0 引言

激光通信在卫星通信，水下通信，无人机通信等领域都有广泛应用。激光通信作为一种光通信方式，与无线电通信相比，具有保密性强，通信容量大，重量轻，功耗和体积小，成本低等特点^[1]。激光通信由于其系统较为复杂的原因，在民用领域还不够普及。

红外通信是一种光通信方式，广泛应用于民用领域，但其传输距离通常较短，文献[2] 设计了一种数字模拟混合红外通信系统，其通信距离仅有1.2M，实用型较差。文献^[3]设计了一种近场无线，但其系统组成复杂，生产成本较高，不适合民用领域量产。文献[4]设计了基于脉冲拨号的抗抖动，但其发送时间过长，通信速率较低。

为解决上述问题，本文设计了一种基于 的，该系统由激光发射模块、激光接收模块和F407 主控模块组成，采用方式进行信号调制。系统可以通过上位机经由串口进行控制，实现数据的收发，为低成本民用激光通信提供了解决方案。

1 激光通信系统总体设计

激光通信系统共分为软件层和硬件层，软件层由C语言编写，微控制器为软件层的运行载体，硬件层总体设计如图1 所示。

图1 激光通信系统硬件结构图

硬件层由激光发射模块、激光接收模块和主控模块组成。激光发射模块包括激光二极管（LD）、激光准直系统和高精度LD 驱动电流源，激光接收模块包括光电二极管（PD）和激光接收前端电路。激光发射模块和激光接收模块分别通过D/A 通道和A/D 通道与单片机相连接。激光通信系统和上位机通过串口相连接，通过串口AT 指令对激光通信系统进行控制和数据的收发。

激光通信系统A、B 两个终端在进行通信时，只需将A 和B 终端的传光通路联通即可，可通过光纤进行联通，也可直接在空间中进行传输。

2 激光通信系统系统硬件设计

激光通信系统的硬件部分包括主控及其外围电路，电源模块，激光发射电路和激光接收前端电路。

2.1 主控及其外围电路设计

激光通信系统主控采用意法半导体公司的F407VET6处理器，该微控制器具有丰富的模拟外设和高性能的Cortex-M4 内核，同时具有FPU 单元，有效提升浮点运算速度，为快速傅里叶变换提供了性能支持。主控采用RC 复位电路，预留SWD 接口进行调试。主控与上位机通过串口进行数据传输，由于PC 机无TTL 串口，通过CH340 芯片进行USB 和TTL 串口的转换。主控及其外围电路如图2所示。

图2 主控及其外围电路设计

2.2 电源模块设计

系统需要3.3 V、5 V 双电源和1.235 V 三种规格的电源，其中，5 V 双电源用于模拟部分的供电，包括激光发射模块和激光接收模块。3.3 V 电源用于数字电路的供电。1.235 V 电源为LD 驱动高精度电流源提供电压基准。系统的电源树有三个分支：系统总电源通过USB 5 V电源输入，分别接入TPS65133 双5 V 电源，MT2492斩波降压3.3 V 电源，LM385 高精度1.235 V电压基准。

MT2492是西安航天民芯的一款斩波降压控制器芯片，具有最高96% 的效率。电源模块原理图如图3 所示，输出电压满足公式输出电压需设定为3.3V，故将电阻配置为：R_HS=67.5kΩ,R_LS=15 kΩ。

图3 MT2492电源

LM385 为凌特公司的高精度电压基准芯片，输出电压为1.235 V，具有1% 的电压精度，低达60 μV（RMS）的噪声。根据芯片数据手册中对其工作电流的要求，配置限流电阻R₀=2kΩ。

2.3 激光发射电路设计

激光发射电路由LD 驱动高精度电流源和激光二极管组成，该电流源为激光二极管提供了稳定的静态工作电流。由于激光二极管的发光强度和电流近似为正比关系，所以对电流进行调制即可实现激光二极管发光强度的调制。其原理图如图4 所示。

图4 LD驱动高精度电流源

该电流源的主要器件为调整管Q₁，电流采样电阻R₂和运算放大器U1.1。调整管Q₁工作在恒流区，可等效为1 个压控电流源，用于调整激光二极管上通过的电流。电阻R₂对流过激光二极管的电流进行采样，将其转换成电压信号。运算放大器U1.1 用于建立负反馈环路，实现电流的负反馈。根据运算放大器的虚短虚断关系，最终流过LD 的电流可通过下式计算：I_LD=V_IN+/R₂。电压基准芯片 U4 提供 1.235 V 的参考电压，R₆和R₄对基准电压进行分压，接入运算放大器的同相输入端，通过调整R₄的值即可调整I_LD ，从而调整激光二极管的静态工作点。

运算放大器U1.2 连接成电压跟随器，单片机ADC信号通过电压跟随器后，经过耦合电容叠加在节点电压V_IN+上，实现流过激光二极管电流ILD 的调制，从而实现激光二极管发光强度的调制。

2.4 激光接收电路设计

激光接收电路由I/V 转换电路，前置可变增益放大电路，ADC 前端抗混叠滤波器组成，其原理图如图5所示。

图5 激光接收电路

I/V 转换电路将PD 输出的电流信号转换为电压信号，方便后续进行处理，其跨阻由电阻R6 的阻值决定。由于光电二极管存在结电容，其高频特性会受到影响，在使用时需加偏压，减小结电容的影响。本电路中的偏压通过稳压管D1 实现，D1 的稳压值即为光电二极管上所加偏压。

