摘要：介紹了紫外光通信特點和信道模型，以LED為光源、光電倍增管為光接收器設計無線紫外光數(shù)字通信系統(tǒng)方案，研制了無線紫外光通信設備樣機，在不同條件下進行實驗。實驗結果表明，在夜晚，晴天，近距離，校準條件下的通信效果優(yōu)于白天，下雨，遠距離，未校準的條件下的通信效果，驗證了無線紫外光通信的可行性。
關鍵詞：紫外光通信；大氣信道；00K；信號檢測

    紫外光波長10～400nm，是光譜中波長最短部分，主要由太陽輻射出來，又稱紫外線，紫外光傳輸性能與傳輸范圍內(nèi)大氣的品質密切相關，如大氣中的O3濃度、散射粒子的濃度、大小、均勻性、幾何尺寸等。研究大氣中分子和粒子的散射時主要考慮Rayleigh散射和Mie散射。與此同時，紫外光的傳播方式以散射為主，雖然傳輸過程中衰減嚴重，但可繞過一定障礙物，這兩點決定了紫外光通信系統(tǒng)可以實現(xiàn)全天候的非視距通信(Non Line Of Sight，NLOS)。隨著國內(nèi)日盲段紫外LED生產(chǎn)線的投產(chǎn)，紫外光通信的實現(xiàn)將更具可行性。

1 研究背景
    紫外光作為通信手段被提出最早在上個世紀初，當時美國軍方提出用于海軍海上通信。國內(nèi)近兩年在此領域研究的也有一些，其中國防科技大學在2007年研究了一款直升機紫外光通信系統(tǒng)，在這項研究中是國內(nèi)首次使用日盲段LED點陣作為光源，并在樣機上實現(xiàn)通信；重慶大學光電研究試驗室在2006年也完成了基于紫外光的語音系統(tǒng)設計與實施，該系統(tǒng)在反映靈敏度及抗干擾方面都有著不錯的表現(xiàn)。與此同時，在業(yè)界領先的美國加州大學Center for UbiquitousCommunication by Light實驗室，在2007年實現(xiàn)了在使用光功率為0.5mW的10個24單元陣列LED為紫外光光源，00K調(diào)制方式下紫外光通信的數(shù)據(jù)傳輸速率達到了如表1所示，包括視距通信(Line Of Sight，LOS)和非視距通信兩種方式。

2 大氣散射信道
    由于紫外光是在大氣中進行無線傳輸，大氣信道的質量直接關系到通信質量，傳輸距離等重要通信指標。當散射粒子的直徑遠小于波長時就發(fā)生Rayleigh散射，大氣分子對紫外光的散射就用Rayleigh散射理論來處理，但是只有在晴朗天氣(能見度Rv≥20 km)中Rayleigh散射才是主要的。Rayleigh散射是指散射粒子線度比波長小得多的粒子對光波的散射。其主要特點有：1)散射光強與入射波長的4次方成反比；2)散射光強隨觀察方向而變，在不同的觀察方向上，散射光強不同；3)散射光具有偏振性，其偏振程度決定于散射光與耦極矩方向的夾角。Rayle igh散射規(guī)律使用于微粒線度在十分之一個波長以下的極小微粒。
    當大氣中粒子的直徑與輻射的紫外線波長相當時發(fā)生的散射稱為Mie散射。這種散射主要由大氣中的微粒，如煙、塵埃、小水滴及氣溶膠等引起。在復雜天氣情況下，大氣中氣溶膠微粒對光波的散射遠大于大氣分子散射，此時需要用Mie散射理論處理。因此，針對復雜環(huán)境風沙天氣、海霧、雨天、雪天等，在研究過程中主要考慮Mie散射。Mie散射的輻射強度與波長的二次方成反比，散射在光線向前的方向比向后的方向更強，方向性比較明顯。

3 紫外光通信系統(tǒng)設計
    從“數(shù)字信號”開始，直到通過LED光源把信號傳輸?shù)酱髿庑诺乐?，這個模塊稱為發(fā)射模塊；另一端從紫外光信號進入濾光片開始，直到信號輸出為接收模塊，無線紫外光通信原理框圖如圖1所示。

