紫外光通信的接收技术研究 - 图文

紫外光通信的接收技术研究

摘 要

紫外光通信系统是一种新型的通信手段，与常规的通信系统相比，有很多优势具有灵活、低窃听、全方位、非视距通信的独特优势，主要应用于短距离的、保密的通信是常规通信的一种重要补充。可满足军舰、飞机编队之间的保密通信需要。此外，由于紫外线主要以散射方式传播，并且传播路径有限，采用紫外光通信系统，还具有一定的绕过障碍物的能力，非常适用于近距离抗干扰的通信环境。目前紫外光通信在各国还是一个比较新的研究方向，普遍处于探索和研制阶段，对紫外光进行调制与解调一直是该系统的一个难题。同时，紫外通信系统的传输速度难以提高，无法满足语音传输速度的要求。本文首先对紫外光的传输特性进行了学习和总结。太阳紫外辐射在通过大气层时，由于对流层上部的臭氧层对200~280nm紫外线具有强烈的吸收作用，太阳的这一波段紫外辐射在近地大气中几乎不存在，形成所谓日盲区。同时由于紫外光独特的强散射性，决定了其能实现特定区域范围内非视距通信，这是紫外光通信相对于其他短距离通信方式的又一优点。本文接下来对紫外光通信系统的整体框架进行了概述，包括光源、信道模型、接收电路、信号处理电路等。在此基础上着重研究了紫外光通信系统的接收信号检测技术，设计了基于光电倍增管的信号检测方案，及基于NE5532AI放大器的接收电路的研究，并进行了仿真实验。

关键词：紫外光通信，光电倍增管，紫外光信号检测，接收电路

I

UlTRAYIOLET COMMUNICATION RECEIVING

TECHNOLOGY RESEARCH

ABSTRACT

UV communication system is a new means of communication, compared with the conventional communication system there are many advantages such as flexibility, low-round, the unique advantages of the non-line-of-sight communication. Now it is mainly used in short distance and confidential communication as an important complement to conventional communication. Otherwise it can meet the communication needs of confidentiality between the warships, aircraft fleet. In addition, because the ultraviolet light is transmitted to scattering, and the propagation path is limited, the use of ultraviolet communication systems also have the ability to bypass the obstacles, it still is an ideal for close range anti-jamming communications environment. Ultraviolet communication in various countries is still a relatively new research direction, which lies in the progress of research. The biggest problem lies on UV modulation and demodulation in the system. At the same time, the transmission speed of the UV communication system is difficult to upgrade, so it can not meet the requirements of the voice transmission speed. Firstly, the UV transmission characteristics are summarized. The band that solar ultraviolet radiation through the atmosphere is due to the ozone layer of the upper troposphere has a strong absorption of 200 ~ 280nm, the UV radiation in the near-Earth atmosphere is almost non-existent, which is called day blind. While UV has the unique strong scattering, it can only to achieve a specific region within the non-line-of-sight communication, which is UV communication’s specialty compared to other short-range communication. The following is an overview of the overall framework of the UV communication system including a light source, the channel model, receiver circuits, signal processing circuit. On this basis, the received signal detection technology is discussed the UV communication system. The signal detection scheme is designed based on the photomultiplier tube and NE5532AI. At last, some simulation results are presented

KEY WORDS：Ultraviolet Communications, PMT, UV Signal Detection, Receiver

Circuit

II

目 录

摘 要 .............................................................................................................................. I ABSTRACT .................................................................................................................. II 第一章 绪 论............................................................................................................ 1

1.1课题研究背景 .................................................................................................. 1 1.2国内外发展现状 .............................................................................................. 2

1.2.1国内发展现状 ........................................................................................ 3 1.2.2国外研究现状 ........................................................................................ 3 1.3论文所要研究内容 .......................................................................................... 6 第二章 紫外光通信系统概述 ..................................................................................... 7

2.1高速率紫外光通信系统结构 .......................................................................... 7 2.2紫外光源 .......................................................................................................... 7

2.2.1传统紫外光源 ........................................................................................ 7 2.2.2深紫外 LED .......................................................................................... 9 2.3紫外光通信的信道模型 ................................................................................ 10

2.3.1地球大气成分及特点 .......................................................................... 10 2.3.2大气效应对紫外光通信的影响 .......................................................... 11 2.3.3紫外光通信传输模型 .......................................................................... 12 2.4光电探测器 .................................................................................................... 15 第三章 光电探测器比较与选择 ............................................................................... 16

3.1光电倍增管 .................................................................................................... 16 3.2光电二极管 .................................................................................................... 18 3.3雪崩光电二极管 ............................................................................................ 19 3.4探测器的确定 ................................................................................................ 19 3.5紫外滤光片辅助作用 .................................................................................... 19 第四章 紫外光通信的接收电路 ............................................................................... 22

4.1紫外光信号的接收和预处理 ........................................................................ 22

4.1.1紫外光通信的接收机 .......................................................................... 22 4.1.2电流电压转换电路 .............................................................................. 22 4.1.3滤波电路 .............................................................................................. 23 4.1.4单限比较整形电路 .............................................................................. 24 4.2本章小结 ........................................................................................................ 25 第五章 总结与展望 ................................................................................................... 26

5.1工作总结 ........................................................................................................ 26 5.2展望 ................................................................................................................ 26 参考文献 ..................................................................................... 错误！未定义书签。 致 谢 ..................................................................................... 错误！未定义书签。 外文翻译 ..................................................................................... 错误！未定义书签。 附录一Power control based topolog .......................................... 错误！未定义书签。 附录二基于拓扑结构的分布式无线传感器网络的功率控制 . 错误！未定义书签。

III

第一章 绪 论

1.1课题研究背景

紫外光通信作为一种新兴的通信手段，其最突出的优点是不易被探测和截收，非常适用于近距离的抗干扰性能要求较高的通信需求，在军事通信中，有着重大的研究意义。下面就军事通信及紫光通信进行分析。

军事通信是军队为实施指挥，运用通信工具或其他方法进行的信息传递，它是保障军队指挥的基本手段。为完成军事通信任务而建立的通信系统是军队指挥系统的重要组成部分，是军队战斗力的要素之一。对军事通信的基本要求是：迅速、准确、保密、不间断。现代战争广泛应用高技术兵器，作战空间广阔，部队高度机动，作战样式转换频繁，战机稍纵即逝，军事信息量大，电子斗争激烈，从而增加了军队指挥对军事通信的依赖性和完成军事通信任务的艰巨性。

