嵌入式设计根据PPM技术的无线激光通信系统的设计外文翻译.doc

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1、毕业设计（论文）外文文献翻译毕 业 设 计（论文） 题 目基于单片机的激光通信仪翻译题目根据PPM技术的无线激光通信系统的设计学 院理学院专 业光信息科学与技术姓 名沈继宏班 级09075311学 号09075335指导教师蔡本晓根据PPM技术的无线激光通信系统的设计* 作者：Tao Xu,Bo Jiang,Dong Wen,Yi Shi出处：Electrical and Control Engineering,2011 International Conference on 4427-4430摘要：无线激光通信比起传统无线电通信有许多优势，尤其在高数据速率。高速度无线激光通信采用光脉冲位置调

2、制。分析PPM调制方法的原理，并给出相应的帧格式。然后分开描述PPM调制与解调的详细设计，最后实现实际发送与接收系统。整个通信系统是紧凑的，高效的，可靠的，廉价的。它实现了一个高速率达兆位每秒的通信，且有一个合理低错误率。1、引言无线激光通信在快速普及，作为一种高效传送数据的方式在高速率范围内。这个系统包括一个激光发射器和一个接收器，以及在一定距离内被分离的控制和驱动电流。激光束携带信息通过大气从发射器传输到接收器。这个系统给抗干扰，轻重量，紧凑的设备提供了许多优势，如快速部署，宽带宽，安全的通信环节。这些优势吸引着民间与国防部门的用户。数据速度需求从数百M比特每秒到数万G比特每秒。学习和发展

3、无线激光通信技术是很重要的，不管是在理论还是在实际上的应用中。激光通信对于不同种类的应用1-5已经有了很多的研究。在此环境下，我们发展实验性的无线激光通信系统，采用光脉冲位置调制（PPM）。而且详细地描述了传输系统和接收系统的具体设计和实际实现。2、PPM调制研究显示，在背景噪声下光通信M元光脉冲位置调制（PPM）是一种接近最佳的编码，而且它也显得是在光散射信道中最好的方法6-8。PPM通信有具体优势，低功耗设备，高效率，高数据速率。在这部分，我们将综述这个强大的编码技术，展示如何在传输调制数据中利用它。典型的同步PPM信号，如图1。在一个基础的时间周期被叫做脉冲间隔中，一个确定了其中的M个间

4、隙宽度的T秒的激光脉冲留驻。对于这个讨论，我们将忽略一个以上的脉冲重叠时隙，即脉冲展宽的光散射信道现在假定是最小的。在帧时间中，脉冲间隔与MT之差被叫做静时间，表示为NT。在大多数情况下，N不一定是一个整数。这后者时间通常与激光器所需充电时间相联系，或者是为了一些其他这样的系统考虑。它是激光器发送两个相邻脉冲的最小时间间隔。M的值确定的是每个脉冲传输的比特数。特别M等于2K，其中K是每个脉冲的发送的比特数，K等于log2M。在此，我们能得到独一的激光脉冲位置与调制的二进制数据的映射关系。这个调制本质上是一种相位调制。图1 典型的PPM信号形式如图1所示，由于PPM用一个脉冲每M信息时隙，所以它

5、的占空比为（M+N）T。换言之，PPM信号有一个平均重复频率为1（M+N）T。在同一时间，PPM有一个平均峰功率比为（M+N）。即使激光脉冲的能量保持巨大，平均功耗也可以相对较低，只要（M+N）足够大时。所以PPM调制可以很大程度上减少功耗，很好地适用于无线光传输。对于一个M元PPM信号，每个脉冲的数据位可以是log2M。因此PPM通信有一个平均数据速率等于 Rb=log2M(M+N) T (1)为了提高数据传输速率，可以增加信息时隙，或尽可能减少静时间。静时间主要由激光类型确定。例如，一个固态激光的最小时间间隙有约20ms，但一个半导体二极管激光有短得多的时间间隙，以至于相对信息间隙它可以被

6、忽略不计。M信息的每一个脉冲将携带M进制数据，因而被称为一个数据帧。数据帧时间与静时间构成一个脉冲周期。一般来说，整个激光通信是由许多PPM脉冲周期，与图2所示的典型PPM脉冲的时间序列组成。这个通信脉冲由同步脉冲与数据脉冲组成。同步脉冲用来表示通信的开始，实现在同一时间内时间同步与校准功能。数据脉冲用来传输调制的信息。图2所示出PPM脉冲的发送时间序列。这些脉冲由电路产生，通过调制激光转换为光脉冲。解调系统通过光电检测器接收这些光脉冲，得到调制数据。为了实现PPM激光通信，PPM调制器与解调器必须首先设计。图2 PPM通信脉冲的时间序列3 、PPM调制器与解调器PPM是脉冲被放置在对应时隙的

7、该帧位置上的一个过程。所以核心技术是产生与确定时间调制脉冲的位置。事实上，这个位置是由一个高速可控定时器产生与确定的时隙。现今有许多单芯片高速处理器集成的强大定时器。他们能实现微小时隙的识别。在这定时器的基础上，我们发展了我们的PPM调制器与解调器。PPM调制器由电路组成，实现脉冲位置调制与输出发送数据。图3 PPM调制器方案所传送的数据起初由一个发送数据终端产生，它可以是一台打字机或计算机。数据将通过必要的通信接口被加载到一个高速微处理器的存储器内。如UART或USB通信端口。在调制器，微处理器是必不可少的组成部分，它不仅能执行将数据转换成适当的脉冲位置功能，而且能凭借其强大的定时器产生相应

