徐山河，肖沙里，王 珊，彭帝永

(重慶大學(xué)光電工程學(xué)院光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044)

引 言

自由空間激光通信系統(tǒng)(free space optical，F(xiàn)SO)，因其相對(duì)于無(wú)線電通信具有帶寬寬、應(yīng)用靈活，抗電磁干擾能力強(qiáng)，且無(wú)需獲得頻率許可證等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)逐漸作為無(wú)線電通信的替代方式被深入研究［1］。通過(guò)激光內(nèi)調(diào)制，加以捕獲對(duì)準(zhǔn)跟蹤系統(tǒng)(acquisition，tracking and pointing，APT)［2］、中繼系統(tǒng)［3］或融入波分復(fù)用、多入多出［4］等技術(shù)進(jìn)行處理后，基本可滿足遠(yuǎn)距離無(wú)線激光通信的要求，在外太空星際無(wú)線傳輸方面已有較好的發(fā)展與應(yīng)用［5］，但傳統(tǒng)FSO鏈路需兩端都裝有發(fā)射/接收系統(tǒng)和復(fù)雜的跟蹤系統(tǒng)，使得系統(tǒng)的體積、功耗、重量和技術(shù)復(fù)雜度增加，成為制約FSO應(yīng)用的重要因素。

逆向調(diào)制(modulating retro-reflector，MRR)激光通信系統(tǒng)［6］，可免去通信鏈路中一個(gè)終端的激光收發(fā)器和跟蹤系統(tǒng)，從而減輕一方的重量、體積、能耗，有效解決了FSO的應(yīng)用限制?？蓪⑵鋺?yīng)用于承載能力弱的終端上，如熱氣球、海綿浮標(biāo)、無(wú)人機(jī)等;亦可應(yīng)用于供電能力弱的終端，如自供能的野外監(jiān)測(cè)平臺(tái)、智能機(jī)器人等。逆向調(diào)制光通信系統(tǒng)為FSO通信擴(kuò)展了應(yīng)用領(lǐng)域，提供了輕便、靈活的通信方式。國(guó)外對(duì)逆向調(diào)制通信非常重視，常選用鐵電液晶調(diào)制器、微機(jī)電系統(tǒng)調(diào)制器、多量子阱調(diào)制器［7］、聲光調(diào)制器(acousto-optic modulator，AOM)等調(diào)制方法。最早引起注目的研究是1996年，美國(guó)猶他州州立大學(xué)的學(xué)者采用鐵電液晶逆向調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)了地面與高空氣球間的通信，通信速率達(dá)到20kbit/s;而基于AOM的MRR系統(tǒng)只有美國(guó)約克大學(xué)的SPIROU等人研究出了通信最高頻率為1MHz且使用雙程聲光效應(yīng)的通信系統(tǒng)［8］。

本文中選用具有優(yōu)良溫度穩(wěn)定性和光電特性［9］的AOM作為調(diào)制器件，配以高反鏡搭建逆向光鏈路實(shí)現(xiàn)了逆向光通信。相較而言，本系統(tǒng)更加靈活，通信范圍更加廣闊，消除了雙程衍射光路的互相干擾;對(duì)儀器精度要求更低的同時(shí)，通信最高載波卻提升到了5MHz;并且使用改進(jìn)后的調(diào)制、編碼、加密算法，使得通信系統(tǒng)的保密糾錯(cuò)能力更強(qiáng)。本系統(tǒng)通信質(zhì)量良好、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，率先在國(guó)內(nèi)開(kāi)展了聲光逆向調(diào)制光通信的研究。

1 系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)概述

本文中基于布喇格聲光調(diào)制［10］原理，配以激光發(fā)射/接收系統(tǒng)、逆反鏈路等硬件搭建了MRR通信系統(tǒng)平臺(tái)，該平臺(tái)主要由AOM、控制核心現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(field programmable gate array，F(xiàn)PGA)、激光器、高反鏡、偏振片、濾波片、光電倍增管(photomultiplier tube，PMT)等組成。其中以AOM和FPGA開(kāi)發(fā)板作為硬件核心，包括改進(jìn)后的四進(jìn)制調(diào)制方法、定時(shí)采樣解調(diào)方法、冗余校驗(yàn)(cyclical redundancy check，CRC)加密技術(shù)、新型漢明(Hamming)碼編碼技術(shù)等作為關(guān)鍵技術(shù)，整個(gè)MRR通信系統(tǒng)如圖1所示。

