学位论文基于fpga大气激光通信机的调制电路.docx
- 文档编号:11636566
- 上传时间:2023-03-29
- 格式:DOCX
- 页数:26
- 大小:214.23KB
学位论文基于fpga大气激光通信机的调制电路.docx
《学位论文基于fpga大气激光通信机的调制电路.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《学位论文基于fpga大气激光通信机的调制电路.docx(26页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
学位论文基于fpga大气激光通信机的调制电路
西安工业大学北方信息工程学院
本科毕业设计(论文)
题目:
基于fpga大气激光通信机的
调制电路
系别:
电子信息系
专业:
通信工程
班级:
B090310
学生:
田博
学号:
B09031016
指导教师:
赵黎
2013年06月
毕业设计(论文)任务书
系别电子信息系专业通信工程班级B090310姓名田博学号B09031016
1.毕业设计(论文)题目:
基于fpga大气激光通信机的调制电路
2.题目背景和意义:
近年来,人们对宽带多媒体业务的需求促进了整个通信网络的宽带化发展,光波是宽带信息的最佳载体,光纤通信的发展已证明了这一点。
与光纤通信相比,大气激光通信更适合于宽带无线接入。
大气激光通信既具有微波通信成本低、工程周期短、架设灵活便捷的特点,又具有光纤通信频带宽、速率高、容量大、保密性好、功耗小、重量轻的优点。
我们利用大气激光通信技术搭建了一个多业务大气激光通信调制系统。
3.设计(论文)的主要内容(理工科含技术指标):
论文分五章来介绍自己的工作。
第一章:
绪论,介绍激光通信机调制系统的发展及特点;第二章:
激光调制电路基本原理;
第三章:
差错编码基本原理;第四章:
介绍verilog语言及编程;第五章:
总结
4.设计的基本要求及进度安排(含起始时间、设计地点):
第1周~第3周查阅关于激光通信机调制系统方面的资料,并撰写开题报告。
第4周~第6周学习激光通信机调制基本原理及搭建硬件原理图。
第7周~第10周学习quartusΠ软件,并应用该软件进行编码。
第11周~第12周撰写论文准备答辩。
设计地点:
西安工业大学校内
5.毕业设计(论文)的工作量要求无特别要求
①实验(时数)*或实习(天数):
上机不少于200学时
②图纸(幅面和张数)*:
论文字数不少于2万字
③其他要求:
三千字英文资料的翻译
指导教师签名:
年月日
学生签名:
年月日
系(教研室)主任审批:
年月日
说明:
1本表一式二份,一份由学生装订入册,一份教师自留。
2带*项可根据学科特点选填。
基于fpga大气激光通信机的调制电路
摘要
近年来,人们对宽带多媒体业务的需求促进了整个通信网络的宽带化发展,光波是宽带信息的最佳载体,光纤通信的发展已证明了这一点。
与光纤通信相比,大气激光通信更适合于宽带无线接入。
更适合于将大气激光通信技术与视音频压缩处理、电话线传输系统、点对点通信技术结合在一起,搭建多业务大气激光通信系统。
本文概述了多业务大气激光通信的发展状况及基本原理,介绍了其特点和用途。
重点研究了激光发射子系统的基本原理、组成结构及关键技术。
根据激光器件的特点,对半导体激光器调制的原理及特性进行了详细的分析,设计了其硬件实现电路,并对纠错编码和Verilog语言以及光学发射天线进行简单说明。
关键词:
大气激光通信;半导体激光器;Verilog语言
TheModulationCircuitofAtmosphericLaserCommunicationMachineBasedonFPGA
Abstract
Inrecentyears,demandforbroadbandmultimediaservicestopromotethedevelopmentofthebroadbandcommunicationnetwork.Lightisthebestcarrierbroadbandinformation.Thedevelopmentofopticalfibercommunicationshasprovedthispoint.Comparedwiththeopticalfibercommunication,atmosphericlasercommunicationismoresuitableforbroadbandwirelessaccessandtheatmosphericlasercommunicationtechnologyandcompressionofvideoandaudio,telephonelinetransmissionsystemandpointtopointcommunicationtechnologytogethertobuildabusinessatmospherelasercommunicationsystem.