按媒介的不同，军事通信可以分为无线通信、有线通信、光通信和简易信号通讯。无线通信建立迅速，受地理条件的影响小，能与运动中的、方位不明的以及被敌人分割或被自然障碍阻隔的部队、分队建立通信联络。它广泛应用于地面、航空、航海、宇宙航行通信中，是保障现代作战指挥的主要通信手段。无线信号易被敌方截获、测向和干扰，运用时须从组织和技术方面采取措施。有线通信传输性能稳定，通信质量较高，保密性较好，是军事通信的重要手段，但通信线路建设时间长，投资大，维护困难，机动性差，易遭受破坏。光通信一般分为光纤通信和大气激光通信两种。光纤通信传输信息量大、保密性好，有广阔发展前景。大气激光通信具有高度的相干性和空间定向性，这决定了大气激光通信具有通信容量大、重量轻、功耗和体积小、保密性高、建造和维护经费低等优点，但激光由于具有高度的方向性而存在着相对运动光学收、发天线之间的瞄准、接收和跟踪等问题，从而影响了其运动能力。简易信号通信易于组织，可直接传递简短的命令，识别敌我，指示目标，协同动作。

各种通信手段在军队指挥中的具体运用，取决于指挥要求、技术特点及其对战时环境的适应能力。根据具体情况，能充分满足军队指挥需要的通信手段，就是最好的通信手段。从总体上讲，战时以无线电通信为主，各种通信手段结合使用。

由此可见，目前使用的通信方式各有缺点，还不能完全满足军事通信一些特殊场合的要求，各国都在积极研究更隐蔽、更安全、不易被干扰的通信方式，紫外光通信就是其中一种。紫外光通信是以大气分子和子溶胶粒子的散射和吸收为基础。在自然界中，太阳是强烈的紫外辐射源，太阳辐射的紫外光线在通过大层时呈现出以下特点：

(1) 太阳辐射中的近紫外成分(280～400nm)能较多地透过地球大气层，因此该波段被称为大气的“紫外窗口”。由于紫外辐射在大气层中传播时受到大气分子的强烈散射作用，所以在近地大气中这一波段紫外辐射是均匀分布的，这为可靠分辨和有效跟踪近地飞行目标提供了有利条件。

(2)高空大气层中的氧气强烈吸收波长小于200nm的紫外线，故该波段的紫外线可能在外太空中存在；

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(3) 由于大气平流层中的臭氧层对280nm波长附近的外线有强烈的吸收作用，因而太阳中的这一波段紫外辐射在近地大气中几乎不存在，常被称为“日盲区”,其波段范围为200～280nm；

选择紫外“日盲”波段光波进行传输信号时，信号在传输过程中很少受到大气背景噪声干扰。由于紫外辐射在大气中由瑞利散射所造成的光能损失是红外线的1000倍以上，使得工作于紫外波段的系统与红外系统相比具有很大的不同。它是信息传输实现非视距工作方式的基础，同时也克服了其他自由空间信息传输系统在视距方式工作时的弱点。与常规通信方式相比，紫外光通信有其特有的优势：

(1) 高保密的数据传输性和强抗干扰能力；紫外光通信主要基于大气对紫外光的散射和吸收作用。紫外光信号在大气传输过程中会呈现指数倍的衰减，传输距离一般不超过10公里，信号难以监听和截获。另外，紫外光通信系统的辐射功率可根据通信距离减至最小，无线电设备很难对其进行干扰和精确定位。

(2)可用于非直视通讯；紫外光在大气传输过程中会发生散射现象，散射特性可以使紫外光通信系统能以非视距(NLOS: None Line Of Sight)的方式通信，适应复杂的地形环境，克服了其他自由空间光通信系统必须采用视距工作方式的缺点。

(3)具有很高的信噪比；由于大气臭氧对200nm～280nm 紫外光有强烈的吸收作用，近地面的背景噪声相对较小，因而它具有“日盲”特性，采用这一波段紫外光进行通信，信噪比较高。

(4)不需跟踪瞄准(ATP:3Acquisition Tracking and Pointing)。紫外光通信克服了无线通信需要铺设电缆的确定，节省了收放电缆所需时间，同时也解决了无线通信易被监听的缺点，减少了通信设备和线路开设及拆除所需时间。

在复杂环境中，当无线通信、有线通信和光纤通信都不能用的时候，紫外光通信作为一种备用通信手段就会发挥作用。如下图为紫外光通信在巷战中的实际应用。

图 1.1 为紫外光通信在巷战中应用的示意图

1.2国内外发展现状

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鉴于自由空间紫外光通信在军事通信领域中的重要应用，美国、欧洲以及日 本等国已在这一领域投入了大量的人力、物力和财力进行研究。其中：美国在这 一领域发展比较成熟，其他大多数国家还都处于探索研究阶段。自由空间紫外光 通信由于其特有的技术特点、器件发展情况以及应用领域等方面，是较为新颖的 研究领域，大都处于探索和研制阶段。 1.2.1国内发展现状

目前国内对紫外光通信的研究刚刚起步，光源大多采用气体放电灯，对以紫外LED作为光源的紫外光通信系统的研究很少。

在国内，1998年到2004年期间，北京理工大学致力于战场紫外光通信的研究和设备研制工作，提出了以低压汞蒸汽灯为光源，发射系统采用模拟调频方式，通信速率为2000bit/s下，短距离内能够实现语音通信。上海光机所对紫外光通信的原理和主要技术做了一些理论研究。

我国在紫外光源的研制领域也取得了一定的成果:中科院空间中心从2002年开始研究紫外光通信系统的构成和关键技术，对此做了比较详细的调查研究工作，已经在国内期刊上发表了多篇文章并开始尝试紫外光通信系统中的视频传输研究。上海光机所主要对紫外光通信的原理和主要技术做了一些理论研究。中国科学院空间科学与应用研究中心通信实验室正在致力于战场紫外光通信的研究和设备研制工作，从2002年开始该实验室系统研究紫外光通信的系统构成和关键技术，对紫外光通信系统的光源、发射器结构、光源驱动和调制方法、滤光系统、探测器设计、紫外光大气传输特性的建模仿真等方面做了比较详细的研究工作，并且己经在国内刊物上发表了多篇相关的文章。沈阳军区空军通信总站对紫外光通信用于超低空飞行的直升机小队进行了研究。

2005年12月，东北师范大学发布了他们在紫外光发射材料与器件研究中取得的新进展。

此外，北京航空航天大学、重庆大学、电子科技大学在这方面也积累了较多的研究经验。2006年国防科技大学以低压碘灯作为光源，采用低电压频率调制电路实现光源的频率调制，其调制频率能够达到100KHz，但也局限于短距离视距通信。2008年，重庆大学光电工程学院光电技术及系统教育部重点实验室以低压汞蒸气等作为紫外光源，采用频率调制，在200米范围内稳定通信速率为4.8KHz，近距离可以实现非视距通信。 虽然紫外光通信的研究工作在我国己经开始，但在该领域的研究还远远不够，更多是对其进行原理性的论文研究和尝试性的原型机设计，实用的“日盲”紫外光通信产品还处于起步的状态，这对于我军的未来现代化战争无疑将是一个潜在的通信隐患，所以对紫外光通信系统的深入研究已经迫在眉睫。

