空間光通信對抗中通信光探測器的同步干擾特性研究

唐雁峰，李洪祚

（長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022）

世界各國對空間激光通信技術(shù)的研究已經(jīng)開展多年，關(guān)鍵技術(shù)日趨成熟，并且在飛機、衛(wèi)星等多種平臺上開展了通信試驗，試驗證明空間激光通信系統(tǒng)具有巨大的應用潛力，未來將成為衛(wèi)星間通信、軍事通信等領(lǐng)域的主要通信手段。隨著空間激光通信的迅猛發(fā)展，空間激光通信的信息對抗也將成為研究熱點，本文針對空間激光通信系統(tǒng)通信用接收光電探測器的干擾特性進行分析和測試。

1 光通信用光電探測器干擾特性研究

激光的有源干擾價值主要體現(xiàn)在與被干擾信號的相關(guān)性和低功耗性。要求干擾信號與原信號多重相關(guān)，包括時間相關(guān)、空間相關(guān)和特性相關(guān)。空間激光干擾分為同步干擾和非同步干擾，同步光通信是目前光通信中常用的通信方式，同步光通信系統(tǒng)中當光信號進入接收系統(tǒng)時，要完成時鐘提取和門限判決，可以分別對其實施比特干擾和時鐘提取干擾。

1.1 比特干擾

在無線激光通信干擾中，比特干擾是最基本、最簡單的干擾方式，對開關(guān)調(diào)制（OOK）以及DPPM調(diào)制尤為適用。其基本原理是抬高基帶信號“0”時刻的值，使其積分高于判決電路設定的閾值，將原信號的比特“0”判決為比特“1”。比特干擾是針對于系統(tǒng)的門限判決電路而制定的方法。對于IM/DD通信系統(tǒng)來說，要求干擾激光器所發(fā)出的干擾信號的頻率必須與被干擾信號成倍數(shù)關(guān)系，當干擾信號的功率在脈沖時間內(nèi)的積分超過判決閾值時，即達到干擾效果。因此，實現(xiàn)比特干擾有需要確定探測器兩個參數(shù)：一是探測器輸入信號的光功率，二是探測器的閾值范圍。

以單音干擾為例，假設干擾信號是一個余弦信號

信號為

為簡單起見，可設定ωc=ωj，φ0=0=0

則，接收端收到的合成信號為：

輸出包絡為

輸出包絡為一個服從廣義瑞利分布的隨機過程。則系統(tǒng)誤碼率其中：b為系統(tǒng)的判決門限；σn是噪聲的均方差；Pe1是發(fā)生“1”時的錯誤概率；Pe0是發(fā)生“0”時的錯誤概率；Q(α ),β是Marcum Q函數(shù)，其定義式為

其中，I0為第一類零階修正貝塞爾函數(shù)。

歸一化門限后系統(tǒng)誤碼率改寫為：

此時，誤碼率表示為：

圖1為比特干擾的示意圖原始信號為“10100”。經(jīng)比特干擾后，被誤判為“11101”。

圖1 比特干擾原理圖

1.2 時鐘提取干擾

時鐘提取是通信接收的一項重要環(huán)節(jié)，多采用鎖相環(huán)技術(shù)檢測并控制接收信號的相位，當探測器接收到連續(xù)幾個信號與本地時鐘信號存在相位差，鎖相環(huán)就轉(zhuǎn)入失鎖狀態(tài)，進行相位調(diào)整，直至本地時鐘信號與接收信號同相，完成鎖相過程。時鐘提取干擾正是利用這個過程使干擾信號不斷超前或滯后原始信號，使得系統(tǒng)鎖相環(huán)不斷處于“失鎖”的狀態(tài)下。從而不能在通信時間內(nèi)正常通信。

利用Matlab的Simulink仿真了不同重復頻率的干擾信號對時鐘恢復干擾過程，首先讓信源產(chǎn)生碼速率為32kb/s的非歸零碼（NRZ）的隨機數(shù)產(chǎn)生器作為被干擾信號，干擾激光頻率分別為（a）32kHz，（b）40kHz和（c）96kHz。仿真結(jié)果如圖2所示。

由仿真結(jié)果分析可知：

（1）當干擾光重頻為32kHz時，由于干擾頻率與通信頻率相同，所以鑒相器能夠連續(xù)輸出相等的相位誤差信號，當誤差信號達到鎖相環(huán)計數(shù)溢出時，鎖相環(huán)就會進入失鎖狀態(tài)重新修正本振相位來適應干擾信號，這種鎖定干擾信號的干擾方式稱之為“時鐘篡改”。

