基于fpga大氣激光通信機(jī)的調(diào)制電路畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　　題目：基于fpga大氣激光通信機(jī)的</p><p><b>　　調(diào)制電路</b></p><p>　　系 別： 電子信息系 </p><p>　　專 業(yè)： 通信工程 </p><p><b

2、>　　2013年06月</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書</p><p>　　1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 基于fpga大氣激光通信機(jī)的調(diào)制電路 </p><p>　　2.題目背景和意義：近年來，人們對寬帶多媒體業(yè)務(wù)的需求促進(jìn)了

3、整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的寬帶化發(fā)展，光波是寬帶信息的最佳載體，光纖通信的發(fā)展已證明了這一點(diǎn)。與光纖通信相比，大氣激光通信更適合于寬帶無線接入。大氣激光通信既具有微波通信成本低、工程周期短、架設(shè)靈活便捷的特點(diǎn)，又具有光纖通信頻帶寬、速率高、容量大、保密性好、功耗小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)。我們利用大氣激光通信技術(shù)搭建了一個(gè)多業(yè)務(wù)大氣激光通信調(diào)制系統(tǒng)。

4、 </p><p>　　3.設(shè)計(jì)(論文)的主要內(nèi)容（理工科含技術(shù)指標(biāo)）： 論文分五章來介紹自己的工作。第一章：緒論，介紹激光通信機(jī)調(diào)制系統(tǒng)的發(fā)展及特點(diǎn)；第二章：激光調(diào)制電路基本原理； </p><p>　　第三章：差錯(cuò)編碼基本原理；第四章：介紹verilog語言及編程；第五章：總結(jié) </p><p>　　4.設(shè)計(jì)的基本要求及進(jìn)度

5、安排（含起始時(shí)間、設(shè)計(jì)地點(diǎn)）： </p><p>　　第1周~第3周 查閱關(guān)于激光通信機(jī)調(diào)制系統(tǒng)方面的資料，并撰寫開題報(bào)告。 </p><p>　　第4周

6、~第6周 學(xué)習(xí)激光通信機(jī)調(diào)制基本原理及搭建硬件原理圖。 </p><p>　　第7周~第10周 學(xué)習(xí)quartusΠ軟件，并應(yīng)用該軟件進(jìn)行編碼。

7、 </p><p>　　第11周~第12周 撰寫論文準(zhǔn)備答辯。 </p><p>　　設(shè)計(jì)地點(diǎn)：西安工業(yè)大學(xué)校內(nèi) </p>&l

8、t;p>　　5.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的工作量要求 無特別要求 </p><p>　?、?實(shí)驗(yàn)（時(shí)數(shù)）*或?qū)嵙?xí)（天數(shù)）： 上機(jī)不少于200學(xué)時(shí) </p><p>　?、?圖紙（幅面和張數(shù)）*：

9、 論文字?jǐn)?shù)不少于2萬字 </p><p>　?、?其他要求： 三千字英文資料的翻譯 </p><p>　　指導(dǎo)教師簽名：

10、 年 月 日</p><p>　　學(xué)生簽名： 年 月 日</p><p>　　系（教研室）主任審批： 年 月 日</p><p>　　說明：1本表一式二份，一份由學(xué)生裝訂入冊，一份教師自留。</p><p>　　2 帶*項(xiàng)可根據(jù)學(xué)

11、科特點(diǎn)選填。</p><p>　　基于fpga大氣激光通信機(jī)的調(diào)制電路</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　近年來，人們對寬帶多媒體業(yè)務(wù)的需求促進(jìn)了整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的寬帶化發(fā)展，光波是寬帶信息的最佳載體，光纖通信的發(fā)展已證明了這一點(diǎn)。與光纖通信相比，大氣激光通信更適合于寬帶無線接入。更適合于將大氣激光通信技術(shù)與視音頻壓

12、縮處理、電話線傳輸系統(tǒng)、點(diǎn)對點(diǎn)通信技術(shù)結(jié)合在一起，搭建多業(yè)務(wù)大氣激光通信系統(tǒng)。</p><p>　　本文概述了多業(yè)務(wù)大氣激光通信的發(fā)展?fàn)顩r及基本原理，介紹了其特點(diǎn)和用途。重點(diǎn)研究了激光發(fā)射子系統(tǒng)的基本原理、組成結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)激光器件的特點(diǎn)，對半導(dǎo)體激光器調(diào)制的原理及特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析，設(shè)計(jì)了其硬件實(shí)現(xiàn)電路，并對糾錯(cuò)編碼和Verilog語言以及光學(xué)發(fā)射天線進(jìn)行簡單說明。</p><p&g

13、t;　　關(guān)鍵詞：大氣激光通信；半導(dǎo)體激光器；Verilog語言</p><p>　　The Modulation Circuit of Atmospheric Laser Communication Machine Based on FPGA</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In recent year

14、s, demand for broadband multimedia services to promote the development of the broadband communication network. Light is the best carrier broadband information. The development of optical fiber communications has proved t

15、his point. Compared with the optical fiber communication, atmospheric laser communication is more suitable for broadband wireless access and the atmospheric laser communication technology and compression of video and aud

16、io, telephone line transmission system and poi</p><p>　　This paper outlines the development of multi-service atmospheric laser communication and basic principles and describes the characteristics and uses. T

17、he paper focus on the basic principles of laser emission system and the structure and key technology. According to the characteristics of laser device, the principle and characteristics of a semiconductor laser modulatio

18、n are analyzed in detail. Hardware circuit a desigend and the error correction code and Verilog language as well as the optical t</p><p>　　Key Words: Atmospheric Laser Communication; Semiconductor Laser; Ver

19、ilog Language目 錄</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 開發(fā)背景1</p><p>　　1.2 系統(tǒng)開發(fā)的意義1</p><p>　　1.3 發(fā)展歷史2</p><p>　　1.4 國際研究現(xiàn)狀3</p><p&

20、gt;　　1.5 開發(fā)者的主要工作3</p><p>　　1.6 大氣激光通信的系統(tǒng)組成及其關(guān)鍵技術(shù)4</p><p>　　1.6.1 大氣激光通信系統(tǒng)組成4</p><p>　　1.6.2 大氣激光通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)5</p><p><b>　　2 激光光源7</b></p><p>

21、　　2.1 激光器的發(fā)展7</p><p>　　2.1.1 激光器的基本工作原理8</p><p>　　2.1.2 激光器件的選擇10</p><p>　　2.2 半導(dǎo)體激光器的調(diào)制原理10</p><p>　　2.2.1 半導(dǎo)體激光器的調(diào)制原理10</p><p>　　2.2.2 半導(dǎo)體激光器的調(diào)制特性1

22、0</p><p>　　2.2.3 調(diào)制方式的比較12</p><p>　　2.2.4 高速調(diào)制的實(shí)現(xiàn)14</p><p>　　2.3 大氣激光通信發(fā)送系統(tǒng)設(shè)計(jì)14</p><p>　　2.3.1 系統(tǒng)框圖14</p><p>　　2.3.2 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境15</p><p>　　2.

