两部分。键控调制的关键在于准确的载波频率，但是在实际应用中，往往由于电阻电容本身的电气误差，不能准确生成所需频率的载波¨8|，因此本文设计的可调频率的红外调制解调模块，对解决该问题有一定的借鉴意义。
2．2激光传输衰减分析
激光无线通信是利用激光束作为载波在空间直接进行信息传送。激光光源是无线通信的主体部分，光源的光谱波段、发散角、发射能量等性能指标直接影响着通信的质量。因此选择合适的激光光源是无线通信得以实现的保证。 2．2．1背景光对激光传输的干扰分析 与光纤通信不同，背景光噪声是影响无线激光通信系统性能的重要因素。尤其在强光影响下，背景光电流引起的噪声使接收机灵敏度降低，并引起探测器的饱和。在无线光通信系统中，太阳是主要的背景光干扰源，因此在系统实际应用中应考虑太阳光辐射的影响。太阳光在大气层外的辐照度为1340W／m2，由于部分波长的光衰减，到达地面处时其值在晴朗天气下变成1000 W，m2。超过90％的光是直射到地面的，这时背景光功率非常高，而在非直射情况下，其强度将大大降低。太阳辐照度光谱主要集中在400～750nm的可见光范围内，峰值在500 nm左右。对于目前常用的激光器波段，太阳光在800 nm处的辐射强度约为峰值的1／2，在1550nm处的辐射强度约为峰值的1／10，而在处于620～750 nm的红光波段太阳辐射强度约为峰值的3／5【2?。由此可见，处于于红外波段激光器(800nm～1550nm)相比红光波段的激光器(620～750 m)对太阳光有更好的抗干扰性，由于本系统工作场合以室外为主，所以没有选择红光波段的激光器，而是选择了抗干扰性更好的红外波段的激光器。
2．2．2大气对激光传输的衰减分析
地球表面的大气层，存在着多种气体以及各种微粒，如尘埃、烟、雾、小水滴等等。还可能要发生各种复杂的气象现象，如雨、雾、雪、风等。这些因素对光波有衰减作用，会使激光能量大大减小，或者使激光偏离原来的传输方向，破坏了激光原有的特性。这些影响主要来自以下两个方面：大气成分(各种分子和气溶胶)对光波的吸收和散射。大气对激光传输的衰减程度一般用透过率来度量，根据布格尔一朗伯定律，波长为九，光子强度为Io的光在大气中传输距离R后光子强度减弱为I，大气的透过率h可定义为：
T I
．一r t R
l
A=_=P～
』O
公式(2—1)
式中：y r波长为九的光在大气中总衰减系数，Y九=km+ka+o m+o。
k。。广大气分子吸收系数，l(a一气溶胶分子吸收系数，o一大气分子散射系数，
o一气溶胶散射系数，大气衰减的研究可归结为上述四个基本衰减参数的
确定。
一、大气分子对激光的吸收和散射分析
第二章红外激光通信系统技术研究与分析
光波在大气中传输时，大气分子(大气中的H20，C02，02分子等)在光波 电场的作用下发生极化，并以入射光的频率作受迫振动．光波为了克服大气分子 内部阻力要消耗能量，表现为大气分子的吸收。所以吸收特征依赖于光波频率， 大气吸收使激光的功率衰减，但光束质量不发生改变。研究表明水分子对1300～
1400 nm波段的光表现出强吸收，另外其它大气分子对不同波长光束的吸收也具
有一定的选择性：对于有些波长的光波表现出强烈的吸收，光波几乎无法通过； 而对于某些区段(称为“大气窗口”)则呈现弱吸收。由图2—4可以直观的说明，大气
渡长娜
图2．4不同波长光波的大气透射特性曲线
O
分子对于不同波长的光波透射率呈现出阶段性，窗口状。依据前人的研究表明， 对于常用的红外激光波段。810～860 nm、980～1060 nm和1550～1600 nm波段 都是良好的大气窗口[2l】。大气激光通信采用的激光器的中心波长与谱线宽度必须 限制在大气窗口的范围内。吸收在大气衰减中处于次要位置，本系统进行设计时 选择了避开位于大气强吸收处的工作波长，可以忽略激光束传输过程中由于大气 分子吸收导致的功率损耗。
大气分子除了对激光具有吸收效应外，当激光通过大气时，光波的电磁场使 大气分子产生极化，形成振动的偶极子，从而发出次波。由于大气中总存在着密 度起伏，破坏了大气的光学均匀性，使次波的相干性遭到破坏，从而导致光在各 个方向上的散射。
分子散射又称Raylei曲散射，可以用Rayleigh模型描述。大气分子散射引 起的光信号能量衰减是确定信号畸变的主要原因。当光波在大气中传输时，大气 分子使光波的传播方向改变，导致光在各个方向的散射。因为大气分子的线度很
小p10’3岬)，在通信窗口，用于传输的激光波长远大于大气分子线度，根据散射
