基于氧化鎵探測(cè)器的日盲紫外光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬艷秀　王順利　胡海爭(zhēng)

摘 要： 為克服傳統(tǒng)光電探測(cè)器工作電壓較高、硬件電路復(fù)雜與抗干擾能力差的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于新型氧化鎵探測(cè)器的日盲紫外光通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)在給定窗口大小的情況下，根據(jù)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理算法對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，通過(guò)將計(jì)算得到的閾值與光強(qiáng)作比較輸出二值信號(hào)，結(jié)合OOK調(diào)制技術(shù)、驅(qū)動(dòng)電路與非相干解調(diào)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了日盲紫外光通信系統(tǒng)。進(jìn)一步從調(diào)制技術(shù)、驅(qū)動(dòng)電路以及數(shù)據(jù)處理算法三個(gè)方面對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證該系統(tǒng)的功能完整性、系統(tǒng)簡(jiǎn)潔性與可靠性。結(jié)果表明：該日盲紫外光通信系統(tǒng)在準(zhǔn)確接收信號(hào)的情況下，可以直接實(shí)現(xiàn)將光強(qiáng)值轉(zhuǎn)化為二值信號(hào)輸出，且誤碼率小于10-3，能夠達(dá)到簡(jiǎn)化接收端硬件電路以及提升硬件電路可靠性的目的。該系統(tǒng)編碼簡(jiǎn)單可靠、易實(shí)現(xiàn)且抗干擾能力強(qiáng)，無(wú)需濾波裝置、小巧便攜、可靠性高，為日盲紫外光通信系統(tǒng)的優(yōu)化與便攜使用提供了新思路。

關(guān)鍵詞： 日盲紫外光通信；氧化鎵探測(cè)器；OOK調(diào)制；非相干解調(diào)；便攜

中圖分類(lèi)號(hào)： TN929.12

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1673-3851 （2023） 11-0745-10

引文格式：馬艷秀，王順利，胡海爭(zhēng).基于氧化鎵探測(cè)器的日盲紫外光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］. 浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2023，49（6）：745-754.

Reference Format： MA Yanxiu， WANG Shunli， HU Haizheng. Design and implementation of a solar-blind UV communication system based on Ga2O3 detector［J］. Journal of Zhejiang Sci-Tech University，2023，49（6）：745-754.

Design and implementation of a solar-blind UV communication system based on Ga2O3 detector

MA Yanxiu1a， WANG Shunli1b，2， HU Haizheng1b

（1a.School of Information Science and Engineering; b.School of Science， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China; 2.Zhejiang Sci-Tech University Changshan Research Institute Co.， Ltd.， Changshan 324299， China）

Abstract： To solve the problems of high operating voltage， complex hardware circuit and poor anti-interference ability of traditional photoelectric detectors， we designed a new solar-blind UV communication system based on Ga2O3 photodetector. The system is based on the designed data processing algorithm to monitor the light intensity in real time with a given window size， and the binary signal is output by comparing the calculated threshold with the light intensity. We also combined OOK modulation technology， driver circuit and non-coherent demodulation technology to realize the solar-blind UV communication system. Furthermore， the simulation and experimental testing of the communication system were carried out in terms of modulation technology， driver circuit and data processing algorithm to verify the functional integrity， simplicity and reliability of the system. The results show that the system can directly convert the light intensity value into binary signal output with accurate signal reception， and the bit error rate （BER） is less than 10-3， which simplifies the hardware circuit of the receiver and improves the reliability of the hardware circuit. The system is simple to encode， easy to implement and anti-jamming， freefiltering device， small and portable， and highly reliable. It provides a new solution for simple optimization and portable use of solar-blind UV communication systems.

Key words： solar-blind UV communication; Ga2O3 photodetector; OOK modulation; incoherent demodulation; portable

0 引 言

隨著光通信技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越需要一種成本低、簡(jiǎn)單便攜且信道傳輸穩(wěn)定的通信系統(tǒng)。相較于傳統(tǒng)的可見(jiàn)光通信技術(shù)，日盲紫外光通信技術(shù)（Solar blind UV communication technology）具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，被研究人員關(guān)注。日盲紫外光通信是將數(shù)據(jù)信息搭載到紫外光線上進(jìn)行信息傳遞的一種通信方式。由于大氣會(huì)強(qiáng)烈吸收200～280 nm波長(zhǎng)的紫外光，位于此波段的背景輻射難以到達(dá)近地面，從而形成日盲區(qū)，因此日盲紫外光通信具有極低的背景噪聲［1］。此外，日盲紫外光通信技術(shù)可以利用大氣散射效應(yīng)進(jìn)行非視距傳輸，具有保密性高、竊聽(tīng)率低以及全天候工作等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于艦載通信、緊急搶險(xiǎn)、災(zāi)難救助等軍事及民用領(lǐng)域［2］。

