基于脈沖撥號(hào)的抗抖動(dòng)激光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林晨嵐,陳香宇,宋欣然,黃國勇

(吉林大學(xué)通信工程學(xué)院,長春130012)

0 引 言

自由空間光通信(FSO:Free Space Optical Communication)技術(shù)是利用激光束作為信息載體在大氣中傳輸?shù)倪h(yuǎn)距離高速通信,其具有容量大、速度快、抗干擾性強(qiáng)、位置保密性高以及安全性好等優(yōu)點(diǎn)[1]。但自由空間光通信會(huì)受大氣湍流、瞄準(zhǔn)誤差和時(shí)間抖動(dòng)的影響,從而引起通信質(zhì)量下降、誤碼率增加[2-4]。

在理論研究方面,目前主要研究大氣湍流和瞄準(zhǔn)誤差的影響[5-6],只有較少文獻(xiàn)[7-8]討論了時(shí)間抖動(dòng)對自由空間光通信的影響,并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。在實(shí)際激光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面,馬爽等[9]提出了改進(jìn)的大氣激光通信PPM(Pulse Position Modulation)調(diào)制解調(diào)系統(tǒng),以FPGA(Field Programmable Gate Array)為主控單元完成信號(hào)的調(diào)制、解調(diào)與同步。李俊等[10]設(shè)計(jì)了基于DSP(Digital Signal Processing)和光強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測技術(shù)的激光通信系統(tǒng),接收端通過增加透鏡折射率以及減少接收視角的方式擴(kuò)大光電二極管的有效接收面積。筆者主要針對非大氣因素的影響[4],進(jìn)行激光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。針對時(shí)間抖動(dòng),采用脈沖撥號(hào)調(diào)制,以脈沖的個(gè)數(shù)表示信息。與激光通信系統(tǒng)中通常采用的OOK(On-Off Keying)或PPM調(diào)制方法不同,脈沖撥號(hào)調(diào)制只需判斷脈沖的有無,可避免時(shí)間抖動(dòng)的影響,可靠性較高。針對瞄準(zhǔn)誤差,采用多路接收方法,將點(diǎn)到點(diǎn)通信轉(zhuǎn)換為點(diǎn)到面通信,以降低瞄準(zhǔn)難度。此外,筆者采用軟硬件結(jié)合的方式設(shè)計(jì)激光通信系統(tǒng),無需同步模塊,實(shí)現(xiàn)簡單且降低了成本。最終得到一個(gè)響應(yīng)速度較快、可靠性較高、易于實(shí)現(xiàn)的激光通信系統(tǒng),為激光通信系統(tǒng)的研究提供了新思路。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 脈沖撥號(hào)調(diào)制

脈沖撥號(hào)調(diào)制即用脈沖的個(gè)數(shù)表示信息。發(fā)1時(shí)發(fā)送1個(gè)脈沖,發(fā)2時(shí)發(fā)送2個(gè)脈沖,……,發(fā)0時(shí)發(fā)送10個(gè)脈沖,以此類推[11]。采用脈沖撥號(hào)調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是可以避免時(shí)間抖動(dòng)的影響。在通信系統(tǒng)中,時(shí)間抖動(dòng)使攜帶數(shù)據(jù)的脈沖與時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生偏差,采樣時(shí)鐘偏離最佳采樣點(diǎn),從而導(dǎo)致相鄰碼字間出現(xiàn)碼間干擾。激光通信系統(tǒng)中常用的OOK、PPM調(diào)制方式要求在每個(gè)碼元周期內(nèi)的最佳采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣判決,因此易受到時(shí)間抖動(dòng)的影響[12-13]。如圖1所示,以采用OOK調(diào)制方式為例,當(dāng)發(fā)生時(shí)間抖動(dòng)時(shí),采樣時(shí)鐘偏離最佳采樣點(diǎn),造成誤碼。而脈沖撥號(hào)調(diào)制方式只需通過檢測信號(hào)的跳變判斷脈沖的有無,不需要以特定采樣時(shí)鐘進(jìn)行采樣,因此能避免時(shí)間抖動(dòng)的影響,可靠性較高。

