２０１３年第２期 总第１７６期 光通信研究 ＳＴＵＤＹ ０Ｎ ＯＰＴＩＣＡＬ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴ１０ＮＳ ２Ｏ１３．０４ （Ｓｕｍ．ＮＯ．１７６） 无线通信技术 紫外光通信系统的噪声研究 徐浩然。左勇。张文博。范成。吴朝烨，伍剑 １００８７６） （北京邮电大学信息光子学与光通信研究院信息光子学与光通信国家重点实验室，北京摘要：在ＵＶ（紫外光）通信系统中，噪声对信号会产生比较明显的干扰。为了提高系统的通信性能，文章对ＵＶ通信系统中 的噪声进行了分析。设计了一个模块对噪声进行采样，并分析了ＰＭＴ（光电倍增管）暗电流噪声、ＰＣＢ（印制电路板）热噪声、 ＥＭＩ（电磁干扰）噪声以及电源引入的噪声等４种噪声的时域和频域特性，及其对系统性能的影响。为了克服模拟滤波性能不 理想的缺点，在接收端采用ＦＰＧＡ（现场可编程门阵列）设计了一个数字滤波器来抑制噪声。实验结果表明，该数字滤波器对 ＳＮＲ（信噪比）有３～７ ｄＢ的改善。 关键词：紫外光通信；噪声；数字滤波器；现场可编程门阵列 中图分类号：ＴＮ９２９．１２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００５－８７８８（２０１３）０２－００６５－０５ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｎｏｉｓｅ ｉｎ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ Ｘｕ Ｈａｏｒａｎ，Ｚｕｏ Ｙｏｎｇ，Ｚｈａｎｇ Ｗｅｎｂｏ，Ｆａｎ Ｃｈｅｎｇ，Ｗｕ Ｃｈａｏｙｅ，Ｗｕ Ｊｉａｎ （Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ０ｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＢＵＰＴ，Ｂｅｒｉｎｇ １００８７６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｏｉｓｅｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ（ＵＶ）ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂｒｉｎｇ ａｂｏｕｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ ｓｉｇｎａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎｓ ａ ｍｏｄｕｌｅ ｔｏ ｓａｍｐｌｅ ｔｈｅ ｎｏｉｓｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ Ｐｈｏｔｏｍｕｌ— ｔｉｐｌｉｅｒ Ｔｕｂｅ（ＰＭＴ），ｄａｒｋ ｃｕｒｒｅｎｔ ｎｏｉｓｅ，ＰＣＢ ｈｏｔ ｎｏｉｓｅ，Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ（ＥＭＩ）ｎｏｉｓｅ ａｎｄ ｎｏｉｓｅｓ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｐｏｗ— ｅｒ ｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅｉｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｉｎ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｏ ｏｖｅｒ— ｃｏｍｅ ｔｈｅ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ａｎａｌｏｇ ｆｉｌｔｅｒｓ，ｉｔ ｄｅｖｅｌｏｐｓ ａ ｄｉｇｉｔａｌ ｆｉｌｔｅｒ ａｔ ｔｈｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｅｎｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＦＰＧＡ ｔｏ ｓｕｐｐｒｅｓｓ ｔｈｅ ｎｏｉｓｅ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｄｉｇｉｔａｌ ｆｉｌｔｅｒ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ（ＳＮＲ）ｂｙ ３～７ ｄＢ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＵＶ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ｎｏｉｓｅ；ｄｉｇｉｔａｌ ｆｉｌｔｅｒ；ＦＰＧＡ （光电倍增管）进行光／电转换，并通过ＦＰＧＡ进行 ＩＪ 引 菁 近年来紫外光通信成为了无线光通信技术新的 研究热点，特别是在军事通信中，紫外光通信具有保 密性强、抗干扰能力强、可用于非视距通信和无需跟 踪瞄准等优点，这些独特的优点使其在军事通信中 得到了越来越多的应用。 滤波、解调和解扰操作，最后将数据返还给ＰＣ（个人 计算机）。本文主要研究接收端的噪声分析和处理。 卜＿叫 卜＿— 墨 皇堕 ■ Ｐｃ｝——＿１ ｒ—‘＿ ＦＰＧＡ ．＿（采样电路 ————１ ——————～ 图１ 紫外光通信系统示意图 紫外系统中由于接收信号经常处于小信号状 态，信号电压幅值不大，噪声会对信号造成很大的干 扰，若不分析噪声的特性，则会影响电平判决，导致 数据采集模块位于紫外通信系统的接收端，接 收端选用滨松公司的Ｃ７９５０—０１型日盲紫外ＰＭＴ， 将接收到的紫外光信号转换为电信号后，通过ＰＭＴ 自带的放大模块将该电流信号转换为电压信号。转 换后的电压信号通过模／数转换芯片量化为位长为 １２ ｂｉｔ的数字信号，再利用ＦＰＧＡ采集这些量化后 的数据，并通过ＦＰＧＡ的ＵＳＢ（通用串联总线）接口 返回给ＰＣ，即可对采集的数据进行分析。数据采集 模块的框图如图２所示。 系统误码性能严重下降。而目前国内对于紫外通信 系统的研究大多仅停留在信道建模和系统的调制解 调技术方面，因此分析紫外通信系统的噪声并进行 处理对于通信性能的提升具有重大意义。 １ 噪声数据采集模块的设计 图１所示为紫外光通信系统的构成。利用ＦＰ— ＧＡ（现场可编程门阵列）对信号进行调制和扰码，驱 动紫外ＬＥＤ（发光二极管）发光，接收端利用ＰＭＴ １．１ 数据采集部分的设计 编写ＦＰＧＡ与ＰＣ之间的接口程序，控制数据 采集的过程。在数据采集部分，ＦＰＧＡ收到ＰＣ发来 收稿日期：２０１２－０８—０５ 基金项目：国家“八六三”计划资助项目（２ＯＯ８ＡＡ１２ｚ２２５）；教育部青年科研创新计划资助项目（２０１２ＲＣ０４０５） 作者简介：徐浩然（１９８７一），男，吉林吉林人，硕士研究生，研究方向为紫外光通信技术。 ６５ 光通信研究 ＡＤ９２２０ １２位模／数转换芯片 雨两弧—一 发送请求｛｝１ 数据传输 （静态随机存取存储器）Ｉ堕 查 鼽ｎ ． 彳刖 ＵＳＢ（ＣＹ６８０ｌ３） 图２数据采集模块框图 的请求信息后，检测ＡＤ（模／数）时钟（３８４ ｋＨｚ）的 上升沿，然后读取采样结果，并将其存储到ＦＰＧＡ 开发板的ＳＲＡＭ中，ＳＲＡＭ的大小为２５６ ｋ× １６ ｂｉｔ，共５１２ ｋ字节。１２位的ＡＤ采样数据存储到 １６位数据位的低１２位，高４位补０。