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题名	基于雪崩光电二极管的紫外光通信系统研究
作者	王荣阳
答辩日期	2012-05-31
文献子类	博士
授予单位	中国科学院研究生院
导师	李向阳 ; 张燕
关键词	雪崩光电二极管 紫外光通信 散射 调制解调 Fpga
学位专业	微电子学与固体电子学
英文摘要	紫外光通信是以大气粒子对日盲紫外光的散射和吸收为基础的新型自由空间光通信方式。它克服了无线电通信和传统光通信方式的缺点，具有非视距、抗干扰、低窃听、电磁静默等优点，能够满足复杂地形环境下全天候、全方位保密通信的要求，在军事和民用方面都有巨大应用前景，紫外光通信系统发展至今受到国内外研究机构的高度重视。传统的紫外光通信分别以气体放电灯、光电倍增管作为发射端光源和接收端探测器，伴随着紫外半导体技术的发展以及紫外光通信系统的进步，它们必将被紫外LED和紫外雪崩光电二极管(APD)探测器所取代。本文以搭建LED作为光源、APD作为探测器的紫外光语音、数据通信系统为目标，以APD探测器的应用为主线，围绕紫外光通信系统仿真、电路设计、编解码、调制解调、传输性能测试等问题开展了一系列研究。为了解决紫外光通信中信道传输的相关问题，论文首先研究了大气粒子对紫外光的散射特性及大气传输模型的仿真。通过对瑞利散射和米氏散射系数的研究，得出了与MODTRAN模型计算结果相近的紫外光散射系数以及紫外光能量分布；利用单散射模型进行仿真和计算，得出了一定结构参数紫外光通信系统的带宽、传输损耗、延时等信息，为紫外光通信收发结构、系统带宽等设计提供了理论支持。对可以应用在紫外光通信系统的各种光源以及APD探测器的制备进行了介绍，研究了符合ICNIRP和IEC规定的人体安全限度的紫外线曝露值。通过对比选择了日亚公司的365 nm大功率LED作为光源；讨论了PMT和APD的优缺点，由于目前GaN APD在高偏压下暗电流较大，根据课题需要选择了滨松公司硅APD作为验证探测器。选择了可以满足本文需要的光学系统，为实验平台的搭建提供了保障。讨论了适用于无线光通信系统的几种调制解调方案，从带宽利用率、功率利用率、传输容量和错误概率等方面分析对比了开关键控(OOK)、脉冲位置调制(PPM)和差分脉冲位置调制(DPIM)的性能。结果表明，OOK调制方式最简单，不需要帧同步，带宽需求最小，但是功率效率低。PPM比OOK有更高的功率效率，但是其所需带宽也在不断增加。从错误概率上来看，调制阶数一定时，PPM的抗噪声性能优于其它调制方式。简要介绍了无线光通信系统里常用的信道编码技术以及语音压缩编码方案，选择了AMBE压缩编码技术作为紫外光语音通信系统的音频压缩手段。详细给出了紫外光通信系统发射端和接收端各个模块的软硬件设计。包括音频、数据输入电路、AD、AMBE2020的接口电路、FPGA时序控制、LED驱动电路以及PCB设计中需要注意的问题。讨论了APD微弱信号放大电路设计方案，设计了具体电路图，经过测试该电路信号最低可对nW级光信号作出响应，动态范围达56dB。阐述了FPGA同步、解调方案，以及AMBE2020编解码时序。完成了紫外光通信误码仪的设计与并对紫外光通信的传输性能进行了测试。误码仪发射伪随机码序列并通过LED光脉冲发射至信道，接收端接收被测系统送来的数字码流，经过FPGA同步、解调之后通过RS232传送到上位机，LabVIEW程序完成原始信息复原，并与本地伪随机码进行比较，统计计算误码率。计算了符合紫外光通信需求的APD参数，对GaN肖特基器件、GaN APD器件的应用情况进行了对比实验。最后根据APD器件盖革模式工作特点设计了混合模式淬火电路，对暗计数率、单光子探测效率等参数的测试进行了初步讨论。本文阐述了基于APD和LED的紫外光通信系统的设计原理及具体方案，组建了完整的紫外光语音、数据通信系统并完成了通信实验和传输性能测试。通过这一阶段的研究工作，已在系统的搭建和GaN APD应用上取得了一定的进展，实现了低速率、短距离、非视距紫外光通信。实验结果表明APD应用于紫外光通信切实可行，但在提高GaN器件性能参数、室外日盲通信实验上值得做一进步的研究。
学科主题	红外探测材料与器件
公开日期	2012-09-11
内容类型	学位论文
源URL	[http://202.127.1.142/handle/181331/5462]
专题	上海技术物理研究所_上海技物所
推荐引用方式 GB/T 7714	王荣阳. 基于雪崩光电二极管的紫外光通信系统研究[D]. 中国科学院研究生院. 2012.

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