)效應(yīng)管和一個(gè)二極管復(fù)合組成阻抗變換器。部電氣原理如圖3 ，駐極體話筒必須滿足一定的偏置條件才能正常工作。（實(shí)際上就是保證

23、置場(chǎng)效應(yīng)管始終處于放大狀態(tài)）8圖3駐極體話筒的偏置電路 音樂芯片音樂芯片的型號(hào)是LX9300，典型的管腳接線圖如圖4，通電后按鈕沒有閉合，電路處于待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)按下按鈕后，觸發(fā)端得到觸發(fā)信號(hào)，LX9300輸出端輸出“至愛麗絲”的音樂信號(hào)，當(dāng)響完一次后，又回到待機(jī)狀態(tài)，等待下一次觸發(fā)。 圖4 音樂芯片的典型接法 NE5532的簡(jiǎn)介NE5532是高性能低噪聲雙運(yùn)放，它具有較好的噪聲性能，優(yōu)良的輸出驅(qū)動(dòng)能力與相當(dāng)高的小信號(hào)與HYPERLINK :/ dianziaihaozhe /dianyuan/ o 電源電源帶寬。用作音頻放大時(shí)音色溫暖，保真度高。NE5532的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片

24、式。特性如下:圖5 NE5532管腳圖（1）小信號(hào)帶寬：10MHz； （2）輸出驅(qū)動(dòng)能力：600，10V； （3）工作溫度圍： 070 ； （4）DC 電壓增益：50000； （5）AC 電壓增益：10KHz 時(shí) 2200； （6）電源帶寬：140KHz； （7）轉(zhuǎn)換速率：9V/S； （8）大電源電壓圍：320V。 簡(jiǎn)易FSO發(fā)射模塊的制作與調(diào)試LD驅(qū)動(dòng)電路的調(diào)試激光發(fā)射裝置的工作電壓為4.5V。電路的工作電流約為15mA，三極管的集電極電壓應(yīng)為1V1.5V。如果不合適，可以調(diào)整電阻器R6的大小，R6的阻值越小，集電極的電壓越低。同時(shí)R6阻值的變化會(huì)影響到三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)，用3KHz，100

25、mV的正弦信號(hào)在R5端輸入，調(diào)節(jié)R6可以看到以下的波形，圖中上面的信號(hào)是輸入信號(hào)，下面的是輸出信號(hào)：EBC信號(hào)狀態(tài)11.80V0.72V0V不失真，見圖222.14V0.71V0V底部失真，見圖333.19V0.67V0V頂部失真，見圖4圖2 輸出信號(hào)不失真 圖3 輸出信號(hào)底部失真圖4 輸出信號(hào)頂部失真由于這種激光筆的功率很小，在黑暗的環(huán)境能夠在2030m清晰地看到光斑，白天由于在各種環(huán)境光的干擾下，傳輸?shù)木嚯x會(huì)有所減小，光為可見的紅色激光，信號(hào)在大氣的衰減很大，本設(shè)計(jì)能在15m左右把信號(hào)發(fā)送出去。音樂芯片發(fā)送模塊的調(diào)試音樂芯片的輸出的信號(hào)頻率不斷變化的矩形波，調(diào)節(jié)R6使三極管處于不失真放大的

26、狀態(tài)，可以看到音樂芯片的輸出信號(hào)和放大后的信號(hào)。 語音信號(hào)模塊的調(diào)試首先，如果話筒不靈敏或話音很小，要調(diào)節(jié)R1的電阻，使駐極體話筒上面有一個(gè)合適的偏壓，使話音引起的電壓變化圍增大，如圖6所示，話筒的信號(hào)經(jīng)過放大到激光筆兩端時(shí)的波形如圖7所示，噪音比較大。圖6 話筒的信號(hào) 圖7 話筒放大后的信號(hào) 數(shù)字發(fā)送模塊的調(diào)試在ADC0804的輸入端輸入3.8V電壓，單片機(jī)的輸出的信號(hào)和經(jīng)過LD驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)如圖8所示，當(dāng)在ADC0804的輸入端接入話筒的信號(hào)時(shí)，單片機(jī)沒有輸出波形。測(cè)量ADC0804的輸入電壓，電壓為1.32V2.05V，語音信號(hào)變化很快，ADC0804不能準(zhǔn)確去讀取到信號(hào)，單片機(jī)沒有輸出