圖1 OOK調(diào)制方式在時(shí)間抖動(dòng)影響下發(fā)生誤碼示意圖Fig.1 The schematic diagram of code error of OOK modulation under the influence of time jitter

除了能避免時(shí)間抖動(dòng)的影響外,脈沖撥號(hào)調(diào)制方式還有如下優(yōu)勢。首先,在采用脈沖撥號(hào)調(diào)制方式進(jìn)行通信時(shí),不需要進(jìn)行同步。由于脈沖撥號(hào)調(diào)制方式通過脈沖的有無存儲(chǔ)信息,接收端在接收到一定寬度的脈沖時(shí)便得知通信開始,因此可以節(jié)約同步開銷。其次,脈沖撥號(hào)調(diào)制方式只有兩種電平狀態(tài),具有數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn),在傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。最后,脈沖撥號(hào)調(diào)制方式原理簡單,因此易于實(shí)現(xiàn),采用軟件的方式便可實(shí)現(xiàn)調(diào)制,相對其他調(diào)制方式大大節(jié)約了成本。正是因?yàn)槊}沖撥號(hào)調(diào)制方式具有上述優(yōu)點(diǎn),筆者在通信系統(tǒng)的發(fā)送端采用脈沖撥號(hào)調(diào)制。

在現(xiàn)有條件下,約定如下通信規(guī)則:

1)每次通信發(fā)送端按下4個(gè)按鍵,4個(gè)鍵值即為要發(fā)送的信息;

2)一次通信要發(fā)送的信號(hào)由4組信息脈沖、1組校驗(yàn)脈沖和結(jié)束標(biāo)志組成;

3)信息脈沖的個(gè)數(shù)為當(dāng)前鍵值,信息脈沖為窄脈沖;

4)校驗(yàn)脈沖的個(gè)數(shù)為4組信息脈沖的個(gè)數(shù)求和并模10,校驗(yàn)脈沖為窄脈沖;

5)在每組脈沖結(jié)束后加入結(jié)束標(biāo)志,結(jié)束標(biāo)志為一個(gè)寬脈沖。

圖2是經(jīng)過脈沖撥號(hào)調(diào)制后的信號(hào)(以發(fā)送1111為例,校驗(yàn)脈沖的個(gè)數(shù)為4)。

圖2 經(jīng)過脈沖撥號(hào)調(diào)制后的信號(hào)Fig.2 The signal after pulse dialing modulation

1.2 多路接收

自由空間光通信系統(tǒng)中存在瞄準(zhǔn)誤差。它是由熱膨脹、輕微地震、風(fēng)速的變化等隨機(jī)抖動(dòng)因素造成的,由發(fā)送端和接收端固定平臺(tái)隨機(jī)晃動(dòng)而引起的,若通信雙方相互偏離對方視角,則會(huì)造成通信中斷[14]。為解決上述問題,筆者采用多路接收的方法,設(shè)置多個(gè)光電轉(zhuǎn)換器電路接收激光信號(hào),以增大接收面積、減小瞄準(zhǔn)誤差。

1.3 軟硬件結(jié)合

STM32單片機(jī)具有高性能、低成本、低功耗、程序模塊化、功能豐富和使用簡單等優(yōu)勢。因此采用STM32單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)激光信號(hào)的調(diào)制、解調(diào)以及差錯(cuò)控制,通過軟硬件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)激光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì),該方案實(shí)現(xiàn)簡單并降低了成本。下面將分別從硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及軟件實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面作具體說明。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖3所示,筆者設(shè)計(jì)的激光通信系統(tǒng)主要分為發(fā)射模塊和接收模塊。由于主要考慮非大氣因素對激光通信系統(tǒng)的制約[4],因此筆者設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行激光通信,避免大氣湍流的干擾并且易于實(shí)現(xiàn)。