Fig.1 MRR FSO communication system

圖1中，激光輸出光束(頻率為ν)首先進(jìn)入偏振片，使得傳輸過(guò)程中的光束為垂直偏振光。激光經(jīng)過(guò)自由空間信道傳輸?shù)叫枰答佇畔⒌慕K端，由全反鏡M1與M2將激光進(jìn)行逆向偏轉(zhuǎn)，逆反方向可為激光發(fā)射端，也可為第3方接收站，這樣減輕了調(diào)制端的系統(tǒng)要求，而且通信鏈路更加靈活。逆反激光在返回端通過(guò)AOM進(jìn)行信息加載，加載了調(diào)制信號(hào)的反饋1級(jí)光(頻率為ν+fs)通過(guò)自由空間信道傳送到接收端，接收端由PMT接收光信號(hào)，并經(jīng)過(guò)電路處理和FPGA板的解調(diào)，最終還原為調(diào)制端所反饋的信息，整個(gè)逆向調(diào)制光通信過(guò)程得以實(shí)現(xiàn)。

MRR逆向通信系統(tǒng)包括光源、AOM、PMT、逆向光路等關(guān)鍵器件，其中AOM和逆向光路使用為應(yīng)用難點(diǎn)。在調(diào)制解調(diào)等關(guān)鍵算法的處理上則均通過(guò)FPGA進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

2 MRR逆向光通信的核心器件及其使用

2.1 聲光調(diào)制器

AOM作為關(guān)鍵的調(diào)制器件，本系統(tǒng)采用中國(guó)電子科技集團(tuán)第26所研制的TSGMN-1型聲光調(diào)制器，該調(diào)制器由驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)生的射頻信號(hào)控制超聲波的頻率及強(qiáng)度，該AOM的超聲波中心頻率為100MHz。搭建一個(gè)測(cè)試平臺(tái)對(duì)AOM進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試平臺(tái)、測(cè)試波形如圖2所示。

Fig.2 Test platform of modulation performance of AOM and test result of waveform

測(cè)試平臺(tái)如圖2a所示，由信號(hào)發(fā)生器向AOM調(diào)制端口輸入不同頻率TTL電平，觀測(cè)PMT接收到光信號(hào)。測(cè)試結(jié)果表明，向AOM輸入頻率低于5MHz的電平信號(hào)，PMT均能接收到與調(diào)制頻率一致的光信號(hào)，頻率高于5MHz則嚴(yán)重紊亂。圖2b所示為調(diào)制頻5MHz時(shí)，PMT接收光信號(hào)與調(diào)制信號(hào)對(duì)比的波形圖，驗(yàn)證了AOM調(diào)制加載方式及通信上限頻率。

2.2 逆向光鏈路

光學(xué)逆向鏈路是整個(gè)MRR的核心光學(xué)系統(tǒng)，也是與FSO的最大區(qū)別。逆向通信常采用“貓眼”反射結(jié)構(gòu)［11］或角棱鏡反射結(jié)構(gòu)［12］作為逆向器件，而本文中采用高反鏡的組合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光學(xué)逆反效果，不僅組建更加靈活、精度要求更低，而且通信終端的范圍選擇更加闊。

