外文翻譯譯文--根據(jù)ppm技術(shù)的無線激光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　中文3320字</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文文獻(xiàn)翻譯</p><p>　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文） 題 目基于單片機(jī)的激光通信儀</p><p>　翻譯題目根據(jù)PPM技術(shù)的無線激光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　學(xué) 院理學(xué)院</p><p>　

2、專 業(yè)光信息科學(xué)與技術(shù)</p><p>　姓 名</p><p>　班 級(jí)</p><p>　學(xué) 號(hào)</p><p>　指導(dǎo)教師</p><p>　　出處：Electrical and Control Engineering (ICECE), 2011 International Confere

3、nce on. IEEE, 2011: 4427-443</p><p>　　根據(jù)PPM技術(shù)的無線激光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　T Xu, B Jiang, D Wen, Y Shi</p><p>　　摘要：無線激光通信比起傳統(tǒng)無線電通信有許多優(yōu)勢(shì)，尤其在高數(shù)據(jù)速率。高速度無線激光通信采用光脈沖位置調(diào)制。分析PPM調(diào)制方法的原理，并給出相應(yīng)的幀格式。然后

4、分開描述PPM調(diào)制與解調(diào)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，最后實(shí)現(xiàn)實(shí)際發(fā)送與接收系統(tǒng)。整個(gè)通信系統(tǒng)是緊湊的，高效的，可靠的，廉價(jià)的。它實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高速率達(dá)兆位每秒的通信，且有一個(gè)合理低錯(cuò)誤率。</p><p><b>　　1、引言</b></p><p>　　無線激光通信在快速普及，作為一種高效傳送數(shù)據(jù)的方式在高速率范圍內(nèi)。這個(gè)系統(tǒng)包括一個(gè)激光發(fā)射器和一個(gè)接收器，以及在一定距離內(nèi)被分離的控制

5、和驅(qū)動(dòng)電流。激光束攜帶信息通過大氣從發(fā)射器傳輸?shù)浇邮掌?。這個(gè)系統(tǒng)給抗干擾，輕重量，緊湊的設(shè)備提供了許多優(yōu)勢(shì)，如快速部署，寬帶寬，安全的通信環(huán)節(jié)。這些優(yōu)勢(shì)吸引著民間與國防部門的用戶。數(shù)據(jù)速度需求從數(shù)百M(fèi)比特每秒到數(shù)萬G比特每秒。學(xué)習(xí)和發(fā)展無線激光通信技術(shù)是很重要的，不管是在理論還是在實(shí)際上的應(yīng)用中。激光通信對(duì)于不同種類的應(yīng)用1-5已經(jīng)有了很多的研究。在此環(huán)境下，我們發(fā)展實(shí)驗(yàn)性的無線激光通信系統(tǒng)，采用光脈沖位置調(diào)制（PPM）。而且詳細(xì)地描述

6、了傳輸系統(tǒng)和接收系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)和實(shí)際實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　2、PPM調(diào)制</b></p><p>　　研究顯示，在背景噪聲下光通信M元光脈沖位置調(diào)制（PPM）是一種接近最佳的編碼，而且它也顯得是在光散射信道中最好的方法6-8。PPM通信有具體優(yōu)勢(shì)，低功耗設(shè)備，高效率，高數(shù)據(jù)速率。在這部分，我們將綜述這個(gè)強(qiáng)大的編碼技術(shù)，展示如何在傳輸調(diào)制數(shù)據(jù)中利用它。&l

7、t;/p><p>　　典型的同步PPM信號(hào)，如圖1。在一個(gè)基礎(chǔ)的時(shí)間周期被叫做脈沖間隔中，一個(gè)確定了其中的M個(gè)間隙寬度的ΔT秒的激光脈沖留駐。對(duì)于這個(gè)討論，我們將忽略一個(gè)以上的脈沖重疊時(shí)隙，即脈沖展寬的光散射信道現(xiàn)在假定是最小的。在幀時(shí)間中，脈沖間隔與MΔT之差被叫做靜時(shí)間，表示為NΔT。在大多數(shù)情況下，N不一定是一個(gè)整數(shù)。這后者時(shí)間通常與激光器所需充電時(shí)間相聯(lián)系，或者是為了一些其他這樣的系統(tǒng)考慮。它是激光器發(fā)送兩個(gè)

