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
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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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