Thispaperoutlinesthedevelopmentofmulti-serviceatmosphericlasercommunicationandbasicprinciplesanddescribesthecharacteristicsanduses.Thepaperfocusonthebasicprinciplesoflaseremissionsystemandthestructureandkeytechnology.Accordingtothecharacteristicsoflaserdevice,theprincipleandcharacteristicsofasemiconductorlasermodulationareanalyzedindetail.HardwarecircuitadesigendandtheerrorcorrectioncodeandVeriloglanguageaswellastheopticaltransmittingantennaweresimplyinstructioned.
KeyWords:
AtmosphericLaserCommunication;SemiconductorLaser;VerilogLanguage
目录
1绪论1
1.1开发背景1
1.2系统开发的意义1
1.3发展历史2
1.4国际研究现状3
1.5开发者的主要工作3
1.6大气激光通信的系统组成及其关键技术4
1.6.1大气激光通信系统组成4
1.6.2大气激光通信系统关键技术5
2激光光源7
2.1激光器的发展7
2.1.1激光器的基本工作原理8
2.1.2激光器件的选择10
2.2半导体激光器的调制原理10
2.2.1半导体激光器的调制原理10
2.2.2半导体激光器的调制特性10
2.2.3调制方式的比较12
2.2.4高速调制的实现14
2.3大气激光通信发送系统设计14
2.3.1系统框图14
2.3.2系统开发环境15
2.3.3巴克码原理15
2.3.4低速调制电路设计17
2.3.5光学发射天线19
3纠错编码基本原理20
3.1信道编码(差错控制编码)20
3.2纠错编码的分类20
3.3差错控制方式21
4介绍verilog语言22
4.1verilog语言简介22
4.2verilog语言用途22
4.3verilog语言历史23
4.4verilog语言主要能力23
4.5模块24
5总结27
参考文献28
致谢29
1绪论
1.1开发背景
光通信是利用光波作为信息载体的通信技术。
可分为有线和无线两种。
其中,有线光通信是指作为信息载体的光通过光纤传输,也称光纤通信;无线光通信(OpticalWireless,简称OW),也称空间光通信,是指在两个或多个终端之间,利用空间传输的激光作为信息载体的一种通信方式,包括深空、同步轨道、低轨道、中轨道卫星之间、地面站和卫星之间以及地面站之间的光通信。
空间光通信的研究伴随着1960年世界上第一台红宝石激光器的诞生而开始。
20世纪60年代中期到80年代中期主要进行可行性论证和一些关键单元技术的探索性研究,建立了一些简单的概念性试验系统。
20世纪80年代末到21世纪初主要进行整体系统实验装置的开发和应用性能的测试[1]。
21世纪将为空间光通信的实际应用和全面发展阶段。
多家公司都先后推出了用于短距离固定点之间通信的自由空间光通信产品。
同时,星际光通信也取得了较大的进展。
预计2015年以后空间光通信将得到广泛的应用,在军事通信、卫星通信、宽带接入和全球个人移动通信中占据举足轻重的地位。
1.2系统开发的意义
空间光通信一般可以分为:
空间卫星激光通信、大气激光通信和水下激光通信。
本课题主要研究大气激光通信。