圖3 激光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.3 The design diagram of laser communication system

2.1 發(fā)送模塊

如圖3所示,發(fā)射模塊由按鍵輸入模塊、STM32單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、調(diào)制電路、激光發(fā)射器、固定裝置和發(fā)射透鏡組成。數(shù)據(jù)通過4×4矩陣鍵盤輸入STM32單片機(jī)。單片機(jī)對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行脈沖撥號(hào)調(diào)制。調(diào)制后信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路和200 kHz調(diào)制電路到達(dá)激光管驅(qū)動(dòng)激光發(fā)射。激光經(jīng)過發(fā)射透鏡,發(fā)射至實(shí)驗(yàn)信道。其中激光管選用波長為650 nm,功率為5 mW的紅色激光發(fā)射管,該激光管可以發(fā)射紅色平行激光光束。此外,由于在對激光信號(hào)進(jìn)行直接調(diào)制前進(jìn)行了200 kHz的調(diào)制,接收端也進(jìn)行了相應(yīng)的解調(diào),所以不同的工作波長對系統(tǒng)無影響。

2.2 接收模塊

激光通信系統(tǒng)的接收模塊由光電轉(zhuǎn)換模塊、多路接收模塊和單片機(jī)處理模塊組成。

光電轉(zhuǎn)換模塊接收實(shí)驗(yàn)信道中的光信號(hào),并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào),送入后續(xù)電路處理。多路接收模塊將來自光電轉(zhuǎn)換模塊的多路脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為一路信號(hào)輸出給單片機(jī)。單片機(jī)處理模塊在接收信號(hào)后進(jìn)行信號(hào)判決和差錯(cuò)控制,并將顯示接收結(jié)果。

2.2.1 光電轉(zhuǎn)換模塊

光電轉(zhuǎn)換模塊由接收透鏡和光電轉(zhuǎn)換陣列組成。光電轉(zhuǎn)換陣列由3×3的光電轉(zhuǎn)換器電路組成,光電轉(zhuǎn)換器電路包括光電轉(zhuǎn)換器以及200 kHz解調(diào)電路,其電路原理圖如圖4所示。

圖4 光電轉(zhuǎn)換器電路原理圖Fig.4 The principle diagram of photoelectric converter circuit

由于光在自由空間中傳播會(huì)有損失,因此在光電轉(zhuǎn)換陣列前加入凸透鏡,起到激光匯聚的作用,從而增強(qiáng)入射到光電轉(zhuǎn)換陣列上的光信號(hào)的強(qiáng)度。此外,在通信過程中,激光通信質(zhì)量會(huì)受到瞄準(zhǔn)誤差的影響。因此,采用多路接收的方法,搭建一個(gè)由多個(gè)光電轉(zhuǎn)換器電路組成的3×3光電轉(zhuǎn)換陣列以增大接收面積,減少瞄準(zhǔn)誤差的影響。

2.2.2 多路接收模塊

如圖5所示,多路接收模塊將來自光電轉(zhuǎn)換模塊的多路脈沖信號(hào)整合為一路脈沖信號(hào)。

圖5 多路接收模塊原理圖Fig.5 The principle diagram of multi-channel reception module

由于光電轉(zhuǎn)換模塊在接收到光信號(hào)時(shí)輸出低電平,因此只要將多路脈沖信號(hào)通過數(shù)字芯片相與,便可檢測到光電轉(zhuǎn)換陣列中所有光電檢測器輸出的低電平信號(hào)。

考慮到需要電路工作穩(wěn)定,翻轉(zhuǎn)速度快,并且要盡量減少電路元件個(gè)數(shù)以減小不同路信號(hào)的時(shí)間誤差,因此選用雙路四輸入與門CD4082芯片。