27、信號(hào)。圖8 單片機(jī)的輸出的信號(hào)和經(jīng)過LD驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)單片機(jī)的程序調(diào)試 （中級(jí)要求 設(shè)計(jì)四）1.單片機(jī)的程序org0000hjmpmainorg30hmain:movp2,p1 ;讀取ADC0804的輸出信號(hào)movr1,#8shuchu: mova,p2rlamovp2,a;把讀取的信號(hào)從高位到低位calldel1;移位發(fā)送出去nopdjnzr1,shucalldel2jmpmaindel1:movr6,#4djnzr6,$retdel2:movr5,#40djnzr5,$retend簡(jiǎn)易無線光通信接收部分的設(shè)計(jì)光電二極管的光接收模塊：光電探測(cè)器的選擇、信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)接收部分的噪聲、動(dòng)態(tài)圍

28、、靈敏度分析系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案無線光通信系統(tǒng)組成本文中介紹的是一種傳輸單路圖像的無線光通信系統(tǒng)，它的基本組成如圖1所示。其結(jié)構(gòu)與光纖通信系統(tǒng)相似，區(qū)別只在于信息傳輸媒體由光纖變成大氣，并增加了光學(xué)系統(tǒng)。放大器驅(qū)動(dòng)電路激光器信號(hào)輸入光電探測(cè)器放大電路信號(hào)整形電路號(hào)輸出圖1 大氣激光通信系統(tǒng)簡(jiǎn)圖光發(fā)射模塊主要實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，由輸入、驅(qū)動(dòng)級(jí)、光發(fā)射器件組成。在系統(tǒng)接收端，光學(xué)天線將空間傳播的激光信號(hào)匯聚到接收模塊中的光接收器件表面，光接收器件將激光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后經(jīng)過放大器進(jìn)行放大，最后還原出原傳輸信息。光接收器件與放大器為光接收模塊的關(guān)鍵部分，光接收器件可選用PIN或APD，APD具有增益和較高靈敏

29、度的特點(diǎn)，而PIN則具有使用簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)中要選擇量子效率高、靈敏度高、響應(yīng)速度快、噪聲小的光電探測(cè)器，放大器的噪聲性能對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的信噪比等關(guān)鍵參數(shù)至關(guān)重要，所以必須精心設(shè)計(jì)以最大限度地減小噪聲。系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)在無線光通信系統(tǒng)中，光學(xué)接收部分設(shè)計(jì)的好壞很大程度上決定了通信系統(tǒng)的性能。因此，接收部分的設(shè)計(jì)非常重要，光學(xué)接收組件應(yīng)盡可能地將光束匯聚成理想的光斑，以便光電檢測(cè)器接收。在設(shè)計(jì)中要選擇量子效率高、靈敏度高、響應(yīng)速度快、噪聲小的光電探測(cè)器。發(fā)射端光學(xué)天線主要將激光器光束的發(fā)散角壓縮后再通過發(fā)射透鏡進(jìn)一步準(zhǔn)直成毫弧度級(jí)光束；接收端光學(xué)天線的作用是將接收到的空間激光信號(hào)收集并匯聚到光接收

30、器件的有效接收表面。系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)見表1表1 系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)要求指標(biāo)傳輸波長(zhǎng)650nm接收器件Si光電二極管通信距離100m左右光束發(fā)散角1mrad工作溫度2530發(fā)射光功率1mW電源電壓9VAC在給定的傳輸速率與傳輸距離的條件下，合理設(shè)計(jì)所用激光器、光探測(cè)器和光學(xué)天線的主要技術(shù)參數(shù)，是保證自由空間通信系統(tǒng)在各種天氣條件下正常通信的前提。系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)如圖3所示：光發(fā)射端光接收端輸出功率=5mW幾何損耗=21dB光學(xué)損耗=6dB透鏡損耗=4dB接收靈敏度-40dB圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)圖由上圖可見，合理地增大輸出光功率，減小光發(fā)射器件的光學(xué)發(fā)散角，在系統(tǒng)體積允許的情況下增大光學(xué)接

