何 寧，郭求實(shí)，何志毅

光束發(fā)散角對紫外LED散射通信接收能量的影響

何 寧，郭求實(shí)，何志毅

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，桂林541004）

為了更準(zhǔn)確地研究紫外光的通信性能，針對紫外LED散射光通信中光能量傳輸特征，以及光束發(fā)散角對散射鏈路構(gòu)成與接收光子能量有一定影響，采用多個(gè)LED組成陣列發(fā)射的方法，擴(kuò)大光束與散射體的作用效應(yīng)，分析了光束發(fā)散角對不同散射體作用時(shí)光子能量的變化關(guān)系，研究了紫外光散射通信脈沖調(diào)制方法與提高發(fā)射功率措施，提出了脈沖位置調(diào)制驅(qū)動(dòng)陣列LED的解決方案，并進(jìn)行了紫外LED散射通信系統(tǒng)室外傳輸測試。結(jié)果表明，在短距離通信中，大的散射角使得光對散射體的作用區(qū)域增大，散射效應(yīng)明顯，到達(dá)光接收端的光子數(shù)量增加；實(shí)際通信應(yīng)用中，散射光通信具有較高的靈活性和實(shí)時(shí)性，可適當(dāng)進(jìn)行光學(xué)處理來優(yōu)化光路結(jié)構(gòu)。此結(jié)果為進(jìn)一步增加傳輸距離和傳輸效果提供了正確的指導(dǎo)。

光通信；散射通信；光發(fā)射陣列；光束發(fā)散角；脈沖位置調(diào)制；接收能量

引 言

紫外光通信作為一種新興光通信技術(shù)，具有保密性好［1］、收發(fā)端無需對準(zhǔn)、可靠性高、靈活組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。與紅外和可見光相比，利用日盲區(qū)紫外光譜區(qū)（200nm～280nm）作為光載波實(shí)現(xiàn)大氣通信［2-4］，由于波長短，大氣對紫外光的散射作用強(qiáng)烈，可以繞開障礙物進(jìn)行非視距通信［5］，有利于微弱信號的接收，避免了由于散射和大氣湍流引起的光束漂移對視距光傳輸帶來的影響。本文中結(jié)合紫外光散射通信原理，對光束發(fā)散角和有效散射體內(nèi)光子數(shù)量傳輸變化關(guān)系進(jìn)行理論分析，設(shè)計(jì)了一套紫外發(fā)光二極管（light-emitting diode，LED）傳輸系統(tǒng)，對調(diào)制和光傳輸技術(shù)進(jìn)行探討，給出了信號編碼、光發(fā)散角控制、陣列LED驅(qū)動(dòng)等關(guān)鍵技術(shù)的解決方案，完成室外環(huán)境下的傳輸實(shí)驗(yàn)。

1 光散射通信模型

散射通信即利用大氣中傳播媒介（如對流層及電離層散射粒子）的不均勻性對電磁波產(chǎn)生散射作用而進(jìn)行非視距通信［6］。大氣中的散射微粒，都具有將入射的光波向多方向輻射的特性。若發(fā)射機(jī)發(fā)出的光波輻射到這些地方，就會(huì)受到大氣分子和氣溶膠的吸收和散射，并向各方向散亂輻射出去，通過遠(yuǎn)端的高靈敏度接收機(jī)將微弱的光信號進(jìn)行接收，從而完成通信。光散射鏈路如圖1所示，有效散射體為發(fā)射端光發(fā)散角與接收端的視場角的交疊區(qū)［7］，它構(gòu)成系統(tǒng)與接收機(jī)有直接關(guān)系的二級點(diǎn)光源。設(shè)發(fā)射機(jī)仰角βt（0≤βt≤π），接收機(jī)仰角βr（0≤βr≤π），光束發(fā)散角θt（0≤θt≤π），接收孔徑角θr（0≤θr≤π／2），發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離為r。

Fig.1 Link of ultraviolet scattering communication

假設(shè)T＝0時(shí)刻，F(xiàn)1處發(fā)出一束能量為Qt的光脈沖，經(jīng)過t＝r2／c（c為光速）時(shí)間到達(dá)距離發(fā)射機(jī)為r2的二次輻射源P點(diǎn)處的能量為［8-9］：