2.2.3 單片機(jī)處理模塊

考慮到通信過程中需要單片機(jī)高速、穩(wěn)定的測量,選用晶振為8 MHz的STM32C8T6單片機(jī),其定時(shí)器模塊最大可測量50 MHz的信號(hào)。

單片機(jī)對來自多路接收模塊的脈沖信號(hào)進(jìn)行處理。其利用定時(shí)器的輸入捕獲功能,測量脈沖的低電平寬度,通過程序進(jìn)行信號(hào)判決和差錯(cuò)控制,并將信號(hào)處理結(jié)果發(fā)送給顯示模塊。顯示模塊由8位數(shù)碼管及其驅(qū)動(dòng)電路組成,單片機(jī)通過動(dòng)態(tài)掃描的方式顯示數(shù)據(jù)。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

上述通信系統(tǒng)通過軟件編程實(shí)現(xiàn)脈沖撥號(hào)調(diào)制、信號(hào)判決以及差錯(cuò)控制的功能。

3.1 發(fā)送端程序

發(fā)送端程序能根據(jù)鍵盤輸入獲得要發(fā)送的脈沖個(gè)數(shù),然后進(jìn)行脈沖撥號(hào)調(diào)制。脈沖撥號(hào)調(diào)制即用脈沖的個(gè)數(shù)表征要發(fā)送的信息。程序流程圖如圖6所示。

圖6 發(fā)送端程序流程圖Fig.6 The flow chart of the transmitter program

3.2 接收端程序

接收端程序能根據(jù)單片機(jī)IO口接收到的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)判決,同時(shí)實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)控制(包括校驗(yàn)信息檢錯(cuò)和定時(shí)器超時(shí)判決)。利用定時(shí)器的輸入捕獲功能,通過邊沿檢測捕獲低電平(接收到信號(hào)時(shí)為低電平),計(jì)算低電平的寬度,區(qū)分窄脈沖和寬脈沖(結(jié)束標(biāo)志)。當(dāng)捕獲到寬脈沖時(shí)認(rèn)為一組信息脈沖或校驗(yàn)脈沖結(jié)束,將當(dāng)前窄脈沖的個(gè)數(shù)存儲(chǔ)并開始下一組脈沖的計(jì)數(shù)。從而得到4組信息脈沖和校驗(yàn)脈沖的脈沖個(gè)數(shù)。對接收到的4組信息脈沖的脈沖個(gè)數(shù)做求和模10運(yùn)算,與接收到的校驗(yàn)信息進(jìn)行對比,若不相同則認(rèn)為此時(shí)出現(xiàn)校驗(yàn)信息錯(cuò)誤,顯示特定信息提示出現(xiàn)校驗(yàn)信息錯(cuò)誤并告訴發(fā)送端重發(fā)脈沖。

此外,在捕獲到第1個(gè)低電平時(shí)啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器計(jì)數(shù),若由于環(huán)境影響或其他原因?qū)е陆邮斩藳]有接收到正確數(shù)目的結(jié)束標(biāo)志,會(huì)由于定時(shí)器超時(shí)停止接收,顯示特定信息提示出現(xiàn)定時(shí)器超時(shí)錯(cuò)誤并告訴發(fā)送端重發(fā)脈沖。若沒有出現(xiàn)以上異常情況,則接收端顯示接收到的信息。程序流程圖如圖7所示。

圖7 接收端程序流程圖Fig.7 The flow chart of the receiver program

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

為驗(yàn)證筆者所設(shè)計(jì)的激光通信系統(tǒng)具有響應(yīng)速度較快、可靠性較高、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)室條件下,設(shè)定通信距離為10 m,窄脈沖寬度為50 ms,寬脈沖寬度為100 ms,調(diào)制速率為200 kHz。由于數(shù)據(jù)傳輸速率通?？捎谜{(diào)制速率表示,因此激光通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率近似為調(diào)制速率,即200 kHz。

