大氣光通信聯(lián)合調(diào)制傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用研究

鄧樂(lè)坤，何 寧，吳晨晨，吳 越

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西壯族自治區(qū) 桂林 541004)

0 引 言

隨著用戶終端在通信領(lǐng)域高性能的飛速發(fā)展，高速率和高頻譜效率成為了未來(lái)無(wú)線光通信(Wireless Optical Communication，WOC)的發(fā)展目標(biāo)[1-3]。為了克服大氣湍流以及惡劣天氣等影響，對(duì)誤碼性能也提出了更高的要求[4]。

在傳統(tǒng)調(diào)制技術(shù)上[5]，開(kāi)關(guān)鍵控(On Off Keying，OOK)在有限的帶寬資源下頻譜效率較低，設(shè)備功耗較大，使其應(yīng)用推廣受限[6]；與OOK相比，脈沖位置調(diào)制(Pulse Position Modulation，PPM)利用脈沖位置來(lái)傳遞信息，雖然傳輸速率較低，但能量利用率隨調(diào)制階數(shù)的升高而大幅提升，從而降低了設(shè)備的平均發(fā)射功率[7-8]；文獻(xiàn)[9]利用空間脈沖位置調(diào)制(Space Pulse Position Modulation，SPPM)對(duì)傳輸速率有明顯提升，但其占用信道帶寬較大導(dǎo)致頻譜效率偏低；脈沖幅度調(diào)制(Pulse Amplitude Modulation，PAM)是一種具有高頻譜效率的調(diào)制技術(shù)[10]，但受限于階數(shù)升高對(duì)硬件設(shè)備的分辨率要求，而且會(huì)產(chǎn)生更高的峰均功率導(dǎo)致發(fā)射器工作在非線性領(lǐng)域，從而造成誤碼性能降低；文獻(xiàn)[11]提出了一種極化移位鍵控(Multilevel Polarization Shift Keying，MPOLSK)調(diào)制方法，雖然誤碼性能得到提升，但在時(shí)域上只激活了一個(gè)激光器，導(dǎo)致頻譜效率提升有限。

針對(duì)有效性與可靠性不足的問(wèn)題，本文提出了一種結(jié)合PAM高頻譜特性與PPM高能量利用率特性的聯(lián)合調(diào)制方法，構(gòu)建了一種多鏈路光空間聯(lián)合調(diào)制系統(tǒng)，進(jìn)一步改善了系統(tǒng)頻譜效率和傳輸速率，通過(guò)調(diào)制技術(shù)的融合也使通信的安全性得到了一定保障。

1 聯(lián)合調(diào)制傳輸系統(tǒng)模型

圖1所示為一個(gè)具有Nt=4個(gè)激光二極管(Laser Diode,LD)發(fā)送和Nr=4個(gè)光電探測(cè)器(Photoelectric Detector,PD)接收的聯(lián)合調(diào)制傳輸系統(tǒng)模型圖。圖中，前端將外部二進(jìn)制比特流轉(zhuǎn)換成兩層比特塊，第1層進(jìn)行PAM，第2層進(jìn)行PPM。通過(guò)對(duì)雙路調(diào)制信號(hào)融合，對(duì)脈沖幅度位置進(jìn)行判決，得到同一時(shí)域上攜帶幅度及位置的調(diào)制信號(hào)。利用Nt個(gè)空域映射(Space Mapping，SM)方式中的特定激光器發(fā)送，接收端通過(guò)識(shí)別特定激光器光信號(hào)并進(jìn)行空域解映射，將識(shí)別出的信號(hào)送入后端電路進(jìn)行處理，并完成對(duì)PAM與PPM的解映射，最終還原原始二進(jìn)制比特流[12]。

圖1 光空間聯(lián)合調(diào)制傳輸系統(tǒng)模型圖

圖中，4-PAM映射模塊對(duì)應(yīng)b1進(jìn)行比特映射，并按照協(xié)議將比特流(00，01,10,11)碼字分為4個(gè)幅度高低變化的脈沖信號(hào)，而4-PPM映射模塊則對(duì)應(yīng)b2進(jìn)行比特映射，根據(jù)協(xié)議將比特流(00，01,10,11)碼字排序劃分為4個(gè)時(shí)隙位置。系統(tǒng)通過(guò)雙路并行和單路串行方式對(duì)兩層比特塊分別進(jìn)行比特映射。在層映射中，對(duì)于一個(gè)n比特二進(jìn)制數(shù)據(jù)，由分層處理得到b1和b2，其中b1表示L-PAM攜帶的比特?cái)?shù)為log2L,L為PAM調(diào)制階數(shù)；b2表示PPM攜帶的比特?cái)?shù)為log2M，M為PPM調(diào)制階數(shù),因此每次發(fā)光所攜帶的數(shù)據(jù)量為log2(LM)。

