短距離紫外光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

闞　慶（哈爾濱華德學(xué)院，哈爾濱150025）

短距離紫外光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

闞慶
（哈爾濱華德學(xué)院，哈爾濱150025）

紫外光通信是無(wú)線通信與光通信相結(jié)合的一種較新的通信技術(shù)，以光為載體，并不通過(guò)任何有形實(shí)體介質(zhì)進(jìn)行信息傳輸，在現(xiàn)有幾種解決“最后一公里”問(wèn)題的技術(shù)中有很大優(yōu)勢(shì)?；谌彰^(qū)段的紫外光通信與基于可見(jiàn)光波段的無(wú)線光通信技術(shù)，是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，并在無(wú)線光通信系統(tǒng)中引入并得到迅速發(fā)展，具有逼近香農(nóng)限優(yōu)良性能的“好”碼-LDPC信道編碼。

紫外光通信；LDPC；主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Abstract∶UV communication is wireless communication to communicate with light combines a relatively new communication technologies to light as the carrier，not by any entity tangible medium of information transmission in several existing solve the“l(fā)ast mile”problem the technology has great advantages.UV-based communications segment blind date with a visible light-based optical wireless communication technology，the research focus in recent years，and the introduction and rapid development in wireless optical communication system with excellent performance close tothe Shannon limit“good”code-LDPCchannel coding.

Keywords∶UV-communication；LDPC；master systemdesign

1　紫外光通信

由于大氣中的臭氧層對(duì)從太陽(yáng)福射過(guò)來(lái)的C波段（200 nm——280 nm）紫外光（UVC）具有很強(qiáng)的吸收作用，使得在地表日光UVC光功率非常微弱，形成所謂的日盲區(qū)200 nm——280 nm波段的太陽(yáng)光福射相對(duì)較小，到達(dá)地表的UVC太陽(yáng)福射尤其小。除太陽(yáng)光背景干擾小之外，UVC波段光的另一大特點(diǎn)是大氣散射性強(qiáng)。由文獻(xiàn)可知∶大氣分子、氣溶膠和其他顆粒對(duì)此波段紫外光具有較強(qiáng)的吸收和散射作用，因此大氣對(duì)UVC波段的紫外光具有明顯的散射特性以及較大的路徑損耗。

2　紫外光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

目前無(wú)線光通信多采用光強(qiáng)度調(diào)制/直接探測(cè)（IM/DD）系統(tǒng)，其中主要考慮信道特性、傳輸可靠性、傳輸速率、組網(wǎng)技術(shù)。

整個(gè)通信系統(tǒng)總體可分為信息發(fā)送部分（源端）和信息接收部分（宿端）兩大部分。發(fā)送源端由數(shù)據(jù)緩存、信道編碼、信道調(diào)制器、占空比調(diào)節(jié)器和陣列驅(qū)動(dòng)光源五個(gè)大的功能模塊組成；接收端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相比而言較為復(fù)雜，由PMT探測(cè)接收器、A/D轉(zhuǎn)換電路及數(shù)字濾波器、判決恢復(fù)電路、同步解調(diào)、信道譯碼等部分功能模塊組成。此外除了收發(fā)兩端的設(shè)備外，在光路部分還設(shè)計(jì)了光學(xué)模塊。

在發(fā)送端，緩存器將數(shù)據(jù)源發(fā)來(lái)的信息數(shù)據(jù)緩存，隨后將數(shù)據(jù)按組送入信道編碼器，進(jìn)而對(duì)編碼處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，轉(zhuǎn)換成適合光路傳輸?shù)幕鶐盘?hào)（本系統(tǒng)進(jìn)行了DPIM/PPM/OOK調(diào)制處理）。

在信息發(fā)送部分，數(shù)據(jù)源發(fā)出的信息數(shù)據(jù)被緩存器緩存，隨后按組送入信道編碼器，隨后將經(jīng)過(guò)編碼處理后的數(shù)據(jù)送入信道調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，將其轉(zhuǎn)換成適合光路傳輸?shù)幕鶐盘?hào)。再將該基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)占空比調(diào)整后送入驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)紫外LED光源發(fā)光。

3　無(wú)線光通信系統(tǒng)中的主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該通信終端作為發(fā)端∶在用戶(hù)確認(rèn)將已寫(xiě)入欲發(fā)送數(shù)據(jù)的SD卡插入單片機(jī)自帶SD卡插槽中后，用戶(hù)按下單片機(jī)開(kāi)發(fā)板上功能鍵后（或系統(tǒng)自動(dòng)）讀取SD卡指定文件夾中的文件序列并將其信息比特流通過(guò)USB端口發(fā)送給相連的下游設(shè)備，下游設(shè)備將按設(shè)定好的程序自動(dòng)開(kāi)始下一步動(dòng)作。

