礦井下多波長無線光中繼應急通信系統設計

邢占宇，何晨，汪永剛，趙太飛

（西安理工大學自動化與信息工程學院，陜西西安710048）

在人類發展史上，無線電通信技術的誕生，為人類通信能力的提升提供了前所未有的推動力，使人類的通信技術發生了本質性的變革[1]。但是在某些特殊場合并不能完全滿足需求，例如在礦井下通信等應急救援通信場景中，使用無線電通信設備，有可能會產生尖端放電現象，遇到瓦斯等易燃易爆氣體，極有可能發生爆炸等危險，嚴重威脅井下工作和施工人員以及設備的安全。并且，現如今社會信息急劇增加，通信壓力巨大，主流的無線電通信出現頻帶匱乏等現象，成為嚴重制約信息時代向前發展的難題，而解決這個難題的鑰匙正是頻譜資源豐富的無線光通信[2-3]。無線光通信是用無線傳輸代替傳統的導線，在空氣中即可傳輸信號，解決了很多不宜架設傳統傳輸線路的特殊環境下的通信難題，以靈活簡便的獨特優勢，作為有線光通信的補充，在通信領域取得了較好的發展，其發展前景極為廣闊[4-5]。并且無線光通信在國內外已有廣泛和深入的研究，在收發信機的設計，調制解調方式，信道傳輸特性和信道編碼等方面均已有很多研究成果[6]。各個波長的無線光有不同的通信特性，所以在通信中也有著不同的應用場景。無線激光通信傳輸距離較遠，并且還具有很高的速率，信道容量相對無線電通信更大。無線光通信中也包括紫外光通信，它是一種新型通信方式，是利用紫外光在大氣中的明顯的散射特性來進行信息傳輸[7]。它的光線可以借助光散射實現非直視通信，以避免無線激光通信中APT技術的難題。但是在很多場景下，單一波長無線光通信也不能滿足需求，所以提出研究多波長無線光中繼通信系統。使用的方式為紫外光和紅光激光中繼。

1 系統總體框圖與各子系統設計

1.1 系統總體框圖

一般來說，無線光通信系統主要的構成部分有三方面，即信道、發射機和接收機[6]，該系統也是在此基礎上設計完成的。其基本工作原理是將實時拍攝的圖片或視頻數據先通過紅光激光或紅外激光在干路發送，激光接收機將接收到的信號通過中繼器轉為紫外光傳輸，紫外接收機接收并解調，最后在PC上顯示出來。而且因為光通信就是以光纖為承載介質的通信[8]，所以傳輸的過程中需要改變方向時可以使用反射鏡。系統整體示意圖如圖1所示。

圖1 系統整體示意圖

1.2 子系統設計

系統由3個模塊組成：激光發信機模塊，中繼轉發器模塊和紫外收信機模塊。系統總體設計框圖如圖2所示。

圖2 系統總體設計框圖

由圖像傳輸軟件在PC端采集視頻信號，并將其轉換為串行數據從串口發送出來。信號經過調制后由驅動電路加載到激光器上發射出去。濾光片是用來選取所需輻射波段的光學器件[9]，可以濾除大氣環境中存在的背景光引發的背景噪聲。

光電探測器將光信號轉換為電信號[10]，由放大器放大后達到可以處理的程度送入解調器。該信號被再次調制后被加載到紫外燈管，這樣就完成了紅光激光信號向紫外光信號的轉換。接收端經過同樣的步驟就可以解調出信號并通過串口送給PC，在PC上用圖像傳輸軟件顯示出來。

1.2.1 激光發信機設計

本系統采用方向性好，路徑損耗小的650 nm的紅光激光器進行干路信息傳輸。半導體激光器的電源需要使用恒流源，恒流源的基本作用是消除或削弱電源電壓、負載電阻和環境溫度變化對輸出電流的影響[11]。其驅動和調制電路框圖如圖3所示。

圖3 激光器驅動和調制電路框圖

恒流電路可以產生高穩定度的電流來驅動激光器。電路中可能會出現浪涌，慢啟動電路是用來避免該現象有可能對系統造成的損害[12]。因為過流有可能會使半導體激光器產生不可恢復的損壞，所以要加入限流保護電路。調制電路是用來完成信號調制功能的，。目前應用于強度/直接檢測（IM/DD）系統的常用幾種調制技術有：1）開關鍵控（On-Off Key，OOK）；2）脈沖位置調制（Pulse Position Modulation，PPM）；3）差分脈沖位置調制（Differential Pulse Position Modulation，DPPM）[13]。本系統采用OOK調制方式，光波在基帶信號控制下通-斷變化，可用公式（1）表示：

其中A是電平幅值，ωc為光波角頻率，在這里它的值就是波長λ=650 nm的紅光對應的角頻率。

1.2.2 中繼轉發器設計

中繼轉發器作為本系統的核心模塊，其主體功能是光電管將接收到的光信號轉為電信號，放大電路將其放大到可以處理的程度，然后由解調器解調出傳送的信號。該信號再次送入調制驅動電路，調制后將其加載到紫外光管上并發射出去。具體設計框圖如圖2所示。