目前，紫外光大气信道模型的研究主要采用1990年Luegtten等人提出非直视单散射信道模型。而调制主要是采用现有的应用于红外光通信的调制方法。

目前，国内还没有实用化的紫外光通信系统出现，我国对紫外光通信系统的研究还处于起步阶段。 1.2.2国外研究现状

早在1960年，美国海军就开始了关于紫外光通信的研究，1964年 G.L.Harvey做了关于紫外光通信关键技术的研究，1967年 J.A.Sanderson 将其应用到实际的光通信实验中。

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1968年，麻省理工学院S.E.Sunstein 的学术论文中最早出现了关于紫外光通信系统的具体实验，研究了26公里范围内基于大气散射效应的紫外光通信链路模型，实验中采用大功率氙灯作为紫外光源，辐射出的光波为连续谱，波长最短为280nm，采用光电倍增管作为光电探测器。不久，Reilly研究了波长在200～300nm 范围内的紫外光的大气散射模型。

1976年，普林斯顿大学的E.S.Fishburne等人采用汞弧光灯作为光源，载波调制速率为40kHz，实现了紫外光通信系统的非直视通信。

1990年，美国战术研究中心的 J.J.Puschell 采用汞氙灯作为光源，载波调制速率高达400kHz，紫外光源峰值波长为265nm，实现了一公里范围内的紫外光链路通信。 1994年B.Charles 等，以及1995年R.D.都实现了采用紫外激光器作为光源的紫外光通信系统，载波峰值波长266nm，通信速率只有几百比特每秒。

2000年美国通用公司为美军研制了一种实用的新型隐蔽式紫外光无线通信系统，已装备部队。该系统通信速率提高到4.8Kbit/s，误码率达到10-6。该系统不易被探测和接收，适用于多种近距离抗干扰通信环境，尤其适用于特别行动和低裂度冲突，可满足战术通信要求。

以上提到的紫外光通信系统所采用的光源都是弧光灯、气体放电灯或者紫外 激光器，它们都不便于携带，功耗大并且带宽有限，而半导体紫外光源具有体积 小、重量轻、功耗小、稳定性高和带宽较宽的优点。

早在2002年SET公司就生产出了可以商用化的波长在247～365nm之间的深紫外LED。这个项目也得到了美国国防部高科技项目规划局的资助。SET 公司可提供峰值波长为247～365nm 的深紫外LED。尽管其电功率为150毫瓦，辐射光功率仅为微瓦级，还不能与光功率为毫瓦级的红外LED相提并论，但是近年来随着工艺和材料等方面的长足发展，紫外LED的电功率和光功率以及可靠性都有了很大的提高。

2004年，美国麻省理工大学林肯实验室采用274nm的紫外LED作为光源，将240支紫外LED做成阵列，其光功率仅为4.5毫瓦。实验采用非直视通信，在100米的范围内通信速率为200bit/s。图1.3为紫外光通信系统的发射端和接收端的实物图。

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图1.2 林肯实验室紫外光通信系统发射端和接收端

为了有效的探测紫外光信号，紫外光电探测器和紫外滤光片的发展也至关重要。

紫外光电探测器的性能主要由有效阴极面积、响应灵敏度、响应带宽和暗电流等因素决定。目前可以使用的紫外光电探测器主要有光电倍增管 (PMT:Photomultiplier Tube)、光电二极管和雪崩光电二极管(APD:Avalanche Phptodiodes)。PMT相对APD来说其体积较大，成本较高而且需要高压供电，然而PMT的放大倍数可以达到510～710 ，有效阴极探测面积可以达到几平方厘米，比较低的暗电流和单光子工作模式也适合探测微弱的散射信号。日本滨松公司和英国的Perkin-Elmer公司的紫外光电倍增管较为适合紫外光通信系统。商用的深紫外波段的雪崩二极管虽然已经出现，但性能很不成熟，关于紫外雪崩二极管的研究仍在积极进行。

2007年，美国国防部高科技计划规划局就开始资助深紫外波段雪崩二极管的研发，要求其响应波段峰值为280nm，增益为610 ，目前已取得积极进展。

目前美国军方对紫外光通信系统项目的研究和开发投入了大量的资金和力量。承接研究项目的单位主要有:美国雷神公司、美国麻省理工大学和美国国防预先研究计划局，美军TITAN系统启动的“紫外局域工作站网络 (ULAN)”旨在利用紫外辐射的基本原理研发高速、安全的紫外光通信系统。该系统可在直视和非直视两种模式下运作，其传输距离可达1公里以上。麻省理学院林肯国家实验室参与研制紫外光通信相匹配的一些关键性器件设备，并开发了相关运行测试的平台，并且就大气环境中对紫外光通信的各种因素进行了系统的分析。由此可见，美国军方在短距离紫外光通信领域进行了系统和深入的研究，完成了从基本原理到实用技术的多方面、多学科的研究。对紫外光用于战场短距离通信已经达到了实用化的阶段。但是其研究工作的具体情况和技术细节都处于高度保密状态。 由此可见，国外在紫外光通信方面进行了大量的研究，并且已经有实用化的紫外光通信系统装配部队。但是以紫外LED做为光源的紫外光通信系统还没有进入实用阶段。

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由于弧光灯和气体放电灯本身的发光特性，限制了紫外光通信系统的通信速率，也限制了其应用，紫外LED的出现解决了这个问题。理论上讲，以紫外LED作为光源的紫外光通信系统的速率可以从原来的几Kbit/s提高到几百Kbit/s，所以对以紫外LED作为光源的紫外光通信系统研究就显得非常重要，紫外LED也使紫外光通信系统迈入了一个新的发展时代。

1.3论文所要研究内容

本论文主要研究紫外光通信的接收技术，第一章从紫外光通信的背景，研究现状和方向进行探讨，了解到紫外光通信的巨大潜力，以及我国在这方面的欠缺，需要加大研究，提高国防实力。第二章粗略介绍了紫外光通信的整个系统的构成，对紫外光通信的紫外光源进行了分析比较，选出了目前最适合本论文的光源为深紫外LED光源，根据大气的组成和特点对日盲紫外光通信的信道模型进行了探讨；第三章对紫外光通信的信号检测器件进行比较分析，可以知道光电倍增管为目前比较理想的信号检测器件，最后第四章对接收电路进行详细探讨。

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第二章 紫外光通信系统概述

2.1高速率紫外光通信系统结构

紫外光通信系统相对传统的无线通信系统而言，最大区别在于其通信的载体为200nm～280nm的紫外光信号。太阳辐射的此波段紫外光由于臭氧层的强烈吸收而无法到达地面，所以近地面噪声对系统通信的干扰相对较小。另外，大气分子对紫外光信号有很强的散射作用，通过探测散射的紫外光信号，可以实现非视距通信。紫外光通信系统由于其抗干扰性强、难于监听以及无ATP跟踪等优点，越来越受到各国军方的重视。本文设计的高速率紫外光通信系统由发射机、接收机以及大气信道组成，如图2.1所示。发射机将原始的基带数字信号通过调制器调制，转换为已调数字信号，再经过专用LED驱动芯片驱动紫LED光源。由光源发出的紫外光信号经过大气信道中大气分子和大气气溶胶粒子的散射和吸收作用，最终到达接收端光电探测器。接收机探测到微弱的紫外光信号后，经过光电探测器将光信号转换为电信号，再经过信号预处理电路进行信号处理，然后经解调器的解调将已调数字信号转换为原始的基带数字信号。

