詹亞鋒

摘 要： 紫外光通信具有非常好的非視距傳輸和保密性能。傳統(tǒng)的紫外光通信系統(tǒng)尺寸過(guò)大，難以實(shí)際應(yīng)用。基于紫外線(xiàn)發(fā)光二級(jí)管（UV?LED）設(shè)計(jì)了一個(gè)紫外光通信系統(tǒng)，研究了光路設(shè)計(jì)、時(shí)鐘恢復(fù)、信道編碼等方面的內(nèi)容，并重點(diǎn)設(shè)計(jì)了雙工傳輸協(xié)議，用較小的資源實(shí)現(xiàn)了4.8 Kb/s信息的傳輸。該系統(tǒng)可以用于近距離語(yǔ)音和數(shù)據(jù)的雙向保密傳輸。

關(guān)鍵詞： 紫外光通信； LED； 雙工傳輸； 通信協(xié)議

中圖分類(lèi)號(hào)： TN929.1?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）21?0036?03

UV?light duplex communication system based on UV?LED

ZHAN Yafeng

（Space Center， Tsinghua University， Beijing 100084， China）

Abstract： Ultraviolet （UV） light communication system has better non?line?of?sight transmission and secrecy performance. For the traditional UV?light communication system has large size， and is hard to apply in practice， an UV?light communication system was designed based on UV?LED. The contents of optical path design， clock recovery and channel coding are studied. The duplex communication protocol was designed emphatically. The information transmission of 4.8 Kb/s was realized with less resource. This system can be used for duplex secrecy communication of voice and data in close range.

Keywords： UV?light communication； LED； duplex communication； communication protocol

0 引 言

紫外光通信作為一種新的通信手段，其最突出的優(yōu)點(diǎn)是不易被探測(cè)和截收，可以通過(guò)散射進(jìn)行非視線(xiàn)通信，非常適用于近距離抗干擾和有遮擋的通信環(huán)境。

國(guó)外從20世紀(jì)60年代開(kāi)始研究紫外光通信，完成了從基本原理到實(shí)用系統(tǒng)的多方面研究。2000年美國(guó)GTE公司為美軍研制成功了一種基于汞燈的新型隱蔽式紫外光無(wú)線(xiàn)單工通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)通信速率為4.8 Kb/s，誤碼率可以達(dá)到10-6。2002年，美國(guó)國(guó)防部高等研究計(jì)劃局（DARPA）啟動(dòng)半導(dǎo)體紫外光系統(tǒng)（SUVOS）計(jì)劃，其核心任務(wù)是制造紫外發(fā)光二極管（UV?LED）。在該計(jì)劃的推動(dòng)下，目前UV?LED已經(jīng)研制成功并開(kāi)始量產(chǎn)。美國(guó)加州大學(xué)河邊分校和麻省理工學(xué)院分別使用UV?LED構(gòu)建了單工通信試驗(yàn)系統(tǒng)，并對(duì)紫外光傳輸信道的特性進(jìn)行了研究[1?3]。

國(guó)內(nèi)從2000年開(kāi)始對(duì)紫外光通信技術(shù)進(jìn)行跟蹤，重慶大學(xué)、北京理工大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等單位都先后完成了紫外光單工通信系統(tǒng)原型的研制，傳輸速率[4?6]最高可達(dá)9.6 Kb/s。但是到目前為止，國(guó)內(nèi)這些系統(tǒng)采用的紫外光源仍然是低壓汞燈或氙燈，體積和功耗均較大，難以小型化和便攜使用。另外一個(gè)突出的問(wèn)題是：國(guó)內(nèi)外的這些系統(tǒng)都只能進(jìn)行單工通信，一定程度上限制了系統(tǒng)的實(shí)用性。

本文研究并設(shè)計(jì)了一種基于UV?LED的雙工紫外光通信系統(tǒng)方案，可用于空天短距離語(yǔ)音和數(shù)據(jù)的雙向保密傳輸。

1 紫外光通信的特點(diǎn)

紫外光通信具有如下一些特點(diǎn)：

（1） 波長(zhǎng)為200～280 nm。這個(gè)頻段是開(kāi)放的，不受無(wú)線(xiàn)電管理委員會(huì)的限制，使用時(shí)不需要進(jìn)行頻率申請(qǐng)。