圖4 中繼轉發器框圖

光電接收管采用650 nm窄帶硅光電池，有效接收面積是3×3 mm，峰值接收波長為650 nm。經測試，當激光光斑肉眼可見時，輸出電流約為100～200 μA。對于信號放大電路。常用的放大電路都是對電壓信號進行放大，所以，首先要將光電管輸出的電流信號需要采用一定的方式轉變為電壓信號[14]。電流信號經過互阻放大電路轉化為放大的電壓信號，該電壓信號經過阻容高通濾波電路和低通，例放大電路組成的窄帶通放大電路后，經過比較器轉化為數字信號被還原解調電路接收[15]。當信號失真不嚴重時，閾值電壓為0即可成功對信號進行判決。而當信號失真較為嚴重時可以使用分壓電位器來調節閾值電壓而后判決。

中繼轉發器除了需要將信號解調出來，還要將其加載到紫外光上。因為紫外光接收端是使用輸出方式為反相輸出的光電倍增管進行接收，為了接收端方便處理，發送端需要對源信號進行反相。又因為信號為TTL電平，所以可以直接使用數字反相器對其進行處理。信號放大后，因為LED管對驅動電路要求不高，所以可以使用三極管搭建共射放大電路來完成驅動和調制的功能。至此，中繼轉發器的主體功能已經設計完畢。

但是光有這個功能是不夠的，因為正常工作的前提是整個通信路徑的成功建立。在調試時，需要獲得是否成功的反饋，通過反饋回來的信息繼續調整對準方向和判斷閾值電壓。一般有兩種方式，反饋信息量比較大的是直接將解調后信號發給PC，通過當前接收數據的形式判斷是否成功建立鏈路。這種方式比較可靠，但缺點是需要PC的參與，使用起來較為麻煩。另一種方法是利用單片機制作報警系統，當單片機判斷鏈路成功建立時，驅動LED和蜂鳴器以特定的頻率閃爍和發聲。我們選擇將兩種方式一起采用。串口模塊電路已經十分成熟，選擇的芯片是CH340。單片機報警系統的硬件較為簡單，單片機最小系統和LED燈/蜂鳴器配合即可。監測原理是將解調后信號送入MCU，對其進行判斷。發送端在建立通信鏈路時可以一直發送信標字符，比如“0”。單片機若監測到連續N個“0”字符時，可以認為鏈路成功建立。

1.2.3 紫外收信機設計

因為紫外光的散射性強[16]，所以單位面積的光功率較小，因此普通的光電管很難有效接收到信號。在此，選擇光電倍增管（PMT）作為紫外收信機的光電探測器，用于光信號接收轉換。為了使光電倍增管可以正常工作，除了使用高壓底座和開關電源，還應將光電倍增管密閉在一個盒子里，只留出感光區窗口并加裝濾光片，這樣光電倍增管就可以很好地將光信號轉為電信號[17]。除此之外，其余的電路與激光接收部分一致，都是放大后送入比較器進行判決解調，在此不再另作說明。

2 系統實現與實驗結果分析

2.1 系統實現

各個模塊的功能全部測試完畢后可以進行系統聯合調試。先有激光經過接收天線后射入光電接收管。打開發送和接收PC上的串口調試助手，連續發送“0”，接收端觀察收到的信息，微調分壓電位器更改判決閾值電壓，直到接收到字符“0”。當PC接收到字符“0”時，電路板的對準報警系統工作。LED以固定的頻率閃爍并且蜂鳴器以相同的頻率鳴響。說明對準報警系統是正常的。紅光激光接收電路的輸出信號端與紫外發送電路的輸入信號端連接起來，將紫外收信機的輸出信號通過串口發送給PC。調試方法與紅光激光接收機一樣，直到成功收到正確字符。另外，紫外部分需要在不同視場角下進行通信試驗，如圖5所示。

圖5 接收視場角測量示意圖

經過仔細的調試，該系統能夠成功的進行中繼數據傳輸。

2.2 實驗結果

為了能夠準確地評估系統的各方面性能，設計了以下3個實驗：紅光通信實驗，紫外光通信實驗和多波長中繼通信實驗。實驗結果如表1，2，3所示。

表1 不同距離下紅光激光通信系統性能

表2 不同接收角時紫外光通信系統性能

表3 中繼通信系統性能

2.3 實驗結果分析

由實驗數據可知，紅光激光傳輸距離遠、方向性強，在相同的數據傳輸速率下誤碼率與傳輸距離成正比。與紅光激光通信系統相比，紫外光傳輸距離較近，但散射性強，覆蓋范圍廣，誤碼率會隨接收角的增大而變大。

因而紅光激光適用于干路數據傳輸，紫外光適用于移動臺接入。實驗結果與系統設計的理論依據一致，同時驗證了多波長無線光中繼通信的可行性。該系統基本實現了總體設計要求，在性能方面也達到了預期的設想。

3 結束語

文中詳細介紹了多波長無線光中繼通信系統，實現了預期設計功能，驗證了多波長無線光中繼通信系統的可行性。它的特色在于可以使得整個通信鏈路的信息載體均為光波，提高了通信方式的靈活性。同時能夠充分發揮出無線光通信的優點，極大地擴展了無線光通信在生活中的實際應用場景。但是系統仍然不可避免地存在一些問題，需要不斷分析原因，總結不足，為改進系統提供有效的指導。

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