現(xiàn)有日盲紫外光通信系統(tǒng)一般由發(fā)送端和接收端組成。其中發(fā)送端通過(guò)發(fā)射光源將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，傳送到自由空間；接收端通過(guò)光電探測(cè)器及其輔助器件收集光信號(hào)并將之轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信息通信［3］。近年來(lái)，眾多學(xué)者對(duì)日盲紫外光通信系統(tǒng)展開(kāi)了系統(tǒng)研究，已取得初步成果。Wang等［4］采用一個(gè)紫外激光器和多個(gè)濾光片、光電倍增管作為發(fā)射光源與光接收器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，搭建了一套可進(jìn)行高速長(zhǎng)距離通信的非視距日盲紫外光通信系統(tǒng)。McKendry等［5］將285 nm紫外LED陣列與濾光片、聚焦透鏡、雪崩光電二極管等作為發(fā)射光源與光接收器，實(shí)現(xiàn)了日盲紫外光通信系統(tǒng)測(cè)試。Peng等［6］提出了一種基于低密度奇偶校驗(yàn)碼的直接擴(kuò)頻技術(shù)的紫外光通信系統(tǒng)，仿真實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)信噪比為-2 dB時(shí)，該系統(tǒng)的誤碼率為10-2。雖然紫外光通信系統(tǒng)的研究越來(lái)越成熟，但由于傳統(tǒng)紫外探測(cè)器在工作時(shí)需要使用濾波片濾除非日盲光的干擾并使用聚焦透鏡增大光接收面積，導(dǎo)致現(xiàn)有的日盲紫外光通信系統(tǒng)依然存在硬件電路復(fù)雜、可靠性差等問(wèn)題，這使得通信系統(tǒng)無(wú)法滿足實(shí)際使用要求。

氧化鎵是一種新型的寬禁帶半導(dǎo)體材料，帶隙為4.9 eV，對(duì)應(yīng)光吸收邊為254 nm，具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，是天然的日盲紫外探測(cè)材料［7］。上述氧化鎵材料特性，使得應(yīng)用氧化鎵制成的紫外探測(cè)器具有不需外加濾波片、無(wú)需進(jìn)行帶隙調(diào)制以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［8］。與傳統(tǒng)紫外探測(cè)器相比，其應(yīng)用于日盲紫外光通信系統(tǒng)時(shí)無(wú)需額外使用濾波片或聚焦透鏡輔助工作，可以達(dá)到簡(jiǎn)化硬件系統(tǒng)、縮小設(shè)備體積以及提高系統(tǒng)可靠性的目的。此外，該探測(cè)器與傳統(tǒng)紫外探測(cè)器相比價(jià)格便宜，因而可以降低系統(tǒng)成本。因此，氧化鎵探測(cè)器在日盲紫外光通信中具有廣闊的應(yīng)用前景，可以廣泛應(yīng)用于高速無(wú)線通信、安全通信、智能交通等領(lǐng)域。

本文針對(duì)傳統(tǒng)日盲紫外光通信系統(tǒng)存在硬件電路復(fù)雜、可靠性差的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于氧化鎵探測(cè)器的日盲紫外光通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括數(shù)字信號(hào)處理模塊和紫外光通道模塊。其中數(shù)字信號(hào)處理模塊通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列（Field programmable gate array，F(xiàn)PGA）實(shí)現(xiàn)信號(hào)的OOK調(diào)制和非相干解調(diào)；紫外光通道模塊采用254 nm紫外LED作為發(fā)射光源來(lái)發(fā)送信號(hào)，采用氧化鎵探測(cè)器作為光接收器，并設(shè)計(jì)了一種數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行光信號(hào)的收集、轉(zhuǎn)換和處理。為了驗(yàn)證該通信系統(tǒng)的性能，對(duì)調(diào)制技術(shù)、驅(qū)動(dòng)電路以及數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試。該系統(tǒng)具有硬件電路簡(jiǎn)單、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，為日盲紫外光通信的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供新思路，在日盲紫外光通信領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。