31、收天線的有效接收面積，選擇靈敏度高的光接收器件以與減少光學(xué)通道中的損耗都有助于增大系統(tǒng)的傳輸距離。光接收部分的設(shè)計(jì)光接收部分的基本原理與結(jié)構(gòu)光接收部分的設(shè)計(jì)考慮 光接收部分的作用是將接收天線接收到的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并進(jìn)行放大輸出。它主要由光電探測(cè)、信號(hào)放大電路、自動(dòng)增益控制電路、信號(hào)還原與輸出等部分構(gòu)成。設(shè)計(jì)時(shí)，元器件的選擇和單元電路的設(shè)計(jì)盡量采用成熟的單元電路功能模塊；此外，設(shè)計(jì)時(shí)除了認(rèn)真研究分析電子線路中的量子噪聲、熱噪聲、散彈噪聲外，還要考慮惡劣氣候（雨、霧、雪、湍流等）出現(xiàn)的附加噪聲；放大器將信號(hào)和噪聲幅值提高到某一水平，使后續(xù)階段的并發(fā)噪聲對(duì)全局信噪比的影響可以忽略不計(jì)；最后

32、，如何減少背景光的干擾也是光接收端機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的一個(gè)問題6。 光接收部分的基本結(jié)構(gòu)與原理光發(fā)射機(jī)發(fā)射的光信號(hào)經(jīng)傳輸后，幅度衰減了，光接收部分的作用是把接收到的微弱的光信號(hào)匯聚后轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，用作其他設(shè)備或者通訊系統(tǒng)的輸入，接收部分的基本功能組成如下：（1）光學(xué)天線把光的能量進(jìn)行匯聚；（2）探測(cè)器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)；（3）放大器放大信號(hào)；（4）信號(hào)輸出。信號(hào)光電探測(cè)器光信號(hào)接收電路信號(hào)整形電路信號(hào)放大電路信號(hào)串/并轉(zhuǎn)換電路信號(hào)D/A轉(zhuǎn)換電路信號(hào)放大輸出圖1 光接收部分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)接收部分的光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器接收光學(xué)系統(tǒng)在大氣激光通信系統(tǒng)中，接收光學(xué)系統(tǒng)的任務(wù)是將大氣中傳輸?shù)男盘?hào)光收集并匯

33、聚到探測(cè)器表面。其設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于接收物鏡口徑的選取。在前面“激光器波長(zhǎng)和功率的選擇”一節(jié)中，通過公式我們已經(jīng)分析了接收天線的孔徑與接收效率對(duì)接收光功率的影響。接收功率要求接收天線的口徑越大越好，這樣系統(tǒng)的工作距離也就越大。但由于接收天線口徑增大，不僅會(huì)導(dǎo)致背景光和雜散光進(jìn)入系統(tǒng)，使系統(tǒng)信噪比降低，還會(huì)大大增加系統(tǒng)的體積和重量，因此必須合理選擇接收天線口徑。光電探測(cè)器的選擇探測(cè)器是光接收部分的一個(gè)基本組成部分，并且是一個(gè)決定整個(gè)系統(tǒng)性能的至關(guān)重要的器件，由于接收到的光信號(hào)很弱，所以光探測(cè)器必須滿足高性能的要求4。光探測(cè)器應(yīng)對(duì)溫度變化不敏感，并且有適合的物理尺寸、合理的價(jià)格和比較長(zhǎng)的使用壽命。按器件

