基于以太網(wǎng)語(yǔ)音和IP數據無(wú)線(xiàn)光通信鏈路設計

摘要 針對移動(dòng)應用平臺間進(jìn)行較短距離的直接通信，設計了一種基于以太網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)激光傳輸的通信鏈路系統。該系統使用直接調制的方式將以太網(wǎng)發(fā)出的電信號調制到光波上，將攜帶信息的載波激光束聚焦、對準發(fā)送至接收設備;接收設備將采集到的信號進(jìn)行解調，由光信號還原出發(fā)送方輸出的電信號，經(jīng)以太網(wǎng)傳輸至接收端，實(shí)現信號的雙向傳遞;該系統可實(shí)時(shí)、大容量、高速地傳輸語(yǔ)音、數據、視頻和圖像等信號，且通信質(zhì)量穩定可靠，保密性和安全性能優(yōu)良。測試結果表明，該系統能較好地在大氣間進(jìn)行實(shí)時(shí)高速地數據通信，滿(mǎn)足移動(dòng)應用平臺間的保密需要。

關(guān)鍵詞 以太網(wǎng);無(wú)線(xiàn)激光通信;IP數據傳輸;直接調制

現代戰爭要求通信速率高、信息傳輸能力強、組網(wǎng)靈活、易于安裝和維護、通信可靠性?xún)?yōu)良、安全性好等特點(diǎn)。激光通信技術(shù)的出現，有效地彌補了有線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )不靈活，無(wú)線(xiàn)電通信的安全性能較差，容易受干擾的缺點(diǎn)。大氣激光通信以光信號作為載波并以大氣作為傳輸介質(zhì)，能夠完成點(diǎn)到點(diǎn)或點(diǎn)到多點(diǎn)的信息傳輸，在IP數據網(wǎng)、電話(huà)網(wǎng)的入網(wǎng)應急設備中可大規模普及應用。隨著(zhù)高速大容量信息傳輸需求的不斷擴展以及通信相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，大氣激光通信技術(shù)已成為未來(lái)通信技術(shù)發(fā)展應用的重要領(lǐng)域。

利用激光代替光纖實(shí)現計算機之間信息實(shí)時(shí)高速傳遞，主要進(jìn)行了3方面工作：(1)搭建激光通信平臺，建立激光鏈路。(2)將以太網(wǎng)傳輸的電信號和大氣中傳輸的光信號進(jìn)行相互轉換，主要實(shí)現了兩臺計算機通過(guò)激光進(jìn)行視頻通話(huà)。(3)設計了傳輸速率測試軟件，實(shí)時(shí)監控傳輸速率。

1 方案論證與設計

1.1 方案論證

設計了針對網(wǎng)絡(luò )信號的大氣激光通信的鏈路系統。該系統采用光電介質(zhì)轉換芯片將網(wǎng)絡(luò )中傳輸的電信號轉換為光信號以便于在大氣中傳輸，即將原始電信號調制到激光上，通過(guò)大氣傳輸實(shí)現大氣激光通信。通過(guò)速率測試軟件能對網(wǎng)絡(luò )速率進(jìn)行實(shí)時(shí)監測。在網(wǎng)絡(luò )通信中，網(wǎng)絡(luò )信號傳輸過(guò)程中，傳輸速率是不固定的，因此有必要設計自適應速率匹配。使用光電轉化芯片可完成網(wǎng)絡(luò )中的電信號與光信號的轉換，并具有10/100 Mbit·s-1速率自適應機制。在光電調制方面，一般情況下由于網(wǎng)絡(luò )速率基本在100 Mbit·s-1以下，因此可采用光強度調制，這完全能夠滿(mǎn)足設計要求。另外要考慮的是，在光傳輸與接收方面大氣中對光性質(zhì)的影響。在大氣中，霧霾、液滴、煙塵等是影響激光傳輸的主要因素?？紤]一般情況，大氣對激光的損耗約為3～10 dB/km，設計所采用的激光發(fā)射與接收設備為1×9光收發(fā)一體模塊，其發(fā)射功率范圍在1～1.7 mW，接收光信號靈敏度為-31.0 dBm，完全滿(mǎn)足設計要求。

在軟件設計中，采用C#中的PerformanceCounter控件能夠對網(wǎng)絡(luò )數據進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，因此能夠滿(mǎn)足設計要求。對于網(wǎng)速測量，通過(guò)普通軟件 (如FeiQ、NetMeeting等)傳遞大文件的方法來(lái)測試網(wǎng)絡(luò )速度受硬盤(pán)讀寫(xiě)速度限制。因此，在網(wǎng)速測試中，采用生成隨機數的方式放入內存中，通過(guò)重復發(fā)送隨機數來(lái)達到最大網(wǎng)速測試的目的。