大气激光通信是利用激光束作为信息传输的载体,以大气为传输介质在空间中直接进行语音、数据、图像等信息的双向传送。
大气激光通信既具有微波通信成本低、工程周期短、架设灵活便捷的特点,又具有光纤通信频带宽、速率高、容量大、保密性好、功耗小、重量轻的优点。
其应用范围广泛,可以作为光纤通信和微波通信紧急后备措施;可用于数据网、电话网、移动通信网及视频传输等不便铺设光缆的地区;在军事设施或其他要害部门及需要严格保密的场合,在临时搭接的数据传输等方面,大气激光通信是一个很好的候选者。
光通信作为对微波通信的革命,光无线通信系统得到各国的普遍重视。
跟踪国内外在大气激光通信领域的研究,我们将大气激光通信技术与视音频压缩处理、电话线传输系统、点对点通信技术结合在一起,搭建一个多业务大气激光通信系统。
目前,我国在大气激光通信方面的研究还是存在巨大挑战,其实用化进程远落后于国际社会。
因此,研制激光通信端机,使其尽快推广使用是很有意义的。
1.3发展历史
早在1876年,贝尔发明了光电话,被认为是近代无线光通信的开始。
1930至1932年间,日本在东京的日本电报公司与每日新闻社之间实现3.6km的无线光通信,但在大雾大雨天气里效果很差。
第二次世界大战期间,无线光电话发展成为红外线电话,因为红外线更有利于信息保密。
由于光在大气中传送要受到气象条件的很大限制,信息传输受到很大的阻碍。
此外,太阳光、灯光等普通的可见光源都不适合作为通信的光源。
而高强度、可靠的光源又未找到。
因此,在此后的几十年中,无线光通信就一直裹足不前。
进入20世纪60年代,随着红宝石激光器的出现大大改善了大气激光通信系统的传输性能。
激光器的发明对无线光通信的研究工作产生了重大的影响。
研究现代无线光通信的时代也从此开始。
随着技术的不断发展,人们对大气激光通信进行了进一步的研究并形成热潮,尤其是各种军事科研机构对其研究很多并主要用于军事实验目的[2]。
20世纪80年代初,欧洲、美国、以色列及日本的军事机构和宇航机构都成功地使用了大气激光传输,但由于安全性、可靠性、经济性以及市场方面的原因未能商用化。
80年代后期,一些厂商开始从事无线光通信商用化的开发工作,当时由于传输距离和性能的问题以失败而告终。
20世纪90年代,随着掺饵光纤放大器EDFA、波分复用WDMA、自适应光学AdaptiveOptics等技术不断发展,无线光通信在传输距离、可靠性、传输容量等方面有了较大改善,适用面也越来越宽。
90年代末,自由空间光通信(FreeSpaceOptical,简称FSO)吸引了电信业的目光。
此后,FSO系统的厂商围绕着技术的经济性来开发他们的产品,因为安装屋顶到屋顶的FSO链路比挖掘城市街道、安装光纤线路快捷便宜得多。
到了世纪之交,无线通信成为一种全球时尚,满足了人们随时随地、随心所欲获取信息的渴求。
但是,无线通信所赖以生存的射频频谱正在变得十分拥挤,很难再支撑高速宽带大容量无线通信应用。
于是,人们又将目光转向了无线光通信,FSO重出江湖,并在悉尼奥运会上使用,成功地在水上中心与演播中心之间进行无间断图像传送[3]。
近年来,大气激光通信技术逐渐走向实用化。
美国、日本、英国等国家相继推出了一些大气激光通信产品,比如美国Terra公司的一系列大气光通信产品,日本佳能的无线光通信系统等。
目前5km左右的大气光通信已进入实用阶段。
大气激光通信将度过其发展中的阴暗时期,迎来它光明的未来。
1.4国际研究现状
国际上大气激光通信的研究是综合卫星、飞机、地面等方面进行的,从事这方面研究的主要机构在美国、欧洲和日本。