根據(jù)反射原理組建光學(xué)鏈路如圖3所示，其中圖3a、圖3b為原理圖，圖3c、圖3d為對(duì)應(yīng)實(shí)物圖。圖3a所示為逆向光通信常規(guī)鏈路，發(fā)射/接收系統(tǒng)在A處，而逆向調(diào)制鏈路處于B處，高反鏡的作用類似于角錐棱鏡，將A處的激光返回到A處，并通過(guò)AOM將B處的信息傳到A處，達(dá)到逆向調(diào)制通信的效果。相比于角錐棱鏡或者“貓眼”結(jié)構(gòu)，高反鏡的優(yōu)勢(shì)則在圖3b中得到體現(xiàn)，高反鏡組合光路變換更加靈活，除了逆向返回，還可以將光路反射到第3方終端C處，且C處的位置選擇基本可覆蓋全局，達(dá)到全局范圍內(nèi)的無(wú)死角三方通信。該逆反系統(tǒng)將入射光與逆向光鏈路分開(kāi)，光線無(wú)重疊，消除了二者之間的干涉，使得自身干擾更小，通信效果更好。

Fig.3 Optical principle diagrams of the reserve links and photos

3 MRR逆向光通信的核心算法

3.1 調(diào)制解調(diào)算法的實(shí)現(xiàn)

光通信中常用開(kāi)關(guān)鍵控(on-off keying，OOK)調(diào)制、脈沖位置調(diào)制(pulse position modulation，PPM)、頻移鍵控(frequency-shift keying，F(xiàn)SK)調(diào)制、脈寬調(diào)制(pulse width modulation，PWM)等調(diào)制方法。FSK具有抗干擾能力強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，PWM則是一種最節(jié)省頻帶的調(diào)制方法，將二者的有效結(jié)合可使調(diào)制系統(tǒng)即節(jié)省頻帶又具有較強(qiáng)的抗干擾能力。FSK+PWM四進(jìn)制調(diào)制方式便具有此特征，相比于2FSK，其具有帶寬窄的優(yōu)點(diǎn)，與4FSK相比則頻帶的利用率更高，以下具體介紹該四進(jìn)制調(diào)制解調(diào)方式，原理如圖4所示。

Fig.4 Principle diagram of modulation and demodulation

如圖4所示，為一個(gè)碼元周期T內(nèi)的四進(jìn)制碼元波形。采用了高低頻率和2種不同的脈寬分別表示4種數(shù)字信號(hào)。使用串口助手，向FPGA發(fā)送波特率為Baud的串口信號(hào)，經(jīng)FPGA調(diào)制，將其表示為四進(jìn)制數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA調(diào)制原理如下:

用8個(gè)占空比為30%或80%、頻率為8Baud的矩形波信號(hào)分別表示發(fā)送信號(hào)00，10;用4個(gè)占空比為25%或80%、頻率為4Baud的矩形波信號(hào)分別表示發(fā)送信號(hào) 01，11。

針對(duì)于FSK+PWM四進(jìn)制調(diào)制方法，定時(shí)采樣是一種簡(jiǎn)單可行的檢波解調(diào)方法。如圖4中所示，縱向虛線為周期內(nèi)定時(shí)采樣的位置，每T/8內(nèi)采樣的位置固定為其25%和75%處。周期內(nèi)采樣后為16位二進(jìn)制數(shù)組d［15∶0］，由d［15∶0］解調(diào)出原四進(jìn)制信號(hào)s［1∶0］，其解調(diào)對(duì)應(yīng)如下式所示:

PMT接收到的信號(hào)，經(jīng)處理后，F(xiàn)PGA根據(jù)(2)式采樣解調(diào)出四進(jìn)制原始數(shù)字信號(hào)，再由并串轉(zhuǎn)換模塊輸出串口信號(hào)，還原到串口，實(shí)現(xiàn)串口信號(hào)的調(diào)制解調(diào)。

3.2 加密糾錯(cuò)算法的實(shí)現(xiàn)

信號(hào)在信道傳輸過(guò)程中會(huì)受到隨機(jī)信號(hào)、突發(fā)信號(hào)等信號(hào)的干擾，且信道暴露在外，安全隱患嚴(yán)重，為降低誤比特率、提高通信質(zhì)量、保障通信安全，本通信系統(tǒng)中使用了加密糾錯(cuò)算法，使得系統(tǒng)更加完善。加密糾錯(cuò)算法編碼順序如圖5所示。

