基于FPGA的激光無線通信精跟蹤系統(tǒng)

0 引 言
    以大氣作為傳輸介質(zhì)，激光作為信息載體進行無線通信時，空一地激光無線通信是激光無線通信的一種常見形式，信標光的準確捕獲、瞄準與跟蹤(Acquisition，Pointing and Tracking，APT)是其關鍵技術，APT系統(tǒng)主要用于建立和維持激光通信鏈路，是進行激光無線通信的關鍵技術。由于激光光束窄、發(fā)散角小，在大氣傳輸過程中存在大氣散射、折射、湍流等現(xiàn)象，再加上激光通信平臺的振動等因素，會造成激光光束偏離目標，使得瞄準、捕獲和跟蹤技術問題變得十分突出。
    APT系統(tǒng)分為粗跟蹤系統(tǒng)和精跟蹤系統(tǒng)。粗跟蹤系統(tǒng)主要負責完成信標光的初始時期的大范圍掃描和捕獲，引導信標光光斑進入精跟蹤視場，跟蹤精度和帶寬較低；精跟蹤系統(tǒng)主要負責完成信標光的精確跟蹤和鎖定，國內(nèi)外已進行了有關精跟蹤的不少研究，它所要求的跟蹤精度和帶寬較高，它的精度和帶寬決定了整個APT系統(tǒng)的精度和帶寬，同時它的另一個主要功能是克服因大氣擾動和平臺振動造成的信標光光斑抖動，維持穩(wěn)定的激光通信鏈路。針對目前激光無線通信所要用到的關鍵技術，和空一地激光無線通信終端應具有集成度高、功耗低、體積小和重量輕等一系列特點，本文設計了一種以FPGA作為控制芯片的精跟蹤系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成及功能概述
    以Altera公司的Cyclone系列FPGA為控制核心的雙FPGA系統(tǒng)，一塊用于控制高幀頻相機，并將圖像數(shù)據(jù)通過基于1394協(xié)議接口的傳輸線傳輸?shù)搅硪粔KFPGA，在第二塊FPGA中進行光斑坐標提取和完成跟蹤算法，系統(tǒng)使用一款基于Cameralink接口的高幀頻CMOS相機作為圖像傳感器采集信標光光斑，以高速數(shù)／模轉(zhuǎn)換芯片DAC712P、雙通道PZT控制器和高精度PZT振鏡用于構成光路偏轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)。PC機用于設定相機工作參數(shù)，與FPGA板間數(shù)據(jù)通信采用Cy-press公司提供的支持USB 2．0協(xié)議的CY7C68013芯片。
    如圖1所示為系統(tǒng)的組成框圖，在終端設備中，由光學天線接收到的信標光經(jīng)過高幀頻CMOS相機轉(zhuǎn)換為灰度圖像，F(xiàn)PGA工將灰度圖像數(shù)據(jù)由Cameralink接口接收后，經(jīng)過重新組合，然后通過基于1394協(xié)議的接口芯片轉(zhuǎn)換為串行差分信號發(fā)送至圖象處理板，板上的FPGAⅡ把圖像數(shù)據(jù)接收后放入其內(nèi)部的一級緩存RAM中，再從一級緩存中取出數(shù)據(jù)通過乒乓操作將其存放到其外部的二級緩存PSRAM陣列中，然后FPGAⅡ把圖像數(shù)據(jù)從PSRAM陣列中取出，采用質(zhì)心算法計算光斑中心坐標，并把圖像數(shù)據(jù)通過USB接口控制模塊發(fā)送到PC機進行顯示，便于用戶實時監(jiān)測。同時把計算出的光斑中心坐標根據(jù)PID跟蹤算法計算出偏置調(diào)節(jié)量，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC712P轉(zhuǎn)換為模擬信號后經(jīng)過PZT控制器實現(xiàn)信號放大，最后使PZT振鏡在兩路實時程控電壓的控制下進行相應的二維偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對因大氣湍流等因素造成的接收光束的抖動進行實時補償，達到穩(wěn)定接收光斑中心位置，維持穩(wěn)定的激光通信鏈路目的。

2 系統(tǒng)硬件部分設計
2．1 光斑采集及處理部分
    光斑采集及處理部分主要由高幀頻CMOS相機MV-D1024E和對其進行控制的FPGA組成。采用的兩塊FPGA均是Altera公司的Cyclone系列的EP1C6Q240C8，具有5 980個邏輯單元，120 000個典型門資源和185個可編程I／O口，最高工作時鐘可達300 MHz以上，核心供電電壓為1．5 V，I／O供電電壓3．3 V，通過JTAG實現(xiàn)系統(tǒng)配置。配置芯片EPC4串行ROM容量約為4 MB，可重復編程50次左右，JTAG接口符合IEEE Std．1149．1標準。
    MV-D1024E是高速高動態(tài)的CMOS相機系列，采用CMOS主動像元技術，具有12位的采樣分辨率和1 024×1 024的像素分辨率，在此分辨率下幀頻能達到150幀／s，曝光時間由10μs～0．41 s，25 ns步進可調(diào)，采用Camera Link接口，用串行口對相機進行配置。相機時序由幀頻FVAL、行頻LVAL和數(shù)據(jù)幀DVAL控制，當它們同時為高電平時，在相機時鐘PCLK上升沿時數(shù)據(jù)總路線上才有數(shù)據(jù)。在光斑中心提取算法中，采用較為實用的質(zhì)心法，該算法計算簡單，便于FPGA實現(xiàn)，因其抗噪聲干擾能力較弱，當噪聲增大時，光斑中心提取精度降低，則系統(tǒng)選取了灰度加權質(zhì)心法來計算光斑中心。若目標區(qū)域為N×N，則質(zhì)心的位置為：