理论，此时的散射为Rayleigh散射。由Raylei曲散射定律，Rayleigh散射系数的 经验公式为：
9
第二章红外激光通信系统技术研究与分析
O．827×Ⅳ×彳3
‰=—■r一公式(2—2)
式中：“一Raylei曲散射系数；N一单位体积大气中的分子数；A一分子的散 射截面积；九一光波波长。
通过公式2．2，可以总结出分子的Raylei曲散射系数与波长的四次方成反比， 即波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。在短波可见光区域大气分子散 射对激光传输影响很大，在红外波段分子散射则小得多。因此，本系统所选择的 红外波段的激光器可以尽可能的避免由大气分子带来吸收和散射效应，减少传输 中的大气分子衰减。
二、大气气溶胶对激光的吸收和散射分析
大气气溶胶是指极其细小悬浮在空气中缓慢下落的的固体或液体小颗粒，它
们的尺寸介于10。2岬～loo¨m之间，如雾、尘埃及海浪的飞沫都是这种浮质。对
气溶胶粒子的研究表明，气溶胶粒子对光信号的吸收作用不是很明显，但是云、 雾等气溶胶粒子对光信号的散射作用是显著的，这种散射又被称为Mie散射口J。 所以本文在对大气气溶胶进行分析时主要考虑大雾或阴霾天气中大气中的气溶 胶引起的散射效应。
与分析大气分子散射效应不同的是，分析大气分子散射所用的Raylei曲散射
理论适用于分子半径R远小于x。=竿>o．1～o．3波长九时的散射过程。当粒子
半径R增加到一定尺度，一般认为粒子的相对尺度时Rayleigh散射公式失效，应 当使用描述球形粒子散射的Mie公式：
吒=万×Ⅳ×Q％，砌×尺2 公式(2—3)
式中：吒一气溶胶分子Mie散射系数；N一单位体积大气中的气溶胶粒 子数；Qs一散射效率函数，即粒子散射的能量与入射到粒子几何截面上的能量 之比，是粒子的相对尺度XR和复数折射率m的函数；X R_粒子的相对尺度，xR =2兀R肌；m复数折射率，m=n．ik(i，k分别为m的实部和虚部)；R一粒子半径 当粒子在半径R1和R2之间存在连续分布时。Mie散射系数由Mie公式的积分式 求得：
承2
．
吒=万j：。Ⅳ×g(瓦，m)×尺2掀公式(2—4)
本文在分析气溶胶散射时，利用了工程上计算大气气溶胶散射系数的常用公
10
第二章红外激光通信系统技术研究与分析
公式(2—5)
式中：V一大气的能见度，(1-能见度密切相关的常数，具体取值为：
r1．6
J
q=弋1．3
I
、．585vl，3
V>501(nl 6km 由此可见，虽然Mie散射主要依赖于散射粒子的尺寸、密度分布以及折射率 特性，与波长的关系远不如Raylei曲散射强烈，但通过Mie散射工程公式，还 是可以总结出，Mie散射系数与波长成近似的反比关系。所以，本系统所选择的 红外波段的激光的Mie散射系数相比可见光激光器要小很多，更适合在阴霾，多 雾的情况下进行数据传输。 在忽略大气分子和气溶胶的吸收效应的基础上，对于红外波段的激光，可以 得到简化的衰减系数公式： 7五红外=％+吒公式(2．6) 表2．1是两种红外波段激光在不同天气状况下的衰减系数，可以总结出，在 同样是红外波段的情况下，衰减系数也是与波长成反比的。 表2—1红外波段光波在不同天气下的衰减系数 天气状况 衰减系数(1／1锄) 九=850nm 九=1550nm 通过分析激光传输的衰减因素，可以得出结论，采用红外波段的激光器作为 传输媒介是切实可行的。在红外波段中常见的激光器有850nm，980nm，1550nm， ％半 土渤 ^Z ： ” = 式 盯． 第二章红外激光通信系统技术研究与分析 最终本系统选择980nm激光器作为发送器件，主要基于以下几方面考虑： 1、980nm激光器和所选择的TSOPl738光谱匹配度高。 2、980nm激光器较850nm激光器衰减系数更小，透过率高。 3、980nm激光器比1550nm激光器价格低很多，可以达到性能成本的平衡 2．3 PCB设计技术 PCB是英文(Printed Circuit Board)印制电路板的简称。日常生活中我们所能 见到的电子产品，小到电子手表、计算器，大到计算机、各种通讯设备、航空、 航天、军用武器等几乎都离不开PCB。总之，只要有二极管、三极管等电子元器 件，就需要PCB把他们之间按照一定的电气关系连接起来，从而具备某种电气特 性。在电子产品设计中，任何原理电路的设计意图最终都是通过PCB实现的。