23、3.3 巴克碼原理15</p><p>　　2.3.4 低速調(diào)制電路設(shè)計(jì)17</p><p>　　2.3.5 光學(xué)發(fā)射天線19</p><p>　　3 糾錯(cuò)編碼基本原理20</p><p>　　3.1 信道編碼(差錯(cuò)控制編碼)20</p><p>　　3.2 糾錯(cuò)編碼的分類20</p><

24、;p>　　3.3 差錯(cuò)控制方式21</p><p>　　4 介紹verilog語言22</p><p>　　4.1 verilog語言簡介22</p><p>　　4.2 verilog語言用途22</p><p>　　4.3 verilog語言歷史23</p><p>　　4.4 verilog語言主

25、要能力23</p><p><b>　　4.5 模塊24</b></p><p><b>　　5 總結(jié)27</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)28</b></p><p><b>　　致謝29</b></p><p&

26、gt;<b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1 開發(fā)背景</b></p><p>　　光通信是利用光波作為信息載體的通信技術(shù)?？煞譃橛芯€和無線兩種。其中，有線光通信是指作為信息載體的光通過光纖傳輸，也稱光纖通信；無線光通信(Optical Wireless，簡稱OW)，也稱空間光通信，是指在兩個(gè)或多個(gè)終端之間，利用空間傳輸

27、的激光作為信息載體的一種通信方式，包括深空、同步軌道、低軌道、中軌道衛(wèi)星之間、地面站和衛(wèi)星之間以及地面站之間的光通信。空間光通信的研究伴隨著1960年世界上第一臺(tái)紅寶石激光器的誕生而開始。20世紀(jì)60年代中期到80年代中期主要進(jìn)行可行性論證和一些關(guān)鍵單元技術(shù)的探索性研究，建立了一些簡單的概念性試驗(yàn)系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代末到21世紀(jì)初主要進(jìn)行整體系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的開發(fā)和應(yīng)用性能的測試[1]。21世紀(jì)將為空間光通信的實(shí)際應(yīng)用和全面發(fā)展階段。多家

28、公司都先后推出了用于短距離固定點(diǎn)之間通信的自由空間光通信產(chǎn)品。同時(shí)，星際光通信也取得了較大的進(jìn)展。預(yù)計(jì)2015年以后空間光通信將得到廣泛的應(yīng)用，在軍事通信、衛(wèi)星通信、寬帶接入和全球個(gè)人移動(dòng)通信中占據(jù)舉足輕重的地位。</p><p>　　1.2 系統(tǒng)開發(fā)的意義</p><p>　　空間光通信一般可以分為：空間衛(wèi)星激光通信、大氣激光通信和水下激光通信。本課題主要研究大氣激光通信。大氣激光通信是

29、利用激光束作為信息傳輸?shù)妮d體，以大氣為傳輸介質(zhì)在空間中直接進(jìn)行語音、數(shù)據(jù)、圖像等信息的雙向傳送。大氣激光通信既具有微波通信成本低、工程周期短、架設(shè)靈活便捷的特點(diǎn)，又具有光纖通信頻帶寬、速率高、容量大、保密性好、功耗小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)。其應(yīng)用范圍廣泛，可以作為光纖通信和微波通信緊急后備措施；可用于數(shù)據(jù)網(wǎng)、電話網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)及視頻傳輸?shù)炔槐沅佋O(shè)光纜的地區(qū)；在軍事設(shè)施或其他要害部門及需要嚴(yán)格保密的場合，在臨時(shí)搭接的數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫妫髿饧す馔ㄐ攀?/p>

30、一個(gè)很好的候選者。光通信作為對微波通信的革命，光無線通信系統(tǒng)得到各國的普遍重視。跟蹤國內(nèi)外在大氣激光通信領(lǐng)域的研究，我們將大氣激光通信技術(shù)與視音頻壓縮處理、電話線傳輸系統(tǒng)、點(diǎn)對點(diǎn)通信技術(shù)結(jié)合在一起，搭建一個(gè)多業(yè)務(wù)大氣激光通信系統(tǒng)。目前，我國在大氣激光通信方面的研究還是存在巨大挑戰(zhàn)，其實(shí)用化進(jìn)程遠(yuǎn)落后于國際社會(huì)。因此，研制激光通信端機(jī)，使其盡快推廣使用是很有意義的。</p><p><b>　　1.3 發(fā)

31、展歷史</b></p><p>　　早在1876年，貝爾發(fā)明了光電話，被認(rèn)為是近代無線光通信的開始。</p><p>　　1930至1932年間，日本在東京的日本電報(bào)公司與每日新聞社之間實(shí)現(xiàn)3.6km的無線光通信，但在大霧大雨天氣里效果很差。第二次世界大戰(zhàn)期間，無線光電話發(fā)展成為紅外線電話，因?yàn)榧t外線更有利于信息保密。由于光在大氣中傳送要受到氣象條件的很大限制，信息傳輸受到很大

32、的阻礙。此外，太陽光、燈光等普通的可見光源都不適合作為通信的光源。而高強(qiáng)度、可靠的光源又未找到。因此，在此后的幾十年中，無線光通信就一直裹足不前。</p><p>　　進(jìn)入20世紀(jì)60年代，隨著紅寶石激光器的出現(xiàn)大大改善了大氣激光通信系統(tǒng)的傳輸性能。激光器的發(fā)明對無線光通信的研究工作產(chǎn)生了重大的影響。研究現(xiàn)代無線光通信的時(shí)代也從此開始。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對大氣激光通信進(jìn)行了進(jìn)一步的研究并形成熱潮，尤其是各種

33、軍事科研機(jī)構(gòu)對其研究很多并主要用于軍事實(shí)驗(yàn)?zāi)康腫2]。</p><p>　　20世紀(jì)80年代初，歐洲、美國、以色列及日本的軍事機(jī)構(gòu)和宇航機(jī)構(gòu)都成功地使用了大氣激光傳輸，但由于安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及市場方面的原因未能商用化。80年代后期，一些廠商開始從事無線光通信商用化的開發(fā)工作，當(dāng)時(shí)由于傳輸距離和性能的問題以失敗而告終。</p><p>　　20世紀(jì)90年代，隨著摻餌光纖放大器EDFA

34、、波分復(fù)用WDMA、自適應(yīng)光學(xué)Adaptive Optics 等技術(shù)不斷發(fā)展，無線光通信在傳輸距離、可靠性、傳輸容量等方面有了較大改善，適用面也越來越寬。90年代末，自由空間光通信(Free Space Optical,簡稱FSO)吸引了電信業(yè)的目光。此后，F(xiàn)SO系統(tǒng)的廠商圍繞著技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性來開發(fā)他們的產(chǎn)品，因?yàn)榘惭b屋頂?shù)轿蓓數(shù)腇SO鏈路比挖掘城市街道、安裝光纖線路快捷便宜得多。</p><p>　　到了世紀(jì)之交

35、，無線通信成為一種全球時(shí)尚，滿足了人們隨時(shí)隨地、隨心所欲獲取信息的渴求。但是，無線通信所賴以生存的射頻頻譜正在變得十分擁擠，很難再支撐高速寬帶大容量無線通信應(yīng)用。于是，人們又將目光轉(zhuǎn)向了無線光通信，F(xiàn)SO重出江湖，并在悉尼奧運(yùn)會(huì)上使用，成功地在水上中心與演播中心之間進(jìn)行無間斷圖像傳送[3]。</p><p>　　近年來，大氣激光通信技術(shù)逐漸走向?qū)嵱没?。美國、日本、英國等國家相繼推出了一些大氣激光通信產(chǎn)品，比如美國

36、Terra公司的一系列大氣光通信產(chǎn)品，日本佳能的無線光通信系統(tǒng)等。目前5km左右的大氣光通信已進(jìn)入實(shí)用階段。大氣激光通信將度過其發(fā)展中的陰暗時(shí)期，迎來它光明的未來。</p><p>　　1.4 國際研究現(xiàn)狀</p><p>　　國際上大氣激光通信的研究是綜合衛(wèi)星、飛機(jī)、地面等方面進(jìn)行的，從事這方面研究的主要機(jī)構(gòu)在美國、歐洲和日本。由于該系統(tǒng)主要是以國防軍用為主要目的，因此歐日美的主要研究機(jī)

37、構(gòu)一般都是國家或軍事部門，如美國航空宇宙航行局(NASA)和美國空軍；日本的郵政部通信研究室(CTL)和宇宙開發(fā)事業(yè)團(tuán)(NASDA)；歐洲的歐洲航天署(ESA)等。</p><p>　　美國是世界上最早開展激光通信技術(shù)研究的國家，也是研究技術(shù)走在最前沿的國家之一，它最主要的研究部門有美國宇航局(NASA)和美國空軍，NASA首次涉足激光通信是20世紀(jì)70年代初，它考慮的應(yīng)用是高碼率的同步衛(wèi)星間光連接和低碼率的深空