1 日盲紫外光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文提出的日盲紫外光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如圖1所示。該系統(tǒng)由發(fā)送端、大氣信道和接收端組成。在發(fā)送端，原始數(shù)據(jù)由發(fā)送端電腦通過(guò)串口的方式發(fā)送到FPGA板，并在FPGA板上經(jīng)串口接收模塊、并串轉(zhuǎn)換模塊、載波模塊與數(shù)字鍵控模塊處理后，生成OOK調(diào)制信號(hào)。該信號(hào)通過(guò)FPGA板的引腳輸出到驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)254 nm紫外LED的關(guān)啟，產(chǎn)生OOK調(diào)制后的光信號(hào)。

經(jīng)過(guò)一段距離的傳輸后，OOK調(diào)制后的光信號(hào)從大氣信道中到達(dá)接收端。在接收端，采用氧化鎵探測(cè)器作為光接收器，該光信號(hào)經(jīng)氧化鎵探頭接收后被轉(zhuǎn)換為模擬脈沖信號(hào)，通過(guò)氧化鎵探測(cè)器內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理算法，將模擬脈沖信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。該數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)整流模塊、低通濾波模塊、位同步信號(hào)模塊、判決門(mén)限模塊和數(shù)據(jù)流輸出模塊等數(shù)字處理步驟后，恢復(fù)成原始數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到接收端電腦，完成信息的通信。

1.1 基于FPGA的OOK調(diào)制設(shè)計(jì)

OOK調(diào)制技術(shù)具有傳輸容量大、簡(jiǎn)單易懂及易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。為了提高日盲紫外光通信系統(tǒng)的傳輸容量、降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度，本文選擇OOK調(diào)制技術(shù)進(jìn)行信號(hào)調(diào)制。OOK調(diào)制是載波幅度隨二進(jìn)制基帶信號(hào)的變化而變化的一種數(shù)字調(diào)制方法［9］。設(shè)信息源發(fā)出的消息代碼eOOK是由二進(jìn)制符號(hào)1、0組成的序列，假定符號(hào)“1”出現(xiàn)的概率為P，符號(hào)“0”出現(xiàn)的概率為1-P，則OOK調(diào)制信號(hào)［10］可表示為：

其中：A為載波幅度；ω為載波頻率，Hz；θ為載波的初始相位。OOK調(diào)制的原理是：在保持載波的相位和頻率不變的前提下，使用基帶信號(hào)來(lái)控制載波信號(hào)的開(kāi)啟與關(guān)閉［11］。當(dāng)基帶信號(hào)為“1”時(shí)，OOK調(diào)制信號(hào)是載波信號(hào)；當(dāng)基帶信號(hào)為“0”時(shí)，OOK調(diào)制信號(hào)是0。根據(jù)OOK調(diào)制原理，使用FPGA實(shí)現(xiàn)OOK調(diào)制過(guò)程的示意圖如圖2所示。

原始數(shù)據(jù)從發(fā)送端電腦經(jīng)串口傳輸?shù)紽PGA板。在FPGA板中通過(guò)串口接收模塊接收到并行的原始數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換成串行原始數(shù)據(jù)，根據(jù)該數(shù)據(jù)進(jìn)行OOK調(diào)制。由于OOK調(diào)制信號(hào)需要載波信號(hào)與原始數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)字鍵控的方法產(chǎn)生，因此首先需要生成載波信號(hào)。為此，本文采用直接數(shù)字頻率合成（Direct digital freqiaency synthesizers，DDS）的方法生成載波信號(hào)，該方法通過(guò)對(duì)單周期的方波信號(hào)進(jìn)行循環(huán)計(jì)數(shù)來(lái)產(chǎn)生多周期的方波載波信號(hào)。其次，基于數(shù)字鍵控的思想，在系統(tǒng)時(shí)鐘的作用下，對(duì)每個(gè)時(shí)刻的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行判決輸出。當(dāng)原始數(shù)據(jù)為1時(shí)，輸出載波信號(hào)；當(dāng)原始數(shù)據(jù)為0時(shí)，輸出0，完成調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生和輸出。

1.2 基于FPGA的非相干解調(diào)設(shè)計(jì)

OOK信號(hào)的解調(diào)方法主要有相干解調(diào)法和非相干解調(diào)法。相干解調(diào)法又稱(chēng)為同步檢測(cè)法，由于相干解調(diào)法的實(shí)現(xiàn)需要一個(gè)與調(diào)制信號(hào)載波同頻同相的相干載波［12］，否則容易造成解調(diào)后的基帶信號(hào)頻率失真，而相干載波的提取則需要復(fù)雜的過(guò)程與技術(shù)手段。非相干解調(diào)技術(shù)具有無(wú)需提取相干載波且較易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)勢(shì)，因此本文選擇使用非相干解調(diào)法進(jìn)行信號(hào)的解調(diào)。非相干解調(diào)法又稱(chēng)作包絡(luò)檢波法，其原理是：將探測(cè)器傳輸過(guò)來(lái)的調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)整流處理后，交流信號(hào)被轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)，而后通過(guò)低通濾波器濾出基帶信號(hào)的包絡(luò)，最后通過(guò)位同步信號(hào)判決輸出，完成OOK調(diào)制的解調(diào)功能［13］。