图2.1紫外光通信系统结构

2.2紫外光源

紫外光源是决定紫外光通信系统速率最关键的因素。低速率紫外光通信系统多采用弧光灯、气体放电灯以及紫外激光器作为光源，由于光源本身的发光特性，系统的通信速率一般不超过10Kbit/s，制约了紫外光通信系统的应用，因此寻找一种新的紫外光源非常重要。 2.2.1传统紫外光源

目前应用于紫外光通信系统中的紫外光源主要有：汞蒸气弧光灯、低压汞灯和紫外激光器。

(1) 汞蒸气弧光灯

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在紫外光通信系统发展的初期，由于器件材料的限制，早期的紫外光通信系统样机大都采用汞蒸气弧光灯作为紫外光源。图2.2为汞蒸气弧光灯的典型光谱特性。汞蒸气弧光灯作为紫外光源有很多缺点：易碎、高压驱动、难以实现高速率的开关进行直接调制、产生附加谱线太多以及寿命短等，而254nm的汞蒸气弧光灯的电光转换效率还不到10%。

图2.2高压汞蒸气弧光灯光谱

(2) 低压汞灯

低压汞灯可以发射出254nm左右的窄频带光谱，是低速率紫外光通信系统较为常见的紫外光源。其典型光谱特性如图2.3所示。低压汞灯的转换效率可达30%～40%。此种光源在使用过程中需要高压镇流器，另外还要使用反射聚光镜来引导紫外光的传播方向。此种光源的发射功率很可观，可达几十瓦甚至上万瓦。但在具体使用低压汞灯的过程中会存在难以实现高速率开关调制的问题，当使用频移键控(FSK: Frequency-shift keying)调制的时候，具体表现为在两个调制频率之间快速切换过程中，会产生频率成分很复杂的过渡带，如图2.4所示，调制频率相差越大过渡带越宽，这使得系统的通信速率提高到一个量级之后存在一个瓶颈，因此光源是限制紫外光通信系统速率进一步提高的关键因素。

低速率紫外光通信系统的光源大都采用气体放电灯，根据气体放电灯的特性，频移键控是较为常用的调制方式，由于气体放电灯从一个频率状态到另一个频率状态会产生所谓的“过度频带”，使两个频率之间的交替变化不能高速进行，从而限制了通信速率。另外，气体放电灯需要高压驱动，电光转换效率不高，响应速度慢，严重制约了通信速率的进一步提高。

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图2.3低压汞蒸气灯光谱

图2.4低压汞灯频率调制过渡带

(3) 紫外激光器

由于紫外气体放电灯存在易碎、寿命短的缺点，人们开始将目光转向固体发光光源。1993年，美国麻省理工大学林肯实验室研制出了一种被动调Q微芯片激光器(如下图所示)，其脉宽为皮秒级，峰值功率也高于传统的激光器。2000 年，林肯实验室以这种激光器作为光源研制了一套便携式的紫外光通信系统。

该激光器在测试过程中工作性能良好，相对气体光源而言，具有坚固耐用的优点，但是其缺点也很明显：转换效率低、价格昂贵、使用寿命短、脉冲重复周期对温度敏感以及不易低压高速驱动等。\\ 2.2.2深紫外 LED

发光二极管(LED: Light Emitting Diode)是一种将电能转换为光能的半导体发光器件，是电致发光的固体光源。

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图2.5紫外激光器示意图

深紫外LED的出现克服了传统光源的缺点：(1)LED采用低压供电，单管驱动电压为1.5-3.5V，可操作性和安全性都有保障；(2)LED功耗小，消耗能量较同光效的白炽灯减少80%；(3)LED稳定性好，工作10万小时时光输出衰减为初始值的50%；(4)LED的响应时间短，只有纳秒级，克服了低压汞蒸气灯所导致的过渡带问题。

深紫外LED通常采用AIGaN半导体，特别是高AI组分的AIGaN，材料的熔点在一个大气压下高达2500摄氏度以上，然而提高AI的组分一直以来都是深紫外LED发展的难点。目前高AI组分的AIGaN大多采用低温和低压的外延技术生长，存在晶体质量差和容易形成多晶的缺点。在外延生长过程中，相对于Ga原子，AI原子粘性系数较大，迁移率较小，难于迁移到具有最低能量晶格位，成统一 c 轴取向的高质量晶体。与GaN键相比，AIN键极性更强，不同极性面晶畴特性、晶粒结构和晶体质量等差异很大，如果AI原子晶格位置控制不好，易于形成缺陷，再加上通常采用蓝宝石衬底，与外延晶格搭配不当，膨胀系数差异更显著，导致三维外延生长，带来晶粒之间的相对倾斜和扭曲等复杂的变化，外延层中的应力的释放至关重要。因此，在深紫外LED 应用上要取得突破性进展，首先需解决LED 外延的关键技术难题。

结合以上分析，目前认为比较优秀的是深紫外LED，其特征参数如图2.6所示。

2.3紫外光通信的信道模型

2.3.1地球大气成分及特点

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图2.6深紫外LED光谱

大气层又叫大气圈，地球就被这一层很厚的大气层包围着。大气层的成分主要有氮气、氧气、氩气，还有少量的二氧化碳、稀有气体(氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气)和水蒸气。大气层的空气密度随高度而减小，越高空气越稀薄。大气层的厚度大约在1000千米以上，但没有明显的界限。整个大气层随高度不同表现出不同的特点，分为对流层、平流层、中间层、暖层和逃逸层，再上面就是星际空间。除此之外，还有两个特殊的层，即臭氧层和电离层。臭氧层距地面20至30千米，实际介于对流层和平流层之间。这一层主要是由于氧分子受太阳光的紫外线的光化作用造成的，使氧分子变成了臭氧。臭氧层对真空紫外波段(200～280nm)的紫外光吸收最为强烈，在近地面几乎没有这一波段的紫外光。电离层很厚，大约距地球表面80千米以上。电离层是高空中的气体，被太阳光的紫外线照射，电离层带电荷的正离子和负离子及部分自由电子形成的。电离层对电磁波影响很大，可以利用电磁短波能被电离层反射回地面的特点，来实现电磁波的远距离通讯。

大气也包括部分液态水和固体颗粒，大气中悬浮着大量固体和液体粒子。通常将半径小于几十微米的固态微粒叫做大气气溶胶。其他则分别称之为雾滴、云滴、冰晶、雨滴以及冰雹、和雪花等固态降水粒子。大气中的气态物质、气溶胶与固态降水粒子等各种粒子具有多种复杂的物理化学特性。 2.3.2大气效应对紫外光通信的影响

