實(shí)現光通信的新手段：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。傳統的紫外光通信系統尺寸過(guò)大，難以實(shí)際應用。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(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。

國外從20世紀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(wú)線(xiàn)單工通信系統，該系統通信速率為4.8Kb/s，誤碼率可以達到106 。2002年，美國國防部高等研究計劃局（DARPA）啟動(dòng)半導體紫外光系統（SUVOS）計劃，其核心任務(wù)是制造紫外發(fā)光二極管（UV LED）。在該計劃的推動(dòng)下，目前UV LED已經(jīng)研制成功并開(kāi)始量產(chǎn)。

美國加州大學(xué)河邊分校和麻省理工學(xué)院分別使用UV LED構建了單工通信試驗系統，并對紫外光傳輸信道的特性進(jìn)行了研究。

國內從2000年開(kāi)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原型的研制，傳輸速率最高可達9.6Kb/s。但是到目前為止，國內這些系統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：國內外的這些系統都只能進(jìn)行單工通信，一定程度上限制了系統的實(shí)用性。

本文研究并設計了一種基于UV LED的雙工紫外光通信系統方案，可用于空天短距離語(yǔ)音和數據的雙向保密傳輸。

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(cháng)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。

2.200~280nm的紫外光屬于日盲段。這個(gè)波長(cháng)的太陽(yáng)光受大氣分子和懸浮顆粒的吸收，信號強度按指數規律衰減，到達地表附近時(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范圍內的短距離通信，超過(guò)這個(gè)范圍后將難以探測，對它進(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，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)，紫外光通信系統可在戰術(shù)移動(dòng)通信和保密通信中得到廣泛應用。

二.雙工紫外光通信系統設計

目前的紫外光通信系統都是單向通信，調制方式采用的是常規的OOK（通斷）和PPM（脈沖位置調制）模式。若想實(shí)現雙向通信，一種方案是采取頻分復用的方式，收發(fā)雙方在200~280nm范圍內分別占用一個(gè)不同的波長(cháng)；另外一種方案是采取時(shí)分復用的方式，收發(fā)雙方共用一個(gè)波長(cháng)，但是占用不同的時(shí)間片。由于日盲段的波長(cháng)范圍有限，前一種方案的系統容量難以提高。本文采取第二種方案。

1.系統組成

系統的核心部件是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(yǔ)音壓縮編解碼芯片和USB接口芯片，分別用來(lái)支持語(yǔ)音和數據的傳輸，如圖1所示。

圖1紫外光通信系統組成框圖

其中UV LED選用的是韓國首爾光設備公司的T5F28，其波長(cháng)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(cháng)范圍為160~320nm。FPGA主要完成四個(gè)方面的功能：接收數據的定時(shí)恢復和判決；數據的加擾和解擾；信道編譯碼；數據的組幀和解幀。

當系統處于發(fā)送模式時(shí)，組幀之后的信號首先進(jìn)行2PPM的調制，然后通過(guò)電流驅動(dòng)器去驅動(dòng)UV LED，產(chǎn)生受控的紫外光；當系統處于接收模式時(shí)，紫外光檢測器把收到的光信號轉換成電信號，通過(guò)低通濾波器和自動(dòng)增益控制器，經(jīng)模/數轉換后送給FPGA進(jìn)行后續處理。

2.關(guān)鍵技術(shù)

在紫外光傳輸系統的設計過(guò)程中，需要解決如下關(guān)鍵技術(shù)。

（1）光路設計

由于紫外光的散射傳播特性，UV LED的視場(chǎng)角和檢測器的視場(chǎng)角重疊的區域越大，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。凹透鏡能夠對入射光束起發(fā)散作用，如圖2所示，所以通過(guò)多個(gè)凹透鏡的組合并調節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

和常規的數字通信一樣，接收端需要對檢測器輸出的電信號進(jìn)行時(shí)鐘恢復，并對最佳采樣點(diǎn)進(jìn)行判決。另一方面，由于調制方式采取的是2PPM，常規數字接收機中的載波恢復在這里并不需要。

時(shí)鐘誤差估計算法可采用經(jīng)典的Gardner算法，這里不再贅述。

（3）擾碼、信道編碼

為了提高數據傳輸的抗干擾能力，可在系統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，還需對發(fā)送的數據進(jìn)行加擾處理。這里使用的擾碼多項式為x5+x3+1，信道糾錯編碼為（2，1，7）卷積碼，其生成多項式為(171)o，133o。

（4）雙工通信協(xié)議

在紫外通信系統中，由于紫外光源和檢測器的波長(cháng)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。

對于一個(gè)用戶(hù)容量為N的系統，一共設置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)?，所以時(shí)隙之間的保護間隔可以設置得非常小。

以容量為10人的紫外光語(yǔ)音通信系統為例說(shuō)明數據幀結構的設計?？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，假設每分鐘240個(gè)漢字，如果壓縮后的語(yǔ)音信號速率為4.8Kb/s，可以算出平均每個(gè)漢字時(shí)間內的比特數為1200b。據此設計的數據幀結構如圖3所示，其中數據的信息速率為60Kb/s，信息體長(cháng)度為1200b，時(shí)隙頭長(cháng)度為96b。時(shí)隙頭包括前導序列、信息類(lèi)型、發(fā)送方代號和接收方代號，長(cháng)度分別為72b，8b，8b和8b。每一個(gè)用戶(hù)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 數據幀結構設計

整個(gè)系統的工作流程如下：

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，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(méi)有另外一個(gè)用戶(hù)正在競爭該時(shí)隙，則可以占用該時(shí)隙，用戶(hù)j利用該時(shí)隙對的后一個(gè)時(shí)隙發(fā)出申請應答信息；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)正在競爭該時(shí)隙，則隨機延遲Δ（Δ的范圍取決于總的用戶(hù)數）個(gè)數據幀的時(shí)間后再進(jìn)行接入申請。

用戶(hù)退出：如果用戶(hù)k或j要退出該系統，需要利用其占用的時(shí)隙發(fā)出斷開(kāi)申請，對應的用戶(hù)發(fā)出斷開(kāi)應答后，雙方同時(shí)釋放占用的時(shí)隙對。

系統同步：為了保證整個(gè)系統的時(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的保護間隔；

（2）除了加入系統的第一個(gè)用戶(hù)，后續用戶(hù)都要通過(guò)鎖相環(huán)技術(shù)把自身的時(shí)鐘調整成和第一個(gè)用戶(hù)一致。所有的用戶(hù)退出系統后，系統的時(shí)鐘同步又要以第一個(gè)新接入的用戶(hù)為基準而重新開(kāi)始。

3.系統測試

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構建的測試系統表明，收發(fā)雙方在室內可以實(shí)現4.8Kb/s的清晰的語(yǔ)音通信。后續還將進(jìn)行室外環(huán)境下的測試。

圖4紫外光收發(fā)模塊

三.結語(yǔ)

紫外光通信不易被探測和截收，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。本文設計了一個(gè)基于LED的紫外光通信系統，研究了光路設計、時(shí)鐘恢復、信道編碼等方面的內容，并重點(diǎn)設計了雙工通信協(xié)議，初步開(kāi)展了鏈路性能測試。該系統將可用于語(yǔ)音和數據的雙向保密傳輸。