使用FPGA實(shí)現(xiàn)非相干解調(diào)的過(guò)程示意圖如圖3所示。解調(diào)實(shí)質(zhì)上是調(diào)制的逆過(guò)程，旨在將調(diào)制信號(hào)恢復(fù)為原始信號(hào)［14］。待解調(diào)數(shù)據(jù)通過(guò)探測(cè)器輸入FPGA板時(shí)，被轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，根據(jù)該并行數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)。通過(guò)求取信號(hào)絕對(duì)值的方法，將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)OOK調(diào)制信號(hào)的整流處理。然后采用低通濾波器濾除高頻信號(hào)，以過(guò)濾出調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)信號(hào)LP_data。但此時(shí)LP_data無(wú)法滿足接收端標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制比特?cái)?shù)據(jù)的要求。根據(jù)非相干解調(diào)原理，為了得到準(zhǔn)確的解調(diào)信號(hào)，需要對(duì)包絡(luò)信號(hào)LP_data進(jìn)行位同步定時(shí)和判決輸出。

首先，在對(duì)包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行判決輸出時(shí)需要選擇最佳的判決門(mén)限，采用求取信號(hào)平均值的方法得到判決門(mén)限信號(hào)。由于乘法和除法會(huì)增加FPGA資源、降低系統(tǒng)運(yùn)算速度，本文采用移位累加的方法求取包絡(luò)信號(hào)的平均值，從而生成判決門(mén)限信號(hào)mean。其次，在系統(tǒng)時(shí)鐘的作用下，通過(guò)比較LP_data與mean的大小，得到未經(jīng)同步處理的基帶信號(hào)。此時(shí)基帶信號(hào)與發(fā)送端原始數(shù)據(jù)存在頻率不一致的問(wèn)題，需要引入與原始數(shù)據(jù)頻率相同的位同步信號(hào)，將位同步信號(hào)作為解調(diào)所用的工作時(shí)鐘解調(diào)出原始數(shù)據(jù)。本文采用數(shù)字鎖相環(huán)（Digital phase locked loop，DPLL）的方法產(chǎn)生與輸入數(shù)據(jù)速率相同的位同步信號(hào)。DPLL主要由鑒相器、控制器、分頻器和時(shí)鐘變換電路組成，其原理是利用鑒相器將接收到的解調(diào)信號(hào)與本地產(chǎn)生的位同步信號(hào)相位進(jìn)行比較，若兩者的相位出現(xiàn)超前或滯后，鑒相器會(huì)產(chǎn)生誤差信號(hào)來(lái)調(diào)整位同步信號(hào)的相位，直至得到與輸入信號(hào)頻率一致的位同步信號(hào)［15］。在位同步信號(hào)出現(xiàn)上升沿時(shí)，對(duì)判決門(mén)限進(jìn)行判決，進(jìn)而完成解調(diào)信號(hào)的輸出。

1.3 紫外光源選擇與驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

早期研究者們通常使用價(jià)格昂貴、工作環(huán)境復(fù)雜的器件，如氙燈、低壓汞燈和紫外激光器等，作為紫外光通信系統(tǒng)的發(fā)射光源［16］。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，深紫外LED的出現(xiàn)解決了傳統(tǒng)信號(hào)燈成本高、工作環(huán)境復(fù)雜等問(wèn)題。紫外LED具有工作電壓低、功耗小、穩(wěn)定性高和可實(shí)現(xiàn)內(nèi)調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)［17］。因此，本文采用型號(hào)為DSXUV 254 nm 10 mW的紫外LED作為發(fā)射光源來(lái)搭建系統(tǒng)。紫外LED的光電特性參數(shù)詳見(jiàn)表1，其中：If為正向電流，Vr為反向電壓。

該系統(tǒng)使用單個(gè)紫外LED作為發(fā)射光源，該紫外LED的峰值波長(zhǎng)為254 nm，正向電壓為6.121 V。因?yàn)閱蝹€(gè)紫外LED的光輻射強(qiáng)度相對(duì)較弱，無(wú)法滿足遠(yuǎn)距離實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集，所以本文將紫外LED與氧化鎵探測(cè)器之間的實(shí)驗(yàn)距離設(shè)置為2 cm，該位置的實(shí)際光強(qiáng)為28.9 μW/cm2。

