本文作者：王旭1王中宇1毛方儒2李萌3作者单位：1北京航空航天大学2中国空间技术研究院3中国空间技术研究院

系统设计

无衍射光通信系统采用强度调制／直接检测。其结构包括上位机、发送系统和接收系统，如图1所示。工作时上位机经过串口发送信号，经接口电路的电平转换，传输给微处理器，微处理器进行信号调制，把经过调制的信号传输给激光驱动器，激光驱动器驱动激光器发出光信号，经过无衍射光发生装置，以无衍射光的形式发送出去；光电接收把接收的光信号转换为电信号，经过放大电路、整形电路、解调模组和接口电路把收到的信号传送给上位机。上位机比较发送的数据和接收的数据，进而计算出误码率。

1无衍射光的产生

本系统采用结构简单、能量利用率高的圆锥透镜法产生无衍射光。如图2所示，激光器发出的激光通过准直透镜，之后入射圆锥透镜，圆锥透镜后的光场在最大无衍射距离内满足贝塞尔分布。无衍射距离zmax由圆锥透镜的孔径半径a和底角φ决定［4］。激光器输出波长为635nm，工作电流小于70mA，出瞳功率为2mW，工作温度范围为－10℃～40℃。准直透镜放大倍数为5×～10×，圆锥透镜的规格为Φ30，α＝0．5°。产生的无衍射光最大传输距离超过3000mm。

2调制解调设计

本系统采用微处理器进行双头脉冲间隔调制（DH－PIM）及其解调。DH－PIM的每个符号所包含的时隙数是变化的，并且采用两种起始脉冲。调制符号Sk（k为符号所表示的十进制数）由头部时隙和后续的m个空时隙组成。头部时隙由α＋1个时隙组成（α为整数），两种头部形式为H1和H2。H1起始脉冲宽度为α／2个时隙，其后为（α／2）＋1个保护时隙；H2脉冲宽度为α个时隙，其后为1个保护时隙。当k＜2M－1时，Sk符号的头部时隙为H1，反之为H2。DH－PIM调制不需要时钟的同步，具有较好的功率利用率、较高的传输容量、较小的误时隙率等优点［13］。

3激光驱动设计

激光驱动器选择MAXIM公司MAX3766，它为622MbpsLAN／WAN激光驱动器，包括激光调制器、自动功率控制、安全关闭等组件。激光驱动模块如图3所示，调整BIASMAX端口电阻阻值，设置激光器静态工作电流（即偏置电流），偏置电流要略小于激光器阈值电流；调整MOD端口电阻阻值，设置调制电流。

4接收系统设计

接收系统的作用是检测光信号，将受调制的光信号转换为电信号，再经放大、整形、解调等过程后发送给计算机。接收系统由光电探测器、放大电路、整形电路、解调模块等组成。光电探测器采用PIN光电二极管，其使用简单，灵敏度较高。本系统中采用KODENSHI公司生产的HPI－1KL5作为光电探测器，它属于硅PIN光电二极管，感光波长范围为450nm～1050nm。放大电路由两级集成运放组成。第一级为电压并联负反馈放大电路，其可以看作是电流－电压转换电路，把光电二极管的电流信号转换为电压信号；第二级同为电压并联负反馈放大电路，把第一级放大电路的输出反相并放大。由于光信号在大气中传播，造成的信号衰减及噪声，导致信号畸变，所以需要对经过放大电路的信号进行整形。经过整形的信号要满足TTL电平。整形电路由AD790电压比较器实现。AD790的响应时间为40ns。基准电压选择2V。当输入电压大于2V，输出4．7V，当电压小于2V，输出0．5V。经过整形的信号传输给信号解调模块，解调之后，通过串口传输给上位机。

实验验证

本系统示意图如图4所示，计算机通过串口发送数据，经过微处理器调制，激光驱动模块驱动半导体激光器，经过无衍射光发生光路后，由PIN光电二极管接收光信号并转换为电信号，再经放大整形及微处理器解调，最后又串口发送给计算机接收。计算机对发送的数据和接收的数据进行对比，计算出无衍射光通信系统的误码率。

1无衍射光产生实验

本系统产生的近似无衍射光的光斑如图5所示，在1000mm和2000mm处的无衍射光斑基本相同，表明无衍射光在传输过程中光场分布基本不变，光斑的略微变形是由于圆锥透镜加工误差、准直透镜的焦距误差、激光器输出不稳定等因素造成的。

2传输性能测试

本实验使用误码率对基于无衍射光的自由空间光通信系统进行传输性能评价。误码率是指在测量时间内，数字码元误差的数量与数字码元总数之比［14］。在本实验中，计算机通过串口发送随机数据，经过此通信系统后返回计算机，之后对比发送的数据和接收的数据，计算出误码率。调整激光器驱动电流，使半导体激光器输出功率分别为2mW和0．8mW，通信比特率设为9600bps，在不同的通信距离下的误码率如图6所示。从实验结果可以看出，当激光器输出功率设为2mW和0．8mW时，在无衍射光最大传输距离内，误码率都能满足要求。当激光器输出功率为2mW时误码率的波动不大，误码率随传输距离的变化较小。误码率主要由光电接收器件的分辨力、激光驱动装置和信号检测电路的误差、串口通信的误码等因素引起。当激光器输出功率为0．8mW、传输距离大于1500mm时，误码率明显增大，这主要是由于激光器的输出功率较小，在传输至较远距离时光强较弱，导致PIN光电二极管接收到的高低电平不易分辨，使传输系统的误码率上升。因此在合理的范围内提高激光器的输出功率，或者使用更高灵敏度的光电接收器件和更精密的检测电路，都可以有效地改善通信系统的质量。

结论

本文将无衍射光和自由空间光通信有机地结合起来，构建了基于无衍射光的自由空间光通信系统。该系统利用无衍射光作为自由空间光通信的信息载体，发挥其中心光斑直径小、零发散的特点，增加了自由空间光通信的能量利用率和互联密度；采用双头脉冲间隔调制的调制方式避免了调制解调过程中的时钟同步问题；使用专用的激光驱动芯片大大简化了电路设计的复杂程度，有利于系统的小型化和集成化；通过对误码率的测试，分析了通信的性能。实验结果表明可以有效地满足串口通信的基本要求。