基于嵌入式的空間光通信系統(tǒng)前饋補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計

劉曉興

(中國人民解放軍91918部隊，北京 102300)

0 引言

嵌入式系統(tǒng)由軟件、硬件兩類執(zhí)行結(jié)構(gòu)共同組成，是能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立運(yùn)作的應(yīng)用器件。軟件方面包含操作小系統(tǒng)和基礎(chǔ)運(yùn)行環(huán)境，硬件方面則由通信模塊、存儲器、信號處理器等多個結(jié)構(gòu)元件組成。相較于一般計算機(jī)處理系統(tǒng)來說，嵌入式系統(tǒng)雖不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的大容量存儲，但卻有與之匹配的EEPROM DENG、E-PROM型存儲介質(zhì)，可在保持API編程接口轉(zhuǎn)存能力的同時，完成對大型待存儲數(shù)據(jù)的規(guī)劃與分割[1-2]。早期階段，嵌入式系統(tǒng)的執(zhí)行功能相對較為單一，所有單片機(jī)元件都只能以可編程控制器的形式存在；而隨著高端嵌入式CPU的出現(xiàn)，PowerPC、ARM等結(jié)構(gòu)元件被賦予了更高等級的執(zhí)行功能，不僅縮小了嵌入式系統(tǒng)所占的實(shí)際存儲空間，也完全實(shí)現(xiàn)了對各類應(yīng)用設(shè)備的低功率部署[3]。

空間光通信系統(tǒng)是指以激光光波為載體、大氣環(huán)境為傳輸介質(zhì)的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，結(jié)合了微波通信與光纖通信應(yīng)用優(yōu)勢，同時具備傳輸速率快、通信容量大的特點(diǎn)，既不需要光纖電纜的配合，也可直接解調(diào)來源于對立主機(jī)的激光脈沖信號，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化雙工通信環(huán)境的構(gòu)建[4]。隨著光通信覆蓋范圍的逐漸擴(kuò)大，核心控制主機(jī)對于目標(biāo)數(shù)據(jù)信息的捕獲速率也開始不斷加快，導(dǎo)致各級通信設(shè)備間的動態(tài)跟蹤誤差實(shí)值迅速擴(kuò)張。為緩解上述情況，傳統(tǒng)光電伺服與ARM調(diào)控系統(tǒng)借助CPLD平臺，實(shí)現(xiàn)空間光通信信號在PPM波段上的定向調(diào)制，再將激光驅(qū)動器直接加載到二極管之上，完成補(bǔ)償信號由輸出端到輸入端的反向應(yīng)用控制。但該方法僅適用于低參量傳輸頻段，很難在光通信數(shù)據(jù)量提升的同時，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)數(shù)據(jù)的快速捕獲。基于此引入嵌入式處理技術(shù)，設(shè)計空間光通信系統(tǒng)的前饋補(bǔ)償系統(tǒng)，在并串轉(zhuǎn)換電路、波分復(fù)用器件等多個硬件執(zhí)行設(shè)備的作用下，創(chuàng)建與光通信數(shù)據(jù)相關(guān)的根文件結(jié)構(gòu)體，完成對前饋型脈沖波的直接調(diào)制與處理。

1 空間光通信系統(tǒng)的前饋補(bǔ)償系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

空間光通信系統(tǒng)的硬件前饋補(bǔ)償結(jié)構(gòu)由并串轉(zhuǎn)換電路、信號發(fā)射模塊、波分復(fù)用器件、光放大器等多個元件共同組成，具體搭建方法如下。

