基于激光通信技术语音传送装置本科毕业设计文档格式.docx
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1.1激光通信简介
所谓激光通信,是以激光光波为载波,并用脉冲数字编码来调制这一载波的通信方法激光具有扩散小、相干性和方向性好、光束功率密度大等优点,因而适合于保密通信和航天通信与无线电微波通信相比,激光通信由于其通信容量大,发射天线体积小,抗射频,抗电磁脉冲干扰以及反窃听性能好,特别是抗核破坏能力强等优点而倍受军事和航天领域的青睐。
釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。
激光通信技术将激光与电子很好地结合在一起,与以往的通信技术相比,具有四个显著的特点。
(1)通信容量大。
通信容量的大小,通常指一对电线(或电缆)上能通多少路电话,激光可用的频率范围为1ⅹ107-1ⅹ109兆赫,比微波频率高10万-100万倍,一束激光可容纳100亿路电话。
如果全球人口按60亿计算,则全世界的人同时利用一束激光通信还绰绰有余。
怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。
(2)通信质量高。
且F指抗干扰性强,信噪比高,失真度小。
激光通信能有效地满足这些要求:
通电话声音清晰;
传输数据准确无误;
传递图像色彩逼真。
谚辞調担鈧谄动禪泻類。
(3)保密性好。
由于激光几乎是一束平行而准直的细线,在空间传播时它的发散角很小,加之用以传输信息的激光大多是不可见的红外光,所以想截获激光非常困难。
嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。
(4)原料足,价格低。
制造光纤的原料是地球上取之不尽的石英,只要几克石英就能制出一公里长的光纤。
因而用光纤代替普通金属导线可以节约大量宝贵的有色金属铜和铝。
由于光导纤维的传输损耗低,因此中继站距离长。
一般同轴电缆每隔3千米就要设一个中继站,距离可超出30千米,这就意味着采用光纤通信的投资可以大大降低。
熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。
1.2国内外发展现况
激光问世后,将激光应用于通信的想法就随之产生了。
在国际上,美国、英国,日本、前苏联等国家,广泛开展了对激光大气通信的深入研究。
鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。
早在二十世纪70年代,人们就开始了激光大气通信技术的研究,但由于当时光纤通信较为成功,激光自由空间的通信未能得到充分重视。
近几年来,由于移动通信的需要和微波通信的带宽限制,光自由空间的通信取得了很大的进展。
美国朗讯公司采用1.55μm波段的半导体激光器加光纤放大器(EDFA)作为发射光源,并采用波分复用结构,实现10Gbps容量的空间光通信。
本、欧洲等国家也报道了几种空间激光通信装置。
我国电子科技大学采用二氧化碳激光器(10.6μm波长,内腔式),实现定点双工四线制三路电话的大气通信(技术成果编号88210414);
中山大学激光与光谱学研究所采用音频或数字信号的调幅激光制式工作实现大气通信传输(技术成果编号89209283)。
但它们都因通信容量低,在通信系统的结构上,没有与其他通信设备(包括光纤通信、微波通信)的接口,故实用价值小。
为解决上述问题,中国科学院上海光学精密机械研究所报导了一种无线激光通信端机实现了与其它通信设施的接口(技术成果编号00217069.8),但由于该端机设备昂,未能得到广泛应用。
纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。
本课题便是以一种能实现语音通信的大气激光通信系统为例,目的在于提供一种价格便宜、携带方便、同机具有激光信号发射和接收装置。
该设备发射装置发出调制激光信号可在自由空间传输。
颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。
第二章课题设计原理
2.1大气激光通信系统
濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。
图2—1大气通信系统框图
大气激光通信是以大气作为激光光束传播介质的激光通信,可传送电话、数据、传真、电视和可视电话等由于CO2激光器发射的10.6微米激光大气传输性能好,因此目前的大气激光通信系统多采用CO2激光器,大气激光通信原理框图如图所示。
銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。
放大后的输人信号经调制器调制,输出一系列调制脉冲这些脉冲进人激励器并激活激光器,使激光器喷射出一束束载有信息的激光。
这些光束由发射天线定向发射出去。
接收端收到的光信号经多层滤光器滤出杂散光,然后进人光电倍增管,转换成电信号将这些电信号解调放大,送人信息输出装置,从而完成通讯。
挤貼綬电麥结鈺贖哓类。
2.1.1激光器
激光器是光通信的关键部件,目前使用的光源有:
CO2激光器、He-Ne激光器、Nd:
YAG激光器、准分子激光器、半导体激光器,其中CaAs半导体激光器应用最多,它结构简单、抗震动、体积小、寿命长。
赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。
2.1.2光的调制
调制就是把信号叠加到载波上。
调制器是一种电光转换器,它使输出光束的某个参数(强度、频率、相位、偏振等)随电信号变化,完成光的调制过程。
调制方式有内调制和外调制两种。
把被信息信号调制了的电信号直接加到光源(或电源)上,使光源发出随信息信号变化的光信号称为内调制。
把调制元件(如光电晶体等)放到光源之外,使被信息信号调制了的电信号加到调制晶体上,当光束通过晶体后,其光束中的某个参数(强度、相位、频率、偏振等)随电信号变化而变化,从而成为载有信息的光信号称为外调制。