為使紫外LED能夠進(jìn)行OOK數(shù)字調(diào)制，需要設(shè)計(jì)紫外LED驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)電信號(hào)與光信號(hào)的轉(zhuǎn)換。為降低電路復(fù)雜性，盡可能提供高的調(diào)制速率，該系統(tǒng)發(fā)射端驅(qū)動(dòng)電路選用型號(hào)為AD8001AN的運(yùn)算放大器作為主芯片。該芯片的增益帶寬積［18］最高可以達(dá)到800 MHz，可以滿足日盲紫外光通信的帶寬需求。

設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路原理示意圖如圖4所示。該驅(qū)動(dòng)電路的工作原理是：在電路中將運(yùn)算放大器用作電壓比較器，將FPGA引腳輸出電壓與閾值電壓2.1 V作比較輸出VCC或GND，經(jīng)過(guò)滑動(dòng)變阻器的分壓作用使紫外LED處于工作電壓狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)紫外LED的關(guān)啟。當(dāng)輸入電壓大于閾值電壓時(shí)，比較器輸出VCC，通過(guò)滑動(dòng)變阻器分壓后使紫外LED處于工作環(huán)境，此時(shí)紫外LED亮；當(dāng)輸入電壓小于閾值電壓時(shí)，比較器輸出GND，此時(shí)紫外LED滅，完成光信號(hào)的發(fā)送。

1.4 基于氧化鎵探測(cè)器的二值化閾值算法設(shè)計(jì)

本文采用可編程的氧化鎵探測(cè)器作為光接收器，該探測(cè)器的工作電壓是5 V，使用Type-C接口進(jìn)行供電，具有工作環(huán)境簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)；該探測(cè)器內(nèi)部設(shè)計(jì)有一個(gè)可編程的嵌入式系統(tǒng)，包括光電轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)放大模塊、信號(hào)處理模塊與信號(hào)響應(yīng)模塊，使探測(cè)器具有集成度高、硬件體積小的優(yōu)點(diǎn)。氧化鎵探測(cè)器的工作原理是：通過(guò)光電轉(zhuǎn)換模塊接收大氣中的光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為模擬電信號(hào)，即光強(qiáng)信息。當(dāng)探測(cè)器有紫外光線照射時(shí)，其內(nèi)部電壓升高，接收到較強(qiáng)的光強(qiáng)；無(wú)紫外光線照射時(shí)，不產(chǎn)生或產(chǎn)生較微弱電壓，接收到較弱的光強(qiáng)。該光強(qiáng)信號(hào)通過(guò)信號(hào)放大模塊實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的放大，進(jìn)一步通過(guò)信號(hào)處理等模塊將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào)，并傳輸至解調(diào)系統(tǒng)。為了在探測(cè)器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，因此需要設(shè)計(jì)一種數(shù)據(jù)處理算法，將光強(qiáng)值轉(zhuǎn)換為二值化的數(shù)字信號(hào)，以便進(jìn)行后續(xù)解調(diào)處理。

當(dāng)紫外LED發(fā)送光脈沖時(shí)表示信號(hào)“1”，探測(cè)器可以探測(cè)到較高的光強(qiáng)值；紫外LED不發(fā)送光脈沖時(shí)表示信號(hào)“0”，探測(cè)器不能探測(cè)到光強(qiáng)值。依據(jù)以上思路，本文設(shè)計(jì)了一種基于氧化鎵探測(cè)器的二值化閾值算法，其原理是：通過(guò)設(shè)定窗口A的大小，對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（每探測(cè)到一個(gè)新的光強(qiáng)值，進(jìn)入窗口尾部，丟掉窗口頭部的值，依次循環(huán)），采用計(jì)算窗口內(nèi)所有光強(qiáng)值的加權(quán)平均數(shù)的方法得到閾值T，將窗口內(nèi)每個(gè)時(shí)刻的光強(qiáng)值與閾值進(jìn)行比較后輸出二值信號(hào)。當(dāng)光強(qiáng)值大于T時(shí)，輸出信號(hào)“1”；當(dāng)光強(qiáng)值小于T時(shí)，輸出信號(hào)“0”。最終得到二值信息并保存到矩陣M中，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