38、光中繼。以后，隨著體積小、重量輕和成本低的近地衛(wèi)星(LEO)的增多，以及相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)和元器件的發(fā)展，激光通信的應(yīng)用將逐步擴(kuò)展到LEO— LEO，LEO— GEO，LEO—地面站和LEO—飛機(jī)的光通信鏈路。1980年，林肯實(shí)驗(yàn)室在射頻通信領(lǐng)域就已具有領(lǐng)先地位，同時(shí)又負(fù)責(zé)美國空間激光通信的研究，開始建立空間激光通信系統(tǒng)，從事必要部件及系統(tǒng)的開發(fā)研究、演示、實(shí)驗(yàn)論證。早期的林肯實(shí)驗(yàn)室從事相干光通信的研究，其主要光源是用商用的30mWAlGa

39、As 半導(dǎo)體激光器。采用外差法成功地實(shí)現(xiàn)了終端—終端高碼率衛(wèi)星通信的演示實(shí)驗(yàn)，并且演示了空間捕獲和跟蹤定位功能[4]。</p><p>　　1.5 開發(fā)者的主要工作</p><p>　　課題設(shè)計(jì)了一種多業(yè)務(wù)大氣激光通信系統(tǒng)，主要包括以下工作。</p><p>　　a. 論述了課題研究的背景、目的及意義；介紹了國內(nèi)外大氣激光通信的發(fā)展現(xiàn)狀、水平及存在的問題；闡述了大氣

40、激光通信的系統(tǒng)組成及其關(guān)鍵技術(shù)。明確了自己的研究工作。</p><p>　　b. 從激光光源入手，介紹了半導(dǎo)體激光器的原理及器件的選擇。重點(diǎn)介紹了半導(dǎo)體激光器的調(diào)制原理及特性；比較了兩種常用的調(diào)制方式；并詳細(xì)闡述了其硬件實(shí)現(xiàn)電路。除此之外，對糾錯(cuò)編碼器及光學(xué)發(fā)射天線進(jìn)行簡單說明。</p><p>　　c. 對差錯(cuò)編碼基本原理進(jìn)行簡單介紹。</p><p>　　d.

41、介紹Verilog語言的用途簡。</p><p>　　e. 對課題進(jìn)行總結(jié)，概括了論文所得出的重要結(jié)果，提出了今后需要進(jìn)一步完善和解決的問題。</p><p>　　1.6 大氣激光通信的系統(tǒng)組成及其關(guān)鍵技術(shù)</p><p>　　1.61 大氣激光通信系統(tǒng)組成</p><p>　　大氣激光通信系統(tǒng)主要由激光光源子系統(tǒng)、發(fā)射子系統(tǒng)、接收子系統(tǒng)以及

42、大氣信道組成。其系統(tǒng)框圖如圖1.1 所示。</p><p>　　圖1.1 大氣激光通信系統(tǒng)框圖</p><p>　　該系統(tǒng)可完成語音、數(shù)據(jù)、圖像等信息的雙向傳送。光發(fā)射機(jī)的作用是在發(fā)射端將電信號(hào)轉(zhuǎn)變成適合于大氣信道傳輸?shù)墓庑盘?hào)，光接收機(jī)的作用是在接收端對光信號(hào)進(jìn)行接收、放大和處理。信源是信息的產(chǎn)生之地，其信號(hào)可能是模擬的，也可能是數(shù)字的。信源編碼器，負(fù)責(zé)把信源發(fā)出的信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式的信息

43、序列，主要包括模擬/數(shù)字(A/D)變換和壓縮處理，用于提高系統(tǒng)的有效性。糾錯(cuò)編碼器，其目的是在數(shù)字序列中加入一些冗余信息，以便在接收端克服信號(hào)在信道傳輸時(shí)所遭受到的噪聲和干擾的影響，所以冗余信息實(shí)際上是用來提高系統(tǒng)的可靠性的。編碼后的信號(hào)加載到調(diào)制器上，調(diào)制器的激勵(lì)電流就隨信號(hào)的變化規(guī)律而變化；通過激光器調(diào)制、驅(qū)動(dòng)電路對激光器進(jìn)行直接光強(qiáng)度調(diào)制后，驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器發(fā)光；最后經(jīng)過光學(xué)天線變換為發(fā)散角很小的已調(diào)光束向空間發(fā)射出去。接收機(jī)光學(xué)

44、天線接收到已調(diào)光束之后，經(jīng)過光檢測器將傳來的微弱光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流脈沖信號(hào)。由于受大氣信道噪聲和電路噪聲的干擾，該電信號(hào)在幅度上受到衰減，寬度上被展寬，因此在解調(diào)之前，需要進(jìn)行預(yù)處理。主要包括信號(hào)的放大、濾波及脈寬處理。糾錯(cuò)譯碼器根據(jù)糾錯(cuò)編碼器所采用的編碼方法以及接收數(shù)據(jù)所含的冗余</p><p>　　1.6.2 大氣激光通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)</p><p>　　通過對大氣激光通信系統(tǒng)組成結(jié)

45、構(gòu)的分析可知，大氣激光通信的主要包括以下關(guān)鍵技術(shù)[5]。</p><p>　　a. 光源及高碼率調(diào)制技術(shù)。在空間光通信系統(tǒng)中大多可采用半導(dǎo)體激光器作為信號(hào)光源，其工作波長為0.8~1.5微米近紅外波段。信號(hào)光源選擇輸出功率為幾十毫瓦的半導(dǎo)體激光器，要求輸出光束質(zhì)量好，工作頻率高。高效、可靠的高速調(diào)制、解調(diào)技術(shù)是高傳輸速率和低誤碼率的保證。綜合考慮系統(tǒng)復(fù)雜度和可靠性要求，大氣激光通信系統(tǒng)一般采用強(qiáng)度調(diào)制/直接探測方

46、式。編碼方式則根據(jù)不同的系統(tǒng)有所不同，而且隨著數(shù)據(jù)率的提高，新的編碼方式也不斷出現(xiàn)。由于大氣信道的特殊性，雨、雪、霧、霾等對通信系統(tǒng)都有影響，國外已經(jīng)有可以全天候工作的無線激光通信設(shè)備投入使用。國內(nèi)目前多以光放大器把光纖中的信號(hào)進(jìn)行放大后通過大氣信道進(jìn)行傳輸，采用OOK調(diào)制方式，證明了大氣信道可以傳輸GHz量級的信息。為了克服大氣信道對通信系統(tǒng)的影響，主流觀點(diǎn)是建議采用PPM調(diào)制方式，需要對高速的PPM調(diào)制、幀格式以及同步技術(shù)(字同步、

47、幀同步和碼同步)進(jìn)行研究。研究重點(diǎn)是GHz量級高速率編碼技術(shù)及其硬件實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　b. 高靈敏度抗干擾的光信號(hào)接收技術(shù)?？臻g光通信系統(tǒng)中，光接收機(jī)端接收到的信號(hào)是十分微弱的，加之在高背景噪聲場的干擾情況下，會(huì)導(dǎo)致接收端S/N<1。為快速、精確地捕獲目標(biāo)和接收信號(hào)，通常采取兩方面的措施：一是提高接收端機(jī)的靈敏度，達(dá)到nW～pW量級；二是對所接收信號(hào)進(jìn)行處理，在光信道上采用光窄帶濾波器(干涉濾光片

48、或原子濾光片等)，以抑制背景雜散光的干擾，在電信道上則采用微弱信號(hào)檢測與處理技術(shù)。</p><p>　　c. 差錯(cuò)控制編碼技術(shù)，也稱為糾錯(cuò)編碼。在實(shí)際信道上傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)，由于信道傳輸特性不理想及噪聲的影響，接收端所收到的數(shù)字信號(hào)不可避免地會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。為了達(dá)到預(yù)期的比特誤碼率指標(biāo)，首先應(yīng)該合理設(shè)計(jì)基帶信號(hào)，選擇調(diào)制解調(diào)方式，采用時(shí)域、頻域均衡，使比特誤碼率盡可能降低。但實(shí)際上，在許多通信系統(tǒng)中必須采用差錯(cuò)控制編碼