4.2 實(shí)驗(yàn)方法

筆者通過計(jì)算通信時(shí)間,即從發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)開始到接收端顯示正確接收數(shù)據(jù)為止的時(shí)間,以衡量通信的響應(yīng)速度;同時(shí)通過對通信鏈路進(jìn)行長時(shí)和短時(shí)的遮擋,模擬通信鏈路由于環(huán)境等因素造成通信中斷的情況,以測試接收端差錯(cuò)控制的性能。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.3.1 通信時(shí)間測試

測試結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)通信時(shí)間測試表Tab.1 The communication time testing chart of the system

由表1可知,該系統(tǒng)在發(fā)送不同數(shù)據(jù)時(shí)的通信時(shí)間不同,這是由于脈沖撥號(hào)調(diào)制方式以脈沖的個(gè)數(shù)表征發(fā)送的信息,因此發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)值越大,需要發(fā)送的脈沖個(gè)數(shù)越多,通信時(shí)間越長。但從整體看,在通信距離為10 m的條件下,通信時(shí)間較短。發(fā)送端一旦發(fā)送數(shù)據(jù),接收端很快就能正確接收數(shù)據(jù)并顯示,即響應(yīng)速度較快。系統(tǒng)的響應(yīng)速度或通信時(shí)間受到脈沖寬度、通信距離、發(fā)送數(shù)據(jù)以及硬件設(shè)備的影響。在滿足正確接收的條件下,可以通過設(shè)置更小的脈沖寬度達(dá)到更快的響應(yīng)速度。

4.3.2 差錯(cuò)控制性能測試

測試結(jié)果如表2所示。

表2 系統(tǒng)差錯(cuò)控制性能測試表Tab.2 The error control performance testing chart of the system

由表2可得,當(dāng)模擬短時(shí)遮擋時(shí),會(huì)出現(xiàn)校驗(yàn)信息錯(cuò)誤或定時(shí)器超時(shí)錯(cuò)誤,這是因?yàn)槎虝r(shí)遮擋會(huì)導(dǎo)致接收端遺漏脈沖。當(dāng)遺漏的脈沖為信息脈沖時(shí)出現(xiàn)校驗(yàn)信息錯(cuò)誤;當(dāng)遺漏的脈沖為結(jié)束標(biāo)志時(shí)出現(xiàn)定時(shí)器超時(shí)錯(cuò)誤。當(dāng)模擬長時(shí)遮擋時(shí),由于遮擋的時(shí)間較長,使接收端未能接收到正確數(shù)量的結(jié)束標(biāo)志,因此出現(xiàn)定時(shí)器超時(shí)錯(cuò)誤。然而,不論是模擬短時(shí)遮擋還是長時(shí)遮擋,在出現(xiàn)差錯(cuò)后,接收端都會(huì)提示相應(yīng)的錯(cuò)誤信息,且重新發(fā)送數(shù)據(jù)后仍能正確接收,系統(tǒng)的健壯性較好。因此,在接收端的差錯(cuò)控制下,只有接收到正確的數(shù)據(jù),接收端的顯示模塊才會(huì)顯示接收到的信息,否則顯示錯(cuò)誤信息。由此驗(yàn)證筆者設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可靠性較高。

5 結(jié) 語

針對自由空間光通信中存在的時(shí)間抖動(dòng)和瞄準(zhǔn)誤差問題,筆者分別探討了脈沖撥號(hào)調(diào)制和多路接收方法的可行性和優(yōu)越性,采用軟硬件相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)了基于脈沖撥號(hào)的抗抖動(dòng)激光通信系統(tǒng)。最后依托實(shí)驗(yàn)室條件對其進(jìn)行了測試。多次實(shí)際測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠傳輸距離至少為10 m,且能抵抗輕微干擾,出現(xiàn)錯(cuò)誤后重傳可正常通信。綜上所述,筆者所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有響應(yīng)速度較快、可靠性較高和易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn),為激光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開辟了新途徑。