長距離紫外光通信系統(tǒng)

江沛，劉學(xué)，孫暉（中國電子科技集團(tuán)公司 第三十四研究所，廣西 桂林541004）

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長距離紫外光通信系統(tǒng)

江沛，劉學(xué)，孫暉
（中國電子科技集團(tuán)公司 第三十四研究所，廣西 桂林541004）

摘要：通過采用新型光源調(diào)制技術(shù)、反射式天線和濾光技術(shù)、接收光整體濾波技術(shù)、高靈敏度光電探測技術(shù)和高速信號處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了長距離數(shù)據(jù)和語音傳輸。系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)誤碼率小，話音清晰可辨，其全天候長距離非視距通信的特點(diǎn)使其具備一定的民用和軍用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：紫外光；日盲區(qū)；光電倍增管；濾光片

0　引言

紫外光散射通信技術(shù)基于波長200～280nm的紫外光作為載體，以大氣為通信介質(zhì)，利用其散射特性來傳輸信息。紫外光通信具有保密性強(qiáng)、非視距通信以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［1-3］。

雖然近年來國內(nèi)相關(guān)單位都開展了紫外光方面的研究，但是這些研究成果都是僅限于試驗(yàn)室平臺搭建的信號傳輸樣機(jī)或是測試儀器，不能進(jìn)行長距離散射通信。在國外，紫外光通信研究處于一個相對領(lǐng)先水平，但最大散射通信距離僅為100m，無法滿足長距離的紫外光通信應(yīng)用［4，5］。本設(shè)計(jì)通過采用紫外光源快速調(diào)制技術(shù)、紫外微弱信號探測技術(shù)、組合濾光系統(tǒng)和電壓信號處理技術(shù)，研制出了實(shí)用化的紫外通信系統(tǒng)，可進(jìn)行全天候、長距離散射通信。

1　系統(tǒng)簡介

圖1　系統(tǒng)功能框圖

系統(tǒng)由通信端機(jī)和紫外收發(fā)一體天線組成，功能框圖如圖1所示。本系統(tǒng)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)為數(shù)據(jù)和話音。通信端機(jī)主要完成語音和數(shù)據(jù)的信號處理，與天線系統(tǒng)建立通信鏈路。系統(tǒng)通信端機(jī)原理和技術(shù)相對簡單，研制難點(diǎn)和關(guān)鍵是紫外光收發(fā)天線，紫外天線的性能和技術(shù)指標(biāo)直接決定了系統(tǒng)是否能夠滿足長距離、保密性強(qiáng)、全天候通信的要求。因此紫外天線必須滿足兩項(xiàng)基本要求：①發(fā)射端紫外光源出光功率大，出光光譜特性好；②接收端光電探測器靈敏度高，能接收到足夠光強(qiáng)度紫外信息光，并能克服各種環(huán)境噪聲的干擾，譬如雨、雪、太陽光和電磁等。

2　紫外光收發(fā)天線設(shè)計(jì)

紫外發(fā)射系統(tǒng)主要完成紫外信息光的發(fā)射，由紫外光源、反射式天線、紫外窗口濾波器以及加熱系統(tǒng)組成；紫外接收天線主要由光學(xué)接收天線、光電倍增管探測電路和信號處理電路等組成，主要完成紫外光信號的接收。

2.1紫外光源和加熱系統(tǒng)

2002年，美國啟動了國家紫外半導(dǎo)體器件計(jì)劃，研制紫外半導(dǎo)體光源和紫外探測器用于紫外光通信。該項(xiàng)目在2008年左右取得了突破，研制出在深紫外段工作的半導(dǎo)體LED，但是單個255nm紫外LED光源的功率仍低于1mW，效率不足5%。隨著近幾年紫外LED的價(jià)格不斷降低，大規(guī)模紫外LED陣列已出現(xiàn)，最大單顆紫外LED陣列可集成64顆LED芯片，但其總功率仍不超過30mW?？紤]到國內(nèi)器件成熟度、通信距離、通信速率以及經(jīng)濟(jì)性等方面的因素，本文選擇低壓汞燈作為紫外光源。低壓汞燈不僅發(fā)射功率大 （可達(dá)到百瓦量級），而且具有很好的光譜分布特性，其能量集中在260nm波段。