无论是外调制还是内调制,每一种调制方法都有各种不同的调制形式。
下面介绍调制中激光二极管通信中的几种脉冲调制形式,如图所示。
塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。
(1)脉冲调幅:
使激光脉冲的幅度(强弱)按照信号的变化规律来变,如图2b所示。
(2)脉冲调宽:
使激光脉冲的宽度随信号的强弱变化而变化,信号越强,脉冲的宽度越大,如图所示。
(3)脉冲调频:
激光脉冲随信号的强弱而改变其疏密程度,如图所示,信号越强,激光脉冲就越密。
这种调制方式对于激光二极管来说较易实现,通信质量较好,受干扰影响小,接收后进行解调也很方便,采用普通的积分电路即可完成。
此外直接调制还有编码调制等。
在外调制中,有振幅调制、频率调制、脉码调制、偏振调制等。
裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。
图2—2几种脉冲调制的形式
2.1.4光接收系统
光接收是把从远处传来的已被调制的光信号通过光学接收透镜汇聚,滤波器滤波,光电探测器进行光电转换的过程。
接收方式有直接检测接收和外差检测接收。
直接检测接收是利用光学系统和光电探测器把光信号直接转换成电信号的过程,它是一种简单而实用的接收方式,如砷化镓激光通讯就是直接检测接收,缺点是灵敏度低、信噪比小。
仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。
外差检测接收的原理与无线电波的外差检测接收相似。
光学系统接收到频率为fc的光信号,经滤波器和有选择反射镜到光混频器的光敏面上;
同时本振激光器所产生的频率为f0的激光通过反射镜也反射到混频器的光敏面上。
混频器就是一个光电检测器,它对两束叠加的光波起检测和混频作用。
输出差频fm=f0-fc中频信号。
经中心频率为fm的带通滤波器还原成电信号。
这种接收方式灵敏度高,信噪比大,但设备复杂,技术难度大。
绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。
光电检测器(或光电探测器)也是激光通信的核心部件,用于光信号接收转换。
目前常用的光电探测器有:
光电子发射型光电倍增管;
光生伏特型PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD);
光电导型碲镉汞检测器等。
它们可用于半导体激光通信、Nd:
YAG激光通信和CO2激光通信等系统。
骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。
2.2ATMEGA32简介
设置音频传输需要使用两个Mega32芯片。
ATmega32是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。
由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间,ATmega32的数据吞吐率高达1MIPS/MHz,从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。
2.2.1引脚说明
VCC:
数字电路的电源
GND:
地
端口A(PA7..PA0):
端口A为A/D转换器的模拟输入端。
端口A为8位双向I/O口,具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性,可以输出和吸收大电流。
作为输入使用时,若内部上拉电阻使能,端口被外部电路拉低时将输出电流。
在复位过程中,即使系统时钟还未起振,端口A于高阻状态。
鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。
端口B(PB7..PB0):
端口B为8位双向I/O口,具有可编程的内部上拉
电阻。
在复位过程中,即使系统时钟还未起振,端口B处于高阻状态。
栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。
端口B也可以用做其他不同的特殊功能。
端口C(PC7..PC0):
端口C为8位双向I/O口,具有可编程的内部上拉电阻。
在复位过程中,即使系统时钟还未起振,端口C处于高阻状态。
如果JTAG接口使能,即使复位出现引脚PC5(TDI)、PC3(TMS)与PC2(TCK)的上拉电阻被激活。
除去移出数据的TAP态外,TD0引脚为高阻态。
端口C也可以用做其他不同的特殊功能。
辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。
端口D(PD7..PD0):
端口D为8位双向I/O口,具有可编程的内部上拉电阻。
作为输入使用时,若内部上拉电阻使能,则端口被外部电路拉低时将输出电流。
在复位过程中,即使系统时钟还未起振,端口D处于高阻状态。
端口D也可以用做其他不同的特殊功能。
峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。
RESET:
复位输入引脚。
持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。
门限时间见P35Table15。
持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。
詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。
XTAL1:
反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。
XTAL2:
反向振荡放大器的输出端。
AVCC:
