面向光通信的物理幀格式設(shè)計與同步算法研究

姚如貴, 蔣朋飛, 馬駿, 潘世洲

(1.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院, 陜西 西安 710072; 2.中航工業(yè)西安飛行自動控制研究所, 陜西 西安 710065)

空間光通信是一種新興的無線通信技術(shù)，其誘人之處在于它利用激光作為無線通信的載體，以大氣為傳輸介質(zhì)，可以減少新的通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資，使工程造價大幅下降。此外，無線光通信技術(shù)結(jié)合了光纖通信和無線通信的特點，具有通信容量大、傳輸速率高等眾多優(yōu)點，有著廣泛的應(yīng)用前景[1]。

空間光通信系統(tǒng)大多采用設(shè)計為強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(IM/DD)的系統(tǒng)，應(yīng)用于IM/DD光通信系統(tǒng)中的調(diào)制方式有很多種，脈沖位置調(diào)制(PPM)是一種正交調(diào)制方式，相比于傳統(tǒng)的開關(guān)鍵控(OOK)調(diào)制，它具有更高的光功率利用率和頻帶利用率，并能進(jìn)一步提高傳輸信道的抗干擾能力[2]。

脈沖位置調(diào)制，簡稱PPM，是一種脈沖位置根據(jù)被調(diào)信號的變化而變化的調(diào)制方法[3]。該調(diào)制方式通過使用L=2M個時鐘周期中的不同位置的脈沖來表達(dá)有效信號“0”和“1”實現(xiàn)調(diào)制。它是由二進(jìn)制的M位數(shù)據(jù)映射而成的L=2M個時鐘周期組成，通過PPM調(diào)制后的信息是只有1個時鐘周期的單脈沖信號，其傳送的信息比特為M，且PPM的碼組位數(shù)是固定的，其中有1個時鐘周期為1，其他的時鐘周期為0[4]。光PPM調(diào)制的物理幀格式包括同步序列和隨機(jī)數(shù)據(jù)序列。

本文從工程應(yīng)用出發(fā)，根據(jù)PPM的基本原理和數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了一種PPM空間光通信系統(tǒng)，主要包括物理幀格式的設(shè)計和同步算法的研究，最后用Verilog HDL語言在Vivado上完成了系統(tǒng)設(shè)計和仿真[4]。仿真結(jié)果表明了該設(shè)計方案的正確性和可靠性。

1 空間光通信中物理幀格式的設(shè)計

1.1 性能要求

PPM數(shù)字激光通信系統(tǒng)中，單位時間內(nèi)激光器有規(guī)律輸出的光脈沖數(shù)目稱為重頻(repeat frequency,Rf)。實際激光通信系統(tǒng)中,要求激光器的重頻1/Rf≥2 μs,接收機(jī)的采樣速率為fs=100 MHz,接收機(jī)對接收到的信號進(jìn)行P=4倍采樣,則每個時隙脈寬為T1=1/fs*P=40 ns,所以單位時間內(nèi),激光器發(fā)射的光脈沖時隙數(shù)N滿足

(1)

實際的空間激光通信系統(tǒng)中,為滿足激光器重頻的性能要求,設(shè)計64-PPM的物理幀格式,使激光脈沖間的時隙個數(shù)N≥L(即一個symbol的時隙寬度),其中,“symbol”表示L=2M個時鐘周期的符號。

1.2 物理幀格式的設(shè)計

本節(jié)先介紹一種傳統(tǒng)的64-PPM的物理幀格式,分析其優(yōu)缺點,然后設(shè)計2種可以獲得更高傳輸速率的物理幀格式。物理幀格式的設(shè)計中,“空symbol”表示L=2M個時鐘周期的脈沖位置全為“0”;{xx,bit}表示高2位為“xx”,低4位為“bit”的二進(jìn)制數(shù)據(jù)在L=2M個時鐘周期中所對應(yīng)的脈沖位置。