为方便后面进 行频谱分析，我们每次采集２４０×１ ０２４共２４５ ７６０ 个采样值。当采集到２４５ ７６０个采样值后，ＦＰＧＡ 停止读取ＡＤ的采样值，数据采集完成。 １．２数据传输部分的设计 在数据采集模块中，ＰＣ与ＦＰＧＡ之间通过 ＵＳＢ接口进行通信，对ＵＳＢ芯片进行固件编程并 编写驱动程序，使其完成数据搬运的功能。对芯片 进行８０５１固件编程，将其设置为Ｓｌａｖｅ ＦＩＦＯ（从属 先人先出）模式，即将其作为一个高速ＦＩＦＯ进行读 写操作。通过８０５１固件将相关的寄存器配置完毕， 且使自身工作在Ｓｌａｖｅ ＦＩＦＯ模式后，ＦＰＧＡ即可按 照Ｓｌａｖｅ ＦＩＦＯ的传输时序与主机进行高速通信。 当数据采集工作结束后，ＦＰＧＡ开始读取ＳＲＡＭ中 的数据，并将其写入ＣＹ６８０１３芯片的ＦＩＦＯ中，然 后返回给ＰＣ，在ＰＣ上显示出来，完成整个数据传 输的过程。 ２噪声特性分析 ２．１ ＰＭＴ暗电流噪声 ＰＭＴ因其自身的工作原理以及制作工艺等问 题会引入噪声。ＰＭＴ在完全黑暗的环境中仍会有 微小的阳极电流输出，经过ＰＭＴ自身所带的放大 器后转换为噪声电压，这种噪声电压称为ＰＭＴ的 暗电流噪声［１］，是ＰＭＴ引入的主要噪声，会对系统 后面的判决部分产生不利影响。ＰＭＴ暗电流密度 ｊ可以表示为 ．４７ｒｅｍｋ Ｔ ／ Ｗ、 ，１、 Ｊ一— 丁＿一ｅＸＰＩ－ Ｊ， （１） 式中，ｅ为电子电荷；ｍ为电子质量；ｋ为玻耳兹曼常 数；ｈ为普朗克常数；Ｔ为温度；Ｗ为发热溢出功率。 实验中将ＰＭＴ的密封盖盖好，使ＰＭＴ的接收 端处于完全黑暗的状态下，通过数据采集模块采集 此时ＰＭＴ产生的暗电流噪声数据，然后分析ＰＭＴ ６６ ２Ｏ１３年第２期总第１７６期 暗电流噪声的时域和频域特性。图３（ａ）所示为 ＰＭＴ暗电流噪声的时域和频域分布。从时域上看， 暗电流噪声基本在１００ ｍＶ上下波动，由于ＡＤ９２２０ 将负电压信号均转化为０，因此ＡＤ输出的最小电 压为０。从频域上看，除了丰富的低频和直流分量 外，其他频率的幅值基本相同，因此ＰＭＴ暗电流噪 声的频谱分布与白噪声的频谱非常相似。 脚 柱 ＞ ｛ 扭］ 设 出 皿］ ０ Ｏ．１ ０．２ 时间／ｍｓ 频率／ｋＨｚ （Ｃ）１００ ｋＨｚ目光灯噪声 》 ０．１６ ＿ 蚓 ０．０８ ＿ 敝 眯 坚 ０ Ｌ ▲ 一３００—１００ １００ ３００ 频率／Ｈｚ ＞２ １００广————————］ ５０厂———————————］ ０ ３００ ６００ —２００—１００ ０ １００ ２００ 时间／ｍｓ 频率／Ｉ【Ｈｚ （ｅ）电源引入的噪声 ＞ ｘｌ０一 ｇ ２ ００Ｏ ＼ 脚 ｌ ００ｏ 粗 Ｏ ０ １ ２ ３ 时间／ｍｓ （ｆ）受噪声污染的信号 图３噪声和信号的时域和频域特性 ２．２ ＰＣＢ热噪声 在ＰＣＢ中，制作工艺等问题会使信号中叠加入 徐浩然等： 紫外光通信系统的噪声研究 热噪声，电子器件的噪声特性不理想也会引入宽带 热噪声，这些热噪声都对信号有很大的干扰。在实 际测试中，我们接人１．５ Ｖ的直流信号，然后利用数 据采集模块采集直流信号。图３（ｂ）所示为直流信 号的时域和频域分布。从时域上看，信号以１．５ Ｖ 为基准上下波动，波动范围约为１００ ｍＶ。从频域 上看，除了直流分量较大之外，其他频率处的幅值基 本相同。可以看出ＰＣＢ引入的噪声为宽带热噪声。 ２．３ ＥＭＩ（电磁干扰）噪声 由于ＰＭＴ接收端工作时长时间暴露在外界环 境中，日光和电设备都会对系统产生ＥＭＩ，在系统 发射端同样会带入ＥＭＩ噪声，这些ＥＭＩ噪声叠加 于信号之上，形成很大的干扰。在室内环境中，ＥＭＩ 噪声主要体现为日光灯的噪声，而日光灯主要分为 两类：一类频率为１００ ｋＨｚ，另一类频率为１００ Ｈｚ。 这两类日光噪声经过ＰＭＴ后都会以正弦波叠加于 信号之上，形成干扰。