8、相鄰脈沖的最小時(shí)間間隔。M的值確定的是每個(gè)脈沖傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)。特別M等于2K，其中K是每個(gè)脈沖的發(fā)送的比特?cái)?shù)，K等于log2M。在此，我們能得到獨(dú)一的激光脈沖位置與調(diào)制的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的映射關(guān)系。這個(gè)調(diào)制本質(zhì)上是一種相位調(diào)制。</p><p>　　圖1 典型的PPM信號(hào)形式</p><p>　　如圖1所示，由于PPM用一個(gè)脈沖每M信息時(shí)隙，所以它的占空比為（M+N）ΔT。換言之，PPM信號(hào)有一個(gè)

9、平均重復(fù)頻率為1∕（M+N）ΔT。在同一時(shí)間，PPM有一個(gè)平均峰功率比為（M+N）。即使激光脈沖的能量保持巨大，平均功耗也可以相對(duì)較低，只要（M+N）足夠大時(shí)。所以PPM調(diào)制可以很大程度上減少功耗，很好地適用于無線光傳輸。對(duì)于一個(gè)M元PPM信號(hào)，每個(gè)脈沖的數(shù)據(jù)位可以是log2M。因此PPM通信有一個(gè)平均數(shù)據(jù)速率等于</p><p>　　Rb=log2M∕(M+N) ΔT

10、 (1)</p><p>　　為了提高數(shù)據(jù)傳輸速率，可以增加信息時(shí)隙，或盡可能減少靜時(shí)間。靜時(shí)間主要由激光類型確定。例如，一個(gè)固態(tài)激光的最小時(shí)間間隙有約20ms，但一個(gè)半導(dǎo)體二極管激光有短得多的時(shí)間間隙，以至于相對(duì)信息間隙它可以被忽略不計(jì)。</p><p>　　M信息的每一個(gè)脈沖將攜帶M進(jìn)制數(shù)據(jù)，因而被稱為一個(gè)數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀時(shí)間與靜時(shí)間構(gòu)成一個(gè)脈沖周期。一般來說，整個(gè)激光通信是由許多PPM

11、脈沖周期，與圖2所示的典型PPM脈沖的時(shí)間序列組成。這個(gè)通信脈沖由同步脈沖與數(shù)據(jù)脈沖組成。同步脈沖用來表示通信的開始，實(shí)現(xiàn)在同一時(shí)間內(nèi)時(shí)間同步與校準(zhǔn)功能。數(shù)據(jù)脈沖用來傳輸調(diào)制的信息。圖2所示出PPM脈沖的發(fā)送時(shí)間序列。這些脈沖由電路產(chǎn)生，通過調(diào)制激光轉(zhuǎn)換為光脈沖。解調(diào)系統(tǒng)通過光電檢測(cè)器接收這些光脈沖，得到調(diào)制數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)PPM激光通信，PPM調(diào)制器與解調(diào)器必須首先設(shè)計(jì)。</p><p>　　圖2 PPM通信脈

12、沖的時(shí)間序列</p><p>　　3 、PPM調(diào)制器與解調(diào)器</p><p>　　PPM是脈沖被放置在對(duì)應(yīng)時(shí)隙的該幀位置上的一個(gè)過程。所以核心技術(shù)是產(chǎn)生與確定時(shí)間調(diào)制脈沖的位置。事實(shí)上，這個(gè)位置是由一個(gè)高速可控定時(shí)器產(chǎn)生與確定的時(shí)隙?，F(xiàn)今有許多單芯片高速處理器集成的強(qiáng)大定時(shí)器。他們能實(shí)現(xiàn)微小時(shí)隙的識(shí)別。在這定時(shí)器的基礎(chǔ)上，我們發(fā)展了我們的PPM調(diào)制器與解調(diào)器。</p><