1.2.1 傳統(tǒng)的幀格式設(shè)計

圖1所示為傳統(tǒng)的物理幀格式,為滿足激光器的重頻要求,即確保激光脈沖間的時隙個數(shù)大于等于一個symbol的時隙寬度,將每個信息幀分成一個信息段和一個保護(hù)段。這樣設(shè)計可以滿足重頻大于2 μs的性能指標(biāo)。但是,由于這種傳統(tǒng)的物理幀格式中每發(fā)送一個信息段都需要發(fā)送一個保護(hù)段,導(dǎo)致信息傳輸效率比較低,因此設(shè)計了“空-空-零”的物理幀格式和改進(jìn)的“空-空-零”物理幀格式[5]。

圖1 傳統(tǒng)的幀格式

1.2.2 “空-空-零”的幀格式設(shè)計

圖2所示為設(shè)計“空-空-零”的物理幀格式,將信息數(shù)據(jù)包分為同步時段和通信時段。

圖2 “空-空-零”的幀格式設(shè)計

同步時段發(fā)送2個“空symbol”和二進(jìn)制數(shù)據(jù){000000}的符號作為幀頭進(jìn)行幀頭同步;為滿足重頻要求,即確保激光脈沖間的時隙個數(shù)大于等于一個symbol的時隙寬度,在通信時段依次發(fā)送D1={00,bit1},D2={01,bit2},D3={10,bit3},D4={11,bit4}且D1≤D2≤D3≤D4,可以滿足激光器的重頻1/Rf≥2 μs的性能指標(biāo)。

1.2.3 改進(jìn)的“空-空-零”幀格式

圖3所示為改進(jìn)的“空-空-零”物理幀的設(shè)計結(jié)構(gòu)圖。圖3a)中所示為發(fā)送的一包數(shù)據(jù)分成1個同步幀和6個數(shù)據(jù)幀。圖3b)中所示為同步幀分成6個同步symbol和1個數(shù)據(jù)D0={1,bit}組成;為滿足激光器的重頻要求,即確保激光脈沖間的時隙個數(shù)大于等于一個symbol的時隙寬度,按照圖3c)中所示設(shè)計的數(shù)據(jù)幀依次發(fā)送“空symbol”,D1={00,bit1},D2={01,bit2},D3={10,bit3},D4={11,bit4},“空symbol”,D5共7個symbol的有用信號且D1≤D2≤D3≤D4。這種物理幀格式的設(shè)計在滿足激光器重頻要求的同時提高了幀同步的準(zhǔn)確性,提高了系統(tǒng)的傳輸速率。

圖3 改進(jìn)的“空-空-零”物理幀

1.3 傳輸速率分析

下面主要分析了后2種設(shè)計的物理幀的傳輸速率。

圖2所示“空-空-零”的物理幀格式的數(shù)據(jù)傳輸率[6]可計算為

(2)

圖4所示改進(jìn)“空-空-零”的物理幀格式的數(shù)據(jù)傳輸率可計算為

(3)

對比(2)式和(3)式,可以發(fā)現(xiàn)改進(jìn)的“空-空-零”的物理幀格式在空間光通信系統(tǒng)中可以有效提高通信系統(tǒng)的傳輸速率。

2 基于FPGA的接收機(jī)的設(shè)計

2.1 方案設(shè)計

本文設(shè)計的空間激光通信接收機(jī)的總體框圖如圖4所示。首先,接收機(jī)接收到的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號;然后,通過匹配濾波器模塊對接收的信號進(jìn)行匹配濾波處理,降低噪聲,提高接收信噪比(在3.2節(jié)中詳細(xì)介紹);其次,在幀同步模塊中,經(jīng)過匹配濾波后的信號進(jìn)行自適應(yīng)相關(guān)閾值計算和相關(guān)濾波計算找到幀頭位置,同步是整個通信系統(tǒng)中一個非常重要的技術(shù),是進(jìn)行信息傳輸?shù)那疤釛l件(在第3章中詳細(xì)介紹);最后,通過PPM解調(diào)模塊解調(diào)出有效信息[7]。