49、才能將比特誤碼率進(jìn)一步降低，以滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。</p><p>　　d. 精密、可靠、高增益的收、發(fā)天線。為完成系統(tǒng)的雙向互逆跟蹤，光通信系統(tǒng)均采用收、發(fā)合一天線，隔離度近100%的精密光機(jī)組件（又稱萬向支架）。國際上現(xiàn)有系統(tǒng)的天線口徑一般為幾厘米至25厘米。</p><p>　　e. 快捷、精確的捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)技術(shù)。這是保證實(shí)現(xiàn)空間遠(yuǎn)距離光通信的必要核心技術(shù)。ATP系統(tǒng)包括粗跟蹤(捕

50、獲)系統(tǒng)和精跟蹤(跟蹤和瞄準(zhǔn))系統(tǒng)兩部分。對于在大氣中傳輸路徑較長的FSO系統(tǒng)，強(qiáng)湍流對光束對準(zhǔn)的影響較大，除了要采用大氣信道處理方面的技術(shù)外，還需采用自適應(yīng)變焦光學(xué)天線技術(shù)。</p><p>　　f. 大氣信道處理技術(shù)。大氣信道對激光傳輸質(zhì)量的影響主要體現(xiàn)在分子吸收、大氣散射和大氣湍流三個(gè)方面。其中，分子吸收和大氣散射會(huì)導(dǎo)致激光光強(qiáng)衰減。大氣湍流會(huì)導(dǎo)致光強(qiáng)閃爍、光束漂移、到達(dá)角起伏和波前畸變等。</p&g

51、t;<p>　　總之，由于激光具有高度相干性和空間定向性，因此大氣激光通信在許多方面優(yōu)勢明顯，例如抗干擾能力強(qiáng)、安全性好、設(shè)備體積小、頻譜不受管制、功耗低、系統(tǒng)機(jī)動(dòng)靈活、易于擴(kuò)充及組網(wǎng)靈活等。但同時(shí)也存在著大氣衰減嚴(yán)重、大氣信道隨機(jī)性強(qiáng)、精確對準(zhǔn)和保持難度大等問題。</p><p><b>　　2 激光光源</b></p><p>　　2.1 激光器的發(fā)

52、展</p><p>　　回顧半導(dǎo)體激光器發(fā)展的歷程，早在1953年9月，美國的馮·紐曼(John Von Neumann)在他一篇未發(fā)表的論文手稿中第一個(gè)論述了在半導(dǎo)體中產(chǎn)生受激發(fā)射的可能性，認(rèn)為可以通過向PN結(jié)注入少數(shù)載流子來實(shí)現(xiàn)受激發(fā)射。巴丁(J·Bardeen)在總結(jié)馮·紐曼關(guān)于半導(dǎo)體激光器的基本理論后認(rèn)為，通過各種方法(例如向PN 結(jié)注入少數(shù)載流子)擾動(dòng)導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的平

53、衡濃度，致使非平衡少數(shù)載流子復(fù)合而產(chǎn)生光子，其輻射復(fù)合的速率可以像放大器那樣，以同樣頻率的電磁輻射作用來提高。1958年，蘇聯(lián)列別捷夫物理研究所的巴索夫首次公開發(fā)表文章提出在半導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)負(fù)穩(wěn)態(tài)(即粒子數(shù)反轉(zhuǎn))的理論論述。1961年，他們又最先公開發(fā)表將載流子注入半導(dǎo)體PN結(jié)以實(shí)現(xiàn)“注入激光器”的論述，并論證了在高度簡并的PN結(jié)中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(這是產(chǎn)生受激發(fā)射的必要條件)的可能性，而且還認(rèn)為有源區(qū)周圍高密度的多數(shù)載流子造成有源區(qū)邊界兩邊

54、的折射率有一差值，因而產(chǎn)生光波導(dǎo)效應(yīng)。這些理論對其后半導(dǎo)體激光器的出現(xiàn)起了積極的促進(jìn)作用，巴索夫因此而獲得諾貝爾獎(jiǎng)。1960年貝爾實(shí)驗(yàn)室的布萊(Boyle)和湯姆遜提出了用半導(dǎo)體的平行解理面作為產(chǎn)生</p><p>　　由于各種應(yīng)用的需要，半導(dǎo)體激光器正在迅速發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于光纖通信、光傳感、光盤、激光打印、條形碼掃描、測量、自動(dòng)控制、醫(yī)療、材料加工、激光制導(dǎo)跟蹤、激光雷達(dá)、激光引信以及作為泵浦光源方面。半導(dǎo)體

55、激光器問世使信息光電子技術(shù)產(chǎn)生了里程碑式的飛躍，它的發(fā)展不過40多年的歷史，已經(jīng)取得舉世矚目的成就，各項(xiàng)性能參數(shù)有很大提高，應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。為了滿足21世紀(jì)信息傳輸寬帶化、信息處理高速化、信息存儲(chǔ)大容量以及軍用裝備小型高精度化等需要，半導(dǎo)體激光器在趨向以下幾個(gè)發(fā)展方面，如高速寬帶LD、大功率LD、短波長LD、量子線和量子點(diǎn)激光器、中紅外LD、激光雷達(dá)，并取得一系列重大發(fā)展[6]。</p><p>　　2.1.1

56、 激光器的基本工作原理</p><p>　　前面從宏觀上介紹了半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及應(yīng)用，但是激光是怎樣產(chǎn)生的呢？光子與半導(dǎo)體中載流子的相互作用如何呢？</p><p>　　為了說明問題，先從光的受激輻射講起。如圖2.1所示。</p><p>　?。╝）導(dǎo)帶能量 （b）受激輻射 （c）能量輸出</p><

57、;p>　　圖2.1 光的受激輻射</p><p>　　圖2.1(a)(b)(c)中Ec為導(dǎo)帶能量，Ev為價(jià)帶能量。在直接帶隙半導(dǎo)體中，設(shè)有一個(gè)處于導(dǎo)帶的電子，當(dāng)一個(gè)頻率為f的外來光子趨近它時(shí)，這個(gè)電子受到光子的“刺激”，從高能態(tài)的導(dǎo)帶躍遷到低能態(tài)的價(jià)帶與空穴復(fù)合，同時(shí)輻射出一個(gè)能量為E= Ec - Ev的光子來。這個(gè)過程叫做光的受激輻射。由于受激輻射的光子是受外來光子的刺激而產(chǎn)生的，所以它與外來光子一模一樣

58、，不僅頻率相同，而且傳播方向、振動(dòng)方向和振動(dòng)相位都完全相同。由圖2.1可以看出，在一個(gè)外來光子的“刺激”下，將有兩個(gè)完全相同的光子輻射出去，如果外來的光子代表入射光波，那么，輸出光波就增加了一倍，也就是說，光波振幅被放大了。這就是半導(dǎo)體激光器的工作原理基礎(chǔ)。</p><p>　　激光器基本結(jié)構(gòu)由激光工作物質(zhì)(也稱激活介質(zhì))、泵浦源(即激勵(lì)源)和光學(xué)諧振腔三部分組成。激光器結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示。</p>

59、;<p>　　圖2.2 激光器結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　激光工作物質(zhì)是能夠產(chǎn)生激光的物質(zhì)，如紅寶石、氖氣、半導(dǎo)體、有機(jī)染料等。泵浦源是實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)提供外界能量的系統(tǒng)，也就是產(chǎn)生光能、電能或化學(xué)能的裝置。目前使用的激勵(lì)手段主要有光照、通電或化學(xué)反應(yīng)等。光學(xué)諧振腔的作用，是用來加強(qiáng)輸出激光的亮度，調(diào)節(jié)和選定激光的波長和方向。</p><p>　　按其工作物質(zhì)的不同分為氣體激

60、光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器、染料激光器、準(zhǔn)分子激光器、化學(xué)激光器、自由電子激光器。半導(dǎo)體激光器是以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)的激光器，又稱半導(dǎo)體激光二極管(LD)。它是在直接帶隙半導(dǎo)體PN結(jié)中，用注入載流子的方法實(shí)現(xiàn)由伯納德-杜拉福格條件所控制的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；由高度簡并的電子和空穴復(fù)合所產(chǎn)生的受激光輻射在光學(xué)諧振腔內(nèi)振蕩并得到放大，最后產(chǎn)生相干激光輸出[7]。</p><p>　　激光器按其工作(泵浦)方式可分為連續(xù)

