基于单LED的无线紫外光通信系统设计与实现

摘要：介绍了紫外光通信特点和信道模型，以LED为光源、光电倍增管为光接收器设计无线紫外光数字通信系统方案，研制了无线紫外光通信设备样机，在不同条件下进行实验。实验结果表明，在夜晚，晴天，近距离，校准条件下的通信效果优于白天，下雨，远距离，未校准的条件下的通信效果，验证了无线紫外光通信的可行性。
关键词：紫外光通信；大气信道；00K；信号检测

紫外光波长10～400nm，是光谱中波长最短部分，主要由太阳辐射出来，又称紫外线，紫外光传输性能与传输范围内大气的品质密切相关，如大气中的O3浓度、散射粒子的浓度、大小、均匀性、几何尺寸等。研究大气中分子和粒子的散射时主要考虑Rayleigh散射和Mie散射。与此同时，紫外光的传播方式以散射为主，虽然传输过程中衰减严重，但可绕过一定障碍物，这两点决定了紫外光通信系统可以实现全天候的非视距通信(Non Line Of Sight，NLOS)。随着国内日盲段紫外LED生产线的投产，紫外光通信的实现将更具可行性。

1 研究背景
紫外光作为通信手段被提出最早在上个世纪初，当时美国军方提出用于海军海上通信。国内近两年在此领域研究的也有一些，其中国防科技大学在2007年研究了一款直升机紫外光通信系统，在这项研究中是国内首次使用日盲段LED点阵作为光源，并在样机上实现通信；重庆大学光电研究试验室在2006年也完成了基于紫外光的语音系统设计与实施，该系统在反映灵敏度及抗干扰方面都有着不错的表现。与此同时，在业界领先的美国加州大学Center for UbiquitousCommunication by Light实验室，在2007年实现了在使用光功率为0.5mW的10个24单元阵列LED为紫外光光源，00K调制方式下紫外光通信的数据传输速率达到了如表1所示，包括视距通信(Line Of Sight，LOS)和非视距通信两种方式。

2 大气散射信道
由于紫外光是在大气中进行无线传输，大气信道的质量直接关系到通信质量，传输距离等重要通信指标。当散射粒子的直径远小于波长时就发生Rayleigh散射，大气分子对紫外光的散射就用Rayleigh散射理论来处理，但是只有在晴朗天气(能见度Rv≥20 km)中Rayleigh散射才是主要的。Rayleigh散射是指散射粒子线度比波长小得多的粒子对光波的散射。其主要特点有：1)散射光强与入射波长的4次方成反比；2)散射光强随观察方向而变，在不同的观察方向上，散射光强不同；3)散射光具有偏振性，其偏振程度决定于散射光与耦极矩方向的夹角。Rayle igh散射规律使用于微粒线度在十分之一个波长以下的极小微粒。
当大气中粒子的直径与辐射的紫外线波长相当时发生的散射称为Mie散射。这种散射主要由大气中的微粒，如烟、尘埃、小水滴及气溶胶等引起。在复杂天气情况下，大气中气溶胶微粒对光波的散射远大于大气分子散射，此时需要用Mie散射理论处理。因此，针对复杂环境风沙天气、海雾、雨天、雪天等，在研究过程中主要考虑Mie散射。Mie散射的辐射强度与波长的二次方成反比，散射在光线向前的方向比向后的方向更强，方向性比较明显。

3 紫外光通信系统设计
从“数字信号”开始，直到通过LED光源把信号传输到大气信道中，这个模块称为发射模块；另一端从紫外光信号进入滤光片开始，直到信号输出为接收模块，无线紫外光通信原理框图如图1所示。