AVCC是端口A与A/D转换器的电源。
不使用ADC时,该引脚应直接与VCC连接。
使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC连接。
则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。
AREF:
A/D的模拟基准输入引脚。
2.2.2特点及功能
AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。
所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU)相连接,使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。
这种结构大大提高了代码效率,并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。
胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。
ATmega32有如下特点:
32K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力,即RWW),1024字节EEPROM,2K字节SRAM,32个通用I/O口线,32个通用工作寄存器,用于边界扫描的JTAG接口,支持片内调试与编程,三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C),片内/外中断,可编程串行USART,面向字节的两线串行接口,8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP封装)的ADC,具有片内振荡器的可编程看门狗定时器,一个SPI串行端口,以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。
工作于空闲模式时CPU停止工作,而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作;
掉电模式时晶体振荡器停止振荡,所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作;
在省电模式下,异步定时器继续运行,允许用户保持一个时间基准,而其余功能模块处于休眠状态;
ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工作,以降低ADC转换时的开关噪声;
Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行,其余功能模块处于休眠状态,使得器件只消耗极少的电流,同时具有快速启动能力;
扩展Standby模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。
鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。
第三章硬件电路电路设计
3.1总体方案设计
图3—1总体方案设计图
如上图4.1(a)所示,该系统可以发送27.7kbps波特率的任意数据。
如上所述,该系统设置为传送语音数据。
麦克风的输入是有一定条件的,即放大和偏置,这样以便充分利用8位范围内的模拟数字转换器。
为了尽量减少出现间歇振荡,并且还要最大限度地保证音质,因此要花费大部分的时间为麦克风的输入优化放大器。
稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。
模拟信号一旦通过ADC得到数字信号,微控制器便把信号传递给UART。
根据串行协议,在异步传输引脚上设置一个高低。
具备这些条件的信号就能确保恒定电流给激光。
陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。
在接收端,用光敏三激管来读取信号,然后即将被关闭的信号经过了晶体管的比较,产生了适当的高,低信号。
这些信号是通过异步读取的,并根据串行协议产生一个字节,这字节在端口通过数模转换器发送,最后应用于扬声器。
沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。
3.2硬件电路设计
图3—2麦克风放大器
第一步是将传输的声音进行数字化声波。
为此,我们选择使用驻极体传声器。
从麦克风输出来的信号直接由模拟数字转换器来阅读太低,所以需要有一个放大器。
在放大器处理信号之前,首先要通过电容删除直流,然后通过一个分压器适当的偏置信号。
LF353运算放大器用来提高信号,电阻调整其增益。
麦克风的增益约为50-100。
钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。
图3—3激光驱动器
由A/D转换器将麦克风输出的信号转换成8位,单片机产生相应的位去传送(包括启动和停止位),并将其应用于5V和0V信号的激光驱动电路。
该晶体三极管在这个电路为5V,并根据二极管和电阻值提供适当的电流。
懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。
图3—4接收器
光电二极管在不同的(遥远的)的位置检测激光脉冲。
信号通过比较器得到确定的5V和0V电压值,然后被接给单片机上的接收引脚。
謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。
图3—5激光驱动器
一旦信号通过数模转换器(未显示,它是一个简单的过程),便被升高电压然后再由低通滤波器滤波(以优化音质)。
呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。
第四章软件设计
4.1半双工软件UART