1.1 并串轉(zhuǎn)換電路

并串轉(zhuǎn)換電路是前饋補(bǔ)償系統(tǒng)中唯一的電能輸出裝置，可在光通信天線的作用下，順次連接多級VSS與VCC電子傳輸信道，并聯(lián)合C型、Y型、L型、Q型四類空間互感電阻，完成對前饋通信基波的復(fù)用性調(diào)節(jié)控制。EM4094作為并/串轉(zhuǎn)換功能的執(zhí)行芯片，可承接與空間光通信數(shù)據(jù)相關(guān)的序列信息，又因與uController接口直接相連，可有效控制前饋補(bǔ)償信息的并行傳輸碼率，再將這些信號參量平均分配至所有空間互感電阻中，以拉近各級通信設(shè)備間的空間占用距離，縮小動態(tài)跟蹤誤差的實(shí)際表現(xiàn)數(shù)值[5]。VCC接口與C型空間互感電阻相連，為保證光通信信號的完整發(fā)射，該類型電阻的接入總量較大，是并串轉(zhuǎn)換電路中負(fù)載量級水平最高的電阻結(jié)構(gòu)體。Y型、L型、Q型電阻只能負(fù)載于C型互感電阻之間，受到不同通信功能的限制，這些電阻結(jié)構(gòu)分別與VDD、VSS、ANT、RFIN及AGD電子傳輸信道相連。在保證EM4094元件完整接收空間光通信數(shù)據(jù)后，5個DOUT信道同時開啟連接狀態(tài)，借助uController接口將這些信息參量直接傳輸至波分復(fù)用器件、功率放大器等下級硬件設(shè)備之中[6]。

圖1 并串轉(zhuǎn)換電路圖

1.2 光通信信號發(fā)射模塊

光通信信號發(fā)射模塊位于前饋補(bǔ)償系統(tǒng)中部，內(nèi)部包含一個SM激光二極管、一個嵌入式電機(jī)、一個通信觸發(fā)器、一個信號處理器和多個C型、L型與Z型空間互感電阻。嵌入式電機(jī)是光通信信號發(fā)射模塊的邊部電子接收器，可與并串轉(zhuǎn)換電路的uController接口端相連，一方面感知系統(tǒng)內(nèi)部的電子傳輸需求，另一方面匯總具備前饋型補(bǔ)償調(diào)節(jié)能力的空間光通信信號[7]。SM激光二極管與嵌入式電機(jī)之間并聯(lián)接入多個L型互感電阻，可根據(jù)前饋輸入電壓的變化趨勢，更改已接入電阻的實(shí)際阻值水平，達(dá)到處理通信信號的目的。信號處理器始終保持固定的電子感知形式，輸入電壓只能由正極流向負(fù)極，該原件兩側(cè)分設(shè)兩個阻值相同的Z型空間互感電阻，可按照光通信觸發(fā)器中前饋信號的實(shí)時輸出狀態(tài)，變更自身所負(fù)載的補(bǔ)償電壓應(yīng)用量，通過數(shù)據(jù)信息的階段性權(quán)衡，完成對系統(tǒng)內(nèi)光通信信號的發(fā)射處理。

圖2 光通信信號發(fā)射模塊結(jié)構(gòu)圖

1.3 波分復(fù)用器件

波分復(fù)用器件是空間光通信系統(tǒng)中的重要組成元件，可將不同波長的光源信號結(jié)合在一起，經(jīng)由光學(xué)發(fā)射天線直接傳輸至合波器結(jié)構(gòu)中，能夠聚攏未被占據(jù)的前饋補(bǔ)償波段，與信號發(fā)射模塊統(tǒng)稱為底層光通信處理單元。空間光自聚焦棒透鏡存在于光纖結(jié)構(gòu)體與光柵組織之間，可改變信號波的入射角度，將所有光波聚合在一起，投射在光柵體的定點(diǎn)位置上[8-9]。由于光柵角色散射能力的不同，不同波長的光信號會被系統(tǒng)核心補(bǔ)償主機(jī)配以不同的出射角度，經(jīng)過透鏡的匯聚作用后，大數(shù)量級角度實(shí)值降低、小數(shù)量級角度實(shí)值升高，直至上下兩端出射波的散射角度均值完全相等，才將光波完整投射至光柵表面，完成對系統(tǒng)前饋補(bǔ)償通信波的波長選擇。光通信波在光纖介質(zhì)中保持圓周運(yùn)動行為，兩端波體可自由選擇輸入與輸出的真實(shí)位置，為保證最終復(fù)用波體的平穩(wěn)輸出，光柵體下部也必須負(fù)載一個玻璃楔支撐結(jié)構(gòu)。