市面上普通的低壓汞燈雖然出光波長及發(fā)射光功率都滿足系統(tǒng)的使用要求，但其存在啟動遲滯現(xiàn)象，通信速率低，為了滿足調(diào)制速率的要求，汞燈必須采用預(yù)電離技術(shù)。該技術(shù)關(guān)鍵是在氣體放電燈上增加輔助陽極，構(gòu)成預(yù)電離紫外燈，如圖2所示。采用預(yù)電離光陰極可提供紫外光源陰極和陽極導(dǎo)通時所必須的載流子，這樣啟動時間可縮短至幾十微秒量級。因?yàn)樽贤夤庠礊闅怏w汞燈，環(huán)境溫度低于-10℃時無法啟動，在紫外光源處需增加溫度加熱控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性。

圖2　預(yù)電離紫外光陰極結(jié)構(gòu)

實(shí)際通信試驗(yàn)驗(yàn)證：采用預(yù)電離紫外光陰極的低壓汞燈的調(diào)制頻率可提高到40kHz以上，而普通紫外低壓汞燈的調(diào)制頻率低于10kHz，調(diào)制帶寬提高了近4倍。

2.2反射式天線和發(fā)射窗口濾波器

紫外光反射式天線采用鋁合金開模鑄造而成，反射面為拋物面，紫外光源安裝于拋物面焦點(diǎn)附近，保證紫外光以較小束散角發(fā)射方向性好，如圖3所示。反射面鍍上氧化拋光鋁膜，對260nm波段紫外光有非常強(qiáng)的反射效果。

圖3　反射式天線和窗口濾波器

紫外光源輻射光譜大部分集中在日盲區(qū) （波長253.7nm），但在日盲區(qū)以外（365nm、404nm、435nm、546nm、577nm和579nm）仍存在很強(qiáng)的輻射，直接采用該光源將導(dǎo)致紫外光通信系統(tǒng)的保密特性喪失。如果采用常規(guī)的光學(xué)濾波手段會吸收大量的發(fā)射信號，影響發(fā)光效率。同時普通光學(xué)濾波器容易潮解，隨著時間的推移透過率會逐漸下降，影響系統(tǒng)工作壽命。本文研制新型的專門服務(wù)于紫外光源的發(fā)射窗口濾波器：以大口徑方形高純石英為基片，采用光學(xué)HfO2鍍膜，膜層厚度120層。其可保證254nm處紫外輻射高透過率≥70%，其它特征譜線透過率≤1%，滿足保密性要求同時提高了人眼安全性。

2.3光學(xué)接收天線

接收天線需要背景光（波長290nm以上）透過率低于10-9的光學(xué)濾波器，才可以全天候工作。將光路和光學(xué)濾波融為一體的新型組合式濾波技術(shù)，有效提高了系統(tǒng)信噪比，其最大技術(shù)特點(diǎn)是改變紫外接收機(jī)光學(xué)探測系統(tǒng)和光學(xué)濾波器件分立的結(jié)構(gòu)，使光路中各光學(xué)部件均可實(shí)現(xiàn)對日盲區(qū)以外的背景濾光，共同構(gòu)成組合式濾光系統(tǒng)，如圖4所示。

整體濾波方案包括選擇性窗口透鏡、多層式反射式濾光片和透射式濾光片三個部分。通過提高每一類濾波方法的技術(shù)指標(biāo)，使得總的濾波效果有很大提高：整體截止深度高達(dá)OD10，背景光透過率低于1× 10-9，紫外波段光透過率大于50%。