（2） 200～280 nm的紫外光屬于日盲段。這個(gè)波長(zhǎng)的太陽(yáng)光受大氣分子和懸浮顆粒的吸收，信號(hào)強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律衰減，到達(dá)地表附近時(shí)的能量非常微弱。因此，紫外光通信的背景噪聲非常小。

（3） 由于受大氣衰減的影響，紫外光適合1 km范圍內(nèi)的短距離通信，超過(guò)這個(gè)范圍后將難以探測(cè)，對(duì)它進(jìn)行干擾和偵聽(tīng)的可能性很小。因此，紫外光通信的保密性非常高。

（4） 紫外光源對(duì)接收器視場(chǎng)所在空間進(jìn)行照射，通過(guò)彌漫在大氣層中的微小顆粒，散射到接收器的視場(chǎng)區(qū)，并被接收器接收。因此，紫外光可以進(jìn)行非視線(xiàn)通信（NLOS），適合在有遮擋的場(chǎng)景中使用。

由于上述特點(diǎn)，紫外光通信系統(tǒng)可在戰(zhàn)術(shù)移動(dòng)通信和保密通信中得到廣泛應(yīng)用。

2 雙工紫外光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前的紫外光通信系統(tǒng)都是單向通信，調(diào)制方式采用的是常規(guī)的OOK（通斷）和PPM（脈沖位置調(diào)制）模式。若想實(shí)現(xiàn)雙向通信，一種方案是采取頻分復(fù)用的方式，收發(fā)雙方在200～280 nm范圍內(nèi)分別占用一個(gè)不同的波長(zhǎng)；另外一種方案是采取時(shí)分復(fù)用的方式，收發(fā)雙方共用一個(gè)波長(zhǎng)，但是占用不同的時(shí)間片。由于日盲段的波長(zhǎng)范圍有限，前一種方案的系統(tǒng)容量難以提高。本文采取第二種方案。

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)的核心部件是UV?LED和紫外光檢測(cè)器，此外還有一片可編程邏輯陣列（FPGA），外接語(yǔ)音壓縮編解碼芯片和USB接口芯片，分別用來(lái)支持語(yǔ)音和數(shù)據(jù)的傳輸，如圖1所示。

其中UV?LED選用的是韓國(guó)首爾光設(shè)備公司的T5F28，其波長(zhǎng)為280 nm，發(fā)射功率為150 mW。光檢測(cè)器選用的是日本濱松公司的R7154，其波長(zhǎng)范圍為160～320 nm。FPGA主要完成四個(gè)方面的功能：接收數(shù)據(jù)的定時(shí)恢復(fù)和判決；數(shù)據(jù)的加擾和解擾；信道編譯碼；數(shù)據(jù)的組幀和解幀。

當(dāng)系統(tǒng)處于發(fā)送模式時(shí)，組幀之后的信號(hào)首先進(jìn)行2PPM的調(diào)制，然后通過(guò)電流驅(qū)動(dòng)器去驅(qū)動(dòng)UV?LED，產(chǎn)生受控的紫外光；當(dāng)系統(tǒng)處于接收模式時(shí)，紫外光檢測(cè)器把收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)低通濾波器和自動(dòng)增益控制器，經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送給FPGA進(jìn)行后續(xù)處理。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

在紫外光傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要解決如下關(guān)鍵技術(shù)。

2.2.1 光路設(shè)計(jì)

由于紫外光的散射傳播特性，UV?LED的視場(chǎng)角和檢測(cè)器的視場(chǎng)角重疊的區(qū)域越大，接收到的光能量就越多，接收信噪比就越高。考慮到系統(tǒng)選用的UV?LED的視場(chǎng)角只有10°，為了增大收發(fā)雙方在存在視線(xiàn)遮擋情況下的重疊區(qū)域，需要通過(guò)光學(xué)透鏡增大發(fā)送光源的視場(chǎng)角。凹透鏡能夠?qū)θ肷涔馐鸢l(fā)散作用，如圖2所示，所以通過(guò)多個(gè)凹透鏡的組合并調(diào)節(jié)UV?LED和凹透鏡的距離，就可以得到滿(mǎn)足要求的發(fā)射視場(chǎng)角。

