矿井下多波长无线光中继应急通信系统设计

2018-04-07邢占宇何晨汪永刚赵太飞

电子设计工程 2018年5期

邢占宇，何晨，汪永刚，赵太飞

（西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西西安710048）

在人类发展史上，无线电通信技术的诞生，为人类通信能力的提升提供了前所未有的推动力，使人类的通信技术发生了本质性的变革[1]。但是在某些特殊场合并不能完全满足需求，例如在矿井下通信等应急救援通信场景中，使用无线电通信设备，有可能会产生尖端放电现象，遇到瓦斯等易燃易爆气体，极有可能发生爆炸等危险，严重威胁井下工作和施工人员以及设备的安全。并且，现如今社会信息急剧增加，通信压力巨大，主流的无线电通信出现频带匮乏等现象，成为严重制约信息时代向前发展的难题，而解决这个难题的钥匙正是频谱资源丰富的无线光通信[2-3]。无线光通信是用无线传输代替传统的导线，在空气中即可传输信号，解决了很多不宜架设传统传输线路的特殊环境下的通信难题，以灵活简便的独特优势，作为有线光通信的补充，在通信领域取得了较好的发展，其发展前景极为广阔[4-5]。并且无线光通信在国内外已有广泛和深入的研究，在收发信机的设计，调制解调方式，信道传输特性和信道编码等方面均已有很多研究成果[6]。各个波长的无线光有不同的通信特性，所以在通信中也有着不同的应用场景。无线激光通信传输距离较远，并且还具有很高的速率，信道容量相对无线电通信更大。无线光通信中也包括紫外光通信，它是一种新型通信方式，是利用紫外光在大气中的明显的散射特性来进行信息传输[7]。它的光线可以借助光散射实现非直视通信，以避免无线激光通信中APT技术的难题。但是在很多场景下，单一波长无线光通信也不能满足需求，所以提出研究多波长无线光中继通信系统。使用的方式为紫外光和红光激光中继。

1 系统总体框图与各子系统设计

1.1 系统总体框图

一般来说，无线光通信系统主要的构成部分有三方面，即信道、发射机和接收机[6]，该系统也是在此基础上设计完成的。其基本工作原理是将实时拍摄的图片或视频数据先通过红光激光或红外激光在干路发送，激光接收机将接收到的信号通过中继器转为紫外光传输，紫外接收机接收并解调，最后在PC上显示出来。而且因为光通信就是以光纤为承载介质的通信[8]，所以传输的过程中需要改变方向时可以使用反射镜。系统整体示意图如图1所示。

图1 系统整体示意图

1.2 子系统设计

系统由3个模块组成：激光发信机模块，中继转发器模块和紫外收信机模块。系统总体设计框图如图2所示。

图2 系统总体设计框图

由图像传输软件在PC端采集视频信号，并将其转换为串行数据从串口发送出来。信号经过调制后由驱动电路加载到激光器上发射出去。滤光片是用来选取所需辐射波段的光学器件[9]，可以滤除大气环境中存在的背景光引发的背景噪声。

光电探测器将光信号转换为电信号[10]，由放大器放大后达到可以处理的程度送入解调器。该信号被再次调制后被加载到紫外灯管，这样就完成了红光激光信号向紫外光信号的转换。接收端经过同样的步骤就可以解调出信号并通过串口送给PC，在PC上用图像传输软件显示出来。

1.2.1 激光发信机设计

本系统采用方向性好，路径损耗小的650 nm的红光激光器进行干路信息传输。半导体激光器的电源需要使用恒流源，恒流源的基本作用是消除或削弱电源电压、负载电阻和环境温度变化对输出电流的影响[11]。其驱动和调制电路框图如图3所示。

图3 激光器驱动和调制电路框图

恒流电路可以产生高稳定度的电流来驱动激光器。电路中可能会出现浪涌，慢启动电路是用来避免该现象有可能对系统造成的损害[12]。因为过流有可能会使半导体激光器产生不可恢复的损坏，所以要加入限流保护电路。调制电路是用来完成信号调制功能的，。目前应用于强度/直接检测（IM/DD）系统的常用几种调制技术有：1）开关键控（On-Off Key，OOK）；2）脉冲位置调制（Pulse Position Modulation，PPM）；3）差分脉冲位置调制（Differential Pulse Position Modulation，DPPM）[13]。本系统采用OOK调制方式，光波在基带信号控制下通-断变化，可用公式（1）表示：

其中A是电平幅值，ωc为光波角频率，在这里它的值就是波长λ=650 nm的红光对应的角频率。

1.2.2 中继转发器设计

中继转发器作为本系统的核心模块，其主体功能是光电管将接收到的光信号转为电信号，放大电路将其放大到可以处理的程度，然后由解调器解调出传送的信号。该信号再次送入调制驱动电路，调制后将其加载到紫外光管上并发射出去。具体设计框图如图2所示。