圖3 波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)圖

1.4 嵌入式光放大器

嵌入式光放大器位于波分復(fù)用器件末端，可實(shí)現(xiàn)空間光輸入與輸出信號間的自由轉(zhuǎn)換，能夠在濾波結(jié)構(gòu)體的作用下，提升與信號參量匹配的前饋通信能量，完成對原始通信數(shù)據(jù)的擴(kuò)大處理。波分復(fù)用器與嵌入式光放大器的WDM元件相連，可承接所有處于輸入狀態(tài)的空間光通信信號，與其它信號處理設(shè)備相比，該結(jié)構(gòu)的額定上限存儲條件更高，能適應(yīng)多變的光通信信號發(fā)射行為。兩個前饋隔離器分屬通信光纖兩端，在嵌入放大器元件內(nèi)部的同時，隔絕大量不必要的光通信信號，以保證放大后信號的輸出穩(wěn)定性[10]。位于放大器元件底部的濾波處理結(jié)構(gòu)，可跟隨空間光通信信號的輸出頻率，更改與信號體相關(guān)的實(shí)際擴(kuò)大度量值，直至前饋補(bǔ)償系統(tǒng)中的輸入信號參量完全趨于穩(wěn)定。

圖4 嵌入式光放大器的光信號輸出原理

1.5 PWM功率放大器

空間光通信系統(tǒng)前饋補(bǔ)償系統(tǒng)需要較大的電壓與電流才能驅(qū)動，而并串轉(zhuǎn)換電路只能提供極為少量的應(yīng)用電子，多數(shù)情況下無法正常驅(qū)動通信信號的順次傳輸，導(dǎo)致最終補(bǔ)償調(diào)節(jié)功率的持續(xù)下降。PWM功率放大器借助多個接口元件與其它系統(tǒng)硬件執(zhí)行設(shè)備相連，將暫存于控制主機(jī)中的空間光通信信號轉(zhuǎn)存至PWM芯片中，通過信號脈沖的多次調(diào)制，改變數(shù)據(jù)信息的原有傳輸格式，按照前饋補(bǔ)償系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需求，擴(kuò)展與設(shè)備元件相關(guān)的已記錄信號總量，在多個電子沖量的共同作用下，完成對空間光通信信號傳輸功率的放大處理[11]。在操作指令實(shí)施的過程中，放大執(zhí)行鍵不會一直保持下沉狀態(tài)，即多數(shù)情況下空間光通信信號仍保持原始傳輸頻率，僅在特定時間節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)短暫下沉，達(dá)到放大信號傳輸功率的目的。

圖5 PWM功率放大器結(jié)構(gòu)圖

1.6 角編碼器

角編碼器是實(shí)現(xiàn)前饋補(bǔ)償系統(tǒng)中空間光通信信號傳輸速度反饋的重要處理元件，只有在信號速度分辨率恒大于伺服電機(jī)分辨率的情況下，才有可能接入系統(tǒng)控制閉環(huán)之中。光電伺服電機(jī)作為并串轉(zhuǎn)換電路的下級負(fù)載元件，可控制空間點(diǎn)光源中通信信號的輸出頻度。當(dāng)點(diǎn)光源通信信號進(jìn)入旋轉(zhuǎn)變壓器后，所顯示數(shù)據(jù)形式即為通信信號的原始本體[12]。在直流伺服電機(jī)的作用下，變壓器開啟逐級旋轉(zhuǎn)模式，直至所有半頁組織均不再顯示數(shù)據(jù)形式為止，此時機(jī)體所處位置即為前饋補(bǔ)償系統(tǒng)最適宜的角編碼器連接形式。確保波分復(fù)用器件、嵌入式光放大器等硬件結(jié)構(gòu)的接入狀態(tài)，當(dāng)一個傳輸周期內(nèi)的光通信信號完整發(fā)射時，通信顯示屏中所表現(xiàn)出的數(shù)據(jù)形態(tài)，就是由角編碼器生成的前饋補(bǔ)償波處理結(jié)果。

圖6 角編碼器結(jié)構(gòu)圖

2 嵌入式通信系統(tǒng)前饋補(bǔ)償系統(tǒng)軟件設(shè)計

在空間光通信系統(tǒng)前饋補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的作用下，按照如下流程，搭建系統(tǒng)的軟件應(yīng)用環(huán)境，兩項(xiàng)結(jié)合，完成基于嵌入式的空間光通信系統(tǒng)前饋補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計。