Fig.5 Sequence diagram of encryption and error correction coding

如圖5所示，本文中采用加密與糾錯(cuò)交替使用的方式。加密采用了多次換位加密與循環(huán)冗余檢驗(yàn)(cyclic redundancy check，CRC)置換加密結(jié)合的方式，糾錯(cuò)碼則采用了Hamming碼與奇偶校驗(yàn)碼相結(jié)合的方式。其中CRC置換加密具體算法如下:(1)生成多項(xiàng)式G(x)=x8+x5+x3+1，對(duì)應(yīng)除數(shù)則為［100101001］;(2)將8位原信息左移8位，右8位由0補(bǔ)充，得到16位數(shù)據(jù);(3)用16位數(shù)據(jù)模二除以［100101001］，計(jì)算得到8位余數(shù)，即為置換后的信息。

加密算法中的換位加密主要利用換位矩陣，設(shè)計(jì)中對(duì)初始8位信息和經(jīng)過(guò)編碼后的14位編碼信息采用不同的換位矩陣P(x)，P(y)實(shí)現(xiàn)換位效果，換位矩陣為私鑰，可任意設(shè)定，本文中設(shè)定換位矩陣如下式所示:

對(duì)于授權(quán)者，加密后的信息解密相對(duì)容易，可利用CRC查找表、換位逆矩陣等方式進(jìn)行破譯;而非授權(quán)者破譯相對(duì)困難，盲目解密，則每8位數(shù)字信號(hào)需213次嘗試方可破譯，且無(wú)規(guī)律可循，增加了破譯的難度，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的安全性。

本文中采用的漢明碼與奇偶校驗(yàn)碼相結(jié)合編碼是一種改進(jìn)的漢明碼編碼方式，其能有效地降低誤比特率，提高通信質(zhì)量。改進(jìn)的漢明碼位圖如表1所示。原信號(hào)為8 位二進(jìn)制信號(hào)B［8∶1］，P［4∶1］為生成的漢明碼，C［2∶1］為偶校驗(yàn)碼。

Table 1 Bitmap of the improved hamming coding

編碼算法如下式所示，首先由8位數(shù)據(jù)信號(hào)異或運(yùn)算生成信息位偶校驗(yàn)碼C2，再根據(jù)漢明編碼方法，由B［8∶1］、C2生成漢明碼P［4∶1］，最后由P［4∶1］通過(guò)異或運(yùn)算生成漢明碼編碼部分偶校驗(yàn)位C1。

該編碼方式中，將原始信息與編碼部分使用不同的偶校驗(yàn)位C2和C1進(jìn)行分別跟蹤。相比于擴(kuò)展型漢明碼，該編碼能獲得誤碼的分布情況，從而糾錯(cuò)檢錯(cuò)能力更強(qiáng)。不僅可糾正一個(gè)任意位置錯(cuò)誤，而且當(dāng)判斷信息位無(wú)錯(cuò)，編碼位出錯(cuò)，則無(wú)論其有1個(gè)或多個(gè)錯(cuò)誤，均能將正確的信息位提取并正確傳送。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

基于上述關(guān)鍵器件及關(guān)鍵算法搭建了基于AOM的逆向調(diào)制激光通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通信系統(tǒng)的基本原理如圖1所示。發(fā)射端與接收端處于同一終端，調(diào)制端則處于通信的另一終端，如此擴(kuò)展了FSO通信的應(yīng)用場(chǎng)合，使得通信更加靈活。在搭建好的通信平臺(tái)上，通過(guò)PC串口發(fā)送不同數(shù)據(jù)，將8位信息位送入FPGA，對(duì)其進(jìn)行FSK+PWM四進(jìn)制調(diào)制、改進(jìn)的漢明碼編碼、CRC加密及換位加密等算法處理，處理后的信號(hào)從AOM調(diào)制端輸入，使其對(duì)經(jīng)過(guò)AOM的激光進(jìn)行準(zhǔn)確的控制。實(shí)驗(yàn)中采用637nm全固態(tài)連續(xù)激光器作為通信光源，激光通過(guò)無(wú)線信道傳輸，經(jīng)逆向調(diào)制端的AOM進(jìn)行信號(hào)調(diào)制;接收端則采用PMT進(jìn)行光信號(hào)探測(cè)，經(jīng)電路處理后的電信號(hào)，即可送入示波器進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，也可送入FPGA開(kāi)發(fā)板進(jìn)行運(yùn)算處理;FPGA對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解碼、解密等算法處理后，輸出信號(hào)由串口返回到PC，觀察實(shí)驗(yàn)解調(diào)數(shù)據(jù)，對(duì)比發(fā)送數(shù)據(jù)，計(jì)算誤比特率。