圖4 PPM數(shù)字接收機(jī)方案設(shè)計

2.2 匹配濾波算法

白噪聲環(huán)境下所有的線性濾波器中,匹配濾波器輸出的信噪比最大,所以本方案中脈沖位置的提取需要用匹配濾波器來完成。匹配濾波器的響應(yīng)函數(shù)h(j)是輸入信號s(j)的鏡像平移函數(shù),理想情況下,采用P=4倍采樣,取樣后每個PPM脈沖為長度P的矩形系列,因此h(j)實際運(yùn)用中取一個長度為P的單位矩形系列,則匹配濾波后的輸出S0(j)為[7]

(4)

噪聲信號經(jīng)過匹配濾波后輸出n0(j)為

(5)

3 幀同步算法

3.1 幀同步設(shè)計

接收到的信號經(jīng)過匹配濾波后,就可以進(jìn)行同步頭的捕獲了。接收端采用相關(guān)算法檢測幀同步頭。此處采用互相關(guān)算法,x(i)和y(i)分別表示2個數(shù)據(jù)序列,其相關(guān)值Rxy(m)為

(6)

接收端中幀同步頭的捕獲需要用到相關(guān)濾波器來實現(xiàn)。如圖5所示,在每一個采樣間隔期間,將接收到的數(shù)據(jù)序列與同步頭序列進(jìn)行相關(guān),相關(guān)的結(jié)果會出現(xiàn)一個“譜峰”,當(dāng)接收數(shù)據(jù)流當(dāng)中同步頭剛好全部進(jìn)入到相關(guān)器并與存儲的同步頭序列同步時會出現(xiàn)一個大于自適應(yīng)相關(guān)閾值的峰值,相關(guān)器立即啟動幀頭同步信號并確定幀頭的脈沖位置[7]。

圖5 幀頭同步方案設(shè)計

3.2 自適應(yīng)相關(guān)閾值

幀頭同步模塊中,計算出的相關(guān)值需要與自適應(yīng)相關(guān)閾值進(jìn)行判決,從而找到幀頭的脈沖起始位置,所以如何確定自適應(yīng)相關(guān)閾值成為主要的研究目標(biāo)。

本文的空間激光通信系統(tǒng)在光學(xué)系統(tǒng)部分采用了自動增益控制模塊,接收信號相對穩(wěn)定。另外,設(shè)計的同步序列較長,且采用匹配濾波技術(shù),相關(guān)后對噪聲抑制效果較好,信噪比得到較大的提升。而且,本通信系統(tǒng)的最低工作信噪比較大,信號強(qiáng)度的變化對于自適應(yīng)相關(guān)閾值影響不大。為了方便分析和敘述,分別分析數(shù)據(jù)信號和噪聲,數(shù)據(jù)脈沖為1的信號經(jīng)過量化后其相對應(yīng)的值為A;由于信道環(huán)境等因素影響,假設(shè)接收機(jī)接收到的高斯白噪聲的均值為E。

圖6 匹配濾波后輸出信號

圖6所示分別為接收信號進(jìn)行匹配濾波后的輸出信號和同步頭序列進(jìn)行匹配濾波后的信號。假設(shè)經(jīng)過匹配濾波輸出信號為與本地同步頭序列對齊(同步頭序列長為L=1 536),即幀同步,為事件H0,此時相應(yīng)的噪聲所對應(yīng)的序列長度為L0=L-5*7=1 502;當(dāng)經(jīng)過匹配濾波輸出信號與本地同步信號相差一個采樣信號即可完全對齊,為事件H1,此時相應(yīng)的噪聲所對應(yīng)的長度為L1=L-5*8=1 496;當(dāng)經(jīng)過匹配濾波輸出信號與本地同步信號相差一個脈沖信號時,為事件H2,此時相應(yīng)的噪聲所對應(yīng)的長度為L2=L-5*7*2=1 466。接下來詳細(xì)分析這3種情況所對應(yīng)的相關(guān)值。

1) 經(jīng)過匹配濾波后的輸出信號與本地同步頭序列完全對齊。

(7)

(8)

所以,當(dāng)經(jīng)過匹配濾波的信號與本地同步頭序列完全對齊時,其最大的相關(guān)值TH0為

(9)

