1、基于 BPSK 的无线光通信实验研究第 4 卷第 5 期2006 年 10 月光学与光电技术OPTICS0PTOELECTR0NICTECHNOLOGYVol_4,No.5October,2006文章编号:16723392(2006)05 004903基于 BPSK 的无线光通信实验研究温强智国宁卢波(哈尔滨工程大学理学院,哈尔滨 150001)摘要数字式调制与许多模拟调制方式相比,在相同的信噪比条件下误码率低.基于BPSK编码方式和微弱信号检测及单片机技术,针对光在大气通信中遇到的实际困难,提出了一种低信噪比条件下的点对点通信实验方案.该方案发送数据的相位精度高,可控性好,接收端前置放大器动
2、态范围宽,解码能力强.关键词双相移相键控;无线光通信;锁相放大;89S51 单片机中图分类号 TN929.1 文献标识码 A1 引言光纤通信和无线光通信已成为光通信领域中数据接入的主要实现形式.不同类型的调制方式能够根据通信系统造价,接收信号质量的要求提供各种解决方案.由于相位调制克服了强度调制信噪比低,易被背景光淹没的缺点,且技术成熟,稳定性高,实用性强,接收端的检测电路也易于实现,因此相位调制的方式得到了广泛的应用.双相移相键控(BinaryPhaseShiftKeying,BPSK)是通过改变发送波的相位来实现的,不同的相位代表不同的数据 l1q.本文利用锁相原理并基于 BPSK 对无线
3、光通信方案进行了实验研究.2 编码原理数字相位调制通过改变发送波的相位,不同的相位代表不同的数据,利用数字信号对两个同频,反相的正弦波进行控制,不断切换合成调相波.而且调制的相位数目不仅限于两个,载波应该能够承载任意数目的相位信息,将接收信号乘以同频正弦波就可解调出相移信息,解调出的信号是与频率无关的直流电平信号.包含于载波中的相移可用同频的本振正弦波对其相乘,然后通过一阶低通滤波器滤波,便解调出与相移对应的不同的成分.现在普遍采用的移相方式有绝对移相和相对移相,分别如图 1,图 2 所示.图 1 绝对移相Fig.1Absolutephase-shift图 2 相对移相Fig.2Relativ
4、ephase-shift本实验的载波频率为 1kHz,采用相位调制,不同的相位代表不同的信息.在发送数据之前将发送 7 位导引码和 1 位反相码,每一位长度为 1O个周期,与导引码相位相同的信号定义为逻辑“0“,与导引码相位相差兀的信号定义为逻辑“1“.每一种相位即每一个逻辑“0“或“1“信号持续时间也是1O 个周期,每一次发送长度为 8 位.导引码的作用是接收端用来跟踪相位,使本地的方波信号和接收信号相位同步,反相码在导引码之后告知接收端开始解调相位信息.收稿日期 20060520;收到修改稿日期 20060629作者简介温强(1963 一), 男,副教授,主要研究方向为自动控制.E-mai
5、l:wenq1303163.corn50 光学与光电技术第 4 卷3 解码原理锁相放大器能够在较强的噪声中提取信号,使测量精度大大提高,本实验所使用的锁相放大电路由一个模拟开关和一个积分电路组成,如图 3 所示.号图 3 锁相放大器的组成Fig.3Configurationofthelock-inamplifier由 A/D7574 采集从锁相放大输出的模拟信号,并把转换的数字信号输入单片机进行峰值判断,调整由单片机产生的方波信号的相位,得到的幅值为最大时,方波信号与所输入的正弦信号同相位,如图4 所示.此时,鉴零器输出 0 或 1 分别对应与导引码相位相差 0 或兀的正弦信号,从而实现了解码
6、.Ui模拟开关输入单片机产生的方波模拟开关输出积分电路输出八/VVV厂_厂 -厂_UUU/MAX图 4 利用锁相放大器调相Fig.4Phaseshiftbasedonthelockinamplifier4 光发射电路设计图 5 所示为光发射电路.由单片机控制 D/A方式生成正弦波,直接由软件程序进行调相而无需外部调相电路.由于 89S51 单片机速度的限制,正弦波的频率一般只能在几 kHz,而且生成的正弦波非平滑波形而是台阶状的波形,这样的波形存在很多谐波分量,尤其在正弦波反相的瞬间,滤波电路的带宽会对其产生一定的影响.经 MATLAB得到反相波的频率特性,如图 6 所示.最大值在 67kHz
