廖 欣,蔣紅艷,何 寧

(桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院,廣西 桂林 541004)

1 引 言

隨著各國(guó)對(duì)海洋安全和領(lǐng)土保護(hù)愈發(fā)重視,水下激光通信將發(fā)揮重要作用,如何在復(fù)雜海洋環(huán)境中實(shí)現(xiàn)信息可靠傳輸和保密安全,是跨介質(zhì)激光通信亟需解決的問題。采用機(jī)載、星載和艦載的藍(lán)綠激光直接實(shí)現(xiàn)對(duì)水下目標(biāo)的通信,探索適合于海洋通信的調(diào)制和編碼技術(shù),充分發(fā)揮激光技術(shù)和空中平臺(tái)兩者優(yōu)勢(shì),利用特定波長(zhǎng)激光在水中穿透特性、低損耗特性、靈活性和隱蔽性的空海激光通信技術(shù),受到世界各國(guó)專家學(xué)者的廣泛關(guān)注,并得到快速發(fā)展,已成為空海通信中很有潛力的一種通信方式[1],在未來(lái)海洋資源開發(fā)利用與通信體制的技術(shù)研究都具有重要意義。

激光在海上大氣傳輸時(shí),散射吸收效應(yīng)、湍流效應(yīng)和衰減效應(yīng)等情況的出現(xiàn)都會(huì)對(duì)激光光束質(zhì)量造成一定影響[2]?？缃橘|(zhì)激光通信是一種在開放信道環(huán)境下信息傳輸方式,傳輸鏈路上信號(hào)是可以隨意截獲,其信息傳輸安全性和可靠性則難以保證[3]。在海洋上實(shí)現(xiàn)跨介質(zhì)無(wú)線光通信信道(大氣、水)具有隨機(jī)性、復(fù)雜性和不可預(yù)測(cè),特別是水下信道的不透明,信號(hào)傳輸受吸收、散射、湍流和海面因素影響造成信號(hào)衰落,產(chǎn)生光強(qiáng)閃爍、光束漂移和波前畸變,降低信息傳輸?shù)目煽啃訹4]。海上大氣環(huán)境與陸地大氣環(huán)境在許多方面存在差異,文獻(xiàn)[5]分析了海上大氣湍流對(duì)光電設(shè)備通信、跟蹤和成像性能的影響；文獻(xiàn)[6]基于海上大氣折射率起伏功率譜模型,推導(dǎo)了光束漂移的理論表達(dá)式,并進(jìn)行了近海環(huán)境激光傳輸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[7]提出一種采用雙通道跳頻通信系統(tǒng)同步捕獲方法,利用同步過(guò)程中載波頻率與被調(diào)制時(shí)間信息并行捕獲方式來(lái)縮短同步時(shí)間,提高信息傳輸同步的隱蔽性和抗干擾能力。針對(duì)海洋通信特點(diǎn),選擇脈沖位置調(diào)制(Pulse Position Modulation,簡(jiǎn)稱PPM)是一種最有效的適合在背景光限制的水下通信調(diào)制方式,它具有光功率和頻帶利用率高,信道資源占用低和抗干擾能力強(qiáng)[8]。

在跨介質(zhì)無(wú)線通信環(huán)境下,海上信道變化無(wú)常,大氣信道中的云、雨、霧,海面波浪、游離植物,水下信道的懸浮顆粒、浪涌、湍流等都是引起激光光束傳輸過(guò)程光斑散射的因素,對(duì)光場(chǎng)散射吸收提供空間條件。雖然激光器光束發(fā)散角較小,但經(jīng)一定距離的路徑傳輸會(huì)發(fā)生光斑散射和擴(kuò)束現(xiàn)象,造成光信號(hào)擴(kuò)散在傳輸方向上的一個(gè)區(qū)域空間范圍內(nèi),使得通信信號(hào)被截獲的風(fēng)險(xiǎn)增加。若不采用一些新的技術(shù)機(jī)制來(lái)適應(yīng)信道環(huán)境實(shí)現(xiàn)快速有效通信,而以固定時(shí)隙進(jìn)行信息傳輸,其安全性無(wú)法保證。為解決海洋通信中信號(hào)可靠傳輸問題,本文提出一種跳時(shí)隙的脈沖位置調(diào)制編解碼方法,通過(guò)不同導(dǎo)頻碼與時(shí)隙類型的組合關(guān)系,探討一種以字節(jié)組幀的跳時(shí)隙通信,可有效降低因水下信道傳輸過(guò)程時(shí)延誤差積累,縮短同步處理時(shí)間,以保證接收信號(hào)采集時(shí)刻的準(zhǔn)確判斷,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息快速捕獲。采用增加通信時(shí)隙變化的類型結(jié)構(gòu),可提高信息傳輸中被截獲破譯的難度,能更好地適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下傳輸安全與可靠性要求,為語(yǔ)音和數(shù)據(jù)信息的水下實(shí)時(shí)通信提供一種新的技術(shù)手段。

