光束发散角对紫外LED散射通信接收能量的影响

何 宁，郭求实，何志毅

光束发散角对紫外LED散射通信接收能量的影响

何 宁，郭求实，何志毅

（桂林电子科技大学信息与通信学院，桂林541004）

为了更准确地研究紫外光的通信性能，针对紫外LED散射光通信中光能量传输特征，以及光束发散角对散射链路构成与接收光子能量有一定影响，采用多个LED组成阵列发射的方法，扩大光束与散射体的作用效应，分析了光束发散角对不同散射体作用时光子能量的变化关系，研究了紫外光散射通信脉冲调制方法与提高发射功率措施，提出了脉冲位置调制驱动阵列LED的解决方案，并进行了紫外LED散射通信系统室外传输测试。结果表明，在短距离通信中，大的散射角使得光对散射体的作用区域增大，散射效应明显，到达光接收端的光子数量增加；实际通信应用中，散射光通信具有较高的灵活性和实时性，可适当进行光学处理来优化光路结构。此结果为进一步增加传输距离和传输效果提供了正确的指导。

光通信；散射通信；光发射阵列；光束发散角；脉冲位置调制；接收能量

引 言

紫外光通信作为一种新兴光通信技术，具有保密性好［1］、收发端无需对准、可靠性高、灵活组网等优点。与红外和可见光相比，利用日盲区紫外光谱区（200nm～280nm）作为光载波实现大气通信［2-4］，由于波长短，大气对紫外光的散射作用强烈，可以绕开障碍物进行非视距通信［5］，有利于微弱信号的接收，避免了由于散射和大气湍流引起的光束漂移对视距光传输带来的影响。本文中结合紫外光散射通信原理，对光束发散角和有效散射体内光子数量传输变化关系进行理论分析，设计了一套紫外发光二极管（light-emitting diode，LED）传输系统，对调制和光传输技术进行探讨，给出了信号编码、光发散角控制、阵列LED驱动等关键技术的解决方案，完成室外环境下的传输实验。

1 光散射通信模型

散射通信即利用大气中传播媒介（如对流层及电离层散射粒子）的不均匀性对电磁波产生散射作用而进行非视距通信［6］。大气中的散射微粒，都具有将入射的光波向多方向辐射的特性。若发射机发出的光波辐射到这些地方，就会受到大气分子和气溶胶的吸收和散射，并向各方向散乱辐射出去，通过远端的高灵敏度接收机将微弱的光信号进行接收，从而完成通信。光散射链路如图1所示，有效散射体为发射端光发散角与接收端的视场角的交叠区［7］，它构成系统与接收机有直接关系的二级点光源。设发射机仰角βt（0≤βt≤π），接收机仰角βr（0≤βr≤π），光束发散角θt（0≤θt≤π），接收孔径角θr（0≤θr≤π／2），发射机和接收机之间的距离为r。

Fig.1 Link of ultraviolet scattering communication

假设T＝0时刻，F1处发出一束能量为Qt的光脉冲，经过t＝r2／c（c为光速）时间到达距离发射机为r2的二次辐射源P点处的能量为［8-9］：

式中，Ωt＝4πsin2θt，ke为大气消光系数（等于吸收系数ka和散射系数ks之和）。

信号光脉冲以均匀的圆锥角传输，在有效散射体程V内对（1）式积分，F2处接收到散射体的能量密度为：

式中，ξ表示径向坐标，η表示角坐标，φ表示方位角，P（cosθs）为单次散射的相函数，可用下式表示［10］：

式中，下标R表示瑞利散射，下标M表示米散射，其相函数可由以下两式分别得到：

式中，γ，g，f为模型参量。

从（1）式可以看出，散射传播能量正比于有效散射体积V，有效散射体积越小，散射体内散射微粒越少，二次辐射能量小，发射源的能量利用率低，传输损失大。由于散射传输信号覆盖面增大，到达接收端能量密度降低，对接收系统灵敏度要求高。由以上分析可知，云、雨、雾作为散射通信有效介质，它依据地理位置、一天中的时间和天气状况有所不同，因此，在阴天、夜间或晨曦时段对散射通信有利。

2 紫外散射通信LED驱动设计

2.1阵列LED驱动

为了提高紫外LED发射功率和发散角，系统发射光源采用2×2 LED阵列方式，由升压电路、驱动电路和电流检测电路进行恒流控制。升压电路使用双极性三极管，组成了非隔离式的升压式拓扑，该驱动器使LED灯串的恒流最优化。恒流驱动芯片采用NCP3063集成电路（integrated circuit，IC），该IC由内部温度补偿参考、比较器、一个受占空比约束的有源电流限制荡器电路和一个高输出驱动开关组成，输入直流电压为3V～40V，输出开关电流1.5A，工作频率200kHz，阵列LED驱动电路如图2所示。脉冲位置调制（palse position moducation，PPM）信号从Uin端进入，通过控制开关管V1，V2的导通和关断，由电感L1完成能量转换，实现对LED阵列的发射控制。使用这种方式可以提高转换效率，输出电流恒定，从而提高外部三极管的转换效率，采用阵列发射，散射角可以由单颗的60°扩展到140°范围，降低了对接收光路位置要求。通过电路中R1电阻的检测压降反馈到IC的输出电压检测端，作为LED恒流控制参考。

Fig.2 LED driver circuit

2.2PPM调制与软件实现

为提高系统接收能量，LED驱动信号采用PPM脉冲方式，其峰值功率可得到有效保持，平均功率降低有利于系统工作温度特性控制，信号加载及传输误码相对于其它脉冲驱动方式有一定优势。