L-PAM的映射關(guān)系可通過(guò)一個(gè)M×1維向量表示，即

式中：Al為L(zhǎng)-PAM調(diào)制符號(hào)發(fā)送的光強(qiáng)，Al=lΔ，Δ為優(yōu)先增量符號(hào)，可表示為

l為在該時(shí)隙位置發(fā)送的L-PAM信號(hào)，l=1，2，…，L；[·]T為轉(zhuǎn)置運(yùn)算。

M-PPM的映射關(guān)系可通過(guò)一個(gè)1×M維向量表示，即

式中：Sm為M-PPM調(diào)制符號(hào)發(fā)送的平均光強(qiáng)，m為在該時(shí)隙位置發(fā)送的M-PPM信號(hào)，且1≤m≤M。經(jīng)融合后的信號(hào)可表示為

2 聯(lián)合調(diào)制幀的組成與編解碼

根據(jù)上述原理，圖2所示為脈沖位置幅度調(diào)制(Pulse Position Amplitude Modulation，PPAM)字符m8的脈沖傳輸幀結(jié)構(gòu)示意圖(L=4，M=4，Nt=4，Nr=4)。為了保證實(shí)際傳輸?shù)目煽啃砸约皫盘?hào)同步，系統(tǒng)在進(jìn)行層映射前對(duì)每幀信號(hào)插入自相關(guān)性良好的巴克碼作為幀頭，其中幀頭數(shù)據(jù)選用0111_0010組成兩個(gè)不同幅度且不同時(shí)隙位置的幀頭脈沖引導(dǎo)與數(shù)據(jù)信息組幀，接收機(jī)只有在檢測(cè)到兩個(gè)幀頭脈沖幅度與時(shí)隙位置均正確時(shí)才對(duì)信息幀

圖2 PPAM字符m8的脈沖時(shí)隙與幅度波形

進(jìn)行識(shí)別，否則跳過(guò)該幀信號(hào)對(duì)下一幀幀頭繼續(xù)判決。此外，為了減少各脈沖之間不同幅度所引起的碼間干擾等問(wèn)題，分別對(duì)各脈沖之間插入一個(gè)保護(hù)段，同時(shí)保證PD能區(qū)分前后兩個(gè)脈沖。

信息編解碼由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)完成，根據(jù)提前設(shè)置好的傳輸協(xié)議，串口傳輸按照字節(jié)組幀實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)采用雙邊沿檢測(cè)的方式識(shí)別不同幅度及其所在的時(shí)隙位置，既檢測(cè)PAM信號(hào)是否發(fā)生串?dāng)_或丟失，同時(shí)還檢測(cè)PPM信號(hào)時(shí)隙位置是否發(fā)生錯(cuò)位。由于脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸處理后會(huì)產(chǎn)生時(shí)延及尖峰脈沖干擾，故濾除持續(xù)時(shí)間不滿足或超過(guò)發(fā)送設(shè)定值的脈沖。再將PAM與PPM信號(hào)模塊識(shí)別的結(jié)果反饋給對(duì)方，只有在雙路信號(hào)識(shí)別無(wú)誤時(shí)才進(jìn)行比特組合，進(jìn)一步優(yōu)化誤碼性能。系統(tǒng)發(fā)送接收流程框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)通信流程

3 調(diào)制性能對(duì)比

圖4所示為OOK、PPM和PPAM的頻譜效率η隨調(diào)制階數(shù)L與M變化的關(guān)系圖。由圖可知，與同階數(shù)的PPM相比，PPAM的頻譜效率隨L的增加而提高，且能有效利用激光發(fā)射設(shè)備。PPAM通過(guò)融合兩種調(diào)制方式，對(duì)字節(jié)數(shù)據(jù)代碼進(jìn)行協(xié)議分組、分層映射和并行調(diào)制，通過(guò)聯(lián)合解調(diào)反饋，進(jìn)行兩種調(diào)制方式的同時(shí)檢驗(yàn)和結(jié)果反饋判斷，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)誤碼率。

圖4 各調(diào)制方式頻譜效率比較

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試分析

系統(tǒng)所采用的FPGA主控芯片的輸入/輸出(Input/Output，I/O)信號(hào)均為晶體管-晶體管邏輯電平(Transistor Transistor Logic，TTL)，并不匹配實(shí)際傳輸?shù)腜PAM信號(hào)，因此需要通過(guò)邏輯電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，信號(hào)變換結(jié)構(gòu)如圖5所示。在發(fā)射端，采用一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)將TTL電平轉(zhuǎn)換成幅度可調(diào)的電壓值，得到多路并行攜帶位置信息的PAM信號(hào)。將由高到低的幅度送入到對(duì)應(yīng)激光器序號(hào)由高到低的鏈路中，通過(guò)SM激活特定激光器。在接收端，前端PD所在位置序號(hào)與激光器序號(hào)一一對(duì)應(yīng)并行接收，由電流/電壓(A/V)轉(zhuǎn)換電路完成信號(hào)變換，并利用電阻網(wǎng)絡(luò)還原攜帶位置信息的PAM信號(hào)，再經(jīng)過(guò)鑒幅和整形濾波，得到標(biāo)準(zhǔn)TTL電平信號(hào)并送入FPGA解調(diào)。