2 脈沖位置調(diào)制及跳時(shí)隙傳輸幀結(jié)構(gòu)

脈沖位置調(diào)制是將一組nbit二進(jìn)制數(shù)據(jù)映射到2n個(gè)時(shí)隙內(nèi)一個(gè)對(duì)應(yīng)時(shí)隙上的單個(gè)脈沖信號(hào)[9]。

設(shè)定nbit的數(shù)據(jù)M(m1,m2,m3,…mn),則與脈沖位置L的映射關(guān)系記為:

L=m1+2m2+…+2n-1mn

(1)

設(shè)Sn為調(diào)制信號(hào),Pc為光脈沖功率,時(shí)隙寬度為Tc,t為時(shí)域位置,則有:

(2)

對(duì)于一個(gè)2 bit的二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行脈沖位置調(diào)制,在時(shí)域上調(diào)制的時(shí)隙數(shù)為22=4,由公式(1)可得到L對(duì)應(yīng)于相應(yīng)脈沖位置的映射關(guān)系,能滿足編碼調(diào)制的唯一性。

為便于接收信息幀起始位置識(shí)別,數(shù)據(jù)傳輸中一般在一幀數(shù)據(jù)的前端加入同步脈沖,接收端可通過(guò)檢測(cè)這些幀同步脈沖參數(shù)判斷當(dāng)前脈沖為數(shù)據(jù)還是起始位[10]。脈沖位置調(diào)制信號(hào)的同步是實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)的重要依據(jù),圖1所示為具有一定寬度引導(dǎo)信號(hào)和數(shù)據(jù)脈沖組成幀結(jié)構(gòu)。

圖1 具有引導(dǎo)信號(hào)和數(shù)據(jù)脈沖幀結(jié)構(gòu)Fig.1 A frame consisting of pilot signal and data pulses

根據(jù)激光在水下信道傳輸特性,若采用寬度一定的單個(gè)激光脈沖信號(hào),在時(shí)域上會(huì)產(chǎn)生展寬和時(shí)延造成判斷誤差。因此,依據(jù)脈沖位置調(diào)制的思路,可以采用檢測(cè)兩個(gè)脈沖間隔作為判斷信號(hào)幀起始依據(jù)。

以4 PPM、16 PPM和256 PPM三種常用的字節(jié)數(shù)據(jù)脈沖位置調(diào)制方式為例,通過(guò)在每種字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)隙前加入不同的導(dǎo)頻碼時(shí)隙類型來(lái)組成跳時(shí)隙PPM幀結(jié)構(gòu)。圖2是在同一時(shí)域下傳輸三種不同時(shí)隙單字節(jié)組幀的示意波形。

圖2 三種不同時(shí)隙類型字節(jié)幀結(jié)構(gòu)Fig.2 Three one-byte-data frames with different timeslots