實(shí)驗(yàn)中選擇數(shù)字信號(hào)“45”為傳送內(nèi)容，如圖6a所示，串口首先輸出為“010001010”，其中最低位為起始標(biāo)志位0;數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一次換位及CRC置換加密得到信息為“10011111”(見(jiàn)圖6b);使用改進(jìn)的Hamming碼進(jìn)行編碼得編碼后信息為“10011111100100”(見(jiàn)圖6c);對(duì)14位編碼信息進(jìn)行二次換位得到加密信息為“11011011010010”(見(jiàn)圖6d);數(shù)字加密信號(hào)使用FSK+PWM四進(jìn)制調(diào)制，得到最終控制AOM的調(diào)制信號(hào)，如圖6e所示。

Fig.6 Process of signal modulation

在信號(hào)接收端，PMT接收的光信號(hào)經(jīng)電路處理后，在示波器上顯示的信號(hào)與調(diào)制信號(hào)一致。該信號(hào)經(jīng)FPGA處理后返回到另一臺(tái)PC機(jī)，可正確解調(diào)出原始信號(hào)“45”，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字光通信。

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，下午和晚上分別以不同碼率發(fā)送不同數(shù)字信號(hào)，每個(gè)碼率連續(xù)發(fā)送時(shí)間超過(guò)0.5h，統(tǒng)計(jì)超過(guò)107bit信號(hào)的接收，與發(fā)送數(shù)據(jù)對(duì)比求得誤比特率，如表2所示。

Table 2 Experiment result of bit error rate

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)論白天或夜晚，在解調(diào)端均能正確解調(diào)出原始信號(hào)，這主要得益于添加濾光片的原因，使得該系統(tǒng)基本不受室內(nèi)的干擾光線影響。因此，室內(nèi)搭建的逆向調(diào)制激光通信平臺(tái)成功達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)5m內(nèi)串口數(shù)據(jù)的正確發(fā)送與接收，通信速率達(dá)115.2kbit/s。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，不同碼率傳輸下誤比特率均低于10－6，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的正確傳輸。

分析整個(gè)系統(tǒng)，由于研究中采用串口作為數(shù)據(jù)傳輸方式，本系統(tǒng)的上限通信速率受到串口最大通信速率115.2kbit/s的限制，高頻載波為八倍頻，達(dá)1MHz;若改用其它端口作為數(shù)據(jù)傳輸方式，則通信速率會(huì)有很大提升，最高可達(dá)器件性能上限如圖2a所示的5MHz。以后工作將會(huì)以提高通信質(zhì)量和通信速率為重心，主要是提高AOM的超聲波中心頻帶，優(yōu)化接收端電路的設(shè)計(jì)，改進(jìn)調(diào)制解調(diào)算法等方面;進(jìn)行傳輸方式的改進(jìn)，讓通信速率不再受到串口協(xié)議的限制，并以逆向調(diào)制為基礎(chǔ)進(jìn)行雙工光通信的探索研究。

5 小結(jié)

設(shè)計(jì)了一套基于AOM的逆向調(diào)制光通信系統(tǒng)，采用改進(jìn)后的調(diào)制、編碼加密等算法，加入逆向光鏈路，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)通信速率為115.2kbit/s、誤比特率低于10－6的數(shù)字逆向光通信。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用數(shù)字化方法，以FPGA為控制核心，將狀態(tài)控制、串口傳輸、調(diào)制編碼加密算法集為一體，降低了通信器件的復(fù)雜度，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)證明，在室內(nèi)進(jìn)行的逆向調(diào)制光通信，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，通信質(zhì)量良好、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。

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