   
式中：i，j為目標區(qū)中像元的橫縱坐標；f(i，j)為像元的灰度值。質(zhì)心法反映了目標的能量分布狀況。該算法適用于類似于精跟蹤系統(tǒng)接收視場小而光班范圍相對較大的情況。
2．2 數(shù)據(jù)傳輸及通信接口部分
    Camera Link用于相機和FPGA板間的數(shù)據(jù)交換，其傳輸率高達1 Gb／s，且抗噪較好，可以提供高分辨率和各種幀頻的數(shù)字化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸出采用了LVDS格式，根據(jù)應用要求，其支持基本(Base)、中檔(Medium)、全部(Full)等數(shù)字格式，該接口具有開放式的接口協(xié)議，兼容性好。它適用于CCD或CMOS等數(shù)字式相機與圖像采集系統(tǒng)間的通信接口。
    USB接口用于FPGA與PC機間的數(shù)據(jù)和指令的交換，其具有高速度、低成本、低功耗、即插即用和使用維護方便等優(yōu)點，采用IEEE1394總路線協(xié)議，最高帶寬可達到480 Mb／s。采用Cypress公司的EZ-US-BFX2系列芯片中的CY7C68013。
2．3 光路偏轉(zhuǎn)控制部分
    光路偏轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)以高速轉(zhuǎn)換芯片DAC712P、雙通道PZT控制器和高精度PZT振鏡構成，采用的16位雙通道高速數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC712P，電壓輸出時間小于10μs，其輸出電壓直接用于雙通道PZT控制器的輸入。PZT控制器選用德國PI公司的E-503 PZT控制功率放大器，輸入電壓范圍為0～10 V，輸出電壓范圍為0～100V，其電壓頻率響應曲線如圖2所示。PZT振鏡選用了德國PI公司的S-330，該PZT振鏡采用壓電陶瓷驅(qū)動，頻率響應度高且具有極高的定位精度。

    跟蹤控制算法采用PID控制算法，該算法包括位置式PID控制算法和增量式PID控制算法，而在實時控制系統(tǒng)中常用增量式PID控制算法，其公式為：

式中：△u(k)為輸出的控制量。q0=KP，q1=KP·(TS／TI)，q2=KP·(TD／TS)分別為比較項、積分項和差分項的系數(shù)，TS為采樣時間，對于不同的控制系統(tǒng)，TS各不相同，要根據(jù)實際調(diào)試經(jīng)驗來確定。

3 軟件部分設計
    此部分包含了上位機和下位機軟件設計，下位機FPGA采用由Altera公司的集成開發(fā)環(huán)境QuartusⅡ、Mentor Graphics公司的ModelSim SE進行開發(fā)，采用Verilog HDL語言進行編寫，上位機使用Microsoft公司的VC++6．0軟件工具進行開發(fā)。QuartusⅡ通過JTAG對FPGA進行調(diào)試、配置下載，VC應用程序通過USB接口與CMOS相機控制電路板、圖像處理電路板進行連接通信。整個系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

4 試驗結果及分析
    圖4為精跟蹤系統(tǒng)評價曲線圖，此實驗數(shù)據(jù)由相距16 km的外場激光無線通信時，使用APT系統(tǒng)得到的，圖4(a)為未加入精跟蹤時信標光斑在精跟蹤接收視場內(nèi)的坐標曲線，圖4(b)為加入精跟蹤后的坐標曲線，由兩圖對比可知，加入精跟蹤后，光斑比較穩(wěn)定，集中度較好，將集中效率提高了70％左右，跟蹤精度為5～25μrad，由外場激光通信效果來看，明顯降低了通信誤碼率，減弱了因大氣湍流和通信平臺的震動而引起的信標光斑抖動時對通信造成的影響。但是，系統(tǒng)對平臺抖動劇烈時跟蹤效果不很理想，跟蹤精度還不夠。

    系統(tǒng)由基于FPGA的硬件平臺實現(xiàn)，降低了對PC機的依賴性，為低功耗便攜式平臺提供了參考。還待加強的問題有：提高光斑定位精度，縮短信標光斑定位、跟蹤算法時間開銷，改進跟蹤算法提高魯棒性和提高系統(tǒng)的跟蹤精度。