我们分别采集这两种噪声信 号，得到１００ ｋＨｚ噪声的时域和频域特性如图３（ｃ） 所示，１００ Ｈｚ噪声的特性如图３（ｄ）所示。从时域 图可以看到两种噪声电压都基本呈现正弦波波形， 频率分别为１００ ｋＨｚ和１００ Ｈｚ。从频域图可以看出 两种噪声分别在１００ ｋＨｚ和１００ Ｈｚ处有较大的幅 值，这说明噪声信号主要集中于这两个频率之上。 ２．４电源引起的噪声 在紫外光通信系统中，稳压电源输出电压纹波 抑制比不理想，会对系统引入噪声。将稳压电源输 出设置为２ Ｖ，利用数据采集模块采集输出电压信 号，图３（ｅ）所示为电源输出电压的时域和频域特 性。可以看出，电源电压有约６０ ｍＶ的抖动，呈现 出热噪声特性。 ２．５受到噪声污染的信号 在现有平台上我们实现了采用Ｏ０Ｋ（开关键 控）调制方式的速率为３８．４ ｋｂｉｔ／ｓ的紫外通信，在 接收端采集一帧数据信号进行分析，这帧信号中混 有各种噪声的影响。图３（ｆ）所示为紫外通信中一 帧信号的时域和频域特性，由于脉冲成型方式采用 单极性不归零码而且加入了扰码功能，因此基带信 号频谱主要集中在５～２０ ｋＨｚ范围内。 ３数字滤波器的设计 当前的紫外通信系统大多使用模拟滤波的方 式。与模拟滤波器相比，数字滤波器具有精度高、稳 定性好、体积小、重量轻、灵活和不要求阻抗匹配＿２ 等特点，因此在紫外通信系统中，使用数字滤波器对 ＡＤ转换后的数字信号进行处理可以很好地达到降 噪的目的。 ３．１数字滤波器的选择 从图３可以看出，ＰＭＴ转换后的信号频谱主要 集中在５～２０ ｋＨｚ的范围内，而ＰＭＴ暗电流噪声 和ＰＣＢ的热噪声基本呈现出宽带白噪声的频域分 布特性，因此当外界日光噪声为１００ ｋＨｚ噪声时， 应该选择最优化设计法设计ＦＩＲ（有限冲击响应）低 通滤波器［３］。经过研究发现，并不希望实际中的低 通滤波器具有理想的幅频特性，即过渡带不应该很 窄，因为这种情况下单位阶跃响应会有过冲和振铃 现象，不利于后续的判决。因此低通滤波器应该在 抑制噪声的同时获得一个比较平缓的过渡带，这样 才能保持信号不发生畸变。 当外界日光噪声为频率为１００ Ｈｚ的噪声时，需 要在低通滤波器之后加入一级高通滤波器级联成为 带通滤波器【４］，选用汉明窗设计高通滤波器可以滤 除１００ Ｈｚ噪声带来的影响。 ３．２数字滤波器的设计 图４（ａ）、（ｂ）分别为使用最优化设计法设计的 ＦＩＲ滤波器的幅频特性和相频特性曲线。从幅频特 性上看，数字滤波器对１００ ｋＨｚ的频率分量有约 ２０ ｄＢ的衰减，阻带有约４０ ｄＢ的衰减，抑制了带外 噪声的影响；从相频特性上看，在信号频谱范围内相 频特性呈现出严格的线性相位特性，使信号不会产 生失真。 图４（ｃ）、（ｄ）分别为选用汉明窗设计的高通滤 波器的幅频特性和相频特性曲线。从幅频特性上 看，数字滤波器对１００ ｋＨｚ的噪声分量有约４０ ｄＢ 的抑制；从相频特性上看，在信号频谱范围内相频特 性呈现出严格的线性相位特性，信号不会产生失真。 ０ ∞ 墨一４ 援一８ ０ ４０ ８０ １２０ １６０ 频率／ｋＨｚ 频率／ｋＨｚ （ａ】低通滤波器幅频特性 （ｂ）低通滤波器相频特性 频率／ｋＨｚ 频率／ｌ【Ｈｚ （ｃ）高通滤波器幅频特性 （ｄ）高通滤波器相频特性 图４数字滤波器的时域和频域特性 ６７ 徐浩然等： 紫外光通信系统的噪声研究 系统性能带来的提升。取一帧信号进行分析，设噪 声数据为ｎｏｉｓｅ（ ），信号数据为ｓｉｇｎａｌ（ ），则ＳＮＲ 可表示为 若不对噪声进行处理会严重影响系统性能。在ＦＰ— ＧＡ上实现了两种数字滤波器，分别用于外界噪声 不同的情况时，可以有效减小噪声对系统的影响，对 于采用ＯＯＫ调制方式的紫外光通信系统，其ＳＮＲ ｓ一 ｇｆ （２） 可以提高３～７ ｄＢ，从整体上改善了系统的误码性 能。同时指出，在设计低通滤波器时，过渡带需要比 较平缓，以保证信号不发生畸变。 