圖2中①、②、③標(biāo)注分別代表3種時(shí)隙類型的導(dǎo)頻碼,由圖2看出不同時(shí)隙類型導(dǎo)頻碼與數(shù)據(jù)脈沖有對(duì)應(yīng)關(guān)系。從提高系統(tǒng)信息傳輸安全性方面考慮,通信發(fā)射時(shí)隙類型組合順序可依據(jù)收發(fā)雙方需求任意組合,引導(dǎo)脈沖間隔可隨機(jī)變換,以增加接收方外的第三方對(duì)數(shù)據(jù)捕獲解碼難度,目前在通信信號(hào)領(lǐng)域可采用跳頻技術(shù)、信息加密技術(shù)、信道編碼技術(shù)等進(jìn)行保密傳輸?shù)陌踩幚怼?/p>

3 系統(tǒng)組成與編解碼

3.1 系統(tǒng)組成

跳時(shí)隙水下激光通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示,系統(tǒng)主要由信息編碼調(diào)制、激光驅(qū)動(dòng)、脈沖激光器、水介質(zhì)信道、激光信號(hào)接收放大整形和信息解調(diào)譯碼6部分組成。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成Fig.3 The experimental system

信息采用字節(jié)形式由編碼調(diào)制模塊處理將其配置為不同時(shí)隙的PPM調(diào)制方式,發(fā)射端激光器受跳時(shí)隙信號(hào)控制輸出的激光由空間入射到水介質(zhì)信道傳輸,接收端通過(guò)FPGA檢測(cè)導(dǎo)頻碼來(lái)獲得對(duì)應(yīng)的調(diào)制類型,并完成數(shù)據(jù)解調(diào)。

3.2 跳時(shí)隙編解碼軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息以256 PPM、16 PPM和4 PPM三種調(diào)制類型按字節(jié)組幀進(jìn)行軟件編碼,可通過(guò)程序?qū)⒋齻魉托畔澐譃?部分。系統(tǒng)編碼的時(shí)隙類型與導(dǎo)頻碼間隔關(guān)系設(shè)定如下:

導(dǎo)頻碼間隔t1對(duì)應(yīng)256 PPM；導(dǎo)頻碼間隔t2對(duì)應(yīng)16 PPM；導(dǎo)頻碼間隔t3對(duì)應(yīng)4 PPM。

為保證編碼調(diào)制的時(shí)隙類型呈現(xiàn)隨機(jī)性,選擇利用FPGA定時(shí)器數(shù)據(jù)獲得,在發(fā)送時(shí)刻讀取定時(shí)器的數(shù)據(jù)對(duì)3進(jìn)行求余數(shù),根據(jù)得到的余數(shù)采用上面三種時(shí)隙類型完成字節(jié)組幀編碼,然后用組合的串行輸出數(shù)據(jù)幀脈沖驅(qū)動(dòng)激光器[11]。PPM調(diào)制信息傳輸?shù)年P(guān)鍵是通過(guò)時(shí)隙同步和符號(hào)同步來(lái)保證接收端進(jìn)行正確解調(diào),且符號(hào)同步是建立在時(shí)隙同步的基礎(chǔ)上[12]。

本系統(tǒng)接收端FPGA利用脈沖上升沿作為觸發(fā)信號(hào),其功能是提取時(shí)隙同步信號(hào)和幀同步信號(hào)[13],當(dāng)接收到脈沖上升沿時(shí)啟動(dòng)短周期脈沖開始計(jì)數(shù),待接收到第二個(gè)脈沖時(shí)停止計(jì)數(shù),然后讀取計(jì)數(shù)器數(shù)值并將計(jì)數(shù)器清零,同時(shí)進(jìn)行間隔判斷；已知時(shí)隙寬度為Tc,相鄰脈沖時(shí)間間隔為ΔT,當(dāng)檢測(cè)到兩脈沖間隔為t1、t2、t3時(shí),則判定為不同時(shí)隙類型幀開始,接下來(lái)檢測(cè)從導(dǎo)頻碼第二個(gè)脈沖到第一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙脈沖的間隔以及之后相鄰時(shí)隙脈沖的間隔ΔT,依據(jù)各時(shí)隙類型的字節(jié)組幀規(guī)則,若滿足條件(ΔT-Tc)/Tc,即實(shí)現(xiàn)對(duì)每幀數(shù)據(jù)信息的解碼還原,并送上位機(jī)顯示,同時(shí)再進(jìn)入下一輪詢時(shí)隙類型字節(jié)幀數(shù)據(jù)脈沖接收。圖4為系統(tǒng)接收軟件解碼流程。