61、激光器與脈沖激光器。</p><p>　　按激光技術(shù)分，激光器可分為靜態(tài)脈沖激光器(諧振腔的Q值不變)、調(diào)Q 激光器(諧振腔的Q值可調(diào)，如聲光調(diào)Q)、鎖模激光器(主動(dòng)鎖模、被動(dòng)鎖模、對撞鎖模)或稱鎖相激光器、倍頻激光器(激光波長成倍變化)、可調(diào)諧激光器(激光波長連續(xù)可調(diào))、單模(單縱模和單橫模)和多模激光器。</p><p>　　半導(dǎo)體激光器有許多突出的優(yōu)點(diǎn)：</p><

62、;p>　　a. 半導(dǎo)體激光器是直接的電子-光子轉(zhuǎn)換器，因而它的轉(zhuǎn)換效率很高。理論上，半導(dǎo)體激光器的內(nèi)量子效率可接近100%，實(shí)際上由于存在某些非輻射復(fù)合損失，其內(nèi)量子效率要低很多，但仍可以達(dá)到70%以上。</p><p>　　b. 半導(dǎo)體激光器所覆蓋的波段最廣。激射波長從中遠(yuǎn)紅外至近紫外，其中(650~690)nm 紅光半導(dǎo)體激光器，屬可見光器件，使用安全方便。</p><p>　　

63、c. 半導(dǎo)體激光器的使用壽命最長。目前用于光纖通信的半導(dǎo)體激光器其工作壽命可達(dá)數(shù)十萬乃至百萬小時(shí)。</p><p>　　d. 具有直接調(diào)制的能力。</p><p>　　e. 半導(dǎo)體激光器的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜。</p><p>　　2.1.2 激光器件的選擇</p><p>　　光在大氣中傳播，會(huì)有包括空氣吸收、散射、折射等引起的損耗，還

64、會(huì)遇到大氣閃爍使光線發(fā)生折射，接收信號(hào)發(fā)生起伏。選擇激光器的主要因素是中心波長、輸出功率、準(zhǔn)直性能、譜線寬度和溫度穩(wěn)定性等。紅光在大氣信道中傳輸時(shí)，在背景噪聲中的熒光和紫外線的抵抗能力上具有一定的優(yōu)勢。同時(shí)從性價(jià)比上考慮，采用紅光LD在安裝調(diào)試時(shí)，可以目視對準(zhǔn)，省去了價(jià)格昂貴的望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)系統(tǒng)，而且650nm的紅光LD價(jià)格便宜，大大降低了系統(tǒng)成本。由于大氣激光通信是以大氣作為信號(hào)傳輸媒介，因此大氣信道的不穩(wěn)定是光無線通信面臨的一個(gè)嚴(yán)重問題

65、。不同的天氣情況對光通信的衰減有很大差別，如發(fā)射光功率保持在一個(gè)恒定功率，當(dāng)天氣變化引起光衰減增大時(shí)，接收系統(tǒng)接收到的光信號(hào)太微弱，信噪比太小，則接收系統(tǒng)不能有效識(shí)別信號(hào)，誤碼率上升；如接收到的光信號(hào)太強(qiáng)，則會(huì)使接收探測器飽和、消光比下降，同樣會(huì)引起誤碼率上升。所以激光發(fā)射功率應(yīng)該根據(jù)天氣情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，以提高通信可靠度。因此，根據(jù)器件的功率要求和調(diào)試要求以及市場的產(chǎn)品規(guī)格，確定采用西安華科光電公司生產(chǎn)的半導(dǎo)體激光器，其工作波長為65

66、0nm，閾值電流50mA，輸出功率100mW。該器件輸出功率</p><p>　　2.2 半導(dǎo)體激光器的調(diào)制原理</p><p>　　2.2.1 半導(dǎo)體激光器的調(diào)制原理</p><p>　　我們把欲傳輸?shù)男畔⒓虞d于激光輻射的過程稱為激光調(diào)制，把完成這一過程的裝置稱為光調(diào)制器，由已調(diào)制的激光輻射中還原出所加載信息的過程則稱為解調(diào)。由于激光起到“攜帶”信息的作用，所以稱

67、其為載波。通常將欲傳遞的信息稱為調(diào)制信號(hào)。被調(diào)制的激光稱已調(diào)波或調(diào)制光。調(diào)頻和調(diào)相等類型。按載波的震蕩輸出方式又可分連續(xù)調(diào)制脈沖調(diào)制和脈沖編碼調(diào)制等。脈沖調(diào)制主要分為脈沖調(diào)幅PAM、脈沖時(shí)段調(diào)制PIM、脈沖調(diào)頻PFM、脈沖位置PPM及脈沖調(diào)寬PWM等類型[8]。</p><p>　　激光調(diào)制的方法由調(diào)制器依據(jù)的原理不同常分為電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制、干涉調(diào)制、直接調(diào)制等。在印刷技術(shù)中以電光調(diào)制和聲光調(diào)制應(yīng)用較

68、多。</p><p>　　2.2.2 半導(dǎo)體激光器的調(diào)制特性</p><p>　　由于半導(dǎo)體激光器是靠電流注入激勵(lì)、是電子與光子間直接進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的器件，因此它具有直接進(jìn)行信號(hào)調(diào)制的能力。而且高速調(diào)制對器件的動(dòng)態(tài)性能提出了嚴(yán)格的要求，如：窄的光譜線寬，不因調(diào)制而使光譜線展寬；保持動(dòng)態(tài)單縱模工作；對輸出電信號(hào)不產(chǎn)生調(diào)制畸變；激光器發(fā)光與輸出電流脈沖之間的延遲時(shí)間要?。徊划a(chǎn)生自脈沖。因此，半導(dǎo)

69、體激光器的動(dòng)態(tài)特性是非常重要也是復(fù)雜的。動(dòng)態(tài)特性主要包括接通延遲、弛豫振蕩、自脈沖、光譜線寬、調(diào)制特性、噪聲特性。我們可以將半導(dǎo)體激光器的有關(guān)特性和參數(shù)分為以下幾類[9]：</p><p>　　a. 空間光學(xué)參數(shù)：近場、遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布、發(fā)散角等；</p><p>　　b. 光譜特性：線寬、中心波長、邊模抑制比；</p><p>　　c. 光學(xué)參數(shù)：輸出光功率、消光比；

70、</p><p>　　d. 動(dòng)態(tài)特性：噪聲、調(diào)制特性、啁啾。對半導(dǎo)體激光器進(jìn)行直接調(diào)制時(shí)，激光器往往呈現(xiàn)出復(fù)雜的動(dòng)態(tài)特性：</p><p>　　(1) 激光輸出與注入電脈沖之間存在一個(gè)時(shí)間延遲，稱為電光延遲。</p><p>　　(2) 馳豫振蕩：當(dāng)電脈沖注入激光器以后，輸出光脈沖表現(xiàn)出衰減式的振。</p><p>　　(3) 自脈動(dòng)現(xiàn)象，是

71、指激光器在注入電流下發(fā)生的一種持續(xù)振蕩現(xiàn)象。</p><p>　　(4) 馳豫振蕩與自脈動(dòng)相結(jié)合的現(xiàn)象。電噪聲是指激光器端電壓的漲落。激光器電噪聲主要是由于載流子的漲落引起的。</p><p>　　e. 電學(xué)參數(shù)：閾值電流、最大工作電流、電壓降等。就應(yīng)用而言，要求LD 應(yīng)具有最低的電噪聲和最高的穩(wěn)定性，因?yàn)檎{(diào)制電流的波動(dòng)不僅會(huì)造成LD的激光強(qiáng)度噪聲，還會(huì)造成輸出波長光譜線寬的展寬。所以高穩(wěn)

72、定度的調(diào)制電流是輸出功率穩(wěn)定的前提。半導(dǎo)體激光器是對溫度很敏感的器件，環(huán)境溫度的波動(dòng)不僅能引起供給電流的波動(dòng)，還會(huì)使激光器的閾值電流和輸出功率發(fā)生變化，因此，保證半導(dǎo)體激光器連續(xù)工作在室溫下是極其重要的外部條件。</p><p>　　半導(dǎo)體激光器作為光源的主要優(yōu)點(diǎn)之一是改變工作電流就可以進(jìn)行信號(hào)的直接調(diào)制。強(qiáng)度調(diào)制會(huì)同時(shí)造成頻率或相位的調(diào)制。強(qiáng)度調(diào)制與頻率調(diào)制的相關(guān)性導(dǎo)致了譜線的動(dòng)態(tài)展寬，通常用FM與IM的比值或