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影响紫外光信号在大气中传播的因素主要有：(1)紫外光信号在传播过程中受大气特性的影响，包括散射和吸收作用；(2)紫外光信号本身的性质，如波长、相位、脉冲宽度和光束的时间、空间分布特性等。大气特性的影响为主要因素。紫外光信号在大气传播过程中强度衰减很快，主要是由于大气的气体分子和大气气溶胶粒子的吸收和散射造成的，其中大气气溶胶粒子的吸收作用较为明显，而大气分子的散射作用则较为明显。大气吸收作用，近地大气中存在着各种气体分子和微粒，如尘埃、烟雾等，使得部分光辐射能量被吸收而转变为其他形式的能量，部分能量被散射而偏离原来的传播方向，辐射能在空间发生重新分配。大气散射作用，紫外光信号的大气散射特性是紫外光通信的基础。大气分子对紫外光信号的散射可以使大气的紫外光信号多次改变方向，从而被探测器接收。大气粒子的大小越接近紫外光的波长，对其所产生的散射强度就越大。大气中的散射源主要是大气分子和大气气溶胶粒子，由于两种粒子的大小不同，它们具有各自不同的散射特性。大气分子的直径比紫外光波长小的多，会产生典型的瑞利散射；而大气气溶胶粒子比紫外光波长大的多，会产生米氏散射。研究表明，大气分子的散射作用明显大于大气气溶胶粒子的散射作用，且至少高一个数量级，所以，在大气对紫外光通信的影响因素中通常可以忽略大气气溶胶的米氏散射作用。

大气层中空气密度的无规则起伏称为大气湍流。湍流对光束传输的影响称为湍流效应。在地球表面，热空气上升，冷空气下沉，形成空气对流。这样，在大气中各点的温度和密度是无规则变化的，这种变化随高度和风速而不同，变化较为剧烈时形成湍流。而大气的折射率取决于密度，因此大气的折射率也随空间和时间作无规则的变化，从而形成了大气湍流效应。大气湍流效应导致大气折射率的不断起伏，使得光波的振幅和相位随机发生变化，造成光束闪烁、弯曲、扩展、空间相干性偏低及偏振状态起伏等现象。这些现象都是由于空气折射率的随机变化造成的，因此，大气湍流效应引起的折射率起伏对紫外光通信影响较为明显。 2.3.3紫外光通信传输模型

大气分子和大气中的很多粒子对紫外光信号有很强的散射作用，被散射的紫外光信号会维持初始光信号的频率和固定相位关系，所以散射的紫外光信号可以用来传递信息。紫外光通信的链路方式有直视通信和非直视通信，如图2.7所示。早期的紫外光通信系统多为直视通信，随着现代光电技术的进步，非直视紫外光通信技术也取得了长足的进步。日盲紫外光通信系统是建立在地球表面日盲区紫外光低背景的基础上的，紫外低背景是大气层中的臭氧强烈吸收紫外线的结果。对于一般的红外光通信和一般的激光通信，都要求发射机和接收机之间必须严格对准。因此日盲紫外光通信能够实现非视线通信就引起了人们极大的兴趣。2000年，通用公司为美国军方研制了一套新型的非直视紫外光通信系统，此系统有稳定的传输信道，其非直视通信距离可以达1～3km。该系统的发射功率很低、隐蔽性好、机动性强并且可以实现非直视通信。日盲紫外光通信是利用日盲紫外光在低空大气信道中的日盲特性和其在大气中的散射作用来实现的，其显著的特点就在于日盲紫外光通信具有非视线传输的功能，所以在军事通信领域中有着巨大的优越性和发展潜力。非视线通信方式的工作原理：光在大气中传输时所产生的电磁场使大气中的分子和微粒所带的电荷产生振荡，而振荡的电荷又会产生一个或多个电偶极子，这些电偶极子就会向四周辐射出次级球面波，由于电荷的振荡与原始波是同步的，所以次级球面波与原始波就具有相同的振荡频率和固定的相位关系。次级球面波的波阵面的分布和振动情况将决定光的散射方向，因此发射的紫外光信号就能够散射在大

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气中，最关键的是这些散射信号都能保持原来的信息，所以只要这些散射信号能够到达接收机的视野区，就能够实现通信。为深入了解非直视通信，需要研究紫外光通信系统散射大气传输模型。

TR T R T (a) R T R T (b)

R T R 图2.7(a)为直视通信(b)非直视通信

从发射机发射出的日盲紫外光信号经过大气散射后由相距不超过一定距离的接收机接收，通常情况下接收机都采用大视野信号采集器以提高接收灵敏度。大视野信号采集器可以放在以发射机为圆心的有效散射半径之内的任何一个地方，都能接收到光散射信号，通常对视线通信有影响的海拔高度和地形障碍等因素对日盲紫外光通信而言都不是问题。由于日盲紫外光通信是靠收集大气对日盲紫外光的散射来建立通信链路的，所以传统的大气光通信传输模型不适合于分析这种非视线传输情况。日盲紫外光在大气中传输时主要受到大气分子和气溶胶微粒的散射作用。

由于大气中各种散射体都在做不停的随机运动，所以散射过程实际上可以看成是一个随机过程。如果在发射端和接收端之间光子仅被散射一次，就称为单次散射；如发生两次或两次以上的散射，就称为多次散射，但是单次散射和多次散射两者之间没有一个严格的分界线。Vande Hulst认为当散射系数与传输距离的乘积小于0.1时，单次散射是主要的。Shaw等人则认为只要传输距离不超过一到两个消光长度，单次散射是主要的。

Luettgen 等人发展的一种椭球信道模型非常适用于分析这类非视线传输的信道模型。但是这种模型只能考虑大气中分子散射和气溶胶粒子的散射对通信系统接收光信号的贡献，而且还要将分子散射简化为各向同性散射，另外由于散射通信一般用于低速通信，大气湍流效应对日盲紫外光通信的影响不像高速视线通信那么严重，所以在这个模型中我们还要忽略大气湍流的影响。在模型中通过改变发射机和接收机的仰角、光源发散角和接收机的接收角等系统的几何参数，散射通信可以通过灵活地部署通信器件来满足各种实际需求。

本文将在忽略大气散射分子和粒子的随机性、大气湍流的影响和在单次散射假设的基础上研究日盲紫外光通信的大气信道模型，利用这个模型对日盲紫外光在大气中的非视线传输进行数值计算，分析大气分子的散射和气溶胶粒子的散射对日盲紫外光通信系

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统的贡献，以及发射机和接收机各个几何参数对接收光信号的影响，进一步探讨实现散射通信技术的物理机制。