圖4 解碼流程Fig.4 The decoding process

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)采用波長(zhǎng)為532 nm脈沖型激光器,利用時(shí)隙編碼輸出發(fā)送“J12”和“W20”字符信息模擬“經(jīng)度”和“緯度”方位指令,輸出信號(hào)按照單字節(jié)組幀依次以設(shè)定的時(shí)隙類型循環(huán)順序進(jìn)行發(fā)送。

圖5是激光發(fā)射脈沖能量5 mJ,經(jīng)實(shí)驗(yàn)室2000 mm×800 mm×800 mm水槽傳輸,由接收端測(cè)試得到的數(shù)據(jù)時(shí)隙信號(hào)幀波形。圖中上半部分為光電探測(cè)放大處理信號(hào),下半部為整形后的脈沖信號(hào),其信號(hào)響應(yīng)位置有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖5 接收信號(hào)幀波形Fig.5 The waveforms of received frames

圖5(a)為“J12”3個(gè)字符的幀結(jié)構(gòu)傳輸波形,圖5(b)為“W20”3個(gè)字符的幀結(jié)構(gòu)傳輸波形,圖中數(shù)據(jù)信息是以字節(jié)組幀形式傳送,每幀采用雙脈沖作為導(dǎo)頻碼,標(biāo)識(shí)①為16 PPM幀頭,標(biāo)識(shí)②為4 PPM幀頭,標(biāo)識(shí)③為256 PPM幀頭,其余脈沖是與時(shí)隙類型對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。傳統(tǒng)跳頻和脈沖位置調(diào)制通信是以固定參數(shù)特征實(shí)現(xiàn)傳輸,這對(duì)非合作接收方的信號(hào)檢測(cè)和參數(shù)截獲提供突破口,系統(tǒng)采用變參數(shù)的時(shí)隙類型組合編碼和短幀處理技術(shù),一是可提升信息的抗截獲優(yōu)勢(shì),二是減少傳輸帶來(lái)的時(shí)延積累,提高信息位置判斷準(zhǔn)確性和識(shí)別效率。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)設(shè)置多組不同信息數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸測(cè)試,在發(fā)射光視距范圍內(nèi)按照通信雙方時(shí)隙跳變規(guī)則接收信號(hào)得到較好的跟隨,進(jìn)一步驗(yàn)證以字節(jié)組幀的時(shí)隙類型變化編解碼正確性。

5 結(jié) 論

闡述了跨介質(zhì)激光水下通信中信道特點(diǎn),針對(duì)開放信道環(huán)境下信號(hào)傳輸風(fēng)險(xiǎn),提出一種跳時(shí)隙的通信機(jī)制,分析了跳時(shí)隙PPM的時(shí)域幀結(jié)構(gòu)與軟件編解碼實(shí)現(xiàn)過(guò)程,通過(guò)導(dǎo)頻碼與時(shí)隙類型的組合關(guān)系,采用3種時(shí)隙類型實(shí)現(xiàn)字節(jié)組幀的跳時(shí)隙字符編碼信息傳輸,完成激光水下數(shù)據(jù)信息傳輸實(shí)操測(cè)試。測(cè)試表明,在大氣與水下介質(zhì)信道中,采用字節(jié)組幀的信息傳輸,有利于幀同步處理,實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng),可降低長(zhǎng)信息幀在傳輸過(guò)程中受到信道隨機(jī)噪聲干擾而導(dǎo)致的接收不完整錯(cuò)誤,只要通信雙方的時(shí)隙幀結(jié)構(gòu)按照約定規(guī)律進(jìn)行變化,對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)傳輸具有一定優(yōu)勢(shì)。若通信雙方的時(shí)隙導(dǎo)頻碼類型采用更多形式組合實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的時(shí)隙跳變技術(shù),則有利于減少信號(hào)被截獲破譯機(jī)率,為空海一體化通信的安全性和隱蔽性提供一種新的技術(shù)手段。