1.2 總體設計方案

設計大氣激光通信系統的主要目的是實(shí)現兩臺計算機的無(wú)線(xiàn)互聯(lián)和高速傳輸。系統的組成部分為信源、信道和信宿，其中信源和信宿包括相互通信的計算機、光發(fā)射設備、光接收設備及其外部設備如聲音、視頻等輸入設備;光發(fā)射設備包括信號接口電路、電光調制電路、半導體激光器、光發(fā)射裝置以及對準裝置;光接收設備包括光接收裝置、光電探測器、光電解調電路以及與發(fā)射設備同樣的對準裝置。圖1和圖2為基于以太網(wǎng)的空間光通信系統的基本框圖。

光發(fā)射設備的主要功能是將電脈沖信號變成合適的光脈沖信號以便在大氣中傳輸，激光二極管(LD)是關(guān)鍵器件。LD把電信號轉換為光信號的調制方式用兩種：直接調制和外調制。在大多數情況下，為降低系統的成本及設計復雜度，在低速率情況下通常采用直接調制方式，即注入調制電流直接實(shí)現光的強度調制。

從數據終端設備PC機上連接的網(wǎng)線(xiàn)接入RJ45接口的TP模塊。其中RJ45接口和網(wǎng)卡之間的是非屏蔽雙絞線(xiàn)(Unshielded Twisted Pairs，UTPs)，其內部由兩對互相交叉的雙絞線(xiàn)來(lái)傳輸信號。在100 Mbit·s-1的以太網(wǎng)傳輸中，雙絞線(xiàn)的信號電平是三電平重疊調制變換(Modulated Lapped nansfmm-3，MLT3)碼，這是一種三電平多極性碼，其信號的編碼形式是485B碼。為將從網(wǎng)絡(luò )適配器接收的多電平信號轉換成適合光電轉換設備處理的單極性電平信號，并隔離彼此之間的電磁干擾和直流分量，必須用隔離變壓器進(jìn)行耦合。反之，將光電轉換設備產(chǎn)生的單極性電平信號轉換成網(wǎng)絡(luò )適配器能處理的多電平信號，也是同樣情況。當RJ45接口接收來(lái)自雙絞線(xiàn)的10/100 M數據時(shí)，在隔離變壓器濾波之后將數據輸送到光電介質(zhì)轉換芯片，經(jīng)過(guò)譯碼和電平轉換后，形成光信號并傳輸至光收發(fā)一體化模塊，通過(guò)自聚焦透鏡形成激光束發(fā)射出去。當接收端光收發(fā)一體化模塊接收到光信號時(shí)，光電介質(zhì)轉換芯片將光信號轉換成電信號，并將生成的電信號進(jìn)行數據譯碼和電平轉換，將電信號傳輸到 RJ45接口，并傳回目的計算機。

通信系統中設置有光發(fā)射和光接收裝置，且每臺計算機均可向對方發(fā)射經(jīng)過(guò)調制的光信號，同時(shí)也能接收來(lái)自對方的光信號，如此實(shí)現全雙工通信。從計算機A向計算機B發(fā)送以太網(wǎng)數據的流程如下：

(1)計算機A通過(guò)網(wǎng)絡(luò )適配器，將要需要的原始數據傳輸到信號接口處理電路中，對信號進(jìn)行濾波，且耦合到以太網(wǎng)介質(zhì)轉換電路中。

(2)信號經(jīng)以太網(wǎng)介質(zhì)轉換電路進(jìn)行適當的時(shí)鐘恢復、解擾等處理，并將在以太網(wǎng)中傳輸的MLT-3電平轉換成適合在大氣傳輸的單極性NRZ電平，再傳輸到光發(fā)射設備電路。

(3)光發(fā)射設備電路的功能是向光源提供驅動(dòng)電流，同時(shí)將電信號調制到光波上，實(shí)現信號的電/光轉換。

信號調制成光信號的形式，在空氣中傳播。計算機B系統的光接收裝置就可以接收來(lái)自計算機A的光信號，經(jīng)過(guò)處理還原出原來(lái)的信息。計算機B接收來(lái)自計算機A的數據，流程如下：

(1)光收發(fā)模塊接收來(lái)自計算機A的光信號，將光信號進(jìn)行光電解調，轉換成為電信號。

(2)變換后的電信號在光接收設備電路和以太網(wǎng)介質(zhì)轉換設備電路中進(jìn)行信號放大、時(shí)鐘提取以及數據判決等處理恢復，恢復后的數據傳輸至計算機B。

通過(guò)收發(fā)過(guò)程，完成數據的傳輸。同理，從計算機B向計算機A發(fā)送數據的過(guò)程也如此。

2 原理分析與硬件設計

2.1 原理分析

在自由空間光通信中，信息要通過(guò)大氣信道進(jìn)行傳播，以光波作為載波，把所要發(fā)送的信息加載到光波上進(jìn)行傳播。在大氣環(huán)境下背景光的干擾較大，系統需要的光源功率需要匹配調制速率。針對移動(dòng)應用平臺問(wèn)實(shí)時(shí)語(yǔ)音通信的需求，以語(yǔ)音信號為特例，給出直接調制原理框圖。語(yǔ)音信號經(jīng)過(guò)直接調制的方法調制成可以在大氣上傳輸的光信號，調制變換如圖3所示。