完成光电二极管的I/V 转换后，将得到的电压送入前置可调增益放大器，对电压进行二次放大，该级的增益可通过电位器R8 进行调节。放大后的信号通过抗混叠滤波器送入单片机ADC 引脚进行采集。

为防止信号在ADC 采集过程中发生频谱混叠，需对输入信号进行滤波。二阶低通抗混叠滤波器元器件参数通过TI Filter Design Tool 进行设计，其截止频率为1 MHz。

3 激光通信系统系统软件设计

激光通信系统的软件部分包括初始化程序，上位机通信程序，数据调制发送程序， A/D 转换信号解调程序。初始化程序对单片机系统时钟树及各个外设进行初始化，包括串口的初始化，ADC 的初始化，DAC 的初始化，DMA 的初始化，定时器的初始化等。

3.1 上位机通信程序设计

上位机通信程序用于实现上位机和单片机之间的通信。上位机对系统的控制主要通过串口AT 指令实现，串口的通信协议设计如表1。

表1 串口AT指令协议设计

开启传输后，激光通信系统进入串口透传模式，通过串口直接发送数据。

串口AT 指令的执行通过有限状态机结构实现，程序运行分为有限个状态，AT 指令作为状态转换条件触发不同状态之间的转换。

当程序开启传输后，将串口接收到的上位机数据传输至数据缓冲区，同时在数据结构体中将标志位置1，在数据调制发送程序中进行处理和发送。同时，以程序查询的方式检测接收数据缓冲区是否更新，如果更新，将接收到的数据直接通过串口发送至上位机。

3.2 数据调制发送程序设计

数据调制发送程序主要由调制和发送两部分组成。调制程序通过方法将串口传输到缓冲区的数据进行处理，产生调制波。发送程序在产生完1 个字节数据的调制波后通过DAC 输出，叠加到激光发射电路上的调制端，对发射的激光强度进行调制。

多音双频调制信号由高群和低群组成，高低群各包含4 个频率。1 个高频信号和1 个低频信号叠加组成1个组合信号，共16 种组合，表示四位二进制数据。在高群和低群中各加入1 个单频信号作为起始信号和结束信号。传输时将1 个字节数据分为高半字和低半字，先后进行传输。各群频率分配和帧格式如图6 所示。

图6 双音多频采用的频率组合及通信帧结构

每字节信号开始传输后，会产生1 个起始单频信号，然后先后产生两个包含半字节数据的多频信号，最后产生1 个终止单频信号，该字节数据传输完成。传输的时序由定时器控制，定时器每产生1 次中断为1 个单位时间，起始信号，半字节数据信号，终止信号各占1 个单位时间，传输1 字节数据共用4 个单位时间。

3.3 A/D转换信号解调程序设计

A/D 转换信号解调程序主要由A/D 转换程序和信号解调程序组成。A/D 转换程序将前端信号通过ADC 进行采集，生成离散序列。信号解调程序将采集到的时间序列进行处理，还原出数据。

A/D 转换程序由定时器进行驱动，将ADC 设置为定时器触发，将定时器周期设置为0.5 μs，实现ADC固定采样频率采样，待转换完成后，会产生事件触发DMA 传输，读出采集到的电压序列到数据缓冲区中。解调程序将采集到的电压序列分块后，使用ST 官方DSP 库进行快速傅里叶变换（FFT），得到当前数据块中的频谱序列，检测到起始信号后，按照时序将缓冲区的时间序列分块进行FFT 运算。对得到的频谱序列进行检测，得到双频信号的频率，按照图6 转换成数据，检测到结束信号后，将数据送入串口发送数据缓冲区中，上位机通信程序启动串口将数据传输到上位机，实现数据的解调和上传。

4 激光通信系统测试

为测试激光通信系统的有效性和实用性，在实验室环境下搭建激光通信系统实验装置并进行通信测试。在距离激光通信系统25 M 处使用平面镜将激光束反射回系统的接收端，对激光通信系统进行环回通信测试。搭建的激光通信系统实验平台如图7 所示。

图7 激光通信系统实验装置

在调整好激光二极管静态电流和前置放大器增益后，进行数据传输测试，发送数据内容为7 个字符，共56 个bit，发送间隔为30 ms，波特率为1 866 bit/s。数据传输结果如图8 所示。

经测试，该系统通信距离可达50 m，通信波特率可达1 800 bit/s 以上，具有较强的通信稳定性。

图8 环回通信实验结果

5 结束语

为解决现有的民用光通信系统制造成本高，通信距离短，通信速率慢的问题，设计了基于 的激光通信系统，该激光通信系统采用方式，通过上位机串口控制实现数据的收发。实验结果表明，该系统具有较长的通信距离，较高的通信速率，为低成本民用激光通信提供了解决方案，在民用激光通信领域的应用前景广阔。

参考文献：

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[2] 胡旭光,陶坎,邓彬伟.模拟数字混合红外信道通信装置的设计[J].电子产品世界,2015,22(12):27-29+36.

[3] 王琛,马拥华,王茗,等.一种近场无线激光通信系统[J].光通信技术,2022,46(4):51-55.

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（本文来源于《电子产品世界》杂志2023年7月期）