由于该系统主要是以国防军用为主要目的,因此欧日美的主要研究机构一般都是国家或军事部门,如美国航空宇宙航行局(NASA)和美国空军;日本的邮政部通信研究室(CTL)和宇宙开发事业团(NASDA);欧洲的欧洲航天署(ESA)等。
美国是世界上最早开展激光通信技术研究的国家,也是研究技术走在最前沿的国家之一,它最主要的研究部门有美国宇航局(NASA)和美国空军,NASA首次涉足激光通信是20世纪70年代初,它考虑的应用是高码率的同步卫星间光连接和低码率的深空光中继。
以后,随着体积小、重量轻和成本低的近地卫星(LEO)的增多,以及相应的关键技术和元器件的发展,激光通信的应用将逐步扩展到LEO—LEO,LEO—GEO,LEO—地面站和LEO—飞机的光通信链路。
1980年,林肯实验室在射频通信领域就已具有领先地位,同时又负责美国空间激光通信的研究,开始建立空间激光通信系统,从事必要部件及系统的开发研究、演示、实验论证。
早期的林肯实验室从事相干光通信的研究,其主要光源是用商用的30mWAlGaAs半导体激光器。
采用外差法成功地实现了终端—终端高码率卫星通信的演示实验,并且演示了空间捕获和跟踪定位功能[4]。
1.5开发者的主要工作
课题设计了一种多业务大气激光通信系统,主要包括以下工作。
a.论述了课题研究的背景、目的及意义;介绍了国内外大气激光通信的发展现状、水平及存在的问题;阐述了大气激光通信的系统组成及其关键技术。
明确了自己的研究工作。
b.从激光光源入手,介绍了半导体激光器的原理及器件的选择。
重点介绍了半导体激光器的调制原理及特性;比较了两种常用的调制方式;并详细阐述了其硬件实现电路。
除此之外,对纠错编码器及光学发射天线进行简单说明。
c.对差错编码基本原理进行简单介绍。
d.介绍Verilog语言的用途简。
e.对课题进行总结,概括了论文所得出的重要结果,提出了今后需要进一步完善和解决的问题。
1.6大气激光通信的系统组成及其关键技术
1.61大气激光通信系统组成
大气激光通信系统主要由激光光源子系统、发射子系统、接收子系统以及大气信道组成。
其系统框图如图1.1所示。
图1.1大气激光通信系统框图
该系统可完成语音、数据、图像等信息的双向传送。
光发射机的作用是在发射端将电信号转变成适合于大气信道传输的光信号,光接收机的作用是在接收端对光信号进行接收、放大和处理。
信源是信息的产生之地,其信号可能是模拟的,也可能是数字的。
信源编码器,负责把信源发出的信息转换成数字形式的信息序列,主要包括模拟/数字(A/D)变换和压缩处理,用于提高系统的有效性。
纠错编码器,其目的是在数字序列中加入一些冗余信息,以便在接收端克服信号在信道传输时所遭受到的噪声和干扰的影响,所以冗余信息实际上是用来提高系统的可靠性的。
编码后的信号加载到调制器上,调制器的激励电流就随信号的变化规律而变化;通过激光器调制、驱动电路对激光器进行直接光强度调制后,驱动半导体激光器发光;最后经过光学天线变换为发散角很小的已调光束向空间发射出去。
接收机光学天线接收到已调光束之后,经过光检测器将传来的微弱光脉冲信号转换成电流脉冲信号。
由于受大气信道噪声和电路噪声的干扰,该电信号在幅度上受到衰减,宽度上被展宽,因此在解调之前,需要进行预处理。
主要包括信号的放大、滤波及脉宽处理。
纠错译码器根据纠错编码器所采用的编码方法以及接收数据所含的冗余信息重构原始序列。
信源译码器接收到信道译码器的输出序列后,还原出由信源所发出的原始信号。
信宿,信息的接收者,即为信息最后到达的目的地。
1.6.2大气激光通信系统关键技术
通过对大气激光通信系统组成结构的分析可知,大气激光通信的主要包括以下关键技术[5]。
a.光源及高码率调制技术。
在空间光通信系统中大多可采用半导体激光器作为信号光源,其工作波长为0.8~1.5微米近红外波段。
信号光源选择输出功率为几十毫瓦的半导体激光器,要求输出光束质量好,工作频率高。
高效、可靠的高速调制、解调技术是高传输速率和低误码率的保证。
综合考虑系统复杂度和可靠性要求,大气激光通信系统一般采用强度调制/直接探测方式。
编码方式则根据不同的系统有所不同,而且随着数据率的提高,新的编码方式也不断出现。
由于大气信道的特殊性,雨、雪、雾、霾等对通信系统都有影响,国外已经有可以全天候工作的无线激光通信设备投入使用。
国内目前多以光放大器把光纤中的信号进行放大后通过大气信道进行传输,采用OOK调制方式,证明了大气信道可以传输GHz量级的信息。
为了克服大气信道对通信系统的影响,主流观点是建议采用PPM调制方式,需要对高速的PPM调制、帧格式以及同步技术(字同步、帧同步和码同步)进行研究。
研究重点是GHz量级高速率编码技术及其硬件实现。
b.高灵敏度抗干扰的光信号接收技术。
空间光通信系统中,光接收机端接收到的信号是十分微弱的,加之在高背景噪声场的干扰情况下,会导致接收端S/N<1。
为快速、精确地捕获目标和接收信号,通常采取两方面的措施:
一是提高接收端机的灵敏度,达到nW~pW量级;二是对所接收信号进行处理,在光信道上采用光窄带滤波器(干涉滤光片或原子滤光片等),以抑制背景杂散光的干扰,在电信道上则采用微弱信号检测与处理技术。
c.差错控制编码技术,也称为纠错编码。
在实际信道上传输数字信号时,由于信道传输特性不理想及噪声的影响,接收端所收到的数字信号不可避免地会发生错误。
为了达到预期的比特误码率指标,首先应该合理设计基带信号,选择调制解调方式,采用时域、频域均衡,使比特误码率尽可能降低。
但实际上,在许多通信系统中必须采用差错控制编码才能将比特误码率进一步降低,以满足系统指标要求。
d.精密、可靠、高增益的收、发天线。
为完成系统的双向互逆跟踪,光通信系统均采用收、发合一天线,隔离度近100%的精密光机组件(又称万向支架)。
国际上现有系统的天线口径一般为几厘米至25厘米。
e.快捷、精确的捕获、跟踪和瞄准技术。
这是保证实现空间远距离光通信的必要核心技术。
ATP系统包括粗跟踪(捕获)系统和精跟踪(跟踪和瞄准)系统两部分。
对于在大气中传输路径较长的FSO系统,强湍流对光束对准的影响较大,除了要采用大气信道处理方面的技术外,还需采用自适应变焦光学天线技术。
f.大气信道处理技术。
大气信道对激光传输质量的影响主要体现在分子吸收、大气散射和大气湍流三个方面。
其中,分子吸收和大气散射会导致激光光强衰减。
大气湍流会导致光强闪烁、光束漂移、到达角起伏和波前畸变等。
总之,由于激光具有高度相干性和空间定向性,因此大气激光通信在许多方面优势明显,例如抗干扰能力强、安全性好、设备体积小、频谱不受管制、功耗低、系统机动灵活、易于扩充及组网灵活等。
但同时也存在着大气衰减严重、大气信道随机性强、精确对准和保持难度大等问题。
2激光光源
2.1激光器的发展
回顾半导体激光器发展的历程,早在1953年9月,美国的冯·纽曼(JohnVonNeumann)在他一篇未发表的论文手稿中第一个论述了在半导体中产生受激发射的可能性,认为可以通过向PN结注入少数载流子来实现受激发射。
巴丁(J·Bardeen)在总结冯·纽曼关于半导体激光器的基本理论后认为,通过各种方法(例如向PN结注入少数载流子)扰动导带电子和价带空穴的平衡浓度,致使非平衡少数载流子复合而产生光子,其辐射复合的速率可以像放大器那样,以同样频率的电磁辐射作用来提高。
1958年,苏联列别捷夫物理研究所的巴索夫首次公开发表文章提出在半导体中实现负稳态(即粒子数反转)的理论论述。
