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(guò)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(cè)和截收，可以通過(guò)散射進(jìn)行非視線(xiàn)通信，非常適用于近距離抗干擾和有遮擋的通信環(huán)境。

國(guó)外從20世紀(jì)60年代開(kāi)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(guó)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(wú)線(xiàn)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(guó)國(guó)防部高等研究計(jì)劃局（DARPA）啟動(dòng)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(dòng)下，目前UV LED已經(jīng)研制成功并開(kāi)始量產(chǎn)。

美國(guó)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(duì)紫外光傳輸信道的特性進(jìn)行了研究。

國(guó)內(nèi)從2000年開(kāi)始對(duì)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(guó)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(guó)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(wèn)題是：國(guó)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(yǔ)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(zhǎng)為200~280nm。這個(gè)頻段是開(kāi)放的，不受無(wú)線(xiàn)電管理委員會(huì)的限制，使用時(shí)不需要進(jìn)行頻率申請(qǐng)。

2.200~280nm的紫外光屬于日盲段。這個(gè)波長(zhǎng)的太陽(yáng)光受大氣分子和懸浮顆粒的吸收，信號(hào)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(guò)這個(gè)范圍后將難以探測(cè)，對(duì)它進(jìn)行干擾和偵聽(tīng)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(duì)接收器視場(chǎng)所在空間進(jìn)行照射，通過(guò)彌漫在大氣層中的微小顆粒，散射到接收器的視場(chǎng)區(qū)，并被接收器接收。因此，紫外光可以進(jìn)行非視線(xiàn)通信（NLOS），適合在有遮擋的場(chǎng)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(dòng)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(zhǎng)；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(zhǎng)，但是占用不同的時(shí)間片。由于日盲段的波長(zhǎng)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(cè)器，此外還有一片可編程邏輯陣列（FPGA），外接語(yǔ)音壓縮編解碼芯片和USB接口芯片，分別用來(lái)支持語(yǔ)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(guó)首爾光設(shè)備公司的T5F28，其波長(zhǎng)為280nm，發(fā)射功率為150mW。光檢測(cè)器選用的是日本濱松公司的R7154，其波長(zhǎng)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(hào)首先進(jìn)行2PPM的調(diào)制，然后通過(guò)電流驅(qū)動(dòng)器去驅(qū)動(dòng)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(cè)器把收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)低通濾波器和自動(dòng)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(guò)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(chǎng)角和檢測(cè)器的視場(chǎng)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。考慮到系統(tǒng)選用的UV？LED的視場(chǎng)角只有10°，為了增大收發(fā)雙方在存在視線(xiàn)遮擋情況下的重疊區(qū)域，需要通過(guò)光學(xué)透鏡增大發(fā)送光源的視場(chǎng)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(guò)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(mǎn)足要求的發(fā)射視場(chǎng)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(duì)檢測(cè)器輸出的電信號(hào)進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)，并對(duì)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(cuò)編碼。同時(shí)為了更好地進(jìn)行定時(shí)恢復(fù)，還需對(duì)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(cuò)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(cè)器的波長(zhǎng)是固定的，要想支持多個(gè)用戶(hù)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(tīng)的接入方式（CSMA）是一種較好的選擇。

對(duì)于一個(gè)用戶(hù)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(hù)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?xún)?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(yǔ)音通信系統(tǒng)為例說(shuō)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(huà)的語(yǔ)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(yǔ)音信號(hào)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(zhǎng)度為1200b，時(shí)隙頭長(zhǎng)度為96b。時(shí)隙頭包括前導(dǎo)序列、信息類(lèi)型、發(fā)送方代號(hào)和接收方代號(hào)，長(zhǎng)度分別為72b，8b，8b和8b。每一個(gè)用戶(hù)只處理接收代號(hào)和自己的代號(hào)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(lèi)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(hù)接入：如果用戶(hù)k需要發(fā)起和用戶(hù)j的通信，首先監(jiān)聽(tīng)時(shí)隙1~10，如果用戶(hù)j處于忙狀態(tài)，則等待；否則如果信道上有空閑時(shí)隙對(duì)，則利用該時(shí)隙對(duì)的前一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行接入申請(qǐng)，同時(shí)接收自己的申請(qǐng)信息。如果接收的信息和發(fā)送的信息一致，表明沒(méi)有另外一個(gè)用戶(hù)正在競(jìng)爭(zhēng)該時(shí)隙，則可以占用該時(shí)隙，用戶(hù)j利用該時(shí)隙對(duì)的后一個(gè)時(shí)隙發(fā)出申請(qǐng)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(hù)正在競(jìng)爭(zhēng)該時(shí)隙，則隨機(jī)延遲Δ（Δ的范圍取決于總的用戶(hù)數(shù)）個(gè)數(shù)據(jù)幀的時(shí)間后再進(jìn)行接入申請(qǐng)。

用戶(hù)退出：如果用戶(hù)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(kāi)申請(qǐng)，對(duì)應(yīng)的用戶(hù)發(fā)出斷開(kāi)應(yīng)答后，雙方同時(shí)釋放占用的時(shí)隙對(duì)。

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(hù)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(hù)，后續(xù)用戶(hù)都要通過(guò)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(hù)一致。所有的用戶(hù)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(hù)為基準(zhǔn)而重新開(kāi)始。

3.系統(tǒng)測(cè)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(cè)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(yǔ)音通信。后續(xù)還將進(jìn)行室外環(huán)境下的測(cè)試。

圖4紫外光收發(fā)模塊

三.結(jié)語(yǔ)

紫外光通信不易被探測(cè)和截收，可以通過(guò)散射進(jìn)行非視線(xiàn)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(kāi)展了鏈路性能測(cè)試。該系統(tǒng)將可用于語(yǔ)音和數(shù)據(jù)的雙向保密傳輸。