2.4紫外光探測電路

考慮傳輸速率及非直視傳輸方式的特點(diǎn)，本系統(tǒng)選用響應(yīng)速度快、增益倍率高的光電倍增管。改進(jìn)型日盲紫外倍增管，日盲特性好，在近紫外段（350nm）的光譜靈敏度是普通Te-Cs陰極光電倍增管的10%。

圖4　光學(xué)接收天線

光電倍增管探測到紫外信息光后輸出一個微小電流信號，使用跨阻運(yùn)放來實(shí)現(xiàn)電流/電壓轉(zhuǎn)換，如圖5所示。

圖5　電流-電壓轉(zhuǎn)換電路原理圖

光電倍增管輸出的電流全部進(jìn)入反相放大器的輸入端，理想狀態(tài)下所有電流都將會流過反饋電阻（Rf），然后流出前置放大器的輸出端，因此，輸出電壓Vo可以用式（1）表示：

考慮到前置放大器的輸入偏置電流（Ios）會疊加進(jìn)輸入電流中，則輸出電壓變?yōu)椋篤o=-Rf（Ip+Ios）。為減小Ios帶來的影響，前置放大器選用偏置電流低、溫漂小的運(yùn)放。由于探測電流Ip低于100pA，還需要考慮電路板的制作材料，本項(xiàng)目選用特富龍、聚苯乙烯材料以進(jìn)一步降低Ios。將反饋電阻用接地的金屬板進(jìn)行屏蔽，用同軸電纜進(jìn)行電壓信號傳輸，能顯著減小Cf，提高頻率響應(yīng)特性，減少外部噪聲的干擾。前置放大電路如圖6所示。

2.5高速信號處理電路

高速信號處理電路主要功能是對放大后的信號進(jìn)行濾波、整形等處理，恢復(fù)出原始電信號。由于濾光系統(tǒng)不能將背景光完全濾除，有一部分背景光會射入紫外探測器，使其產(chǎn)生噪聲電流。另外，紫外探測器自身也會產(chǎn)生一定的暗電流及熱噪聲，因此信號處理模塊必須有較好的濾波、整形功能將探測器噪聲濾除，還原出原始電信號。

圖6　前置放大電路

系統(tǒng)電路基于高速DSP芯片，模擬信號采樣速率為5MHz，采樣精度為18位。以美國TI公司處理速度達(dá)到300MHz的TMS320VC6713B高速浮點(diǎn)數(shù)字信號處理器（DSP）為核心，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時運(yùn)行信號預(yù)處理、信道編解碼 （數(shù)據(jù)校驗(yàn)）和PSK調(diào)制/解調(diào)等多種功能。

3　結(jié)束語

本文解決了大功率紫外光源調(diào)制、紫外光微弱信號探測、背景光濾光以及噪聲濾波等技術(shù)難點(diǎn)，使得紫外光通信系統(tǒng)能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸語音和數(shù)據(jù)。經(jīng)過試驗(yàn)檢驗(yàn)證明，本設(shè)備傳輸?shù)恼Z音清晰，數(shù)據(jù)誤碼率低，具有低竊聽率、抗干擾性強(qiáng)、全方位性和全天候工作等特點(diǎn)。

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中圖分類號：TN919.12

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-5561（2016）06-0044-03

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.013

收稿日期：2014-11-24。

作者簡介：江沛（1982-），男，工程師，主要從事光通信研發(fā)工作。

Long distance ultraviolet light communication systerm

JIANG Pei，LIU Xue，SUN Hui
（The 34 Research Institute of CETC，Guilin Guangxi 541004，China）

Abstract：Through the adoption of new type of light source modulation technology，reflective antenna and filter technology，receiving light overall filtering technology，high sensitivity photoelectric detection technique and high speed signal processing technology，the paper implements the data and voice transmission over long distances.System data transmission error rate is small，voice is clear，the characteristic of its all-weather long-distance non line-of-sight communications make it has a certain civil and military value.

Key words：ultraviolet ligh，solar-blind，photomultiplier，optical filter