34、結(jié)構(gòu)分，光電探測(cè)器可分為：PN結(jié)光電二極管、PIN光電二極管、金屬-半導(dǎo)體-金屬（MSM）光電探測(cè)器以與雪崩光電二極管（APD）。其中，PN結(jié)光電二極管結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，制造最容易；MSM無需制造PN結(jié)，適合難于摻雜的半導(dǎo)體材料，同電子器件制造工藝完全相容，能同場(chǎng)效應(yīng)管（FET）一起制成光電集成電路（OEIC），但它暗電流較大、量子效率不高，限制廣泛應(yīng)用。目前，在激光通信中最常用的光電探測(cè)器是PIN光電二極管和雪崩光電二極管。兩者各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，PIN光電二極管結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜，但性能優(yōu)異，外加適當(dāng)?shù)姆聪螂妷耗芊€(wěn)定工作，且具有相當(dāng)好的光電響應(yīng)、低噪聲、寬頻帶等特性，PIN二極管的噪聲和相對(duì)價(jià)格較低，并與

35、電子器件工作于同一電壓，但給定的光功率下它所產(chǎn)生的電子數(shù)較少；雪崩光電二極管（APD）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，兼有探測(cè)放大的功能，能將探測(cè)到的光電流進(jìn)行放大，增加接收部分靈敏度，允許更遠(yuǎn)的傳送距離7。評(píng)價(jià)光電探測(cè)器的性能主要有：響應(yīng)度、量子效率、暗電流噪聲、信噪比和頻率帶寬等。由于考慮價(jià)格與電路方面的問題，我們選擇Si光電二極管作為本接收系統(tǒng)的探測(cè)器。其器件特性除了上述的量子效率、響應(yīng)度、響應(yīng)時(shí)間外，還有雪崩倍增特性、噪聲特性、溫度特性等。Si光電二極管特性分析Si光電二極管的電流方程在無輻射作用的情況下（暗室中），PN結(jié)硅光電二極管的伏安特性曲線與普通PN結(jié)二極管的伏安特性曲線一樣，如圖2所示。光電二極管

36、的靈敏度光譜響應(yīng)光電二極管光譜響應(yīng)曲線。接收電路的設(shè)計(jì) （ 基本要求 設(shè)計(jì)五）Si光電二極管的輸出電流很小，必須由低噪聲的放大器進(jìn)行放大，本設(shè)計(jì)選用運(yùn)算放大器進(jìn)行放大。本設(shè)計(jì)的接收電路系統(tǒng)只是簡(jiǎn)單的進(jìn)行信號(hào)接收，信號(hào)整形，信號(hào)放大以與信號(hào)輸出。具體電路圖如下：圖6 光接收部分的簡(jiǎn)易電路接收部分其電路圖如圖7所示圖7 光接收部分的接收電路部分如上圖所示，VT2為硅光電二極管，當(dāng)有不同光強(qiáng)照射時(shí)，光電二極管產(chǎn)生不同的電流，從而改變U1A中的2管腳的輸入電流，R4是負(fù)反饋電阻，與U1A組成一個(gè)負(fù)反饋電路，經(jīng)分析為直流負(fù)反饋電路，穩(wěn)定其靜態(tài)工作點(diǎn)，從而穩(wěn)定輸入信號(hào)的小波形。電位器用于調(diào)節(jié)Si硅光電二極

37、管的靈敏度，當(dāng)電位器的電阻過小時(shí)，背景光噪聲信號(hào)會(huì)對(duì)VT2產(chǎn)生信號(hào)。而不同的背景光下，可調(diào)節(jié)電位器來調(diào)節(jié)Si硅光電二極管的最佳工作電壓。室光背景下通常約為7.58V。接收部分的整形部分其電路如圖8所示圖8 接收部分的整形部分信號(hào)經(jīng)過傳輸之后，其波形往往會(huì)發(fā)生變化，這就需要整形部分來把這變化部分去掉，整形成與原信號(hào)一樣的波形。接收部分的放大部分其電路圖如9所示圖9 接收部分的放大部分信號(hào)經(jīng)過空間傳輸，在光接收部分接收到的信號(hào)已經(jīng)被大氣衰減了許多，所以在還原信號(hào)時(shí)必須將信號(hào)放大，保證有足夠的功率驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。 數(shù)字接收部分 （中高級(jí)要求 設(shè)計(jì)六）電路圖如下：圖 10 數(shù)字接收串并轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換電路