73、調(diào)制功率比的啁啾來描述這一特性。也就是說，半導(dǎo)體激光器在受到直接強(qiáng)度調(diào)制時(shí)，在每一個(gè)調(diào)制周期中，激光器的模式頻率會(huì)產(chǎn)生周期性移動(dòng)。人們常把這種頻移現(xiàn)象叫做頻率啁啾(Chirp)。在強(qiáng)度調(diào)制中，常用調(diào)制深度作為衡量調(diào)制信號(hào)強(qiáng)弱的依據(jù)。它定義為調(diào)制信號(hào)幅度與調(diào)制波形峰值之比。在光接收機(jī)中，為了降低噪聲和獲得可靠的數(shù)字閾值檢測，應(yīng)該使背景光最小，從而使光調(diào)制深度變?yōu)樽畲笤诩す舛O管的數(shù)字(脈碼)調(diào)制應(yīng)用中，一般使激光器的偏置略高于閾值，同時(shí)采

74、用相當(dāng)大幅度的正電流脈沖來進(jìn)行調(diào)制。</p><p>　　要使激光器得到相干的、受激光輸出，必須滿足兩個(gè)條件，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件與閾值條件。前者是必要條件，它意味著處于高能態(tài)的粒子數(shù)(如半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的電子)多于低能態(tài)的粒子數(shù)。達(dá)到這一條件，有源工作物質(zhì)就具有增益。后者是充分條件，它要求粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的增益能克服有源介質(zhì)的內(nèi)部損耗和輸出損耗，此時(shí)增益介質(zhì)就具有凈增益。閾值是所有激光器的參數(shù)。它標(biāo)志著激光器的增益與損耗

75、(包括內(nèi)部損耗和輸出損耗)的平衡點(diǎn)，即閾值以上激光器才開始出現(xiàn)凈增益。</p><p>　　多數(shù)激光器在連續(xù)工作時(shí)基本上是單縱模工作的，但在高頻調(diào)制情況下就完全不同了。隨著調(diào)制頻率的提高和調(diào)制深度的加大，會(huì)使半導(dǎo)體激光器的振蕩模式增加，譜線展寬。因此，采取措施抑制動(dòng)態(tài)多模振蕩就十分重要。至今已有幾種方法：一是縮短腔長；二是采用外腔結(jié)構(gòu)；三是激光器內(nèi)部采用頻率選擇結(jié)構(gòu)(如分布反饋式半導(dǎo)體激光器)。</p>

76、;<p>　　利用半導(dǎo)體激光器作為大氣激光通信系統(tǒng)的光源,就必須清楚地了解所用半導(dǎo)體激光器的注入電流調(diào)制特性。當(dāng)半導(dǎo)體激光器的注入電流發(fā)生改變時(shí),其輸出特性隨之變化:</p><p>　　(1) 當(dāng)注入電流大于半導(dǎo)體激光器的閾值后，輸出光為激光。且隨著電流值的增加，會(huì)有模跳變現(xiàn)象發(fā)生。</p><p>　　(2) 根據(jù)注入調(diào)制電流頻率的大小，可將半導(dǎo)體激光器的輸出光頻特性分為

77、線性區(qū)和非線性區(qū)。理想的線性關(guān)系，較大的線性區(qū)是所期望的。但半導(dǎo)體激光器的線性區(qū)大多都比較小，在閥值以上有多個(gè)跳模存在。因此，恰當(dāng)?shù)剡x擇線性段,避免跳模的影響是關(guān)鍵。</p><p>　　(3) 注入電流增加，輸出光功率增大，譜線寬度變窄，相干長度上升。注入電流的增加是有一定限制的，最高工作電流不應(yīng)超過閥值電流的四倍，否則器件會(huì)迅速老化。</p><p>　　2.2.3 調(diào)制方式的比較&l

78、t;/p><p>　　激光調(diào)制分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制兩類。內(nèi)調(diào)制是指加載的調(diào)制信號(hào)在激光振蕩的過程中進(jìn)行，以調(diào)制信號(hào)的規(guī)律去改變振蕩的參數(shù)，從而達(dá)到改變激光輸出特性實(shí)現(xiàn)調(diào)制的目的。例如通過直接控制激光泵浦源來調(diào)制輸出激光的強(qiáng)度。內(nèi)調(diào)制也可在激光諧振腔內(nèi)放置調(diào)制元件，用信號(hào)控制調(diào)制元件，以改變諧振腔的參數(shù)，從而改變激光輸出特性實(shí)現(xiàn)調(diào)制。外調(diào)制是指在激光形成以后加載調(diào)制信號(hào)，即調(diào)制器置于激光諧振腔外，在調(diào)制器上加調(diào)制信號(hào)電壓

79、，使調(diào)制器的某些物理特性發(fā)生相應(yīng)的變化，當(dāng)激光通過它時(shí)即得到調(diào)制，所以外調(diào)制不是改變激光器參數(shù)，而是改變已經(jīng)輸出的激光的參數(shù)（強(qiáng)度、頻率等）。根據(jù)其物理機(jī)制，外部調(diào)制器可以分為3類：</p><p>　　a. 磁光，即Farady調(diào)制器。</p><p>　　b. 聲光(AO)調(diào)制器。</p><p>　　c. 電光(EO)調(diào)制器。在高級光通信中，只利用了電光調(diào)制器

80、，因?yàn)樵撜{(diào)制器的調(diào)制速率比其他類型的調(diào)制器調(diào)制速率高得多。目前光通信中實(shí)用的外部調(diào)制器主要有兩種，一種是波導(dǎo)調(diào)制器，另一種是電吸收(EA)調(diào)制器，根據(jù)所查資料把它們與直接調(diào)制器做一比較如表2.1所示。</p><p>　　表2.1 直接調(diào)制與外調(diào)制的特性比較</p><p>　　其中內(nèi)調(diào)制以分布反饋式半導(dǎo)體激光器為例，外調(diào)制以電吸收調(diào)制器為例。表2.1中看出：外調(diào)制的調(diào)制帶寬比直接調(diào)制要寬

81、兩倍以上, 啁啾因子要小得多因此在高速傳輸系統(tǒng)中(>10Gb/s)大多采用外調(diào)制技術(shù)。</p><p>　　直接調(diào)制比較容易實(shí)現(xiàn)，而且設(shè)備簡單、成本低、性能也好，是光通信、光盤技術(shù)、光復(fù)印等信息領(lǐng)域中最常用的調(diào)制方式。在對光源進(jìn)行直接調(diào)制時(shí)，由于電子與光子密度之間的耦合很強(qiáng)而且光源的頻率隨電子密度發(fā)生變化，在調(diào)制電流變化時(shí)電子和光子密度在到達(dá)穩(wěn)態(tài)前會(huì)產(chǎn)生弛豫振蕩，這也將加劇電源的頻率啁啾。同時(shí)光源的頻率啁啾

82、也與調(diào)制信號(hào)的速率有關(guān)，調(diào)制信號(hào)的速率越高則光源的頻率啁啾越大。如果對半導(dǎo)體激光器采用外調(diào)制，由于激光二極管的輸入電流保持不變，因此如不考慮激光二極管內(nèi)部噪聲產(chǎn)生的光源光譜線展寬則不存在激光二極管的動(dòng)態(tài)頻率啁啾。因此，僅由調(diào)制方式產(chǎn)生的譜線</p><p>　　寬度采用直接調(diào)制技術(shù)時(shí)比采用外調(diào)制技術(shù)時(shí)大2至3個(gè)數(shù)量級。外調(diào)制時(shí)調(diào)制器的調(diào)制特性主要受外電路參數(shù)的限制，其頻率啁啾主要受渡越時(shí)間的影響且與調(diào)制信號(hào)的速率