图2.8是一个散射通信系统的结构示意图。发射端光源以光束发散角2θT 向空中发射光信号，接收机的接收角为2θR ，发射机和接收机仰角分别为βT 和βR ，发射光束与接收视场在空间的交叉区域中的大气就形成一个连接通信链路的散射体，我们可以很形象的把这个散射体看成是一个小型“中继站”。发射机发射的光信号经过大气传输后到达“中继站”，接收机收集来自该“中继站”对光信号的散射，这样就完成了通信信号的非视线传送。由于接收到的散射光通常都很微弱，人们一般通过增大接收视场的方式来等效的增加空中的有效散射体的体积，从而能够接收到更多的散射光信号。

x ?R ?T ?R F1 接收机 ?T F 发射机 Z 图2.8散射通信系统的结构示意图 假设这个大气信道是一个线性时不变系统，在t = 0时刻发射机向空中发射一个能量为QT 的激光脉冲，单位为J。下面我们来考查在下图所示的几何关系下接收机能够接收到的光信号。在满足单散射条件下，我们用Luettgen等人发展的一种椭球信道模型来分析日盲紫外光的非视线传输，这个模型是建立在椭球面坐标系下的，如图所示。

在这种椭球坐标系下，空间中的每个点都可由径向分量ξ，角坐标η和方位坐标φ唯一确定。假设把发射机和接收机分别放在椭球面的两个焦点上，为了简单起见，发射机和接收机都放在同一平面(x-z平面)内，在后面的讨论中都沿用这一假设，那么在某一给定椭球面上的任意一点与两个焦点之间的距离之和就为一常数，所以我们就可以把这个椭球面看作是一个等时延面。这一特点将为分析问题带来很大方便。

考察空间中的任意一点P(ξ,η,φ)，则包含P(ξ,η,φ)点的体积元δV就可以看作是一个次波源，这个次波源向整个空间辐射出的总能量可表示为

?QP?KSQTexp(-Ker2)?V 2?Tr2 14

X ??0 ??（r1?r2）/r φ n=-1 r1r2 η=1 z F v 主轴 F2 r

图2.9椭球面坐标系

2.4光电探测器

紫外光电探测器是接收机的核心器件，主要功能是完成紫外光信号到电信号的转换。对于非直视的紫外光通信，理想的光电探测器应该有较大的探测面积、较高的增益和带宽、高的信号光透过率以及极低的暗电流。目前，紫外探测器通常采用光电倍增管、光电二极管和雪崩光电二极管。在下一章节中会进行进一步讨论。

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第三章 光电探测器比较与选择

为有效的探测紫外光信号，紫外光电探测器和紫外滤光片的发展也至关重要。紫外光电探测器的性能主要由有效阴极面积、响应灵敏度、响应带宽和暗电流等因素决定。目前可以使用的紫外光电探测器主要有光电倍增管 (PMT:Photomultiplier Tube)、光电二极管和雪崩光电二极管(APD:Avalanche Phptodiodes)。PMT相对APD来说其体积较大，成本较高而且需要高压供电，然而PMT的放大倍数可以达到510~710 ，有效阴极探测面积可以达到几平方厘米，比较低的暗电流和单光子工作模式也适合探测微弱的散射信号。日本滨松公司和英国的Perkin-Elmer公司的紫外光电倍增管较为适合紫外光通信系统。商用的深紫外波段的雪崩二极管虽然已经出现，但性能很不成熟，关于紫外雪崩二极管的研究仍在积极进行。2007年，美国国防部高科技计划规划局就开始资助深紫外波段雪崩二极管的研发，要求其响应波段峰值280nm，增益为610，目前已取得积极进展。

紫外光电探测器是接收机的核心器件，主要功能是完成紫外光信号到电信号的转换。对于非直视的紫外光通信，理想的光电探测器应该有较大的探测面积、较高的增益和带宽、高的信号光透过率以及极低的暗电流。目前，紫外探测器通常采用光电倍增管、光电二极管和雪崩光电二极管。

3.1光电倍增管

光电倍增管，简称PMT，是灵敏度极高，响应速度极快的光探测器，可广泛各种仪器设备中。光电倍增管由光电发射阴极(光阴极)和聚焦电极、电子倍增极及电子收集极(阳极)等组成。典型的光电倍增管按入射光接收方式可分为端窗式和侧窗式两种类型，图3.1为侧窗式光电倍增管和端窗式光电倍增管的示意图。其主要工作过程如下：当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到倍增放大，然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器中，具有极高的灵敏度和极低的噪声。另外，光电倍增管还具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点。

光电倍增管之所以具有优异的灵敏度(高电流放大和高信噪比)，主要得益于基于多个排列的二次电子发射系统的使用，它可使电子在低噪声条件下得到倍增。电子倍增系统是包括8～19极的叫做打拿极或倍增极的电极，目前使用的光电倍增管倍增系统有8类，它们分别是：环形聚焦型、盒栅型、直线聚焦型、百叶窗型、细网型、微通道板型、金属通道型和混合型。图2.8是环形聚焦极的示意图。

光电倍增管由阴极接收入射光子的能量并将其转换为电子，其转换效率(阴极灵敏度)随入射光的波长而变。这种光阴极灵敏度与入射光波长之间的关系叫做光谱响应特性。

一般情况下，光谱响应特性的长波段取决于光阴极材料，短波段则取决于入射窗材料。

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(a)侧窗型(side-on) (b)端窗型(head-on)

图 3.1侧窗型(a)和端窗型(b)光电倍增管示意图

图 3.2环形聚焦极光电倍增管示意图

光电倍增管的窗材料通常由硼硅玻璃、透紫玻璃(UV玻璃)、合成石英玻璃和氟化镁(或镁氟化物)玻璃制成。硼硅玻璃窗材料可以透过近红外至300nm左右的可见入射光，而其它3种玻璃材料则可用于对紫外区不可见光的探测。

光电倍增管的阴极一般都采用具有低逸出功能的碱金属材料所制成的光电发射面。 光阴极发射出来的电子被电场加速后撞击到第一倍增极上将产生二次电子发射，以便产生多于电子数目的电子流，这些二次发射的电子流又被加速撞击到下一个倍增极，以产生又一次的二次电子发射，连续地重复这一过程，直到最末倍增极的二次电子发射被阳极收集，这样就达到了电流放大的目的。这时光电倍增管阴极产生的很小的光电子电流即被放大成较大的阳极输出电流。

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图 3.3不同阴极材料光谱响应曲线

3.2光电二极管

光电二极管的光电转换线性度较好，无需高工作电压，响应速度快，其主要参数有：量子效率、响应度、暗电流、结电容、灵敏度等。量子效率、响应度反应了光电二极管的光电转换效率。当没有光信号照射光电探测器时，外界的杂散光或热运动也会产生一些电子—空穴对，光电二极管也会产生电流，这个电流被称为暗电流，它会产生随机噪声，降低系统的信噪比。结电容直接影响到光电二极管的响应速度，结电容越小，器件响应速度越快，频带越宽。