38、經(jīng)過數(shù)字調(diào)制的信號(hào)在傳輸之前先進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，在接收端接收的數(shù)字信號(hào)是串行信號(hào)，用單片機(jī)處理成并行信號(hào)，在由DAC8032D/A轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，再放大輸出。本章小結(jié):通過充分的調(diào)研，合理地選擇光電探測(cè)器，并對(duì)接收電路中的信號(hào)的接收，信號(hào)的整形和信號(hào)的放大部分作了具體的設(shè)計(jì)和介紹，并且介紹了由單片機(jī)組成的數(shù)字接收串并轉(zhuǎn)換電路，構(gòu)建成了一個(gè)簡(jiǎn)易的光接收系統(tǒng)，完成了整個(gè)接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析信號(hào)傳輸實(shí)驗(yàn)無線光通信樣機(jī)完成后，首先要在實(shí)驗(yàn)室將其電路系統(tǒng)和光路系統(tǒng)調(diào)通，保證發(fā)射、接收、控制各個(gè)部分的功能順利完成，然后整個(gè)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)。針對(duì)系統(tǒng)的整體調(diào)試，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室進(jìn)行了信號(hào)的通信，圖1給出了

39、實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)圖。圖1 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖接收部分的具體焊接電路圖如下：圖 2 具體焊接電路板本系統(tǒng)在3KHZ，Vpp為145mV的輸入信號(hào)由發(fā)射端輸出，在經(jīng)過接收端時(shí)信號(hào)如下圖所示：圖 3 接收部分接收到的正弦波形 圖 4 輸入正弦波失真時(shí)接收的波形圖5輸入波形變化時(shí)的接收波形 圖6接收數(shù)字信號(hào)時(shí)的波形（動(dòng)態(tài)）從以上圖中我們能清晰的看到波形不是很平滑的，還出現(xiàn)毛剌現(xiàn)象，這是由于信號(hào)源性能、示波器帶寬等條件所限，系統(tǒng)間存在電磁干擾。從上面結(jié)果中我們還可以觀察到信號(hào)受噪聲干擾，這都是不可避免的。而且信號(hào)經(jīng)過傳輸，從圖上可以看出已經(jīng)出現(xiàn)延遲現(xiàn)象。系統(tǒng)光電性能和總體功率指標(biāo)根據(jù)系統(tǒng)的整體分析設(shè)計(jì)，并對(duì)完成后的

40、接收部分進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。 labview的介紹 （高級(jí)要求 設(shè)計(jì)七）labview虛擬解調(diào)Labview虛擬解調(diào)系統(tǒng)是利用待測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)的互相關(guān)原理實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的窄帶化處理，能有效地抑制噪聲，還原出所需信號(hào)，以確定待測(cè)信號(hào)的頻率、幅值、相位等物理量。軟件解調(diào)不需要借助額外的復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)，更省去了一般的電路分析、調(diào)試等步驟，不含有微分、相乘等易于引入噪聲的相關(guān)電路。信號(hào)的采集和處理都由計(jì)算機(jī)和軟件來實(shí)現(xiàn)。利用labview軟件解調(diào)，能充分應(yīng)用了軟件的強(qiáng)大功能。與硬件相比，軟件解調(diào)更加靈活，成本較低，開發(fā)周期短，易于調(diào)試。軟件解調(diào)成功的解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用傳統(tǒng)儀器所遇到的問題。鑒于傳統(tǒng)教學(xué)儀器投資大、用途單一、維護(hù)困難等缺陷，而labview軟件具有界面友好，維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。而在操作上十分方便，操作者只需要在計(jì)算機(jī)上操作即可，用戶不需要對(duì)儀器部的設(shè)計(jì)完全清楚明白也可以根據(jù)說明操作和應(yīng)用；還有，labview軟件數(shù)據(jù)處理方便還有利于共享，方便更多的用戶利用互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程共享和使用。隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，使得軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)硬件仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)成為可能。labview的設(shè)計(jì)入門Labview是美