83、關(guān)系不大[10]。</p><p>　　和直接調(diào)制相比，外調(diào)制的最大優(yōu)點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制，在波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)中采用外調(diào)制技術(shù)將大大的提高系統(tǒng)的整體性能，外調(diào)制技術(shù)比直接調(diào)制具有非常大的優(yōu)越性。但是設(shè)備很復(fù)雜、較難實(shí)現(xiàn)，成本也高。還有一點(diǎn)，由于外調(diào)制器的輸入輸出耦合損耗很大，故半導(dǎo)體激光器經(jīng)外調(diào)制后輸出功率往往很小(小于1mW)。</p><p>　　激光二極管一般都具有可達(dá)幾百兆

84、赫茲的光電頻率響應(yīng)特性，也就是說如果采用直接電流調(diào)制，調(diào)制頻率可以達(dá)到幾百兆赫茲，但它很不安全，有可能超過激光二極管的最大光功率，毀壞激光二極管?！叭缃竦陌雽?dǎo)體激光器，為提高使用壽命和安全系數(shù)都集成了光敏二極管為激光二極管提供光功率反饋”，所以對激光器進(jìn)行調(diào)制，最好是從調(diào)制光敏二極管著手。</p><p>　　2.2.4 高速調(diào)制的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　根據(jù)半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)，對調(diào)制電

85、源的基本要求是：</p><p>　　a. 半導(dǎo)體激光器是依靠載流子直接注入而工作的，注入電流的穩(wěn)定性對半導(dǎo)體激光器的輸出有直接影響。因此，要求半導(dǎo)體激光器的電源是一個(gè)恒流源，應(yīng)該具有很高的電流穩(wěn)定度和很小的紋波系數(shù)。</p><p>　　b. 半導(dǎo)體激光器作為一種結(jié)型器件，對電沖擊的承受能力很差。因此半導(dǎo)體激光器的電源必須要具有特殊的保護(hù)電路。驅(qū)動(dòng)電路的過驅(qū)動(dòng)也需防護(hù)通常是采用限流電路將

86、電源電流限制LD的最大額定電流內(nèi)，即使在調(diào)制期間限流電路也可以防止過驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　c. 半導(dǎo)體激光器的發(fā)光功率取決于激光器的工作電流,只有當(dāng)工作電流大于激光器的閾值電流時(shí)激光器才能正常工作,且工作電流越大(額定電流內(nèi))激光器的輸出功率越大。但是開環(huán)狀態(tài)下,隨著溫度的升高,激光器的閾值電流升高,輸出功率逐漸降低,因此為了獲得穩(wěn)定的激光功率, 需要進(jìn)行負(fù)反饋閉環(huán)控制。一般采用外置或內(nèi)置光電探測器進(jìn)行功率

87、反饋。由于反饋信號(hào)比較微弱, 必須經(jīng)過跟隨和放大, 以增強(qiáng)其驅(qū)動(dòng)能力[11]。</p><p>　　2.3 大氣激光通信發(fā)送系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　2.3.1 系統(tǒng)框圖 </p><p>　　發(fā)送端的功能是將視頻圖像序列或數(shù)據(jù)，經(jīng)串-并轉(zhuǎn)換后，使用異步FIFO存儲(chǔ)、緩沖，實(shí)現(xiàn)不同信號(hào)速率匹配，并在該數(shù)據(jù)中插入13位的巴克碼用于幀同步，然后進(jìn)行并-串變換將信號(hào)給

88、激光器調(diào)制電路，驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)光，最后通過天線發(fā)射到大氣中進(jìn)行傳輸[12]。發(fā)送端系統(tǒng)框圖如圖2.3所示。</p><p>　　圖2.3 發(fā)送端系統(tǒng)框圖</p><p>　　FPGA 內(nèi)部的功能模塊：</p><p>　　a. 串-并變換：電話接口、串口傳輸?shù)拇袛?shù)據(jù)經(jīng)過串-并變換用于后級部分的處理。</p><p>　　b. FIFO：它是雙

89、端口緩存器，深度為4096，完成話音信號(hào)8kbps到12.5M的轉(zhuǎn)換功能。</p><p>　　c. 插入幀同步頭：在數(shù)據(jù)流中加入13 位巴克碼，用于幀同步。</p><p>　　d. 并-串變換：加入同步頭的信號(hào)在12.5MHz 的時(shí)鐘下，實(shí)現(xiàn)并-串轉(zhuǎn)換，輸出1 路信號(hào)作為激光調(diào)制電路的信號(hào)輸入。</p><p>　　2.3.2 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境</p>

90、<p>　　FPGA芯片選用Altera公司的Cyclone系列EP1C6Q240C8。它基于1.5V、0.13m全銅層工藝，具有生成時(shí)鐘的鎖相環(huán)以及DDR、SDR 和快速RAM 存儲(chǔ)器所需的專用雙數(shù)據(jù)率(DDR)接口等。Cyclone器件支持多種串行總線和網(wǎng)絡(luò)接口，還支持廣泛的通信協(xié)議和多種I/O標(biāo)準(zhǔn)，被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)品、工業(yè)和通信產(chǎn)品中。</p><p>　　FPGA的設(shè)計(jì)語言選用Verilog硬

91、件描述語言。它最大優(yōu)點(diǎn)為：它是一種非常容易掌握的硬件描述語言，只要有C語言的編程基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)者可用它進(jìn)行各種級別的邏輯設(shè)計(jì)，也可用它進(jìn)行數(shù)字邏輯系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證、時(shí)序分析、邏輯綜合。</p><p>　　在Quartus II 6.0中，編譯器由一系列處理模塊構(gòu)成，這些模塊完成對設(shè)計(jì)項(xiàng)目的檢錯(cuò)、邏輯綜合、結(jié)構(gòu)綜合、輸出結(jié)果的編譯配置、時(shí)序分析等功能。工程編譯仿真都通過后，就可以將配置數(shù)據(jù)下載到應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。下載之

92、前首先要進(jìn)行引腳鎖定，保證鎖定的引腳與實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)相吻合。之后將選擇配置器件和編程方式。PC機(jī)對FPGA的在系統(tǒng)編程通常采用JTAG下載模式。如果應(yīng)用系統(tǒng)需要脫離PC機(jī)工作時(shí)，則需將配置數(shù)據(jù)存放在Flash中，通過Active Serial 編程模式進(jìn)行配置。課題選用EPCS1存儲(chǔ)配置數(shù)據(jù)，它提供1MB的存儲(chǔ)容量，該配置器件在保證低成本的同時(shí)還具備在線系統(tǒng)編程能力和多次編程能力。</p><p>　　2.3.3

93、 巴克碼原理</p><p>　　a. 連貫式插入法就是在每幀的開頭集中插入特殊的同步碼組，該特殊碼組要求具有尖銳單峰特性的局部自相關(guān)函數(shù)，另外識(shí)別器應(yīng)盡量簡單[13]。</p><p>　　對一個(gè)n 位的序列｛x1 ,x2 , … ,xn｝,其局部自相關(guān)函數(shù)表達(dá)式為：</p><p>　　目前常用的幀同步碼組為巴克碼，它的局部自相關(guān)函數(shù)是：</p>

94、<p>　　可見巴克碼具有尖銳單峰特性，在此基礎(chǔ)上巴克碼識(shí)別器是比較容易實(shí)現(xiàn)的。以7位巴克碼為例，文獻(xiàn)給出了用7級移位寄存器、加法器、判決器組成的7 位巴克碼識(shí)別器，如圖2.4所示。該識(shí)別器的行為可描述為：當(dāng)寄存器內(nèi)的碼元與對應(yīng)的巴克碼元相同時(shí)，加法器加1，反之加法器減1，并將結(jié)果與設(shè)定的門限比較輸出示位脈沖。</p><p>　　圖2.4 巴克碼識(shí)別器的原理圖</p><p>