設(shè)計(jì)的二值化閾值算法流程為：首先將J個(gè)光強(qiáng)值ai保存到動(dòng)態(tài)窗口矩陣A中，動(dòng)態(tài)窗口Ak=［ak-J+1，ak-J+2，ak-J+3，…，ak］。其次通過(guò)加權(quán)平均數(shù)的方法計(jì)算得到動(dòng)態(tài)窗口Ak的閾值T，其中T表示為：

然后，將動(dòng)態(tài)窗口Ak內(nèi)的所有光強(qiáng)值與閾值T作比較：若Ak小于T，輸出低電平；若Ak大于T，輸出高電平。最后將結(jié)果輸出到二值信號(hào)矩陣M中，完成信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

2 系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 系統(tǒng)軟件仿真測(cè)試

本文使用Vivado與Modelsim軟件對(duì)日盲紫外光通信系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端進(jìn)行仿真測(cè)試，發(fā)送端仿真波形示例如圖5所示。其中uart_rxd為串口輸入數(shù)據(jù)，rx_data為FPGA串口接收到的并行數(shù)據(jù)，data_ser為并串轉(zhuǎn)換后的串行數(shù)據(jù)，square為載波，ook_out為OOK調(diào)制信號(hào)。當(dāng)輸入基帶信號(hào)1101 0100時(shí)，由于串口協(xié)議在接收數(shù)據(jù)時(shí)從低位到高位顯示，因此仿真得到的結(jié)果顯示uart_rxd為0010 1011；FPGA串口接收到8位并行數(shù)據(jù)d4，通過(guò)并串轉(zhuǎn)換模塊后，得到串行的基帶信號(hào)

1101 0100。通過(guò)DDS法生成系統(tǒng)所需載波信號(hào)，經(jīng)數(shù)字鍵控調(diào)制后，得到了OOK調(diào)制信號(hào)ook_out。仿真實(shí)驗(yàn)得到的輸出結(jié)果與OOK調(diào)制的原理結(jié)果一致，表明該系統(tǒng)發(fā)射端設(shè)計(jì)正確。

為測(cè)試解調(diào)模塊設(shè)計(jì)的合理性，將上述調(diào)制信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)對(duì)接收端解調(diào)模塊進(jìn)行仿真測(cè)試，仿真結(jié)果如圖6所示，其中din為經(jīng)過(guò)并串轉(zhuǎn)換后OOK調(diào)制信號(hào)，dout為低通濾波器濾波后的包絡(luò)信號(hào)，sync為通過(guò)DPLL法產(chǎn)生的位同步信號(hào)，dataout為解調(diào)出來(lái)的基帶信號(hào)。從圖6可以看出，當(dāng)輸入發(fā)射端的調(diào)制信號(hào)后，低通濾波器濾除了高頻分量，正確濾出原始信號(hào)的包絡(luò)，經(jīng)判決門(mén)限模塊輸出信號(hào)后，通過(guò)與基帶信號(hào)頻率一致的位定時(shí)信號(hào)的作用，恢復(fù)出原始的基帶信號(hào)，此時(shí)接收端正確解調(diào)出基帶信號(hào)1101 0100。表明該系統(tǒng)接收端設(shè)計(jì)正確。

2.2 系統(tǒng)硬件性能測(cè)試

2.2.1 氧化鎵探測(cè)器光響應(yīng)測(cè)試

氧化鎵作為新興的第四代半導(dǎo)體材料，目前正處于初步研發(fā)階段。最近，Zhou等［19］采用鋁鋅氧化鋅作為電極，以氧化鎵薄膜為基礎(chǔ)，研制出一種金屬-半導(dǎo)體-金屬（MSM）型全透明光電探測(cè)器陣列，光響應(yīng)時(shí)間為70/200 ms。本文采用一款自主研發(fā)的氧化鎵探測(cè)器作為光接收器，通過(guò)將探頭放置在254 nm紫外光下、持續(xù)照射15 s的實(shí)驗(yàn)方案，測(cè)得探測(cè)器的I-t特性曲線（圖7），并對(duì)探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了擬合，擬合公式為：

其中：I0為穩(wěn)定光電流；t為時(shí)間；C1和C2為常數(shù)；τr與τd分別為上升弛豫時(shí)間常數(shù)和下降弛豫時(shí)間常數(shù)。使用式（3）計(jì)算得到探測(cè)器的光響應(yīng)時(shí)間為3/181 ms，其中上升時(shí)間為3 ms，下降時(shí)間為181 ms，可以滿足通信需求。與傳統(tǒng)光電探測(cè)器相比，該探測(cè)器雖然會(huì)犧牲部分通信系統(tǒng)的通信速率，但其工作環(huán)境簡(jiǎn)單、便于攜帶、不受其他波段光的干擾，因而在短距離、極端復(fù)雜環(huán)境下的軍事通信領(lǐng)域具有重要的研究意義。