2.1 Linux嵌入內(nèi)核的移植配置

對Linux嵌入內(nèi)核的移植配置可從補(bǔ)償處理器移植、前饋開發(fā)板移植兩方面同時著手。鑒于已嵌入系統(tǒng)內(nèi)核的移植協(xié)議只能支持少次補(bǔ)償型信號控制處理，所以后續(xù)需配置文件必須包含修改、增刪、查缺、替換等多種信號處理功能。待移植前饋補(bǔ)償協(xié)議的配置處理主要集中在通信信號角編碼修改、PWM放大功率收集兩個層面[13]。一個典型的Linux嵌入內(nèi)核移植配置處理可從如下幾個方面展開。

2.1.1 核對硬件環(huán)境是否與Linux通信內(nèi)核匹配

可以查看空間光通信主機(jī)中的頂層Linux目錄文件，按照數(shù)據(jù)信號的實(shí)際傳輸需求，提取嵌入式內(nèi)核中的已編程協(xié)議棧，聯(lián)合PWM功率放大器實(shí)現(xiàn)對未移植參量結(jié)構(gòu)體的配置協(xié)調(diào)處理。

2.1.2 分析Linux嵌入內(nèi)核中的目錄文件結(jié)構(gòu)

如果前饋補(bǔ)償系統(tǒng)中的光通信信號不能按照既定順序排列，抽取嵌入式內(nèi)核結(jié)構(gòu)體中的空間光通信數(shù)據(jù)包，以信息角編碼原理對未配置移植協(xié)議棧進(jìn)行篩查，選出驅(qū)動傳輸能力最強(qiáng)的通信信號參量。

2.1.3 分析Linux平臺中的移植處理代碼

根據(jù)波分復(fù)用器件中空間光通信信號的前饋調(diào)節(jié)形式，建立必要補(bǔ)償處理機(jī)制，使Linux嵌入內(nèi)核得到妥善安置，實(shí)現(xiàn)對通信協(xié)議棧的移植與配置處理。

2.2 通信數(shù)據(jù)的根文件創(chuàng)建

對于嵌入式前饋補(bǔ)償系統(tǒng)來說，通信數(shù)據(jù)根文件創(chuàng)建是必不可少的處理環(huán)節(jié)，可直接提取嵌入式內(nèi)核中的移植協(xié)議棧，將既定空間光通信信號投射至旋轉(zhuǎn)變壓器的半頁組織中，在直流伺服電機(jī)的作用下，角編碼器不斷旋轉(zhuǎn)，直至通信顯示屏中的前饋補(bǔ)償輸出波形態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定[14]。General Configuration編碼標(biāo)注了通信數(shù)據(jù)根文件的起始創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)，隨著系統(tǒng)內(nèi)信號前饋補(bǔ)償調(diào)節(jié)時間的延長，嵌入Linux內(nèi)核的移植協(xié)議棧數(shù)量開始逐漸增加，一部分?jǐn)?shù)據(jù)通信信道被空間點(diǎn)光源信息占據(jù)，使得Installation Options編碼能夠時刻掌握通信數(shù)據(jù)的變動形式。當(dāng)已配置移植協(xié)議棧完全嵌入Linux內(nèi)核時，Init Utilities編碼直接輸出最終的通信數(shù)據(jù)根文件信息，以供其它系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的直接調(diào)取與利用[15]。

圖7 通信數(shù)據(jù)根文件創(chuàng)建界面

2.3 補(bǔ)償調(diào)制傳信率計算

(1)

式中，δ代表前饋補(bǔ)償系統(tǒng)為空間光通信信號賦予的激光載體傳輸參量，χ代表光通信數(shù)據(jù)的功率放大系數(shù)，α、β分別代表兩個不同的通信數(shù)據(jù)光信號傳輸夾角，sinα、sinβ、cosα、cosβ分別代表與之相關(guān)的夾角正弦與余弦值。

2.4 前饋脈沖調(diào)制

(2)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證基于嵌入式空間光通信系統(tǒng)前饋補(bǔ)償系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價值，設(shè)計如下對比實(shí)驗(yàn)。設(shè)置多種空間光通信環(huán)境，分別以搭載前饋補(bǔ)償系統(tǒng)、光電伺服系統(tǒng)和ARM型調(diào)控系統(tǒng)的控制主機(jī)作為實(shí)驗(yàn)對象，多次更改空間點(diǎn)光源通信信號的入射頻率，直至顯示屏中的輸出波段完全趨于穩(wěn)定。