[!--empirenews.page--]
3．1 紫外光通信發(fā)射端設計
    紫外光通信發(fā)射端設計主要是由發(fā)光模塊和調(diào)制模塊構成，其中發(fā)送模塊光源的選取很關鍵，本系統(tǒng)采用紫外LED作為發(fā)射光源，具體為UV365～375 nm普亮標準型LED，其響應速度快，功率低，輸出功率商，數(shù)據(jù)傳輸速率可達數(shù)MHz。數(shù)據(jù)編碼電路的設計是由發(fā)射端對數(shù)據(jù)信號進行PCM編碼，然后調(diào)制到紫外LED上進行傳輸，也就是完成電光轉換部分。電光轉換電路中采用芯片HD74HC00，穩(wěn)壓電路采用線性低壓差穩(wěn)壓器LM1117通過電容濾除雜波得到穩(wěn)定的3．3 V直流電源，保護電路采用穩(wěn)壓二極臂1N4728。LM358與9013構成負反饋結構，為系統(tǒng)提供較穩(wěn)定的直流偏置電壓，這樣光源不會因為電流過大而永久損壞。由OOK信號作為該系統(tǒng)的調(diào)制信號輸入，并由HD74HC00整形后驅動。電位器為電流反饋電路提供基準電壓，從而對輸出的信號幅值和偏置電壓進行調(diào)整。
3．2 調(diào)制方式
    調(diào)制就是把信號疊加到載波上。紫外光通信系統(tǒng)中的調(diào)制器是一種電光轉換器，它使輸出光束的某個參數(shù)(強度、頻率、相位、偏振等)隨電信號變化，完成光的調(diào)制過程。調(diào)制方式分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制2類。把被信息信號調(diào)制了的電信號直接加到光源(或電源)上，使光源發(fā)出隨信息信號變化的光信號稱為內(nèi)調(diào)制。把調(diào)制元件(如光電晶體等)放剄光源之外，使被信息信號調(diào)制了的電信號加到調(diào)制晶體上，當光束通過晶體后，其光束中的某個參數(shù)(強度、頻率、相位、偏振等)隨電信號變化而變化，從而成為載有信息的光信號，這一過程稱為外調(diào)制。無論是外調(diào)制還是內(nèi)調(diào)制，每一種調(diào)制方法都有不同的調(diào)制形式。
    本通信系統(tǒng)設計為強度調(diào)制／值接檢測(IM／DD)系統(tǒng)。目前應用于強度／直接檢測(IM／DD)系統(tǒng)的常用幾種調(diào)制技術有：(1)開關鍵控(On-Off Key，OOK)；(2)脈沖位置調(diào)制(Pulse Position Modulation，PPM)；(3)差分脈沖位置調(diào)制(Differential Pulse Position Modula tion，DPPM)。紫外光通信效果的好壞，與系統(tǒng)信號調(diào)制方式也有很大關系。對于通信系統(tǒng)來講，帶寬越小越好，比較OOK、DPPM、PPM3種調(diào)制方式，在相同通信速率的條件下，OOK調(diào)制方式所需帶寬最低，本系統(tǒng)采用OOK調(diào)制方法。
    OOK是一種連續(xù)比特調(diào)制，其中“1”代表有脈沖，“0”代表沒有脈沖。在OOK系統(tǒng)中，通過在每一比特間隔內(nèi)使光源脈沖開或關對每個比特進行發(fā)送。這是調(diào)制光信號最基本的形式，只需使光源閃爍即可編碼。用Tb表示每比特連續(xù)時間段，Rb=1／Tb代表傳輸比特率。脈沖寬度為Tw，若每比特時間段與脈沖寬度占空比為x，則有Tw=xTb。當x<1時，參考時鐘可以通過對周期轉換的傳輸比特序列進行濾波得到。OOK解
調(diào)是由積分清除濾波并閾值使它符合50％的脈沖能量。采用OOK調(diào)制對應的誤碼率、信噪比為：
   
    其中，函數(shù)，Pr代表探測器接收到的能量，Pb代表探測器的背景干擾能量，PN代表探測器暗電流。背景光輻射是波長的函數(shù)，如前所述，波長低于280nm的波段可以忽略。探測器微粒噪聲如下式所示：
   
    這里，h是普朗克常量，ηqe是量子效率，B表示接收帶寬。調(diào)制機制的帶寬利用率是比特傳輸率與傳輸所需要帶寬的比值。對于OOK調(diào)制，帶寬利用率可以表示為：
   