2) 當(dāng)經(jīng)過匹配濾波的信號與同步頭序列相錯一個采樣數(shù)據(jù)未對齊時

(10)

(11)

(12)

3) 經(jīng)過匹配濾波后的輸出信號與本地信號相錯一個脈沖數(shù)據(jù)未對齊時

(13)

(14)

所以,當(dāng)經(jīng)過匹配濾波的信號與本地同步頭序列相錯一個脈沖數(shù)據(jù)未對齊時,其最小的相關(guān)值TH2為

(15)

根據(jù)前面計算出的的相關(guān)值,設(shè)定自適應(yīng)的相關(guān)門限值為Tsyn=-1 536E+A。計算出的相關(guān)值與設(shè)定的自適應(yīng)相關(guān)門限進(jìn)行比較,找到“譜峰”所對應(yīng)的脈沖位置從而確定為同步頭的位置,啟動同步信號。

3.3 相關(guān)濾波計算的簡化算法

針對設(shè)計的改進(jìn)物理幀同步序列長度(L=1 536)較長,做這么長序列的相關(guān)需要進(jìn)行L次乘法和L-1加法,復(fù)雜度太高的問題,提出一種簡化的相關(guān)值計算方法?？紤]到經(jīng)過PPM調(diào)制的序列中大部分都是0,少量是1,可以利用這種特性,設(shè)計一種滑動相關(guān)的簡化實現(xiàn)方案。

圖7 滑動前后脈沖位置上對應(yīng)的本地同步序列

首先,計算長度為L的接收數(shù)據(jù)所對應(yīng)的相關(guān)值T0。然后,采用滑動方法計算下一個相關(guān)值,滑動前后,激光發(fā)射的脈沖位置為“0”所對應(yīng)本地同步序列未改變,而脈沖位置為“1”所對應(yīng)本地同步序列如圖7所示,在前一相關(guān)值T0的基礎(chǔ)上計算此時的相關(guān)值,其中(1)～(4)脈沖位置上所對應(yīng)的同步序列均增大1/2,(5)～(8)脈沖位置上的數(shù)據(jù)均減小1/2,所以滑動后的相關(guān)值T為

式中,sij表示設(shè)計的第i個符號上第j個脈沖位置所對應(yīng)的信號,di表示第i個脈沖位置的接收數(shù)據(jù),T0表示前L個數(shù)據(jù)的相關(guān)值。

采用設(shè)計的滑動計算方法,簡化了相關(guān)濾波算法中相關(guān)值計算的復(fù)雜度,降低了資源消耗,提升了空間激光通信的系統(tǒng)性能。

4 仿真結(jié)果分析和實驗驗證

我們將從Matlab仿真、在線仿真和實際測試驗證本文所提算法的正確性[8]。

4.1 幀頭檢測概率

本文采用失幀率作為評估同步算法可靠性的指標(biāo),定義為接收機(jī)未同步的概率。本節(jié)所做的仿真是基于第1節(jié)設(shè)計的改進(jìn)物理幀格式和第3節(jié)設(shè)計的同步算法,利用Matlab仿真,設(shè)置SNR為6～10 dB,使用高斯噪聲系統(tǒng)模型進(jìn)行10 000 00次獨立試驗。本文所設(shè)計的幀同步算法是基于幀格式中的同步頭序列。因此,失幀率只與同步序列有關(guān),而與傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)信息無關(guān)。

圖8 信噪比為6～10 dB時的失幀率

圖8顯示了2種設(shè)計的物理幀失幀率對比。在信噪比為6～8 dB時,改進(jìn)的“空-空-零”物理幀格式比“空-空-零”物理幀格式失幀率更低。改進(jìn)的“空-空-零”物理幀格式中,信噪比為9～10 dB時,通信系統(tǒng)完全同步?jīng)]有失幀,所以我們設(shè)計的物理幀格式與同步算法在通信傳輸速率較高的情況下,同步性能比較好。