2.2.2 定時(shí)恢復(fù)

和常規(guī)的數(shù)字通信一樣，接收端需要對(duì)檢測(cè)器輸出的電信號(hào)進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)，并對(duì)最佳采樣點(diǎn)進(jìn)行判決。另一方面，由于調(diào)制方式采取的是2PPM，常規(guī)數(shù)字接收機(jī)中的載波恢復(fù)在這里并不需要。

時(shí)鐘誤差估計(jì)算法可采用經(jīng)典的Gardner算法[7]，這里不再贅述。

2.2.3 擾碼、信道編碼

為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_能力，可在系統(tǒng)中加入信道糾錯(cuò)編碼。同時(shí)為了更好地進(jìn)行定時(shí)恢復(fù)，還需對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加擾處理。這里使用的擾碼多項(xiàng)式為[x5+x3+1，]信道糾錯(cuò)編碼為（2，1，7）卷積碼，其生成多項(xiàng)式[8]為[171o，133o]。

2.2.4 雙工通信協(xié)議

在紫外通信系統(tǒng)中，由于紫外光源和檢測(cè)器的波長(zhǎng)是固定的，要想支持多個(gè)用戶(hù)間的雙向通信，采用時(shí)分復(fù)用的多址方式（TDMA）[9]和載波偵聽(tīng)的接入方式（CSMA）[10]是一種較好的選擇。

對(duì)于一個(gè)用戶(hù)容量為[N]的系統(tǒng)，一共設(shè)置[N]個(gè)時(shí)隙，每一個(gè)用戶(hù)占用一個(gè)時(shí)隙?？紤]到紫外光通信的范圍通常在1 km×1 km以?xún)?nèi)，所以時(shí)隙之間的保護(hù)間隔可以設(shè)置得非常小。

以容量為10人的紫外光語(yǔ)音通信系統(tǒng)為例說(shuō)明數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。考慮到通常情況下人講話(huà)的語(yǔ)速為每分鐘160～180個(gè)漢字，在保留一定余量的情況下，假設(shè)每分鐘240個(gè)漢字，如果壓縮后的語(yǔ)音信號(hào)速率為4.8 Kb/s，可以算出平均每個(gè)漢字時(shí)間內(nèi)的比特?cái)?shù)為1 200 b。據(jù)此設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中數(shù)據(jù)的信息速率為60 Kb/s，信息體長(zhǎng)度為1 200 b，時(shí)隙頭長(zhǎng)度為96 b。時(shí)隙頭包括前導(dǎo)序列、信息類(lèi)型、發(fā)送方代號(hào)和接收方代號(hào)，長(zhǎng)度分別為72 b，8 b，8 b和8 b。每一個(gè)用戶(hù)只處理接收代號(hào)和自己的代號(hào)一致的時(shí)隙。收發(fā)雙方作為一個(gè)組合占用相鄰的兩個(gè)時(shí)隙。前導(dǎo)序列為0，1交替的序列，信息類(lèi)型的定義如表1所示。

整個(gè)系統(tǒng)的工作流程如下：

用戶(hù)接入：如果用戶(hù)[k]需要發(fā)起和用戶(hù)[j]的通信，首先監(jiān)聽(tīng)時(shí)隙1～10，如果用戶(hù)[j]處于忙狀態(tài)，則等待；否則如果信道上有空閑時(shí)隙對(duì)，則利用該時(shí)隙對(duì)的前一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行接入申請(qǐng)，同時(shí)接收自己的申請(qǐng)信息。如果接收的信息和發(fā)送的信息一致，表明沒(méi)有另外一個(gè)用戶(hù)正在競(jìng)爭(zhēng)該時(shí)隙，則可以占用該時(shí)隙，用戶(hù)[j]利用該時(shí)隙對(duì)的后一個(gè)時(shí)隙發(fā)出申請(qǐng)應(yīng)答信息；如果接收的信息和發(fā)送的信息不一致，表明有另外一個(gè)用戶(hù)正在競(jìng)爭(zhēng)該時(shí)隙，則隨機(jī)延遲Δ（Δ的范圍取決于總的用戶(hù)數(shù)）個(gè)數(shù)據(jù)幀的時(shí)間后再進(jìn)行接入申請(qǐng)。

