實(shí)現(xiàn)光通信的新手段：不只是照明的UV LED
紫外光通信具有非常好的非視距傳輸和保密性能。傳統(tǒng)的紫外光通信系統(tǒng)尺寸過大，難以實(shí)際應(yīng)用。紫外光通信作為一種新的通信手段，其最突出的優(yōu)點(diǎn)是不易被探測和截收，可以通過散射進(jìn)行非視線通信，非常適用于近距離抗干擾和有遮擋的通信環(huán)境。
國外從20世紀(jì)60年代開始研究紫外光通信，完成了從基本原理到實(shí)用系統(tǒng)的多方面研究。2000年美國GTE公司為美軍研制成功了一種基于汞燈的新型隱蔽式紫外光無線單工通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)通信速率為4.8Kb/s，誤碼率可以達(dá)到106 。2002年，美國國防部高等研究計(jì)劃局（DARPA）啟動半導(dǎo)體紫外光系統(tǒng)（SUVOS）計(jì)劃，其核心任務(wù)是制造紫外發(fā)光二極管（UV LED）。在該計(jì)劃的推動下，目前UV LED已經(jīng)研制成功并開始量產(chǎn)。
美國加州大學(xué)河邊分校和麻省理工學(xué)院分別使用UV LED構(gòu)建了單工通信試驗(yàn)系統(tǒng)，并對紫外光傳輸信道的特性進(jìn)行了研究。
國內(nèi)從2000年開始對紫外光通信技術(shù)進(jìn)行跟蹤，重慶大學(xué)、北京理工大學(xué)、國防科技大學(xué)等單位都先后完成了紫外光單工通信系統(tǒng)原型的研制，傳輸速率最高可達(dá)9.6Kb/s。但是到目前為止，國內(nèi)這些系統(tǒng)采用的紫外光源仍然是低壓汞燈或氙燈，體積和功耗均較大，難以小型化和便攜使用。另外一個(gè)突出的問題是：國內(nèi)外的這些系統(tǒng)都只能進(jìn)行單工通信，一定程度上限制了系統(tǒng)的實(shí)用性。
本文研究并設(shè)計(jì)了一種基于UV LED的雙工紫外光通信系統(tǒng)方案，可用于空天短距離語音和數(shù)據(jù)的雙向保密傳輸。
一.紫外光通信的特點(diǎn)
紫外光通信具有如下一些特點(diǎn)：
1.波長為200~280nm。這個(gè)頻段是開放的，不受無線電管理委員會的限制，使用時(shí)不需要進(jìn)行頻率申請。
2.200~280nm的紫外光屬于日盲段。這個(gè)波長的太陽光受大氣分子和懸浮顆粒的吸收，信號強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律衰減，到達(dá)地表附近時(shí)的能量非常微弱。因此，紫外光通信的背景噪聲非常小。
3.由于受大氣衰減的影響，紫外光適合1km范圍內(nèi)的短距離通信，超過這個(gè)范圍后將難以探測，對它進(jìn)行干擾和偵聽的可能性很小。因此，紫外光通信的保密性非常高。
4.紫外光源對接收器視場所在空間進(jìn)行照射，通過彌漫在大氣層中的微小顆粒，散射到接收器的視場區(qū)，并被接收器接收。因此，紫外光可以進(jìn)行非視線通信（NLOS），適合在有遮擋的場景中使用。
由于上述特點(diǎn)，紫外光通信系統(tǒng)可在戰(zhàn)術(shù)移動通信和保密通信中得到廣泛應(yīng)用。
二.雙工紫外光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)
目前的紫外光通信系統(tǒng)都是單向通信，調(diào)制方式采用的是常規(guī)的OOK（通斷）和PPM（脈沖位置調(diào)制）模式。若想實(shí)現(xiàn)雙向通信，一種方案是采取頻分復(fù)用的方式，收發(fā)雙方在200~280nm范圍內(nèi)分別占用一個(gè)不同的波長；另外一種方案是采取時(shí)分復(fù)用的方式，收發(fā)雙方共用一個(gè)波長，但是占用不同的時(shí)間片。由于日盲段的波長范圍有限，前一種方案的系統(tǒng)容量難以提高。本文采取第二種方案。
1.系統(tǒng)組成