    當0<x≤1時，占用了部分脈沖寬度；而x=1時，采用非歸零碼時，帶寬利用率最高。
3．3 紫外光通信系統(tǒng)接收端設計
    紫外光接收系統(tǒng)主要由北京濱松的R212型光電倍增管、濾光片和一些相關電路組成。紫外光信號在大氣中經(jīng)過多次散射和吸收，到達接收端時信號會非常微弱，并且在大氣傳輸過程中會有噪聲光的干擾，在進入光電倍增管探測器之前，紫外光信號首先會通過濾光片得到提純，濾光片選取為270～360 nm帶通濾波片，BPF-UB1T2濾波片光譜圖如圖2所示，由于R212型光電倍增管屬于精密儀器，所以對微弱信號的檢測能力較強，圖3為光電倍增管光譜圖。在檢測具有高速脈沖的光信號時，通常使用具有50 Ω或75 Ω特性阻抗的同軸電纜，來連接光電倍增管和后續(xù)電路。為了使波形在傳輸中不失真，后續(xù)回路應與電纜的特性阻抗相匹配。接收端通過倍增管將接收到的光信號轉化為電信號后進行整形放大并送處理芯片凌陽SPCE061A進行時鐘提取和同步解調(diào)，最后輸出數(shù)據(jù)信號。

    在光電倍增臂易受干擾的340 nm以上波段的區(qū)域，通過帶通濾光片的濾除作用使絕大多數(shù)噪聲干擾都無法對系統(tǒng)造成影響，這樣搭配能保證在現(xiàn)有的條件下實現(xiàn)最優(yōu)的信號采集效果。光電倍增管采集到信號十分微弱，其本身輸出的信號高低電平差很小，系統(tǒng)采用LM393作為判決芯片，使輸出信號變成標準TTL電平，方便后續(xù)電路識別、整理。
[!--empirenews.page--]
4 實驗結果分析
    以單個LED紫外發(fā)光管為光源，以BPF-UB1T2濾光片和R212光電倍增管為光電感應器，傳輸速率為115．2 kbps，于2010年8月到11月期間，在西安理工大學室內(nèi)進行近距離通信試驗。在大量數(shù)據(jù)中統(tǒng)計對比匯總16組數(shù)據(jù)，通過整理得到下表：通信距離為3 m時性能指標如表2所示，通信距離為5 m時性能指標如表3所示，表中天氣表示測試時的天氣狀況，時間表示測試開始時間，角度表示發(fā)送端和接收端對準的偏差角度，誤碼率表示接收錯誤字節(jié)占所發(fā)送字節(jié)的比例，丟字節(jié)率表示丟失字節(jié)占所發(fā)送字節(jié)的比例。

    在紫外光傳播過程中光子發(fā)生米氏散射、瑞利散射的比重也不相同，反映到通信上就變現(xiàn)為誤碼率、丟字節(jié)率不同；紫外光散射很強，導致單位距離衰減程度相比于可見光、激光大，在選取的3 m，5 m兩個距離通信效果比較時，效果差距能較容易體現(xiàn)出來。通過對比研究發(fā)現(xiàn)，紫外光通信的性能隨著天氣條件、不同時段、通信距離、對準角度的變化而變化，總體來看在晴天、晚上、近距離、對準情況下通信效果要好，其中對準和通信距離是決定通信性能的主要因素，其次是白天和晚上對通信效果的影響，室內(nèi)通信過程中天氣變化的影響最弱。

5 結束語
    本文首先闡述了紫外光通信過程中，紫外光光子的散射效應；接著，介紹了紫外光通信系統(tǒng)的調(diào)制方式，硬件實施；最后通過對實驗數(shù)據(jù)的比對印證了之前表達關于米氏散射、瑞利散射、調(diào)制方式對通信性能的影響，得出結論具體為：紫外光通信的性能隨著天氣條件、不同時段、通信距離、對準角度的變化而變化；紫外光傳輸雖然距離有限，但相對不需要特別準確的校準，可進行非視距通信，也可通過組網(wǎng)實現(xiàn)遠距離傳輸；另外，現(xiàn)階段紫外光通信系統(tǒng)比較適合采用OOK調(diào)制方式。