式中，Ωt＝4πsin2θt，ke為大氣消光系數(shù)（等于吸收系數(shù)ka和散射系數(shù)ks之和）。

信號光脈沖以均勻的圓錐角傳輸，在有效散射體程V內(nèi)對（1）式積分，F(xiàn)2處接收到散射體的能量密度為：

式中，ξ表示徑向坐標(biāo)，η表示角坐標(biāo)，φ表示方位角，P（cosθs）為單次散射的相函數(shù)，可用下式表示［10］：

式中，下標(biāo)R表示瑞利散射，下標(biāo)M表示米散射，其相函數(shù)可由以下兩式分別得到：

式中，γ，g，f為模型參量。

從（1）式可以看出，散射傳播能量正比于有效散射體積V，有效散射體積越小，散射體內(nèi)散射微粒越少，二次輻射能量小，發(fā)射源的能量利用率低，傳輸損失大。由于散射傳輸信號覆蓋面增大，到達(dá)接收端能量密度降低，對接收系統(tǒng)靈敏度要求高。由以上分析可知，云、雨、霧作為散射通信有效介質(zhì)，它依據(jù)地理位置、一天中的時(shí)間和天氣狀況有所不同，因此，在陰天、夜間或晨曦時(shí)段對散射通信有利。

2 紫外散射通信LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

2.1陣列LED驅(qū)動(dòng)

為了提高紫外LED發(fā)射功率和發(fā)散角，系統(tǒng)發(fā)射光源采用2×2 LED陣列方式，由升壓電路、驅(qū)動(dòng)電路和電流檢測電路進(jìn)行恒流控制。升壓電路使用雙極性三極管，組成了非隔離式的升壓式拓?fù)洌擈?qū)動(dòng)器使LED燈串的恒流最優(yōu)化。恒流驅(qū)動(dòng)芯片采用NCP3063集成電路（integrated circuit，IC），該IC由內(nèi)部溫度補(bǔ)償參考、比較器、一個(gè)受占空比約束的有源電流限制蕩器電路和一個(gè)高輸出驅(qū)動(dòng)開關(guān)組成，輸入直流電壓為3V～40V，輸出開關(guān)電流1.5A，工作頻率200kHz，陣列LED驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。脈沖位置調(diào)制（palse position moducation，PPM）信號從Uin端進(jìn)入，通過控制開關(guān)管V1，V2的導(dǎo)通和關(guān)斷，由電感L1完成能量轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對LED陣列的發(fā)射控制。使用這種方式可以提高轉(zhuǎn)換效率，輸出電流恒定，從而提高外部三極管的轉(zhuǎn)換效率，采用陣列發(fā)射，散射角可以由單顆的60°擴(kuò)展到140°范圍，降低了對接收光路位置要求。通過電路中R1電阻的檢測壓降反饋到IC的輸出電壓檢測端，作為LED恒流控制參考。

Fig.2 LED driver circuit

2.2PPM調(diào)制與軟件實(shí)現(xiàn)

為提高系統(tǒng)接收能量，LED驅(qū)動(dòng)信號采用PPM脈沖方式，其峰值功率可得到有效保持，平均功率降低有利于系統(tǒng)工作溫度特性控制，信號加載及傳輸誤碼相對于其它脈沖驅(qū)動(dòng)方式有一定優(yōu)勢。

L-PPM是一種正交位置調(diào)制，由固定的M個(gè)符號組成，每個(gè)符號的持續(xù)時(shí)間都為T秒。假定M為2的冪，即M＝2L，則包含在PPM中的信息比特位為log2M?？梢詫男畔⒈忍氐絇PM符號的映射看作是將各符號一對一分配給L各相繼信息比特中的每一位。圖3為PPM信號幀格式，數(shù)字PPM通信中，同步至關(guān)重要。發(fā)送高、低4位數(shù)據(jù)前，先發(fā)送一次同步頭，分別為20μs和30μs，時(shí)隙寬度設(shè)為10μs。解調(diào)時(shí)，根據(jù)接收到的同步頭脈沖時(shí)間來判斷數(shù)據(jù)是高4位還是低4位。

Fig.3 Frame format of PPM signal

系統(tǒng)應(yīng)用軟件編碼方式產(chǎn)生16-PPM，編碼過程相對簡單，圖4為PPM軟件編碼流程圖。圖中，ADC為模塊名稱，AD表示模數(shù)轉(zhuǎn)換（analog to digital，AD），IT表示單片機(jī)工作模式。

Fig.4 Flow diagram of PPM code

3 發(fā)散角與接收光子能量分析

針對光散射信號特點(diǎn)，經(jīng)過大氣散射傳輸后的光子能量降低，光強(qiáng)分布極不均勻，受光接收機(jī)的有效光學(xué)孔徑限制，采用一定口徑的光學(xué)天線對到達(dá)接收端的散射能量進(jìn)行匯聚，可擴(kuò)大接收視場角。結(jié)合散射模型，對光子數(shù)量和光束發(fā)散角的關(guān)系進(jìn)行分析。系統(tǒng)選用日本濱松公司生產(chǎn)的光電倍增管（photo mulfiplier tube，PMT）作為光接收前端，其V／I轉(zhuǎn)換因子為0.1V／μA，光譜響應(yīng)范圍為200nm～850nm，峰值響應(yīng)波長為380nm，帶寬為200kHz。已知每個(gè)光子能量為hc／λ，接收孔徑d＝2mm，可以得到單位時(shí)間入射到PMT的平均光子數(shù)N為：