系統(tǒng)的核心部件是UV？LED和紫外光檢測器，此外還有一片可編程邏輯陣列（FPGA），外接語音壓縮編解碼芯片和USB接口芯片，分別用來支持語音和數(shù)據(jù)的傳輸，如圖1所示。
圖1紫外光通信系統(tǒng)組成框圖
其中UV LED選用的是韓國首爾光設(shè)備公司的T5F28，其波長為280nm，發(fā)射功率為150mW。光檢測器選用的是日本濱松公司的R7154，其波長范圍為160~320nm。FPGA主要完成四個(gè)方面的功能：接收數(shù)據(jù)的定時(shí)恢復(fù)和判決；數(shù)據(jù)的加擾和解擾；信道編譯碼；數(shù)據(jù)的組幀和解幀。
當(dāng)系統(tǒng)處于發(fā)送模式時(shí)，組幀之后的信號首先進(jìn)行2PPM的調(diào)制，然后通過電流驅(qū)動器去驅(qū)動UV LED，產(chǎn)生受控的紫外光；當(dāng)系統(tǒng)處于接收模式時(shí)，紫外光檢測器把收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過低通濾波器和自動增益控制器，經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送給FPGA進(jìn)行后續(xù)處理。
2.關(guān)鍵技術(shù)
在紫外光傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，需要解決如下關(guān)鍵技術(shù)。
（1）光路設(shè)計(jì)
由于紫外光的散射傳播特性，UV LED的視場角和檢測器的視場角重疊的區(qū)域越大，接收到的光能量就越多，接收信噪比就越高?？紤]到系統(tǒng)選用的UV？LED的視場角只有10°，為了增大收發(fā)雙方在存在視線遮擋情況下的重疊區(qū)域，需要通過光學(xué)透鏡增大發(fā)送光源的視場角。凹透鏡能夠?qū)θ肷涔馐鸢l(fā)散作用，如圖2所示，所以通過多個(gè)凹透鏡的組合并調(diào)節(jié)UV？LED和凹透鏡的距離，就可以得到滿足要求的發(fā)射視場角。
圖2凹透鏡典型光路示意圖
（2）定時(shí)恢復(fù)
和常規(guī)的數(shù)字通信一樣，接收端需要對檢測器輸出的電信號進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)，并對最佳采樣點(diǎn)進(jìn)行判決。另一方面，由于調(diào)制方式采取的是2PPM，常規(guī)數(shù)字接收機(jī)中的載波恢復(fù)在這里并不需要。
時(shí)鐘誤差估計(jì)算法可采用經(jīng)典的Gardner算法，這里不再贅述。
（3）擾碼、信道編碼
為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_能力，可在系統(tǒng)中加入信道糾錯編碼。同時(shí)為了更好地進(jìn)行定時(shí)恢復(fù)，還需對發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加擾處理。這里使用的擾碼多項(xiàng)式為x5+x3+1，信道糾錯編碼為（2，1，7）卷積碼，其生成多項(xiàng)式為(171)o，133o。
（4）雙工通信協(xié)議
在紫外通信系統(tǒng)中，由于紫外光源和檢測器的波長是固定的，要想支持多個(gè)用戶間的雙向通信，采用時(shí)分復(fù)用的多址方式（TDMA）和載波偵聽的接入方式（CSMA）是一種較好的選擇。
對于一個(gè)用戶容量為N的系統(tǒng)，一共設(shè)置N個(gè)時(shí)隙，每一個(gè)用戶占用一個(gè)時(shí)隙?？紤]到紫外光通信的范圍通常在1km&TImes;1km以內(nèi)，所以時(shí)隙之間的保護(hù)間隔可以設(shè)置得非常小。