1961年,他们又最先公开发表将载流子注入半导体PN结以实现“注入激光器”的论述,并论证了在高度简并的PN结中实现粒子数反转(这是产生受激发射的必要条件)的可能性,而且还认为有源区周围高密度的多数载流子造成有源区边界两边的折射率有一差值,因而产生光波导效应。
这些理论对其后半导体激光器的出现起了积极的促进作用,巴索夫因此而获得诺贝尔奖。
1960年贝尔实验室的布莱(Boyle)和汤姆逊提出了用半导体的平行解理面作为产生光反馈的谐振腔。
1961年伯纳德(Bernard)与杜拉福格(Duraffourg)利用准费米能级的概念推导出在半导体有源介质中实现粒子数反转的条件。
在1960年研制出红宝石激光器的推动下,美国和苏联的科学家加紧了对半导体激光器的研究。
特别是1962年元月,梅贝格(S·Mayburg)报告了可以从GaAsPN结中得到100%的荧光量子效率,致使在1962年后期美国的四个实验室几乎同时宣布研制成功GaAs同质结半导体激光器。
第一代半导体激光器由此诞生。
1967年在半导体激光发展史上一个重要的突破是用液相外延的方法制成了单异质结半导体激光器,替代用扩散法形成同质PN结的方法,实现了在室温下脉冲工作的半导体激光器。
1970年,贝尔实验室又实现了双异质结构的半导体激光器,使半导体激光器在室温下连续工作。
自1970年后,半导体激光器得到了突飞猛进的发展,先后研制成功分布反馈式半导体激光器、垂直腔表面发射激光器、量子阱半导体激光器、大功率激光器二极管阵列。
2001年《科学时报》中报道由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制成功的大功率半导体激光器——“无铝量子阱大功率激光器列阵”。
由于各种应用的需要,半导体激光器正在迅速发展,并广泛应用于光纤通信、光传感、光盘、激光打印、条形码扫描、测量、自动控制、医疗、材料加工、激光制导跟踪、激光雷达、激光引信以及作为泵浦光源方面。
半导体激光器问世使信息光电子技术产生了里程碑式的飞跃,它的发展不过40多年的历史,已经取得举世瞩目的成就,各项性能参数有很大提高,应用领域日益扩大。
为了满足21世纪信息传输宽带化、信息处理高速化、信息存储大容量以及军用装备小型高精度化等需要,半导体激光器在趋向以下几个发展方面,如高速宽带LD、大功率LD、短波长LD、量子线和量子点激光器、中红外LD、激光雷达,并取得一系列重大发展[6]。
2.1.1激光器的基本工作原理
前面从宏观上介绍了半导体激光器的结构、特点及应用,但是激光是怎样产生的呢?
光子与半导体中载流子的相互作用如何呢?
为了说明问题,先从光的受激辐射讲起。
如图2.1所示。
(a)导带能量(b)受激辐射(c)能量输出
图2.1光的受激辐射
图2.1(a)(b)(c)中Ec为导带能量,Ev为价带能量。
在直接带隙半导体中,设有一个处于导带的电子,当一个频率为f的外来光子趋近它时,这个电子受到光子的“刺激”,从高能态的导带跃迁到低能态的价带与空穴复合,同时辐射出一个能量为E=Ec-Ev的光子来。
这个过程叫做光的受激辐射。
由于受激辐射的光子是受外来光子的刺激而产生的,所以它与外来光子一模一样,不仅频率相同,而且传播方向、振动方向和振动相位都完全相同。
由图2.1可以看出,在一个外来光子的“刺激”下,将有两个完全相同的光子辐射出去,如果外来的光子代表入射光波,那么,输出光波就增加了一倍,也就是说,光波振幅被放大了。
这就是半导体激光器的工作原理基础。
激光器基本结构由激光工作物质(也称激活介质)、泵浦源(即激励源)和光学谐振腔三部分组成。
激光器结构框图如图2.
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 学位 论文 基于 fpga 大气 激光 通信 调制 电路