L-PPM是一种正交位置调制，由固定的M个符号组成，每个符号的持续时间都为T秒。假定M为2的幂，即M＝2L，则包含在PPM中的信息比特位为log2M。可以将从信息比特到PPM符号的映射看作是将各符号一对一分配给L各相继信息比特中的每一位。图3为PPM信号帧格式，数字PPM通信中，同步至关重要。发送高、低4位数据前，先发送一次同步头，分别为20μs和30μs，时隙宽度设为10μs。解调时，根据接收到的同步头脉冲时间来判断数据是高4位还是低4位。

Fig.3 Frame format of PPM signal

系统应用软件编码方式产生16-PPM，编码过程相对简单，图4为PPM软件编码流程图。图中，ADC为模块名称，AD表示模数转换（analog to digital，AD），IT表示单片机工作模式。

Fig.4 Flow diagram of PPM code

3 发散角与接收光子能量分析

针对光散射信号特点，经过大气散射传输后的光子能量降低，光强分布极不均匀，受光接收机的有效光学孔径限制，采用一定口径的光学天线对到达接收端的散射能量进行汇聚，可扩大接收视场角。结合散射模型，对光子数量和光束发散角的关系进行分析。系统选用日本滨松公司生产的光电倍增管（photo mulfiplier tube，PMT）作为光接收前端，其V／I转换因子为0.1V／μA，光谱响应范围为200nm～850nm，峰值响应波长为380nm，带宽为200kHz。已知每个光子能量为hc／λ，接收孔径d＝2mm，可以得到单位时间入射到PMT的平均光子数N为：

式中，E0为单位时间到达接收机的能量密度，c和h分别为光速和普朗克常量。

图5为PMT接收光子数量随光束发散角的变化趋势，由图中可以看出，随着光束发散角的增加和有效散射体作用区域增大，散射体积的光子数量也随之增加，经二次辐射到达接收机的散射光强增大。

4 系统实验

为了验证光束发散角对通信接收性能的影响，搭建了室外紫外通信系统，测试环境为夜晚、晴。通过喷雾机喷出烟雾建立散射链路的散射体，模拟大气能见度变化。紫外光通过烟雾散射，设置在一定距离的收发端具有合适的仰角，对PPM信号的传输进行测试。

固定发射仰角和PMT接收仰角均为30°，加入导光装置来调整光束发散角，同时白天可避免强光直接照射光电倍增管。实验中由导光通道限制光束发散角在20°～120°调整，图6为通信距离为8m～10m时的接收波形变化趋势。图6a图为发散角120°的情形，接收光功率为－60dBm（近似于3.2× 109个光子能量）；图6b图为20°的情形，接收光功率为－80dBm（近似于3.2×107个光子能量）。由图可知，在光束发散角较小时，由于到达光接收端的光子数减少，接收的PPM脉冲波形边沿有些模糊，接收效果随着光束发散角增加逐渐变好，当发散角大于120°时，接收效果改善不明显。

Fig.6 Amplitude of received signal vs.beam divergence angle

表1中给出不同光束发散角变化时，对开关键控（on-off key，OOK）和PPM两种调制方式下系统接收误比特率（bit error rate，BER）的比对，设定接收、发射仰角同为30°，通信距离5m，两种调制方式调制速率相同。由测试数据分析可知，随着光束发散角增大，PMT接收光子数量增加，接收信号幅度更大，BER减小；PPM调制下的系统性能明显优于OOK调制，说明PPM调制方式在无线光通信中具有一定的优势。

Table 1 BER of system

5 结 论

通过对紫外光散射原理以及紫外LED调制特性进行分析，对系统光阵列LED的驱动方式、脉冲调制、光束发散角等关键技术进行传输性能实验。结果表明：紫外通信链路的有效散射体是系统实现散射传输的重要保障，扩大光束发散角是提高接收能量和通信距离的重要途径，在非视距通信有广阔应用前景，这为短距离通信研究提供了参考。

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Effect of the beam divergence angle on receiving energy of UV-LED scattering communication

HE Ning，GUO Qiushi，HE Zhiyi
（School of Information and Communication，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China）

According to transmission characteristics of optical energy in ultraviolet light-emitting diode（LED）scattering communication，the beam divergence angle has a certain influence on scattering link structure and

photon energy.The action effect of the beam and scatterers was strengthened with the transmit array composed by a plurality of LEDs.With the effects of different scattering on the beam divergence angle，the changing of the photon energy was analyzed.In order to study the UV communication performance more accurately，pulse modulation method and measures to increase the transmission power of UV scattering communication were studied，the solution of LED array driving circuit and the pulse position modulation（PPM）were given，scattering communication system transmission of UV-LED was tested outdoor.The experimental results showed that，in the short distance communication，large scattering angle made the light area of scatterers increase and more effective of scattering，the amount of photons arriving at receiving was increased.In the actual communication applications，the scattering optical communication was higher flexibility and real-time，appropriate optical processing can be used to optimize the structure of the optical path for increasing the transmission distance.The result provides a correct guidance for larger transmission distance and better transmission effect.

optical communication；scatter communication；light emitter array；beam divergence angle；pulse position modulation；received energy

umber of received photons vs.beam divergence angle

TN929.1

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.01.006

1001-3806（2014）01-0026-04

国家自然科学基金资助项目（60177036）

何 宁（1958-），男，研究员，主要从事光通信和光电探测方面的工作。

E-mail：ofca＠163.com

2013-04-26；

2013-05-12