以容量為10人的紫外光語音通信系統(tǒng)為例說明數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)?？紤]到通常情況下人講話的語速為每分鐘160~180個(gè)漢字，在保留一定余量的情況下，假設(shè)每分鐘240個(gè)漢字，如果壓縮后的語音信號速率為4.8Kb/s，可以算出平均每個(gè)漢字時(shí)間內(nèi)的比特?cái)?shù)為1200b。據(jù)此設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中數(shù)據(jù)的信息速率為60Kb/s，信息體長度為1200b，時(shí)隙頭長度為96b。時(shí)隙頭包括前導(dǎo)序列、信息類型、發(fā)送方代號和接收方代號，長度分別為72b，8b，8b和8b。每一個(gè)用戶只處理接收代號和自己的代號一致的時(shí)隙。收發(fā)雙方作為一個(gè)組合占用相鄰的兩個(gè)時(shí)隙。前導(dǎo)序列為0，1交替的序列，信息類型的定義如表1所示。
圖3 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)的工作流程如下：
用戶接入：如果用戶k需要發(fā)起和用戶j的通信，首先監(jiān)聽時(shí)隙1~10，如果用戶j處于忙狀態(tài)，則等待；否則如果信道上有空閑時(shí)隙對，則利用該時(shí)隙對的前一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行接入申請，同時(shí)接收自己的申請信息。如果接收的信息和發(fā)送的信息一致，表明沒有另外一個(gè)用戶正在競爭該時(shí)隙，則可以占用該時(shí)隙，用戶j利用該時(shí)隙對的后一個(gè)時(shí)隙發(fā)出申請應(yīng)答信息；如果接收的信息和發(fā)送的信息不一致，表明有另外一個(gè)用戶正在競爭該時(shí)隙，則隨機(jī)延遲Δ（Δ的范圍取決于總的用戶數(shù)）個(gè)數(shù)據(jù)幀的時(shí)間后再進(jìn)行接入申請。
用戶退出：如果用戶k或j要退出該系統(tǒng)，需要利用其占用的時(shí)隙發(fā)出斷開申請，對應(yīng)的用戶發(fā)出斷開應(yīng)答后，雙方同時(shí)釋放占用的時(shí)隙對。
系統(tǒng)同步：為了保證整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘同步，避免不同用戶時(shí)隙的相互重疊，可采取兩種措施：
（1）時(shí)隙間留有3.4ms的保護(hù)間隔；
（2）除了加入系統(tǒng)的第一個(gè)用戶，后續(xù)用戶都要通過鎖相環(huán)技術(shù)把自身的時(shí)鐘調(diào)整成和第一個(gè)用戶一致。所有的用戶退出系統(tǒng)后，系統(tǒng)的時(shí)鐘同步又要以第一個(gè)新接入的用戶為基準(zhǔn)而重新開始。
3.系統(tǒng)測試
紫外光收發(fā)模塊如圖4所示，板卡尺寸均小于5cm&TImes;5cm。為了加大紫外光的發(fā)射功率，在發(fā)射端還采用了LED陣列?；谏鲜瞿K構(gòu)建的測試系統(tǒng)表明，收發(fā)雙方在室內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)4.8Kb/s的清晰的語音通信。后續(xù)還將進(jìn)行室外環(huán)境下的測試。
圖4紫外光收發(fā)模塊
三.結(jié)語
紫外光通信不易被探測和截收，可以通過散射進(jìn)行非視線通信，非常適用于近距離抗干擾和有遮擋環(huán)境下的通信。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于LED的紫外光通信系統(tǒng)，研究了光路設(shè)計(jì)、時(shí)鐘恢復(fù)、信道編碼等方面的內(nèi)容，并重點(diǎn)設(shè)計(jì)了雙工通信協(xié)議，初步開展了鏈路性能測試。該系統(tǒng)將可用于語音和數(shù)據(jù)的雙向保密傳輸。
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