（2）當干擾光重頻為40kHz時由于相位誤差不固定，鎖相環(huán)不會進行時鐘調(diào)整。但時鐘提取干擾并不是干擾頻率越高越好。

（3）當干擾光重頻為96kHz時，原始信號中出現(xiàn)連續(xù)低電平時，由于大量的干擾脈沖信號，在該時隙內(nèi)，鑒相器輸出較多的相位誤差信號，當鎖相環(huán)的計數(shù)閾值溢出時，觸發(fā)時鐘調(diào)整。但是，當相位信息未達到溢出閾值時，鎖相環(huán)將不進行調(diào)整。

圖2 時鐘恢復干擾過程仿真結(jié)果

綜上所述，干擾必須使環(huán)路濾波器連續(xù)產(chǎn)生相位誤差信號才能是鎖相環(huán)調(diào)整；鎖相環(huán)一般在信號的上升沿或下降沿調(diào)整；時鐘提取干擾要求干擾信號的重復頻率和占空比與接收機被干擾信號時鐘頻率相關(guān)。這樣才能使環(huán)路濾波器產(chǎn)生恒定的相位誤差信號實現(xiàn)鎖相環(huán)本振信號調(diào)整的目的，實現(xiàn)時鐘提取干擾。

2 光通信中探測器的干擾實驗與結(jié)果分析

為了論證分析結(jié)果，應用實驗室已有的OOK無線光調(diào)制系統(tǒng)模擬空間光通信系統(tǒng)進行干擾實驗。

通信系統(tǒng)采用光強度調(diào)制/直接檢測（IM/DD）體制，波長1550nm傳輸數(shù)據(jù)為一幅JPEG格式圖像。干擾激光源波長1550nm，輸出峰值功率為500W，信號發(fā)生器發(fā)出單一頻率脈沖驅(qū)動干擾激光器。接收為APD310雪崩光電二極管。利用Aglient Technologies公司的DSO-X93204A示波器對光電探測器接收信號進行觀察。室內(nèi)溫度26℃，利用衰減器模擬空間長距離通信。干擾光以斜45°傾角直接射到接收器的接收視場中。實驗裝置如圖3所示。圖片由信號源發(fā)出，通過在計算機接收顯示圖片。使用示波器對眼圖信號實時觀察，使用功率計對干擾激光器和通信光的平均功率進行比較。

圖3 干擾實驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖

實驗中假設預先探知對方通信光波波長，因此干擾光與信號光波長一致，令通信光衰減50dB；通信光傳輸速率200Mbps；接收鏡頭視場1°；干擾光由信號發(fā)生器發(fā)出50%占空比方波信號、通過調(diào)整干擾光的衰減系數(shù)和干擾重復頻率對通信系統(tǒng)進行測試。

圖5 不同功率激光干擾圖像及眼圖

（1）干擾光衰減系數(shù)與通信光衰減系數(shù)相同時，重復頻率分別為（a）100KHz、（b）150MHz時的接收圖像及眼圖信號，如圖4所示。

圖4 不同重復頻率下干擾的圖像及眼圖

（2）調(diào)整干擾光信號重復頻率為1kHz、衰減系數(shù)改為（a）60dB、（b）55dB和（c）50dB時的接收圖像及眼圖信號，如圖5所示。

3 結(jié)論

由以上實驗結(jié)果分析可知：

（1）同步通信圖像干擾設計中，設定接收機連續(xù)2ms收不到幀同步信息時，干擾成功。而干擾光頻率100KHz時持續(xù)干擾10ms，導致每幀圖像中應該有1/3的信息無法傳遞。圖4（a）部分圖像扭曲，出現(xiàn)一個黑白紋組合且黑白紋之間有圖像存在，圖4（b）圖像扭曲嚴重，黑白紋組合明顯增多。

（2）比較不同重復頻率干擾光對實驗的影響得出，并不是重復頻率越高，干擾現(xiàn)象就越嚴重。設干擾脈沖的頻率為Δ1，原圖像每幀頻為Δ2。發(fā)現(xiàn)在通信過程中Δ1與Δ2接近整數(shù)比，圖像變形得越嚴重，如圖4所示。

（3）探測器接受的干擾光功率與信號光功率比值對干擾效果作用明顯。當干擾光平均功率比例過低時，圖像無變化，可認為無干擾影響，如圖5（a）所示；但隨著干擾光衰減增強，干擾現(xiàn)象不斷加重。

［1］Harinder Sandhu，Chadha D.Power and Spectral Efficient free Space Optical Link Based on MIMO system［J］.CommunicationNetworksandService Research Conference，2008：504-509.

［2］Aghajanzadeh S M，Uysal M.Diversity-multiplexing trade-off in coherent free-space optical systems with multiple receivers［J］.J OPT COMMUN NETW，2010，2（12）：1087-1094.

［3］ChadiAdou-Rjeily，Ahmad Slim.Cooperative Diversity for free-space optical Communications：transceiver design and performance analysis［J］.IEEE Transactions on Communications，2011，59（3）：658-663.