13、;p>　　PPM調(diào)制器由電路組成，實(shí)現(xiàn)脈沖位置調(diào)制與輸出發(fā)送數(shù)據(jù)。</p><p>　　圖3 PPM調(diào)制器方案</p><p>　　所傳送的數(shù)據(jù)起初由一個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)終端產(chǎn)生，它可以是一臺(tái)打字機(jī)或計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)將通過必要的通信接口被加載到一個(gè)高速微處理器的存儲(chǔ)器內(nèi)。如UART或USB通信端口。在調(diào)制器，微處理器是必不可少的組成部分，它不僅能執(zhí)行將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)拿}沖位置功能，而且能憑借其強(qiáng)

14、大的定時(shí)器產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖。當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)到一定值時(shí)，對(duì)應(yīng)于發(fā)送數(shù)據(jù)，微處理器可以產(chǎn)生一個(gè)脈沖寬度調(diào)制（PWM）的信號(hào)。通過專門的PWM到PPM的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生穩(wěn)定寬的PPM電子脈沖，它的位置被傳送的數(shù)據(jù)調(diào)制。當(dāng)這些脈沖通過調(diào)制接口被裝載到激光時(shí)，激光器會(huì)輻射調(diào)制的光脈沖。</p><p>　　由于它們之間的唯一區(qū)別在脈沖寬度，它們具有相同的周期和脈沖位置，所以PPM脈沖能通過專門PWM到PPM轉(zhuǎn)換產(chǎn)生。一個(gè)觸發(fā)的多諧振

15、蕩器能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。基本脈沖時(shí)間，即在圖1所示的槽寬度ΔT，可通過外部電阻與電容值的選擇來編程。在同一時(shí)間內(nèi)，強(qiáng)大的定時(shí)器很容易產(chǎn)生PWM脈沖。對(duì)于MSP430微控制器，定時(shí)器有幾個(gè)比較輸出單元。當(dāng)計(jì)時(shí)器達(dá)到CCR1和CCR0的值時(shí)，輸出信號(hào)是否改變?nèi)Q于輸出模式。當(dāng)CCR1以裝載的二進(jìn)制數(shù)據(jù)改變，相應(yīng)的PWM脈沖將產(chǎn)生。</p><p>　　除了有PWM輸出功能，應(yīng)選擇的微處理器根據(jù)以下要求，高速定時(shí)器和高穩(wěn)定的時(shí)

16、鐘。高速定時(shí)器能在一個(gè)固定的脈沖周期中確保時(shí)間間隔ΔT越短，從而能有更多的時(shí)隙M。因此，由一個(gè)脈沖發(fā)送的數(shù)據(jù)位可以根據(jù)（1）增加，而且可以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率對(duì)于PPM通信。為了避免時(shí)隙重疊的不利影響，在上述的范圍10-8內(nèi)的高穩(wěn)定時(shí)鐘也是不可缺少的。采用高穩(wěn)定性的晶體振蕩器可以實(shí)現(xiàn)，如溫度控制的晶體振蕩器（TCXO）和恒溫晶體振蕩器（OCXO）。</p><p>　　PPM解調(diào)器由電路組成，提取PPM光信號(hào)所傳送

17、的數(shù)據(jù)。PPM解調(diào)器方案如圖4所示。</p><p>　　圖4 PPM解調(diào)器方案</p><p>　　與PPM調(diào)制器相似，它主要部分由敏感的光檢測(cè)器，脈沖前置放大器，微處理器和接受數(shù)據(jù)終端組成。光電檢測(cè)器執(zhí)行接受光信號(hào)與把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的功能。在此采用硅雪崩光電二極管（APD）的光電檢測(cè)器提高光靈敏度。然后前置放大器將放大模擬信號(hào)，并通過適當(dāng)?shù)挠|發(fā)電平轉(zhuǎn)換成脈沖序列。這些脈沖依次被捕捉器采