式中，E0為單位時(shí)間到達(dá)接收機(jī)的能量密度，c和h分別為光速和普朗克常量。

圖5為PMT接收光子數(shù)量隨光束發(fā)散角的變化趨勢，由圖中可以看出，隨著光束發(fā)散角的增加和有效散射體作用區(qū)域增大，散射體積的光子數(shù)量也隨之增加，經(jīng)二次輻射到達(dá)接收機(jī)的散射光強(qiáng)增大。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證光束發(fā)散角對通信接收性能的影響，搭建了室外紫外通信系統(tǒng)，測試環(huán)境為夜晚、晴。通過噴霧機(jī)噴出煙霧建立散射鏈路的散射體，模擬大氣能見度變化。紫外光通過煙霧散射，設(shè)置在一定距離的收發(fā)端具有合適的仰角，對PPM信號的傳輸進(jìn)行測試。

固定發(fā)射仰角和PMT接收仰角均為30°，加入導(dǎo)光裝置來調(diào)整光束發(fā)散角，同時(shí)白天可避免強(qiáng)光直接照射光電倍增管。實(shí)驗(yàn)中由導(dǎo)光通道限制光束發(fā)散角在20°～120°調(diào)整，圖6為通信距離為8m～10m時(shí)的接收波形變化趨勢。圖6a圖為發(fā)散角120°的情形，接收光功率為－60dBm（近似于3.2× 109個(gè)光子能量）；圖6b圖為20°的情形，接收光功率為－80dBm（近似于3.2×107個(gè)光子能量）。由圖可知，在光束發(fā)散角較小時(shí)，由于到達(dá)光接收端的光子數(shù)減少，接收的PPM脈沖波形邊沿有些模糊，接收效果隨著光束發(fā)散角增加逐漸變好，當(dāng)發(fā)散角大于120°時(shí)，接收效果改善不明顯。

Fig.6 Amplitude of received signal vs.beam divergence angle

表1中給出不同光束發(fā)散角變化時(shí)，對開關(guān)鍵控（on-off key，OOK）和PPM兩種調(diào)制方式下系統(tǒng)接收誤比特率（bit error rate，BER）的比對，設(shè)定接收、發(fā)射仰角同為30°，通信距離5m，兩種調(diào)制方式調(diào)制速率相同。由測試數(shù)據(jù)分析可知，隨著光束發(fā)散角增大，PMT接收光子數(shù)量增加，接收信號幅度更大，BER減小；PPM調(diào)制下的系統(tǒng)性能明顯優(yōu)于OOK調(diào)制，說明PPM調(diào)制方式在無線光通信中具有一定的優(yōu)勢。

Table 1 BER of system

5 結(jié) 論

通過對紫外光散射原理以及紫外LED調(diào)制特性進(jìn)行分析，對系統(tǒng)光陣列LED的驅(qū)動(dòng)方式、脈沖調(diào)制、光束發(fā)散角等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行傳輸性能實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：紫外通信鏈路的有效散射體是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)散射傳輸?shù)闹匾Ｕ希瑪U(kuò)大光束發(fā)散角是提高接收能量和通信距離的重要途徑，在非視距通信有廣闊應(yīng)用前景，這為短距離通信研究提供了參考。

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Effect of the beam divergence angle on receiving energy of UV-LED scattering communication

HE Ning，GUO Qiushi，HE Zhiyi
（School of Information and Communication，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China）

According to transmission characteristics of optical energy in ultraviolet light-emitting diode（LED）scattering communication，the beam divergence angle has a certain influence on scattering link structure and

photon energy.The action effect of the beam and scatterers was strengthened with the transmit array composed by a plurality of LEDs.With the effects of different scattering on the beam divergence angle，the changing of the photon energy was analyzed.In order to study the UV communication performance more accurately，pulse modulation method and measures to increase the transmission power of UV scattering communication were studied，the solution of LED array driving circuit and the pulse position modulation（PPM）were given，scattering communication system transmission of UV-LED was tested outdoor.The experimental results showed that，in the short distance communication，large scattering angle made the light area of scatterers increase and more effective of scattering，the amount of photons arriving at receiving was increased.In the actual communication applications，the scattering optical communication was higher flexibility and real-time，appropriate optical processing can be used to optimize the structure of the optical path for increasing the transmission distance.The result provides a correct guidance for larger transmission distance and better transmission effect.

optical communication；scatter communication；light emitter array；beam divergence angle；pulse position modulation；received energy

umber of received photons vs.beam divergence angle

TN929.1

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.01.006

1001-3806（2014）01-0026-04

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（60177036）

何 寧（1958-），男，研究員，主要從事光通信和光電探測方面的工作。

E-mail：ofca＠163.com

2013-04-26；

2013-05-12