7、,系统的 RC 低通滤波器的截止频率为5kHz,很多高频成分被滤掉,最终的输出必然导致失真,如图 7 所示.由图 6 可以看出,当频率大于 35kHz 时更高频率的成分几乎为零,因此在改进滤波器时应该将截止频率设定在此值之上,其截止频率为 50kHz 大于 35kHz,输出波形如图 8 所示.图 5 光发射电路Fig.5Lightemissioncircuit图 6 反相波频率特Fig.6Frequencycharacteristicoftheantiphase图 7 反相失真波形Fig.7Distortionwaveforrnoftheantiphase厂厂九厂,厂,1Illllll_- l
8、llllVJUU,_1.00TI_ 5 呻.us 一 3.g 婚-s图 8 滤波器调整后反相波形Fig.8Antiphasewaveorln.oftheadjustedfilter调制光发射电路利用运算放大器构成加法器,将调制信号的工作点抬高到 LED 线形工作区,通过 LED 将调制信号以光能的形式辐射出去.5 光接收电路设计图 9 所示为光接收电路.为了增大接收端前置放大器动态范围,消除直流量的影响,本实验选用一个积分电路作直流反馈电路,来抑制直流量影响,如图 10 所示.第 5 期温强等:基于 BPSK 的无线光通信实验研究 51图 9 光接收电路Fig.9Lightreceivingc
9、ircuit图 1O 去除直流偏置电路Fig.10RemovingtheDCoffsetcircuit接收到的信号中含有一些噪声,所以在光电转换电路后需加二阶有源带通滤波器.由单片机,A/D7574 和锁相放大器组成的环路调整由单片机产生的方波信号的相位,使得方波信号与所输入的正弦信号相位同步.鉴零器的功能也可以由单片机实现,但会增加软件编程的复杂度.6 结论本文针对光在大气通信中遇到的实际困难,给出了低信噪比条件下的点对点通信实验方案.该方案具有发送数据的相位精度高,可控性好,接收端前置放大器动态范围宽,解码能力强等优点.实验表明该方案可行,尤其适用于弱光通信.参考文献袁拿单.数字信号的 B
10、PSK 调制和解调J. 无线电技术,2004,(32):4558黄正.BPSK,QPSK 及其解调 J.电光系统,2003,(1):4347黄瑜翔.BPSK 调制器的计算机仿真分析J. 电子技术参考,2000,(1):5 10费满锋.基于 DSP 的可编程的 BPSK 解调器J.无线电通信技术,2002,28(1):3 4石彦从.基于软件无线电的 BPSK,DPSK 信号解调技术J. 石家庄铁道学院,2002,15(2):4247孟利民.全数字 BPSK 调制解调系统的仿真J. 浙江工业大学,2003,31(1):4247齐本胜.一种大信噪比下的 BPSK 信号解调方法J.工矿自动化.2004
11、,(1):1 2OpticalWirelessCommunicationBasedonBPSKWENQiangZHIGuo-ningLU13o(SChIofScience.HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)AbstractDigitalmodulatinghasmanyadvantagesbycomparisonwiththeanalogmodulating,andhaslowbiterrorrate(BER)underthesameSNR.Anewschemeisdevelopedwhichisdesignedforopticalw
12、irelesscommunication,basedonBPSK,weaksignaldetectionandMPU.TheschemeisavailableforpointtOpointcommunication,withcharacteristicofhighphaseprecisiondata,widedynamicrangeandgreatdecodingability.TheresultsofthisexperimentshowthatthisschemeiSfeasible.Keywordsbinaryphaseshiftkeying;opticalwirelesscommunication;phase-lockedamplifier;89S51MPU