为了接收和发送文字和音频数据,我们决定实施一个效仿硬件UART的的工作方式的软件议定书。
这意味着我们将发送的信息以数字形式通过串行数据链路。
激光将基本上构成了“电线”连接在两个UART软件的接口。
我们可以很容易地为我们的软件UART引脚保留接收和发送两个端口(最后文本中的代码引脚D.0和D.1分别为接收和发射)。
这些工作都由接收子程序和传送子程序执行并且实现的。
这些子程序的发展说明如下。
莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。
通用非同步收发传输器(UART)运行的前提是可以通过单线连接传送一个8位的(有时9位)数据电文,并且在来源和目的地之间没有时间同步。
因为8bit信息是串联传送,所以由此产生的单线连接称为串行数据链路。
UART的异步部分(这是在我们的软件里最吸引我们仿效UART的地方)是通过发送已知的位来表示数据电文的开头和结尾。
这些位在UART协议里分别被称为启动位和停止位它们分别是0和1。
当UART没有传送一个保持逻辑高
(1)的数据,则一个逻辑低(0)便开始传输,接收端便知道该邮件被转发,并开始“关注”。
8bits开始位的后面是讯息的内容。
8bits始终跟着逻辑高
(1)停止位。
(我们的目的是忽略更加复杂的1个奇偶校验位的实现)。
在UART的硬件实施中大多数Atmel公司的UART芯片的样品能在信息位中间3次收到比特值,并根据“多数决定原则”确定比特值。
相比之下,我们的软件UART样品只有一次在中间收到bits,以确定其比特值。
麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。
此外,另一个关键的区别是我们的软件UART和大多数硬件UART是一个半双工的UART。
这就是说,在任何特定时间它只能传送或接收,而不是在同一时间发送和接收(全双工)。
全双工的UART软件将更为复杂,我们没有应用的必要。
納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。
由UART通过串行数据链路传送的比特的速率称为波特率.此外,数据传输率300baud与300bps相似。
这种数据传输速率是非常重要的,其原因有两个:
它决定了通话时UART的传送必须保持比特值的时间,并决定UART的接收必须等待采样比特之间的时间。
这两个时间实际上是相同的,并且也是我们的UART软件实施软件延迟调用的时间。
風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。
要计算的时间长度,我们需要拖延到最后,我们必须知道进入每个发送和接收的子程序后要实施必要的措施以改变位值并且确定是否收到位值共约1μs,所以我们必须从我们的最终结果减去这一数额。
灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。
我们首先必须计算时间长一点的理想波特率:
(4.1)
在μs时期:
(4.2)
然后,我们这一轮的结果减去1μs。
最后的delay:
(4.3)
注:
delay:
最终延迟;
baud:
波特率;
在最后的代码中这个拖延是表示为“buadnum”。
我们还需要接收器的“halfbuadnum”(buadnum/2的结果可作为一个经验法则,除非buadnum是奇数)。
无论什么时候与这些计算有关的误差只持续8位,因为信息只有8位长。
这样的错误将在下一个传送开始的时候被“重设”,因此我们发现,该软件UART不能对错误敏感到微秒(特别是在较低bauds)。
铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。
应当指出的是,我们为AVR8-bitRISC微控制器系列用于创建我们的软件UART的许多概念是来自半双工的小型软件UART的Atmel应用说明。
提供的代码与此应用程序的书面说明完全是汇编语言,.所以我们又提出一个任务是执行一个C版模仿其运作。
攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。
4.2发送子程序
为了在串行数据链路上传输一个字节,(8位)我们制定了一个发送子程序。
这个子程序将8bits赋给字符变量Txbyte,然后在LSB开始的时候在每次转移一个位到串行数据链路上的。
数据字节等待着被发送置于Txbyte,并且然后为了发送这个数据必须调用put函数。
要重要注意的是,要用一个指令把Txbyte的内容破坏。
趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。
我们认为当我们向右移位(是0)看起来就像1值的停止位时,为了把位值转移到Txbyte,最好的办法就是在put子程序开始的时候就颠倒Txbyte,也就是将所有的0变1,1变0,这就在子程序结束时消除了一些逻辑作作停止位。
我们也设一个变量名为carry的变量,它基本记录着从Txbyte转移出的最后一位,并且这个变量代表目前正在发送的位值。
最后,我们有一个名为bitcnt的变量,它记录目前我们正在发送的比特数。
在该子程序开始的时候,我们把它设置为9+sb,每次发送一位递减(sb是数量停止位,代码的最后版本中用sb作为1)。
夹覡闾辁駁档驀迁锬減。
我们首先要做的三件事是设置bitcnt,颠倒Txbyte,并设置carry为1(开始位应为0)。
然后我们进入一个while循环,当bitcnt达到0时该循环终止。
我们一进入循环就发送当前位,这是采用通过设定carry的相反值给传输引脚(PORTD.1),然后,我们要保持这个引脚的值适量的时间(取决于需要多少波特率),所以我们时延baudnumμs。
然后,我们设置carry值
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