因 此，PCB设计在任何产品的研制过程中都是不可缺少的一个重要环节。PcB设计 的质量直接影响电子产品的质量。目前，PCB的设计已经占整个硬件设计费用的 50％，专家预测比例还在不断增大，很快PCB方面的开发和研制费用将达到产品 总费用的80％甚至更高124I。 在PROTEL的PCB设计中，如果布局不合理，就有可能出现各种干扰，以致 合理的原理方案不能实现，或使整机性能指标下降，甚至在干扰严重时造成电路 板根本无法工作。为使布局设计尽量合理，提高电路板的抗干扰能力，在PCB设 计中一般考虑以下几个方面： l、考虑PCB尺寸大小 PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加； 尺寸过小，则散热不好，且相邻的传输线之间容易引起干扰。应根据电路需要确 定PCB尺寸。一般情况下，电路板的最佳形状是矩形，长度宽度比为3：2或4：3。 2、优先确定特殊元件的位置 所谓特殊元件是指那些从电、磁、热、机械强度等几方面对整机性能产生影 响或根据操作要求而固定位置的元件。在设计中，应尽量做到： (1)尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电 磁干扰．易受干扰的元器件不能相互离得太近，输人和输出元件应尽量远离。 (2)对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考 虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制板上便于调节的地方；：若是 机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应，应留出印制板 定位孔及固定支架所占用的位置。 (3)注意发热元器件应该远离热敏元器件。对于温度敏感的元件，如晶体管、集 12 第二章红外激光通信系统技术研究与分析 成电路和其他热敏元件j大容量的电解电容器等，不宜放在热源附近或设备 的上部。电路长期工作引起温度升高，会影响这些元件的工作状态及性能。 3、布线方式 布线时，所有走线应远离PCB板的边框，至少2mm左右，以免PcB板制作时 造成断线或有断线的隐患。电源线要尽可能宽，以减少环路电阻。同时使电源线、 地线的走向和数据传递的方向一致，以提高抗干扰能力。各元器件间的连线越短 越好，以减少分布参数和相互间的电磁干扰。对于不相容的信号线应尽量相互远 离，而且尽量避免平行布线，而在正反两面的信号线应相互垂直。布线时在需要 拐角的地方应以135度角为宜或者圆角，避免拐直角或者尖角【25l。 事实上，关于PCB设计方面的注意事项有很多，由于篇幅限制不能一一详 述，这里仅仅列举几点在本系统中涉及到的设计问题加以介绍。 2．4 ARM驱动程序设计技术 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。设计者在选择处理器时 要考虑的主要因素有：处理性能、技术指标、功耗、软件支持工具、是否内置调 试工具、供应商是否提供评估板等。 ARM微处理器目前包括下面几个系列，ARM7系列、ARM9系列、Inter的 ARM等。目前，应用比较多的是ARM7系列和ARM9系列，删9系列适 Strong 合比较高端的应用，如视频媒体、数字消费品、下一代无线设备等【2刨；ARM9E 系列更是提供了增强的DSP处理能力，非常适合那些需要同时使用DSP和微控制 器的应用场合[27】。相比之下，ARM7在满足系统需求的基础上具有便宜的价格， 能够节约开发成本，也更适合系统的需要。 设计ARM驱动程序的关键在于熟悉舢洲系统的工作模式和内部结构。本文 所选择的S3C44BOX属于ARM7系列处理器。从程序员的角度上看，S3C4480X 内核可以工作在下面两种工作状态的一种下： AI乇M状态： 此时执行32位字对齐的AItM指令。 THUMB状态：此时执行16位半字对齐的THUMB指令。在这种状态下， PC采用第l位来选择一个字中的哪个半字128|。 Samsung公司推出的16／32位砌SC处理器S3C4480x为手持设备和一般 类型应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。S3C44BOX提供了丰富 的内置部件，包括：8KB cache，内部SRAM，LCD控制器，带自动握手的2通