2.2.2 調(diào)制模塊性能測(cè)試

本文采用Xilinx公司ARTIX-7系列的XC7A100T芯片開(kāi)發(fā)板實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理。為測(cè)試調(diào)制模塊性能，通過(guò)USB數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)發(fā)送端PC與FPGA板之間的數(shù)據(jù)傳輸，使用示波器測(cè)試發(fā)送端FPGA的輸出信號(hào)波形。FPGA開(kāi)發(fā)板上電后，將發(fā)送端代碼使用JTAG線下載至開(kāi)發(fā)板，使用串口調(diào)試助手循環(huán)發(fā)送原始數(shù)據(jù)。設(shè)置計(jì)算機(jī)的串口參數(shù)：波特率是115200 Baud，無(wú)校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)位是8 bit，停止位是1 bit。采用上述實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法，分別發(fā)送十六進(jìn)制數(shù)據(jù)01（0000 0001）、b6（1011 0110）、c8（1100 1000）、d4（1101 0100），得到如圖8所示的調(diào)制信號(hào)波形。此時(shí)FPGA輸出高電平信號(hào)的電壓為5.2 V，測(cè)試所得波形與圖5發(fā)送端仿真結(jié)果相同。該結(jié)果表明，F(xiàn)PGA正確輸出了OOK調(diào)制信號(hào)，發(fā)送端OOK調(diào)制設(shè)計(jì)正確且輸出穩(wěn)定。

2.2.3 驅(qū)動(dòng)電路性能測(cè)試

為驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)電路性能，將12 V直流電壓加載到驅(qū)動(dòng)電路上使其工作，并將發(fā)送端FPGA與驅(qū)動(dòng)電路連接，通過(guò)示波器測(cè)試紫外LED燈兩端輸出，得到如圖9（a）—（d）所示的波形信號(hào)。圖9中高電平信號(hào)電壓為6.2 V，滿足LED工作條件。通過(guò)觀察LED兩端信號(hào)波形可知，調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路后，得到的信號(hào)波形與FPGA輸出的調(diào)制信號(hào)波形一致且輸出穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)可以達(dá)到系統(tǒng)需求。

2.2.4 二值化閾值算法測(cè)試

發(fā)送端硬件系統(tǒng)搭建完成后，為測(cè)試算法性能，首先將發(fā)送端PC與發(fā)送端FPGA板連接，然后將探測(cè)器與紫外LED水平對(duì)準(zhǔn)，最后將探測(cè)器收集到的數(shù)據(jù)信息通過(guò)串口傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。設(shè)定發(fā)送端串口循環(huán)發(fā)送十六進(jìn)制信息d4（1101 0100），通信速率為0.026 kbit/s，串口波特率為115200 Baud，通信距離為1 cm，得到如圖10所示的數(shù)據(jù)信號(hào)波形圖。其中折線是探測(cè)器接收到的光強(qiáng)信號(hào)，點(diǎn)線是經(jīng)過(guò)算法處理后的二值化信號(hào)。由于氧化鎵探測(cè)器的光響應(yīng)下降時(shí)間較慢（181 ms），因此在接收到連續(xù)的方波光脈沖時(shí)，探測(cè)器無(wú)法回歸初始狀態(tài)，此時(shí)光強(qiáng)值的接收顯示雜亂且無(wú)法處理。經(jīng)過(guò)二值化閾值算法處理后，復(fù)雜的光強(qiáng)信號(hào)被直接轉(zhuǎn)換成可處理的二值信號(hào)。

通過(guò)對(duì)1～4 cm通信距離內(nèi)探測(cè)器接收到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在不同的通信距離下，數(shù)據(jù)處理算法可以準(zhǔn)確、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到的通信距離與閾值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。由于單顆紫外LED的發(fā)光功率較小，當(dāng)通信距離超過(guò)4 cm時(shí)，探測(cè)器探測(cè)到的光強(qiáng)值幾乎沒(méi)有變化，無(wú)法接收到正確的數(shù)據(jù)，但通過(guò)構(gòu)建紫外LED陣列的方法可以解決這一問(wèn)題。在光通信系統(tǒng)中，該算法適用于通過(guò)光脈沖發(fā)送信號(hào)的所有調(diào)制與編碼技術(shù)，本文為探測(cè)器的數(shù)據(jù)處理方案提供了直接有效的編碼思路。

