室内高速率LED紫外光通信系统技术研究

摘要

紫外光无线通信系统是一种新兴的通信方式，具有非视距通信、全天候全方位工作、抗干扰能力强和保密性好等多种优势，具有应用于军事战场的潜力，受到广泛的关注和重视。
　　 本文详细分析了瑞利散射和米氏散射对紫外通信系统的影响，奠定了紫外光通信系统能够实现有限区域范围内的非视距通信的理论基础。此外，分析了三种不同实用范围的信道传输数学模型：直视通信链路、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。
　　 系统采用单脉冲位置调制方式，平均辐射率低，在综合考虑传输效率和传输速率下，调制长度为16时隙。为了提高系统可靠性，信道编码方式采用循环冗余校验编码，能够实现单比特纠错和多比特检错功能，采用的是欧洲国家所普遍使用的CRC-CCITT生成多项式。调制解调和信道编码的硬件平台均采用现场可编程逻辑阵列，在QuartusⅡ中用Verilog HDL语言编程实现，相比于单片机技术，FPGA资源丰富，调试简单，可移植性好。
　　 本文设计了系统的外围硬件电路：光源恒流驱动电路、光电倍增管读出电路和信号处理电路等。整个通信系统的流程为：发射端调制编码后的信号接入光源驱动电路的使能端，控制LED的开关状态来传递不同的信息；接收端光电倍增管探测到发送光子，经过读出电路转换为电压信号，经过滤波、级联放大和成形后，恢复出原始的发送信号，进行信道解码解调，送入PC串口，数据通信完成。
　　 本文成功搭建基于LED的紫外无线通信样机，并进行了多次的试验，结果表明：系统能够完成5 m以内的低误码率数据通信，传输速率高达115.2 Kbit/s，体积小，功耗低，能够达到预期的设计要求，为高速率紫外光通信系统的实用化奠定了良好的基础。文章最后总结了实验室两代通信系统的区别，并指出了下一步的工作展望。