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

在同一位置設(shè)置三個頻率不同的入射主機(jī)，如圖8所示，入射信號所包含的光通信數(shù)據(jù)總量從左至右依次為5.0×1011T、7.0×1011T、9.0×1011T。顯示屏前設(shè)置三個信號接收器，負(fù)責(zé)收集實(shí)驗(yàn)檢測所需的空間光通信信號，如圖9所示，各接收器只能接收與之對應(yīng)入射主機(jī)中的輸出光通信信號。

圖8 空間點(diǎn)光源通信信號入射

圖9 信號顯示接收屏

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)過程中選取10個補(bǔ)償位置作為數(shù)據(jù)記錄節(jié)點(diǎn)，任意兩相鄰節(jié)點(diǎn)間的間隔時長完全相等。下表反映了光通信參量分別等于5.0×1011T、7.0×1011T、9.0×1011T時，目標(biāo)空間光通信數(shù)據(jù)的實(shí)時捕獲速率。

對比表1、表2、表3可知，光通信參量的數(shù)值級別水平越低，目標(biāo)空間光通信數(shù)據(jù)的實(shí)時捕獲速率也就越快。單看前饋補(bǔ)償系統(tǒng)的數(shù)值，整個實(shí)驗(yàn)過程中的最小值為7.1 T/mm、最大值為7.8 T/mm，二者間差值為0.7 T/mm，光通信參量等于7.0×1011T時，在前饋補(bǔ)償系統(tǒng)中，目標(biāo)空間光通信數(shù)據(jù)的實(shí)時捕獲速率始終保持穩(wěn)定。光電伺服系統(tǒng)的全局最小值為3.3×1011T、最大值為6.2×1011T，二者間差值為2.9×1011T，與前饋補(bǔ)償系統(tǒng)數(shù)值相比，差值水平較高，但極值水平卻相對較低。ARM型調(diào)控系統(tǒng)的全局最小值為4.0×1011T、最大值為6.5×1011T，二者間差值為2.5×1011T，與前饋補(bǔ)償系統(tǒng)數(shù)值相比，依然呈現(xiàn)差值水平上升、極值水平下降的變化趨勢。

表1 空間光通信數(shù)據(jù)捕獲速率(5.0×1011T)

表2 空間光通信數(shù)據(jù)捕獲速率(7.0×1011T)

表3 空間光通信數(shù)據(jù)捕獲速率(9.0×1011T)

3.3 結(jié)果分析

綜上可知，隨著基于嵌入式空間光通信系統(tǒng)前饋補(bǔ)償系統(tǒng)的應(yīng)用，目標(biāo)空間光通信數(shù)據(jù)實(shí)時捕獲速率明顯加快，這是由于所設(shè)計系統(tǒng)采用了嵌入式光放大器實(shí)現(xiàn)空間光輸入與輸出信號自由轉(zhuǎn)換，完成通信數(shù)據(jù)的擴(kuò)大處理，使前饋補(bǔ)償系統(tǒng)中的輸入信號參量趨于穩(wěn)定狀態(tài)，并通過脈沖調(diào)制前饋補(bǔ)償系統(tǒng)準(zhǔn)確、穩(wěn)定運(yùn)行。

所提基于嵌入式的空間光通信系統(tǒng)前饋補(bǔ)償系統(tǒng)不僅滿足了光通信系統(tǒng)對于目標(biāo)數(shù)據(jù)的快速捕獲需求，也實(shí)現(xiàn)了對各級通信設(shè)備間動態(tài)跟蹤誤差的有效抑制。

4 結(jié)束語

與光電伺服型與ARM型調(diào)控系統(tǒng)相比，基于嵌入式的空間光通信系統(tǒng)前饋補(bǔ)償系統(tǒng)聯(lián)合了并串轉(zhuǎn)換電路、波分復(fù)用器件等多個硬件執(zhí)行設(shè)備，在精準(zhǔn)配置Linux移植協(xié)議棧的同時，創(chuàng)建多個通信數(shù)據(jù)根文件，解決了補(bǔ)償調(diào)制傳信率不達(dá)標(biāo)的應(yīng)用問題。從實(shí)用處理的角度來看，隨光通信參量實(shí)值水平的提升，系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)的實(shí)時捕獲速率也開始加快，實(shí)現(xiàn)了對各級通信設(shè)備間動態(tài)跟蹤誤差的定向化縮小。