圖5 系統(tǒng)信號(hào)變換結(jié)構(gòu)

按照?qǐng)D1方案，系統(tǒng)上位機(jī)每幀發(fā)送16 bit數(shù)據(jù)，串口波特率為9 600，PAM與PPM調(diào)制階數(shù)均為4階，F(xiàn)PGA輸出的TTL電平高脈沖持續(xù)時(shí)間默認(rèn)為1 ms。系統(tǒng)采用4個(gè)輸出平均功率為5 mW的激光管與4個(gè)PD放置在相距2 m處進(jìn)行傳輸測(cè)試。PPAM波形如圖6所示，波形對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)為m8,①為發(fā)送端波形，②為接收端波形，經(jīng)過(guò)無(wú)線傳輸信號(hào)延遲時(shí)間約為0.1 μs。由圖可知，4-PAM的4種發(fā)送幅度值分別為1.0、2.0、3.0和5.5 V，脈沖時(shí)隙位置對(duì)應(yīng)4-PPM信號(hào)。波形中每個(gè)脈沖分別攜帶2 bit的PAM信號(hào)以及2 bit的PPM信號(hào)，最前端兩個(gè)脈沖為幀頭脈沖，每幀攜帶一組信息脈沖。經(jīng)過(guò)測(cè)試，每幀信號(hào)實(shí)際傳輸速率可達(dá)5 Mbit/s。

圖6 (4,4)-PPAM波形

系統(tǒng)通過(guò)串口實(shí)際接收的數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)判誤碼性能，由上位機(jī)監(jiān)測(cè)對(duì)多次批量字符傳輸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出傳輸誤碼率優(yōu)于10-5。圖7所示為實(shí)際接收傳輸指令“啟動(dòng)13號(hào)舵機(jī)，執(zhí)行向左飛行！”的英文字符，根據(jù)通信傳輸需求可對(duì)界面中控件參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)設(shè)置。

圖7 串口接收數(shù)據(jù)界面

結(jié)合系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析，PPAM在單調(diào)制基礎(chǔ)上進(jìn)行層映射帶寬復(fù)用，頻譜效率是兩種調(diào)制方式頻譜效率之和，與獨(dú)立調(diào)試的4-PPM相比，(4，4)-PPAM頻譜效率可提高4倍。由信息調(diào)制融合后的通信速率滿足log2(LM)/(Mτ)(τ為脈沖持續(xù)時(shí)間)的關(guān)系可知，傳輸速率與兩種調(diào)制方式的階數(shù)乘積呈非線性關(guān)系，且隨PAM調(diào)制階數(shù)L的升高優(yōu)勢(shì)明顯。采用解調(diào)反饋協(xié)議能有效降低時(shí)隙及索引判決錯(cuò)誤導(dǎo)致整幀信息出錯(cuò)的概率。通過(guò)比特交叉分配映射的信息組幀設(shè)計(jì)方式，使得信息的幅度與位置特征相互隱藏，構(gòu)建一種與合作方之間的加密通信機(jī)制，降低非合作接收方對(duì)信息檢測(cè)和參數(shù)截獲破譯的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了一種適合于大氣環(huán)境下的PAM與PPM聯(lián)合調(diào)制系統(tǒng)的編碼調(diào)制過(guò)程與性能。采用脈沖幅度與脈沖位置相互融合的方式來(lái)傳遞信息，在接收機(jī)部分通過(guò)聯(lián)合解調(diào)反饋?zhàn)饔靡约胺謳郊夹g(shù)進(jìn)一步降低系統(tǒng)誤碼率。相較于傳統(tǒng)的單調(diào)制方式，聯(lián)合調(diào)制系統(tǒng)不僅充分利用了大氣信道的帶寬資源使頻譜效率得到一定程度改善，還通過(guò)SM方式配合特定激光器發(fā)射激光，克服了以往硬件設(shè)備識(shí)別幅度的分辨率低所造成的非線性影響導(dǎo)致誤碼率普遍偏低的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析證明，利用不同調(diào)制方式融合交叉技術(shù)，可充分發(fā)揮其空間資源優(yōu)勢(shì)，多調(diào)制技術(shù)組合復(fù)用有利于信息的安全傳輸，可降低通信第三方對(duì)信息截獲破譯的概率，采用字節(jié)組幀進(jìn)一步提高了信息傳輸可靠性和有效性，在軍事民用等領(lǐng)域均有重要的參考價(jià)值。