2.2.5 系統(tǒng)傳輸與誤碼率測(cè)試

為驗(yàn)證基于氧化鎵探測(cè)器的日盲紫外光通信系統(tǒng)整體運(yùn)行性能，根據(jù)圖1所示的日盲紫外光通信系統(tǒng)框架，將各個(gè)模塊硬件連接起來(lái)，搭建整套日盲紫外光通信系統(tǒng)，進(jìn)行相關(guān)性實(shí)驗(yàn)。整體實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖11（a）所示。設(shè)定收發(fā)距離為2 cm，通信速率為0.026 kbit/s。圖11（b）為串口調(diào)試助手以十六進(jìn)制形式發(fā)送d4（1101 0100）時(shí)，接收端FPGA解調(diào)后的信號(hào)波形。由圖11（b）可以看出，串口調(diào)試助手發(fā)送基帶信號(hào)d4，經(jīng)過(guò)FPGA調(diào)制、紫外LED燈發(fā)送、探測(cè)器接收以及FPGA解調(diào)后，接收端實(shí)時(shí)準(zhǔn)確輸出基帶信號(hào)1101 0100。該結(jié)果與圖6所示接收端解調(diào)仿真結(jié)果一致，表明系統(tǒng)可以進(jìn)行正確通信。

在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行十六進(jìn)制字符串通信測(cè)試后，為進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)框架，減少后續(xù)因硬件自身特性導(dǎo)致的誤差，并提高通信系統(tǒng)的可靠性，本文基于氧化鎵探測(cè)器的可編程特性將探測(cè)器接收到的信號(hào)通過(guò)串口直接傳輸給計(jì)算機(jī)，并使用計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理。根據(jù)上述測(cè)試方法，發(fā)送“zstu”信號(hào)后，系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如圖12（a）—（b）所示。通過(guò)查詢ASCII碼與二進(jìn)制碼對(duì)應(yīng)表，得知“zstu”的二進(jìn)制碼分別表示為“0111 1010、0111 0011、0111 0100、0111 0101”。探測(cè)器接收信號(hào)如圖12（a）所示，該信號(hào)是“zstu”的調(diào)制信號(hào)波形；經(jīng)解調(diào)處理后，得到準(zhǔn)確的基帶信號(hào)，如圖12（b）所示?？傮w來(lái)看，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)短距離的通信。通過(guò)計(jì)算錯(cuò)誤碼元個(gè)數(shù)與總碼元個(gè)數(shù)的比值，得出系統(tǒng)誤碼率低于10-3，這表明系統(tǒng)可以進(jìn)行可靠地?cái)?shù)據(jù)通信。該系統(tǒng)基于二值化閾值算法，簡(jiǎn)化了接收端的實(shí)現(xiàn)過(guò)程與硬件體積，可以在極端復(fù)雜環(huán)境下便攜使用。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于氧化鎵探測(cè)器的日盲紫外光通信系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)各個(gè)模塊以及系統(tǒng)誤碼率進(jìn)行了軟件與硬件實(shí)驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確輸出調(diào)制信號(hào)的波形，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性較好；該系統(tǒng)在不同通信距離內(nèi)（1～4 cm）能夠準(zhǔn)確接收大氣中的紫外光信號(hào)并轉(zhuǎn)換成二值數(shù)字信號(hào)，在2 cm通信距離內(nèi)誤碼率低于10-3，具有較高的可靠性。同時(shí)，該系統(tǒng)具有無(wú)需濾波裝置、小巧便攜且僅需較低的工作電壓等優(yōu)點(diǎn)，為傳統(tǒng)日盲紫外光通信系統(tǒng)硬件電路的簡(jiǎn)潔優(yōu)化與系統(tǒng)可靠性的提升提供了可行的設(shè)計(jì)思路。

本文設(shè)計(jì)的日盲紫外光通信系統(tǒng)目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，后續(xù)將針對(duì)這一問(wèn)題完善系統(tǒng)。

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（責(zé)任編輯：康 鋒）

收稿日期： 2023-03-14網(wǎng)絡(luò)出版日期：2023-07-10網(wǎng)絡(luò)出版日期

基金項(xiàng)目： 浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（LY20F040005）；浙江理工大學(xué)科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目（20062224-Y）

作者簡(jiǎn)介： 馬艷秀 （1998- ），女，河北唐山人，碩士研究生，主要從事光通信技術(shù)方面的研究。

通信作者： 王順利，E-mail：slwang@zstu.edu.cn