作為收端∶單片機(jī)首先將驗(yàn)證是否有可正常運(yùn)行的SD卡，插入系統(tǒng)上的SD卡后，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。單片機(jī)系統(tǒng)從上游設(shè)備處接收到系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行的信號(hào)后，從USB端口處接收數(shù)據(jù)流，并在單片機(jī)芯片的控制下，將從上游接收到的數(shù)據(jù)寫(xiě)入SD卡中。

而收發(fā)兩端是可以根據(jù)通信環(huán)境的變化而進(jìn)行通信角色的變化的，因此希望，最后制成終端是集成收發(fā)兩端的功能的。而該終端又會(huì)在特定情況下，比如直接對(duì)SD卡的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取或者對(duì)終端機(jī)的檢查調(diào)試，通過(guò)USB連接PC機(jī)。此時(shí)該終端需要自動(dòng)從USB協(xié)議的主機(jī)端轉(zhuǎn)為從機(jī)端，以便可以與PC機(jī)相連接并實(shí)現(xiàn)所需求的功能。

4　LDPC編碼通信仿真

4.1仿真模型總體設(shè)計(jì)

仿真模型總體主要分為以下幾個(gè)部分∶信源的信號(hào)產(chǎn)生器、對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行編碼的LDPC編碼器、AWGN信道仿真模型、對(duì)接收到的比特序列進(jìn)行譯碼的LDPC譯碼器以及最后對(duì)接收到信息與原始信息進(jìn)行比對(duì)的BER結(jié)果測(cè)量分析模塊。

4.2信源信號(hào)產(chǎn)生器仿真

信源信號(hào)產(chǎn)生器的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，直接利用Matlab工具，先隨機(jī)產(chǎn)生m個(gè)絕對(duì)值在（0，1）之間均勾的實(shí)數(shù)。再利用一個(gè)簡(jiǎn)單的判決法則，當(dāng)實(shí)數(shù)值小于0.5，就判為0；若大于0.5，便判為1。這樣就可以生成一串基帶為0，1的m位數(shù)字信號(hào)，并且隨機(jī)均匆分布，其中0，1個(gè)數(shù)分別約為整個(gè)序列的一半。并隨后將其轉(zhuǎn)化為方便隨后編碼運(yùn)算的矩陣。

4.3LDPC碼稀疏校驗(yàn)矩陣的構(gòu)造

本文選擇了LDPC碼的標(biāo)準(zhǔn)編碼方法對(duì)LDPC編碼器模塊進(jìn)行了編碼仿真。其實(shí)現(xiàn)步驟大致可分為∶

A.構(gòu)造一個(gè)簡(jiǎn)單的奇偶校驗(yàn)矩陣，并將特定數(shù)目的1隨機(jī)放置在該矩陣的每一列上。

B.對(duì)每行中1的個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并對(duì)行重為0或1的行再隨機(jī)添加兩個(gè)1。

C.在所構(gòu)建的矩陣中嘗試尋找并消除四環(huán)。

5　結(jié)語(yǔ)

利用嵌入式系統(tǒng)作為主控終端進(jìn)行開(kāi)發(fā)并最終應(yīng)用于無(wú)線光通信中以進(jìn)一步小型化通信系統(tǒng)終端；將LDPC信道編碼技術(shù)分別應(yīng)用于紫外光無(wú)線通信系統(tǒng)和可見(jiàn)光無(wú)線通信系統(tǒng)中以獲得較高信道編碼增益，等等方面，均會(huì)對(duì)未來(lái)無(wú)線光通信技術(shù)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

［1］鄧永紅.無(wú)線光通信技術(shù)綜述［J］.數(shù)字通信世界，2006，（02）：95.

［2］雷小明.日盲紫外自由空間通信調(diào)制系統(tǒng)的研究［D］.重慶大學(xué)，2008.

［3］樊慧萍.基于LED短距離光無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和編碼的實(shí)現(xiàn)［D］.北京郵電大學(xué)，2011.

［4］Luo P，Zhang M，Han D，et al.Performance analysis of short-range NLOS UVcommunication system using Monte Carlo simulation based on measured channel parameters［J］.Optics Express，2012，（20）∶23489-23501.

Design of short-range ultraviolet communication system

KAN Qing
（Harbin Huade College，Harbin 150025，China）

TN913.33

A

1674-8646（2015）02-0026-02