95、　　b. 用巴克碼辨別2PSK接收的相位模糊。</p><p>　　2PSK解調(diào)時(shí)本地載波可能會(huì)有“相位模糊”問題從而導(dǎo)致“反相工作”，而2DPSK雖然解決了反相工作問題但是需要較高的信噪比，而且會(huì)造成誤碼擴(kuò)散，不利于前向糾錯(cuò)。所以只要解決了相位模糊問題，2PSK在功率利用和可靠性方面具有優(yōu)勢。</p><p>　　當(dāng)2PSK接收系統(tǒng)反相工作時(shí)，接收的碼元與實(shí)際碼元相反，我們只須簡單的將寄

96、存器中的數(shù)據(jù)取反后送入另一組相加判決器，就能得到反相工作時(shí)的幀同步示位脈沖。正相與反相示位脈沖不可能同時(shí)出現(xiàn)，據(jù)此可以辨別出現(xiàn)相位模糊與否。</p><p>　　上述方法雖簡單，但需兩組相加判決器，巴克碼較長時(shí)，耗費(fèi)資源較多。實(shí)際上巴克碼前后都有隨機(jī)的信息碼，所以圖2.5電路計(jì)算的并不是局部自相關(guān)函數(shù)值，但仍可識(shí)別巴克碼。對圖2.4電路進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)反相的7位巴克碼全部進(jìn)入寄存器時(shí)，相加器輸出為：</p

97、><p>　　(-1)×1+(-1)×1+(-1)×1+1×(-1)+(-1)×1+1×(-1)=-7</p><p>　　由此可見相加器對反相的巴克碼有負(fù)峰值輸出，我們只須在原電路基礎(chǔ)上增加一個(gè)判決器即可得到反相工作時(shí)的幀同步脈沖。</p><p>　　2.3.4 低速調(diào)制電路設(shè)計(jì)</p>&l

98、t;p>　　穩(wěn)壓電路采用線性低壓差穩(wěn)壓器TLN1117。通過電容濾除雜波得到穩(wěn)定的3.3V直流電源，保護(hù)電路采用2V穩(wěn)壓二極管1N4733，三極管采用2N3866特征頻率400MHz，輸出功率2W，保證能夠?yàn)榧す馄魈峁┳銐虼蟮墓β?STS9013特征頻率140MHz，輸出功率625mW)。LM358與2N3866構(gòu)成負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)提供較穩(wěn)定的直流偏置，保護(hù)激光管不會(huì)因?yàn)殡娏鬟^大而永久損壞。PPM或OOK信號(hào)作為該系統(tǒng)的調(diào)制信號(hào)

99、輸入。電位器R8為電流反饋電路提供基準(zhǔn)電壓，從而對輸出信號(hào)幅值和偏置電壓進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整后的信號(hào)作為LM358的輸入，管腳1的輸出接到三極管3866的基極，通過放大流過發(fā)射極的信號(hào)作為LM358管腳5的輸入，即引入負(fù)反饋[14]。由于LM358為低速運(yùn)算放大器，當(dāng)信號(hào)頻率過高時(shí)，巧妙利用LM358響應(yīng)頻帶窄的特性對反饋的方波信號(hào)進(jìn)行濾波，經(jīng)過適當(dāng)放大處理后作為激光驅(qū)動(dòng)的直流偏置輸入，起到穩(wěn)定功率的作用。電位器R17起分壓作用，產(chǎn)生合理的V

100、cc，保證三極管工作于放大區(qū)的線性部分。為了避免半導(dǎo)體激光器因?yàn)楦哳l干擾而損壞，通常在電路中給半導(dǎo)體激光器并聯(lián)一個(gè)小電容，同時(shí)并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓</p><p>　　以上調(diào)制電路的調(diào)制帶寬受到功放三極管的約束，2N3866能夠提供較高的模擬信號(hào)調(diào)制帶寬。將該調(diào)制器用于基帶數(shù)字方波調(diào)制，由于諧波的存在其調(diào)制帶寬將大打折扣。實(shí)測表明，對8Mbps以上速率的信號(hào)，激光器輸出電流信號(hào)衰減很快，而且在噪聲、功率控制及溫度補(bǔ)償?shù)确?/p>

101、面都存在一定問題。因此，我們又設(shè)計(jì)了一種高速穩(wěn)定的數(shù)字調(diào)制電路。該模塊主要由芯片MAX3263及相關(guān)的電路組成。MAX3263為單路+5V、完全集成的、155Mbps激光二極管驅(qū)動(dòng)器，允許調(diào)制電流最大為30mA，偏置電流最大為60mA。該電路具有差分PECL 電平輸入、自動(dòng)功率控制、自動(dòng)溫度補(bǔ)償和慢啟動(dòng)等功能。</p><p>　　輸入信號(hào)的不同直接影響調(diào)制系統(tǒng)的性能。與TTL、PECL、COMS等接口信號(hào)相比，

102、只有低電壓差分信號(hào)LVDS同時(shí)具有高速度、低噪聲、低功耗、低成本和集成能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。LVDS信號(hào)邏輯擺幅很小，一般只有350mV到400mV，能非?？斓馗淖儬顟B(tài)，所以傳輸速度可以很快。另外，Cyclone器件可以支持差分的I/O標(biāo)準(zhǔn)，諸如LVDS和去抖動(dòng)差分信號(hào)(RSDS)。與單端的I/O標(biāo)準(zhǔn)相比，這些內(nèi)置于Cyclone器件內(nèi)部的LVDS緩沖器保持了信號(hào)的完整性，并具有更低的電磁干擾(EMI)和更低的電源功耗。為提高系統(tǒng)速度，并與通信

103、端機(jī)子系統(tǒng)接口相匹配，本系統(tǒng)采用LVDS作為驅(qū)動(dòng)器輸入。</p><p>　　電路主要由三部分組成：帶有溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖茧妷弘娐?，帶有自?dòng)功率控</p><p>　　制的激光器偏置電路及激光調(diào)制電路。如圖2.5所示，圖中R2、R3、R6、R8組成輸入接口網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)輸入信號(hào)源的不同形式，選用相應(yīng)的阻值。C9、C12是耦合電容。C1到C5為濾波電容，濾除電源中的雜波得到穩(wěn)定的5V直流電源。半導(dǎo)體

104、激光器低速調(diào)制電路如圖2.5所示。</p><p>　　圖2.5 半導(dǎo)體激光器低速調(diào)制電路</p><p>　　2.3.5 光學(xué)發(fā)射天線</p><p>　　無線通信系統(tǒng)中，需要將來自發(fā)射機(jī)的導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線電波，或者將無線電波轉(zhuǎn)換為導(dǎo)波能量，用來輻射和接收無線電波的裝置稱為天線。天線作為無線電通信系統(tǒng)中一個(gè)必不可少的重要設(shè)備，它的選擇與設(shè)計(jì)是否合理，對整個(gè)無線電

105、通信系統(tǒng)的性能有很大的影響。若天線設(shè)計(jì)不當(dāng)，就可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不能正常工作。</p><p>　　激光通過大氣等隨機(jī)介質(zhì)的遠(yuǎn)距離傳輸會(huì)受到非常復(fù)雜的信道干擾，分子吸收、散射、湍流等物理作用會(huì)引起激光能量衰減、光束擴(kuò)散及光波前畸變，甚至造成激光束隨機(jī)漂移。鑒于這些影響，系統(tǒng)在發(fā)射信號(hào)時(shí)，通過光學(xué)發(fā)射天線對信號(hào)光進(jìn)行準(zhǔn)直，以使信號(hào)光到達(dá)接收端機(jī)時(shí)能量相對集中，從而提高接收端機(jī)的信噪比。本系統(tǒng)光學(xué)發(fā)射天線發(fā)散角為1.5

106、mrad，發(fā)射效率約為80%。</p><p>　　3 糾錯(cuò)編碼基本原理</p><p>　　3.1 信道編碼(差錯(cuò)控制編碼)</p><p>　　由于數(shù)字信號(hào)在傳輸過程中受到干擾的影響，使信號(hào)碼元波形變壞，故傳輸?shù)浇邮斩撕罂赡馨l(fā)生錯(cuò)誤判決。在實(shí)際信道傳輸數(shù)字信號(hào)的過程中，引起傳輸差錯(cuò)的根本原因在于信道內(nèi)存在的噪聲以及信道傳輸特性不理想所造成的碼間串?dāng)_。為了提高數(shù)字