在半导体材料上，当入射光子能量超过带隙能量时，每当一个光子被吸收就产生一个电子—空穴对。在外加电压建立的电场作用下，电子与空穴就在半导体中渡越形成光电流。其电流大小与入射光功率成正比，比例系数称为响应度。一个反偏的PN结就构成了光电二极管。光电二极管工艺简单，但其响应速度较低，为克服这个缺点，在PN结中插入一层非掺杂或轻掺杂半导体，就可增大耗尽层宽度，减小了扩散运动的影响，提高了响应速度。

光电二极管将接收到的入射光进行光电转换，但其光电流很小，所以需要经过后级放大器来对信号进行放大和处理。为了得到一定幅度且平滑的输出信号，应设计两级放大，前置放大主要起到电流/电压变换的功能，将光电流转化成容易处理的电压量，随后通过限幅放大器放大并调整为某个标准电平输出。值得注意的是，在多级放大的结构中，前级的噪声会随着有用信号被后级放大，因此，除了要精心选择高质量的PIN光

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电二极管以外，必须设计出低噪声，宽频带的前置放大器。限幅放大器则要求增益高，同时要有均衡电路以减小码间串扰。

3.3雪崩光电二极管

雪崩光电二极管(APD: Avalanche Photodetectors)探测器以其体积小、工作电压低、频谱响应范围宽以及在近红外波段有较高灵敏度等一系列的优点，在弱光场测量、光子计数等相关领域中得到广泛应用。

雪崩光电二极管是一种具有内部放大作用的光电二极管，工作时PN结加反向偏置电压，当入射光子在P区被吸收产生电子空穴对后，载流子在渡越耗尽区时将会被强电场加速而获得极大的动能，通过碰撞半导体的晶格使之电离产生二次电子空穴对，这些二次电子空穴对又被加速产生更多的电子空穴对，从而形成载流子的雪崩倍增效应，倍增因子可达108以上，比一般光电倍增管的增益还要高，因此使用APD探测器进行单光子计数测量成为目前最常用的手段。

对于雪崩光电二极管的性能参数和使用方法的实验研究有许多报道，由于半导体材料自身电致发光效应，使得APD在伴随载流子被雪崩倍增放大的同时产生光子辐射现象。最早对这一现象进行报道的是德国的Kurtsiefer小组，他们为了解在量子密钥通信中APD的光子辐射造成探测器之间的串扰，以及带来的使窃密者有机会从返回信号的光子中窃取信息降低通信安全性等问题，对APD的光子辐射光谱进行了测量研究。另外在单光子干涉、长光纤的使用以及光子关联测量等的实验中，由于光子辐射返回到探测器的二次光子辐射都将对测量带来扰动影响，在探测器阵列中，探测器的光子辐射还会造成临近探测器间的串扰。

3.4探测器的确定

由以上分析可以得出：虽然光电二极管的光电转换线性度较好，无需高工作电压，响应速度快，但是要获得良好的增益和信噪比，除了要精心选择高质量的光电二极管以外，必须设计出低噪声，宽频带的前置放大器。其限幅放大器则要求增益高，同时要有均衡电路以减小码间串扰。雪崩光电二极管探测器虽然体积小、工作电压低、频谱响应范围宽等优点，但由于技术问题，雪崩光电二极管仅在近红外波段具有较高的灵敏度，而且其价格不菲。结合本课题的实际需要，最终选定日本滨松公司生产的某型光电倍增管作为本文的光电探测器。此款光电倍增管为侧窗型高灵敏度“日盲”紫外光电探测器，其波段响应范围在160～320nm 之间，峰值响应波长为254nm。光阴极采用锑化铯，窗材料采用合成石英玻璃，打拿极为环形聚焦极9极倍增。

3.5紫外滤光片辅助作用

对于紫外光电接收系统，仅有光电倍增管的转换还是不够的，虽然光电倍增管的接收面较雪崩光电二极管大，但总体上也依然很小，对于野外空旷环境而言，还应配合使用紫外滤光片。紫外滤光片的主要作用是使探测器免受通信工作过程中干扰源的影响。人类活动造成的紫外辐射光源主要是各种气体放电光源，如电焊、高压汞灯、钠灯等，这些紫外辐射源是在通信工作过程中的主要干扰源。在进行信号发射和接收时，为了提高有用光信号的信噪比，需采取合理的措施进行屏蔽。因此，为了降低背景噪声，提高光学系统接收信噪比，需要在紫外探测器前来滤除红外光、可见光波和非区紫外波段的干扰。

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由于光电探测器接收到的信号经过了大气分子的多次散射吸收，信号比较微弱，太阳辐射不可避免会对其造成一定干扰，所以在接收端需要采用紫外滤光片进一步降低信噪比。

大气光散射通信对紫外滤光片要求：信号光透过率大于10%，背景光深截止大于9个光密度单位(OD：Optical Density)，同时透过率随入射光的角度影响小，即在大角度范围内保持高透过深截止的特性。

目前常使用的滤光片有干涉型和吸收型滤光片。

(1) 干涉型滤光片是利用多层介质膜中光的干涉作用得到信号光的高透过和背景光的深截止。干涉型滤光片某一膜层内的折射角为θ，两界面之间的相位差为：??2?nhcos?/?（3.1）式中，n为膜的折射率，h为膜的厚度。

由此可知，随着光信号入射角的增加，透过率将向短波方向移动，信号光中心波长的透过率也明显下降。表3.1给出了某干涉型滤光片在不同入射角时的透过率。

表3.1某干涉型滤光片透过率

入射角 波长 236 240 254 258 264 270 0° 0.6 4.7 25.2 24.2 8.1 1.9 15° 1.0 11.3 20.9 9.8 1.9 0.7 25° 8.5 16.9 9.6 2.6 0.8 0.3 35° 14.5 5.4 1.6 0.5 0.4 0.3 干涉型的紫外滤光片的深截止最高能达到5-6OD，深截止越高，信号光的透过率就越低，透过波长范围越窄，透过率也越低，因此干涉型紫外滤光片很难达到理想的效果。 (2) 吸收型滤光片是由一系列具有特殊吸收光谱特性的有机染料、无机盐和有色玻璃，再结合透紫外基底构成的。特殊的吸收材料可以保证信号光几乎不被吸收，而背景光在某个波段强吸收。有机染料的吸收光谱特性是由分子结构、酸碱度等因素决定的，不受入射角度的影响。吸收型滤光片的主要基底材料是石英玻璃，入射角在60范围内，信号光的透过率变化小于40%。吸收型滤光片具有高透过深截止特性，滤光片的背景光截止度可以通过调节吸收材料的浓度来实现。 比较两种滤光片的特性得知(如表3.2所示)，干涉型紫外滤光片只适合短距离通信，而吸收型紫外滤光片能符合较长距离的通信要求，符合紫外光通信系统全天候工作的要求。 基于以上考虑，再结合本文的深紫外LED光源，可以选择吸收型紫外滤光片。 20