移動(dòng)應用平臺間需要大量傳輸IP數據包。IP數據包是網(wǎng)絡(luò )傳輸的信封，其說(shuō)明了數據發(fā)送的源地址和目的地址，以及數據內容和其傳輸狀態(tài)。一個(gè)完整的IP數據包由首部和數據兩部分組成。首部前20 Byte屬于固定長(cháng)度，存在于所有IP數據包;后面是可選字段，其長(cháng)度可變，首部后是數據包攜帶的數據，IP數據格式如圖4所示。

對于光電轉換芯片，設計采用ICPLUS公司開(kāi)發(fā)的IP113ALF芯片。IP113A LF芯片是48腳LQFP封裝，該芯片廣泛應用于快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器設計，是一種技術(shù)成熟的高集成度產(chǎn)品，可實(shí)現10/100BASE—TX與 100BASE—FX之間的轉換光收發(fā)一體模塊中使用激光驅動(dòng)芯片MAX3738，MAX3738采用自動(dòng)功率控制(APC)工作模式，當MAX3738 正常工作時(shí)，數據從IN-端和IN+端輸入，經(jīng)輸入緩沖電路和數據通道處理后，控制差分對調制器輸出以實(shí)現調制，調制后的信號從OUT-端和OUT+端輸出，去驅動(dòng)外接激光管;當輸出功率變化時(shí)，反饋信號從MD端輸入，消光比控制電路通過(guò)調節調制電流和偏置電流變化，來(lái)自動(dòng)維持平均輸出功率和光幅度功率的穩定。

對光載無(wú)線(xiàn)信號的解調也有兩種方法：強度調制直接檢測(IM/DD)和相干檢測。強度調制直接檢測就是對強度調制的光載無(wú)線(xiàn)信號直接進(jìn)行包絡(luò )檢測，即強度調制信號直接通過(guò)光電探測器即可恢復出原信號。

2.2 硬件設計

以太網(wǎng)收發(fā)電路由RJ接口、耦合變壓器、以太網(wǎng)收發(fā)器以及收發(fā)器與調制驅動(dòng)電路接收解調電路之間的接口組成，其中以太網(wǎng)收發(fā)芯片是核心單元。芯片內部結構框圖和系統框圖如圖5所示，以太網(wǎng)光收發(fā)芯片系統框圖如圖6所示。

3 軟件設計與流程

根據以上方案，軟件設計部分主要實(shí)現網(wǎng)速實(shí)時(shí)測量，以及最大通信速率測量。網(wǎng)速測量操作流程如圖7所示，最大通信速率測量如圖8所示。

在網(wǎng)絡(luò )速率監視中，由客戶(hù)端直接生成隨機數，向指定端口持續發(fā)送數據，在顯示界面記錄實(shí)時(shí)傳輸速率。由于內存的讀取速率遠高于網(wǎng)絡(luò )速率，從而保證網(wǎng)絡(luò )最大傳輸速率測量的準確性。

4 系統測試與分析

測試軟件：Netmeeting，進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻傳輸;基于.NET的網(wǎng)速測試軟件，分為客戶(hù)端與服務(wù)器。測試過(guò)程：計算機以太網(wǎng)口與光電轉換設備用網(wǎng)線(xiàn)連接，由于發(fā)射的是不可見(jiàn)光，先使用紅光光源在光學(xué)對準設備上從發(fā)送端瞄準接收端，對準無(wú)誤后紅光光源換回原信號光源;使用同樣方法反向接入鏈路，確保鏈路通暢。測試結果如圖9～圖12所示。

從測試結果可看出，當光鏈路建立成功，兩臺計算機可通過(guò)激光進(jìn)行無(wú)線(xiàn)視頻，傳輸正常;當光路被遮擋，傳輸終端，兩臺計算機所顯示的內容就無(wú)法同步，傳輸中斷;當光鏈路重新建立，兩臺計算機又可重新建立連接。傳輸由于網(wǎng)卡和芯片的限制，100 Mbit·s-1帶寬的極限速度是12.5 MB·s-1，設計鏈路達到的最高速度已接近網(wǎng)卡極限。由于在服務(wù)器端設置有緩存區，所以在發(fā)送數據時(shí)，部分數據留在緩存區中未被發(fā)送，導致服務(wù)器端的速率略低于客戶(hù)端。

5 結束語(yǔ)

提出了一種基于以太網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)激光傳輸的通信鏈路系統，解決了較短距離移動(dòng)平臺間的無(wú)線(xiàn)激光通信。研究結果表明，該設計能夠雙向、實(shí)時(shí)、大容量高速傳輸音頻視頻等數據。研究的局限性在于通信距離較短以及光學(xué)對準問(wèn)題，進(jìn)一步的研究方向為較長(cháng)距離下通過(guò)激光直接通信方案的實(shí)現。