图4 中继转发器框图

光电接收管采用650 nm窄带硅光电池，有效接收面积是3×3 mm，峰值接收波长为650 nm。经测试，当激光光斑肉眼可见时，输出电流约为100～200 μA。对于信号放大电路。常用的放大电路都是对电压信号进行放大，所以，首先要将光电管输出的电流信号需要采用一定的方式转变为电压信号[14]。电流信号经过互阻放大电路转化为放大的电压信号，该电压信号经过阻容高通滤波电路和低通，例放大电路组成的窄带通放大电路后，经过比较器转化为数字信号被还原解调电路接收[15]。当信号失真不严重时，阈值电压为0即可成功对信号进行判决。而当信号失真较为严重时可以使用分压电位器来调节阈值电压而后判决。

中继转发器除了需要将信号解调出来，还要将其加载到紫外光上。因为紫外光接收端是使用输出方式为反相输出的光电倍增管进行接收，为了接收端方便处理，发送端需要对源信号进行反相。又因为信号为TTL电平，所以可以直接使用数字反相器对其进行处理。信号放大后，因为LED管对驱动电路要求不高，所以可以使用三极管搭建共射放大电路来完成驱动和调制的功能。至此，中继转发器的主体功能已经设计完毕。

但是光有这个功能是不够的，因为正常工作的前提是整个通信路径的成功建立。在调试时，需要获得是否成功的反馈，通过反馈回来的信息继续调整对准方向和判断阈值电压。一般有两种方式，反馈信息量比较大的是直接将解调后信号发给PC，通过当前接收数据的形式判断是否成功建立链路。这种方式比较可靠，但缺点是需要PC的参与，使用起来较为麻烦。另一种方法是利用单片机制作报警系统，当单片机判断链路成功建立时，驱动LED和蜂鸣器以特定的频率闪烁和发声。我们选择将两种方式一起采用。串口模块电路已经十分成熟，选择的芯片是CH340。单片机报警系统的硬件较为简单，单片机最小系统和LED灯/蜂鸣器配合即可。监测原理是将解调后信号送入MCU，对其进行判断。发送端在建立通信链路时可以一直发送信标字符，比如“0”。单片机若监测到连续N个“0”字符时，可以认为链路成功建立。

1.2.3 紫外收信机设计

因为紫外光的散射性强[16]，所以单位面积的光功率较小，因此普通的光电管很难有效接收到信号。在此，选择光电倍增管（PMT）作为紫外收信机的光电探测器，用于光信号接收转换。为了使光电倍增管可以正常工作，除了使用高压底座和开关电源，还应将光电倍增管密闭在一个盒子里，只留出感光区窗口并加装滤光片，这样光电倍增管就可以很好地将光信号转为电信号[17]。除此之外，其余的电路与激光接收部分一致，都是放大后送入比较器进行判决解调，在此不再另作说明。

2 系统实现与实验结果分析

2.1 系统实现

各个模块的功能全部测试完毕后可以进行系统联合调试。先有激光经过接收天线后射入光电接收管。打开发送和接收PC上的串口调试助手，连续发送“0”，接收端观察收到的信息，微调分压电位器更改判决阈值电压，直到接收到字符“0”。当PC接收到字符“0”时，电路板的对准报警系统工作。LED以固定的频率闪烁并且蜂鸣器以相同的频率鸣响。说明对准报警系统是正常的。红光激光接收电路的输出信号端与紫外发送电路的输入信号端连接起来，将紫外收信机的输出信号通过串口发送给PC。调试方法与红光激光接收机一样，直到成功收到正确字符。另外，紫外部分需要在不同视场角下进行通信试验，如图5所示。

图5 接收视场角测量示意图

经过仔细的调试，该系统能够成功的进行中继数据传输。

2.2 实验结果

为了能够准确地评估系统的各方面性能，设计了以下3个实验：红光通信实验，紫外光通信实验和多波长中继通信实验。实验结果如表1，2，3所示。

表1 不同距离下红光激光通信系统性能

表2 不同接收角时紫外光通信系统性能

表3 中继通信系统性能

2.3 实验结果分析

由实验数据可知，红光激光传输距离远、方向性强，在相同的数据传输速率下误码率与传输距离成正比。与红光激光通信系统相比，紫外光传输距离较近，但散射性强，覆盖范围广，误码率会随接收角的增大而变大。

因而红光激光适用于干路数据传输，紫外光适用于移动台接入。实验结果与系统设计的理论依据一致，同时验证了多波长无线光中继通信的可行性。该系统基本实现了总体设计要求，在性能方面也达到了预期的设想。

3 结束语

文中详细介绍了多波长无线光中继通信系统，实现了预期设计功能，验证了多波长无线光中继通信系统的可行性。它的特色在于可以使得整个通信链路的信息载体均为光波，提高了通信方式的灵活性。同时能够充分发挥出无线光通信的优点，极大地扩展了无线光通信在生活中的实际应用场景。但是系统仍然不可避免地存在一些问题，需要不断分析原因，总结不足，为改进系统提供有效的指导。

参考文献：

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