用戶(hù)退出：如果用戶(hù)k或j要退出該系統(tǒng)，需要利用其占用的時(shí)隙發(fā)出斷開(kāi)申請(qǐng)，對(duì)應(yīng)的用戶(hù)發(fā)出斷開(kāi)應(yīng)答后，雙方同時(shí)釋放占用的時(shí)隙對(duì)。

系統(tǒng)同步：為了保證整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘同步，避免不同用戶(hù)時(shí)隙的相互重疊，可采取兩種措施：

（1） 時(shí)隙間留有3.4 ms的保護(hù)間隔；

（2） 除了加入系統(tǒng)的第一個(gè)用戶(hù)，后續(xù)用戶(hù)都要通過(guò)鎖相環(huán)技術(shù)把自身的時(shí)鐘調(diào)整成和第一個(gè)用戶(hù)一致。所有的用戶(hù)退出系統(tǒng)后，系統(tǒng)的時(shí)鐘同步又要以第一個(gè)新接入的用戶(hù)為基準(zhǔn)而重新開(kāi)始。

2.3 系統(tǒng)測(cè)試

紫外光收發(fā)模塊如圖4所示，板卡尺寸均小于5 cm×5 cm。為了加大紫外光的發(fā)射功率，在發(fā)射端還采用了LED陣列?；谏鲜瞿K構(gòu)建的測(cè)試系統(tǒng)表明，收發(fā)雙方在室內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)4.8 Kb/s的清晰的語(yǔ)音通信。后續(xù)還將進(jìn)行室外環(huán)境下的測(cè)試。

3 結(jié) 語(yǔ)

紫外光通信不易被探測(cè)和截收，可以通過(guò)散射進(jìn)行非視線(xiàn)通信，非常適用于近距離抗干擾和有遮擋環(huán)境下的通信。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于LED的紫外光通信系統(tǒng)，研究了光路設(shè)計(jì)、時(shí)鐘恢復(fù)、信道編碼等方面的內(nèi)容，并重點(diǎn)設(shè)計(jì)了雙工通信協(xié)議，初步開(kāi)展了鏈路性能測(cè)試。該系統(tǒng)將可用于語(yǔ)音和數(shù)據(jù)的雙向保密傳輸。

參考文獻(xiàn)

[1] XU Zhengyuan， SADLER B M. Ultraviolet communications： potential and state?of?the?art [J] IEEE Communication Magazine， 2008， 46（5）： 67?73.

[2] CHEN Gang， FERAS A G， XU Zhengyuan， et.al. Experimental evaluation of LED?based solar blind NLOS communication links [J]. Optics Express， 2008， 16（19）： 15059?15068.

[3] SHAW G A， SIEGEL A M， MODEL J. Extending the range and performance of non?line?of?sight ultraviolet communication links [J] Proceedings of SPIE， 2006， 6231： 327?339.

[4] 向平，肖沙里，高紅杰，等.基于FPGA平臺(tái)的紫外通信系統(tǒng)的解調(diào)技術(shù)的研究[J].光電子技術(shù)，2008，28（2）：86?88.

[5] 倪國(guó)強(qiáng)，鐘生東，劉榴綈，等.自由大氣紫外光學(xué)通信的研究[J].光學(xué)技術(shù)，2007，26（4）：297?303.

[6] 常勝利，尹紅偉，賈紅輝，等.紫外光通信實(shí)驗(yàn)中信息高速調(diào)制方法的研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2006，19（4）：1?4.

[7] GARDNER F M. A BPSK/QPSK timing?error detector for sampled receivers [J]. IEEE Transactions on Communication， 1986， 34（5）： 423?429.

[8] 曹志剛，錢(qián)亞生.現(xiàn)代通信原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，1992.

[9] 呂海寰.衛(wèi)星通信系統(tǒng)[M].2版.北京：人民郵電出版社，1994.

[10] 王廷堯.以太網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2005.