基于單LED的無(wú)線紫外光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了紫外光通信特點(diǎn)和信道模型，以LED為光源、光電倍增管為光接收器設(shè)計(jì)無(wú)線紫外光數(shù)字通信系統(tǒng)方案，研制了無(wú)線紫外光通信設(shè)備樣機(jī)，在不同條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在夜晚，晴天，近距離，校準(zhǔn)條件下的通信效果優(yōu)于白天，下雨，遠(yuǎn)距離，未校準(zhǔn)的條件下的通信效果，驗(yàn)證了無(wú)線紫外光通信的可行性。
關(guān)鍵詞：紫外光通信；大氣信道；00K；信號(hào)檢測(cè)

紫外光波長(zhǎng)10～400nm，是光譜中波長(zhǎng)最短部分，主要由太陽(yáng)輻射出來(lái)，又稱紫外線，紫外光傳輸性能與傳輸范圍內(nèi)大氣的品質(zhì)密切相關(guān)，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(shí)主要考慮Rayleigh散射和Mie散射。與此同時(shí)，紫外光的傳播方式以散射為主，雖然傳輸過(guò)程中衰減嚴(yán)重，但可繞過(guò)一定障礙物，這兩點(diǎn)決定了紫外光通信系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全天候的非視距通信(Non Line Of Sight，NLOS)。隨著國(guó)內(nèi)日盲段紫外LED生產(chǎn)線的投產(chǎn)，紫外光通信的實(shí)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(gè)世紀(jì)初，當(dāng)時(shí)美國(guó)軍方提出用于海軍海上通信。國(guó)內(nèi)近兩年在此領(lǐng)域研究的也有一些，其中國(guó)防科技大學(xué)在2007年研究了一款直升機(jī)紫外光通信系統(tǒng)，在這項(xiàng)研究中是國(guó)內(nèi)首次使用日盲段LED點(diǎn)陣作為光源，并在樣機(jī)上實(shí)現(xiàn)通信；重慶大學(xué)光電研究試驗(yàn)室在2006年也完成了基于紫外光的語(yǔ)音系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施，該系統(tǒng)在反映靈敏度及抗干擾方面都有著不錯(cuò)的表現(xiàn)。與此同時(shí)，在業(yè)界領(lǐng)先的美國(guó)加州大學(xué)Center for UbiquitousCommunication by Light實(shí)驗(yàn)室，在2007年實(shí)現(xiàn)了在使用光功率為0.5mW的10個(gè)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(dá)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(jìn)行無(wú)線傳輸，大氣信道的質(zhì)量直接關(guān)系到通信質(zhì)量，傳輸距離等重要通信指標(biāo)。當(dāng)散射粒子的直徑遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)就發(fā)生Rayleigh散射，大氣分子對(duì)紫外光的散射就用Rayleigh散射理論來(lái)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(zhǎng)小得多的粒子對(duì)光波的散射。其主要特點(diǎn)有：1)散射光強(qiáng)與入射波長(zhǎng)的4次方成反比；2)散射光強(qiáng)隨觀察方向而變，在不同的觀察方向上，散射光強(qiáng)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(gè)波長(zhǎng)以下的極小微粒。
當(dāng)大氣中粒子的直徑與輻射的紫外線波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)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(fù)雜天氣情況下，大氣中氣溶膠微粒對(duì)光波的散射遠(yuǎn)大于大氣分子散射，此時(shí)需要用Mie散射理論處理。因此，針對(duì)復(fù)雜環(huán)境風(fēng)沙天氣、海霧、雨天、雪天等，在研究過(guò)程中主要考慮Mie散射。Mie散射的輻射強(qiáng)度與波長(zhǎng)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(qiáng)，方向性比較明顯。

3 紫外光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)
從“數(shù)字信號(hào)”開始，直到通過(guò)LED光源把信號(hào)傳輸?shù)酱髿庑诺乐?，這個(gè)模塊稱為發(fā)射模塊；另一端從紫外光信號(hào)進(jìn)入濾光片開始，直到信號(hào)輸出為接收模塊，無(wú)線紫外光通信原理框圖如圖1所示。