8、的脉冲。当定时器计数到一定值时，对应于发送数据，微处理器可以产生一个脉冲宽度调制（PWM）的信号。通过专门的PWM到PPM的转换，产生稳定宽的PPM电子脉冲，它的位置被传送的数据调制。当这些脉冲通过调制接口被装载到激光时，激光器会辐射调制的光脉冲。由于它们之间的唯一区别在脉冲宽度，它们具有相同的周期和脉冲位置，所以PPM脉冲能通过专门PWM到PPM转换产生。一个触发的多谐振荡器能实现转换。基本脉冲时间，即在图1所示的槽宽度T，可通过外部电阻与电容值的选择来编程。在同一时间内，强大的定时器很容易产生PWM脉冲。对于MSP430微控制器，定时器有几个比较输出单元。当计时器达到CCR1和CCR0的值

9、时，输出信号是否改变取决于输出模式。当CCR1以装载的二进制数据改变，相应的PWM脉冲将产生。除了有PWM输出功能，应选择的微处理器根据以下要求，高速定时器和高稳定的时钟。高速定时器能在一个固定的脉冲周期中确保时间间隔T越短，从而能有更多的时隙M。因此，由一个脉冲发送的数据位可以根据（1）增加，而且可以实现更高的数据速率对于PPM通信。为了避免时隙重叠的不利影响，在上述的范围10-8内的高稳定时钟也是不可缺少的。采用高稳定性的晶体振荡器可以实现，如温度控制的晶体振荡器（TCXO）和恒温晶体振荡器（OCXO）。PPM解调器由电路组成，提取PPM光信号所传送的数据。PPM解调器方案如图4所示。图4

10、 PPM解调器方案与PPM调制器相似，它主要部分由敏感的光检测器，脉冲前置放大器，微处理器和接受数据终端组成。光电检测器执行接受光信号与把它转换成电信号的功能。在此采用硅雪崩光电二极管（APD）的光电检测器提高光灵敏度。然后前置放大器将放大模拟信号，并通过适当的触发电平转换成脉冲序列。这些脉冲依次被捕捉器采集，它们的计时值被高速定时器记录。在解调器中，高性能微处理器对于调制器是相同的，也被用来采集脉冲与数据解调。最后，数据被发送到接受终端，它可以是一个液晶显示屏幕或一台计算机的软件窗口。因此，调制的数据可以从调制的激光脉冲位置提取，并最后实现一个成功的PPM通信。4 、通信系统根据上述的调制器

11、与解调器的设计描述，建立一个实际的实验无线激光通信系统。通信系统框图如图5所示。图5 采用PPM的激光通信系统的框图显然，该实验系统由激光二极管发射子系统与雪崩光电二极管（APD）接受子系统。每个实际通信的子系统如图6所示。(a)发射子系统 (b)接受子系统 图6 采用PPM调制的无线激光通信系统 对于这个系统有两种类型的激光可以采用。一类是固态激光，如532nm的YAG激光。虽然单脉冲能量是巨大的，重复的频率低，最多只能到50KHZ。另一种类是半导体二极管激光，其重复频率可高达10MHZ。因此我们的无线激光通信系统采用了后者。有几个在蓝绿色范围内的可用波长，如405nm处，445nm处和47

12、3nm处。虽然脉冲能量相对低，但重复频率可以很高。 整个通信系统是紧凑，高效，可靠与廉价的。实验的无线激光通信系统性能被证明也是令人满意的。当采用半导体激光二极管时，在图1被表示为NT的静时间足够小能忽略不计，所以通信数据速率能相对高，甚至达M比特每秒。例如，激光重复频率为1MHZ，定时器频率为32MHZ，就可以实现信息速率高达5兆比特每秒。此外，当施加适当的触发阈值时，该系统具有一个合理的低错误率为10-4。因此我们建立的采用PPM调制的无线激光通信系统能实现高速通信。 5、结论 无线激光通信比起传统的无线电通信具有许多优势，尤其在抗干扰能力上更强，数据速率更快。在此情况下，我们开发了一个实

13、验性无线激光通信系统，本文采用光脉冲位置调制。PPM调制方式原理的分析，充分描述了对应的帧格式。然后PPM调制器与解调器的详细设计被分开呈现，并描述了发送系统与接收系统的实际实现。结果表明，整个通信系统是紧凑，高效，可靠与廉价的。它已经实现了高速通信5M比特每秒和一个合理的低错误率10-4。对于在水下、空间等其它的光通信，这个PPM调制系统的进一步研究能提供有利的参考。 参考文献:1. Z. Ghassemlooy, A.R. Hayes, and N.L Seed, “Digital pulse interval modulation for optical communications”,

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15、003, Vol.2(4) , pp. 626 - 629.4. Mingsong Chen, Tianhua Zhou, and Faliang Ao, “The Study of Pulse Interval Modulation in Wireless Laser Communication System”,International Conference on Communication Technology, 2006 (ICCT06), pp. 1-4.5. Fu Xuan, Chen Guifen, and Tang Tingting, “Research and Simulat

16、ion of PPM Modulation and Demodulation System on Spatial Wireless Optical Communication”, 2010 Symposium on Photonics and Optoelectronic (SOPO), pp. 1-5.6. R.M. Gagliardi, S. Karp, “M-ary Poisson detection and optical communications”, IEEE Transactions on Communication Technology,1969, vol. 17(2), p

17、p. 208-216.7. S. Karp and R.M. Gagliardi, “The design of a pulse position modulated optical communication system”, IEEE Transactions on Communication Technology, 1969, vol. 17(6), pp. 670-676.8. A.J. Mendez, V.J. Hernandez, R.M. Gagliardi, and C.V. Bennett,“Transmitter and translating receiver design for 64-ary pulse position modulation (PPM)”, Proc. SPIE 7587, 75870M (2010).