表3.2干涉型与吸收型滤光片性能对比

滤光片性能 干涉型 滤光片类型 信号光透过率 背景光透过率 透过率随入射角变化 价格 稳定性 26%(254nm) 12%(260nm) <10-12 小 贵 不易潮解 吸收型 10-3~10-4 大 一般 易潮解 21

第四章 紫外光通信的接收电路

4.1紫外光信号的接收和预处理

紫外光信号的接收和预处理主要是对接收到的已调 PPM 信号进行电流/电压转换、隔离放大、滤波整形等，将已调数字信号变换为标准的 CMOS 数字方波信号，方便送入 FPGA 解调器进行解调处理。 4.1.1紫外光通信的接收机

接收机可以分为直接接收机和外差接收机两种形式。直接接收机是接收机当中的最简单的一种形式，只要接收到的信息表现为信号强度的变化就可进行接收。外差接收机可以是调相、调幅或调频这三种形式当中的一种，但是它要求本地振荡器产生的光场和接收到的光场要在空间相干的基础上才能检测到信号，因此要求比较严格，实现起来也比较困难。由于紫外光通信是通过散射的方式来实现的，故很难找到与载波相同频率的本地光场，所以紫外光通信通常采用直接接收的方案。

直接探测接收就是将待测的光信号经过滤光片之后直接照射到光电探测器的光敏面上，光电探测器对光辐射强度发生响应并输出相应的电流或者电压。接收示意图如下。

接收场 频率 滤 波光电探测器 、

图4.1接收示意图

4.1.2电流电压转换电路

来自信道中的微弱散射紫外光信号被光电倍增管接收后，经过倍增放大，输出信号为微安级的电流信号，经过可调接地电阻后，转换为毫伏级的电压信号。由于光电倍增管的带负载能力很弱，故其后需要一级电压跟随器进行隔离，提高输入电阻，降低输出电阻，提高带负载的能力。经过U3B组成的放大电路对信号进一步放大。

电路如图所示。

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图4.2电流电压转换电路

仿真结果如下

图4.3电流电压转换电路仿真图

说明：电路由输入信号1uA扩大到44.155mV左右，信号由微安级放大到毫安级，实现了放大隔离作用。在两个可调电阻都调到最大时，万用表示数为176.758毫安，可调电阻增大，放大作用增大。 4.1.3滤波电路

为使获得信号具有良好的频率特性，选用二阶压控电压源低通滤波器和二阶压控电压源高通滤波器组成的带通滤波器。其电路如下图所示。

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图4.4带通滤波器电路

上图中，U1B组成的电路为二阶压控电压源低通滤波电路，U1A组成的电路为压

控电压源高通滤波电路，对应的截至频率分别为53KHz和11KHz。 下图为带通滤波器的频率特性。

图4.6带通滤波器的频率特性

4.1.4单限比较整形电路

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接收端探测器接收到的信号是已调数字信号，在经过电流电压变换、放大和滤波后，

需要将信号进行整形处理，即把不规则的正弦信号变化为规则的数字方波信号。由于接收到的信号经信道的传播和前端处理会产生展宽效应，为了消除展宽效应的影响，整形电路采用单限比较器将信号脉冲限制在比较窄的范围内。其阈值电压可以根据计算，其中2R为精密可调电阻，根据实际情况可做适当调整。经过单限比较器处理后的信号为峰值分别为+5v 和-5v的方波信号。经过5v 的稳压管后变为峰值为5v和0v的方波信号，再经过一个非门，使信号脉冲的上升沿和下降沿变的更陡。此时输出的信号已为标准的数字方波信号，可以采用解调器进行解调处理了。图4.7单限比较器整形电路。

图 4.7 单限比较器整形电路

4.2本章小结

本章主要介绍了紫外光通信的对接收的已调信号的处理，主要涉及了紫外光通信的接收机的基本原理，经分析紫外光通信系统采用直接接收机。接收端接收到的信号为已调数字信号。紫外光信号的接收和预处理主要是对接收到的已调信号进行电流/电压转换、隔离放大、滤波整形等，将已调数字信号变换为标准的数字方波信号，方便送入解调器进行解调处理。在设计电路过程中，放大器的选择尤为重要，选择一个合适的放大器，能令电路起到较好的调试作用，经研究调试，本实验最终选择NE5532AI作为核心器件来使用，并且达到了预期效果。

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第五章 总结与展望

5.1工作总结

紫外光通信系统具有保密性好，无 ATP 跟踪等特点，自提出以来，经过几十年的发展，已逐渐成熟，在军事通信中发挥了重要作用。但其稳定通信速率一般不超过 10Kbit/s，始终处于很低的水平，严重制约其应用。比较国外的紫外通信技术发展步伐，我国开展对紫外光通信的深入系统的研究已经迫在眉睫，紫外光通信是世界前沿课题，研究起来有挑战，也更容易出成果。现阶段国内外对紫外光通信的研究还不深入，主要研究方向是调制技术，紫外光大气传输特性和系统建模仿真。

综上所述本文主要完成了以下几个方面的工作:

首先对紫外光的大气传输特性进行了总结和分析，了解了大气吸收，大气散射和大气湍流对紫外光通信的影响。根据Luegtten等人提出的基于椭球坐标系的单散射信道模型，在NLOS方式下，对紫外光在传输路径中的能量损耗有了进一步的认识。通过对课题的研究学习得到以下的总结:通过跟踪了美国麻省理工学院林肯实验室、欧洲、日本等多家著名研究机构的发展动态，了解了日盲紫外光通信的社会、经济、军事以及科研意义;掌握了日盲紫外光的大气传输特性。

其次，根据发射系统的调制原理和紫外光在大气中的传输特性，对日盲紫外光通信系统的信号检测技术作了详细的研究和讨论。经过研究后得出了具有一定可行性的紫外光通信系统信号检测技术方案。

再次，结合紫外光通信系统的接收部分，对系统的信号检测技术进行了验证，通过对实验结果的分析证实了本论文中所提的日盲紫外光通信系统信号检测技术的可行性。

5.2展望

紫外光通信是一种新型通信方式，有太多的方面需要深入研究。目前限制通信性能的一个非常重要原因是光电子器件的性能，但这不是我们研究的范围。结合本文目前的研究，下一步的工作需要在以下几方面展开:

选用性能更好的紫外灯。在后期的工作中，应该在光源方面投入更多的资金和时间，根据后期的预定目标设计性能更好、更加适合紫外通信系统的光源。好的光源决定了通信的质量、调制的方式等等一系列关键性问题的解决，后期的工作应该以改善光源的质量作为一个重点。

完善系统的纠错、同步、双工等前期研究没有进行的工作。

总之，紫外光通信是一个非常复杂的一个多学科难题，本课题仅仅是对紫外通信的前期研究做了一些工作，积累一些经验，还有大量的研究工作需要进行。紫外通信真正投入实用阶段还需付出更多的努力。可以断言紫外通信是一个很有前景的新型通信方式，值得作更进一步深入的研究。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3pm3.html