18、集，它們的計(jì)時(shí)值被高速定時(shí)器記錄。在解調(diào)器中，高性能微處理器對(duì)于調(diào)制器是相同的，也被用來采集脈沖與數(shù)據(jù)解調(diào)。最后，數(shù)據(jù)被發(fā)送到接受終端，它可以是一個(gè)液晶顯示屏幕或一臺(tái)計(jì)算機(jī)的軟件窗口。因此，調(diào)制的數(shù)據(jù)可以從調(diào)制的激光脈沖位置提取，并最后實(shí)現(xiàn)一個(gè)成功的PPM通信。</p><p><b>　　4 、通信系統(tǒng)</b></p><p>　　根據(jù)上述的調(diào)制器與解調(diào)器的設(shè)計(jì)描述

19、，建立一個(gè)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)無線激光通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)框圖如圖5所示。</p><p>　　圖5 采用PPM的激光通信系統(tǒng)的框圖</p><p>　　顯然，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由激光二極管發(fā)射子系統(tǒng)與雪崩光電二極管（APD）接受子系統(tǒng)。每個(gè)實(shí)際通信的子系統(tǒng)如圖6所示。</p><p><b>　　(a)發(fā)射子系統(tǒng)</b></p><p>

20、<b>　　(b)接受子系統(tǒng)</b></p><p>　　圖6 采用PPM調(diào)制的無線激光通信系統(tǒng)</p><p>　　對(duì)于這個(gè)系統(tǒng)有兩種類型的激光可以采用。一類是固態(tài)激光，如532nm的YAG激光。雖然單脈沖能量是巨大的，重復(fù)的頻率低，最多只能到50KHZ。另一種類是半導(dǎo)體二極管激光，其重復(fù)頻率可高達(dá)10MHZ。因此我們的無線激光通信系統(tǒng)采用了后者。有幾個(gè)在藍(lán)綠色范圍

21、內(nèi)的可用波長(zhǎng)，如405nm處，445nm處和473nm處。雖然脈沖能量相對(duì)低，但重復(fù)頻率可以很高。</p><p>　　整個(gè)通信系統(tǒng)是緊湊，高效，可靠與廉價(jià)的。實(shí)驗(yàn)的無線激光通信系統(tǒng)性能被證明也是令人滿意的。當(dāng)采用半導(dǎo)體激光二極管時(shí)，在圖1被表示為NΔT的靜時(shí)間足夠小能忽略不計(jì)，所以通信數(shù)據(jù)速率能相對(duì)高，甚至達(dá)M比特每秒。例如，激光重復(fù)頻率為1MHZ，定時(shí)器頻率為32MHZ，就可以實(shí)現(xiàn)信息速率高達(dá)5兆比特每秒。此

22、外，當(dāng)施加適當(dāng)?shù)挠|發(fā)閾值時(shí)，該系統(tǒng)具有一個(gè)合理的低錯(cuò)誤率為10-4。因此我們建立的采用PPM調(diào)制的無線激光通信系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)高速通信。</p><p><b>　　5、結(jié)論 </b></p><p>　　無線激光通信比起傳統(tǒng)的無線電通信具有許多優(yōu)勢(shì)，尤其在抗干擾能力上更強(qiáng)，數(shù)據(jù)速率更快。在此情況下，我們開發(fā)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)性無線激光通信系統(tǒng)，本文采用光脈沖位置調(diào)制。PPM調(diào)制

23、方式原理的分析，充分描述了對(duì)應(yīng)的幀格式。然后PPM調(diào)制器與解調(diào)器的詳細(xì)設(shè)計(jì)被分開呈現(xiàn)，并描述了發(fā)送系統(tǒng)與接收系統(tǒng)的實(shí)際實(shí)現(xiàn)。結(jié)果表明，整個(gè)通信系統(tǒng)是緊湊，高效，可靠與廉價(jià)的。它已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高速通信5M比特每秒和一個(gè)合理的低錯(cuò)誤率10-4。對(duì)于在水下、空間等其它的光通信，這個(gè)PPM調(diào)制系統(tǒng)的進(jìn)一步研究能提供有利的參考。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn):</b></p><

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