4.2 在線仿真

根據(jù)設(shè)計幀同步模塊,用Verilog HDL語言在Vivado上完成幀同步模塊的設(shè)計與仿真,經(jīng)Vivado綜合、布局布線,可以獲得幀同步模塊中的在線仿真和資源消耗分別如圖9和表1所示。

圖9 幀頭同步時序圖

在圖9中, corr表示計算出的相關(guān)值, threhold為計算出的自適應(yīng)相關(guān)值閾值,header-find為幀頭同步的啟動信號。當(dāng)相關(guān)值大于自適應(yīng)相關(guān)閾值時,找到峰值位置,從而確定幀頭位置,啟動幀頭同步信號。

表1 資源消耗情況

4.3 實際測試

本文僅在實驗室中進(jìn)行激光數(shù)據(jù)傳輸實驗，通過大氣信道傳輸信息，進(jìn)行實驗結(jié)果的觀察和分析[10]。本次實驗的設(shè)備包括計算機(jī)兩臺，激光發(fā)射器和激光接收器各一個，調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)兩套，直流穩(wěn)壓電源。激光發(fā)射器和激光接收器的實物如圖10所示。

圖10 空間激光通信系統(tǒng)

本節(jié)主要對空間激光通信系統(tǒng)中的實驗現(xiàn)象和實驗結(jié)果進(jìn)行觀察和分析。首先，通過數(shù)據(jù)源產(chǎn)生模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，然后，經(jīng)過PPM編碼調(diào)制，輸出窄脈沖信號波形，激光接收到的脈沖信號波形如圖11所示。

圖11 窄脈沖信號波形

圖12 上位機(jī)與FPGA的數(shù)據(jù)傳輸

為了驗證本文的接收機(jī)FPGA實現(xiàn)方案，我們搭建了如圖12所示的測試系統(tǒng)。上位機(jī)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)據(jù)序列，添加同步頭序列后成幀，進(jìn)一步加入指定信噪比的隨機(jī)白噪聲，模擬AD操作經(jīng)過量化后，通過網(wǎng)口發(fā)送給接收機(jī)，F(xiàn)PGA實現(xiàn)接收、同步、解調(diào)模塊對接收到的量化數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)操作，獲得解調(diào)后的序列再通過網(wǎng)口送至上位機(jī)；上位機(jī)進(jìn)行序列比對，計算出相應(yīng)的誤碼率。

圖13 信噪比為6～10 dB時的誤碼率

圖13顯示了MATLAB仿真與實際測試的誤碼率對比。從圖13中可以看出，基于設(shè)計的物理幀格式，實測結(jié)果與仿真結(jié)果完全一致。在信噪比為9～10 dB時，空間激光通信系統(tǒng)可以完全正確解調(diào)出有效數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果表明了本方案的正確性和可靠性。

通過仿真結(jié)果和實驗驗證，本文所設(shè)計的空間激光通信系統(tǒng)方案，在最低誤碼率允許的范圍內(nèi)，可實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。

5 結(jié) 論

針對空間激光通信系統(tǒng)中信息傳輸速率低的情況，基于傳統(tǒng)的物理幀格式，重點研究設(shè)計了"空-空-零"的幀格式以及改進(jìn)的“空-空-零”的幀格式，理論分析了設(shè)計的改進(jìn)的“空-空-零”的幀格式對于空間激光通信系統(tǒng)傳輸速率的提高具有重要的意義。空間激光通信系統(tǒng)中，PPM數(shù)字接收機(jī)的關(guān)鍵是同步的建立，開展幀同步算法的設(shè)計與實現(xiàn)。結(jié)合設(shè)計的物理幀格式，重點研究了幀同步算法設(shè)計，為了應(yīng)對實際系統(tǒng)中噪聲等參數(shù)的影響，提出自適應(yīng)相關(guān)閾值設(shè)置，考慮面向工程實現(xiàn)中遇到的問題，研究相關(guān)濾波的簡化實現(xiàn)方法?；贔PGA完成了接收機(jī)原型系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)了對幀同步信號的提取。經(jīng)Matlab仿真、在線仿真以及實際測試表明本方案的正確性和可靠性。