参考文献： 经过计算可知，当外界日光噪声为１００ ｋＨｚ噪 声信号，同时考虑ＰＭＴ暗电流噪声和ＰＣＢ热噪声 时，信号通过低通滤波器前后ＳＮＲ分别为１２．０４９ ２ 和１５．１０２ ５ ｄＢ。可以看出，经过低通滤波后，系统 的ＳＮＲ得到近３ ｄＢ的提升。 ［１３赵文锦．光电倍增管的技术发展状态ＥＪ］．光电子技 术，２０１１，３１（３）：１４５—１４８． ［２］ 向平，肖沙里，高红杰，等．基于ＦＰＧＡ平台的紫外通 当外界日光噪声为１００ Ｈｚ噪声信号时，信号经 过带通滤波器前后ＳＮＲ分别为１１．４１６ ５和 １８．５８０ ７ ｄＢ。可见，经过带通滤波后ＳＮＲ得到近 ７ ｄＢ的提升。 信系统的解调技术的研究ＥＪ］．光电子技术，２００８，２８ （２）：８６－８８． ［３］ 杜勇，路建功，李元洲．数字滤波器的ＭＡＴＬＡＢ与ＦＰ— ＧＡ实现［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２０１２． ［４］Ｎｅｋｏｅｉ Ｆａｒｚａｄ，Ｋａｖｉａｎ Ｙｏｕｓｅｆ Ｓ，０ｔｔｏ Ｓｔｒｏｂｅｌ，ｅｔ ａ１． Ｓｏｍｅ ｓｃｈｅｍｅｓ ｏｆ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｄｉｇｉｔａｌ ＦＩＲ ｆｉｌｔｅｒｓ ｏｎ ＦＰ— ５ 结束语 本文分析了噪声对紫外光通信系统性能的影 响，分析了ＰＭＴ暗电流噪声、ＰＣＢ热噪声、ＥＭＩ噪 声以及电源引入噪声的时域和频域特性，可以看出， ＧＡ ｆｏｒ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ａ］．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ８Ｌ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０ｔｈ Ｉｎｔ．Ｃｒｉｍｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（Ｃ ｒｉＭｉＣｏ ２０１０）［Ｃ］．Ｃｒｉｍｅａｎ：ＩＥＥＥ， ２Ｏ１Ｏ．６１６—６１９． （上接第４８页） ［３］ 张在宣，刘红林，戴碧智，等．分布式拉曼光纤放大器研 ｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００２，１４（１２）：１６８６—１６８８． 究进展［Ｊ］．中国计量学院学报，２００５，１６（２）：９３－９９． ［４］ Ｚｈｏｕ Ｘｉａｎｇ，Ｂｉｒｋ Ｍａｒｔｉｎ，Ｗｏｏｄｗａｒｄ Ｓｈｅｒｙ１．Ｐｕｍｐ— Ｎｏｉｓｅ Ｉｎｄｕｃｅｄ ＦＷＭ Ｅｆｆｅｃｔ ａｎｄ Ｉｔｓ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ａ Ｄｉｓ— Ｅ５］季卫平，胡卫生．拉曼光纤放大器中四波混频的研究 Ｉ－ｊ］．光通信研究，２００８，（３）：２７—２９． ［６］ Ａｇｒａｗａｌ Ｇｏｖｉｎｄ Ｐ．Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃｓ（第二版） ［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２０１０． ｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｒａｍａｎ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ［Ｊ］．Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈ— ６９