实现光通信的新手段：不只是照明的UV LED

基于紫外线发光二极管（uv led）设计了一个紫外光通信系统，为此研究了光路设计、时钟恢复、信道编码等内容，并重点设计了双工传输协议，用较小的资源实现了4.8kb/s信息的传输。该系统可以用于近距离语音和数据的双向保密传输。紫外光通信具有非常好的非视距传输和保密性能。传统的紫外光通信系统尺寸过大，难以实际应用。紫外光通信作为一种新的通信手段，其最突出的优点是不易被探测和截收，可以通过散射进行非视线通信，非常适用于近距离抗干扰和有遮挡的通信环境。
国外从20世纪60年代开始研究紫外光通信，完成了从基本原理到实用系统的多方面研究。2000年美国gte公司为美军研制成功了一种基于汞灯的新型隐蔽式紫外光无线单工通信系统，该系统通信速率为4.8kb/s，误码率可以达到106 。2002年，美国国防部高等研究计划局（darpa）启动半导体紫外光系统（suvos）计划，其核心任务是制造紫外发光二极管（uv led）。在该计划的推动下，目前uv led已经研制成功并开始量产。
美国加州大学河边分校和麻省理工学院分别使用uv led构建了单工通信试验系统，并对紫外光传输信道的特性进行了研究。
国内从2000年开始对紫外光通信技术进行跟踪，重庆大学、北京理工大学、国防科技大学等单位都先后完成了紫外光单工通信系统原型的研制，传输速率最高可达9.6kb/s。但是到目前为止，国内这些系统采用的紫外光源仍然是低压汞灯或氙灯，体积和功耗均较大，难以小型化和便携使用。另外一个突出的问题是：国内外的这些系统都只能进行单工通信，一定程度上限制了系统的实用性。
本文研究并设计了一种基于uv led的双工紫外光通信系统方案，可用于空天短距离语音和数据的双向保密传输。
一.紫外光通信的特点
紫外光通信具有如下一些特点：
1.波长为200~280nm。这个频段是开放的，不受无线电管理委员会的限制，使用时不需要进行频率申请。
2.200~280nm的紫外光属于日盲段。这个波长的太阳光受大气分子和悬浮颗粒的吸收，信号强度按指数规律衰减，到达地表附近时的能量非常微弱。因此，紫外光通信的背景噪声非常小。
3.由于受大气衰减的影响，紫外光适合1km范围内的短距离通信，超过这个范围后将难以探测，对它进行干扰和侦听的可能性很小。因此，紫外光通信的保密性非常高。
4.紫外光源对接收器视场所在空间进行照射，通过弥漫在大气层中的微小颗粒，散射到接收器的视场区，并被接收器接收。因此，紫外光可以进行非视线通信（nlos），适合在有遮挡的场景中使用。
由于上述特点，紫外光通信系统可在战术移动通信和保密通信中得到广泛应用。
二.双工紫外光通信系统设计
目前的紫外光通信系统都是单向通信，调制方式采用的是常规的ook（通断）和ppm（脉冲位置调制）模式。若想实现双向通信，一种方案是采取频分复用的方式，收发双方在200~280nm范围内分别占用一个不同的波长；另外一种方案是采取时分复用的方式，收发双方共用一个波长，但是占用不同的时间片。由于日盲段的波长范围有限，前一种方案的系统容量难以提高。本文采取第二种方案。
1.系统组成
系统的核心部件是uv？led和紫外光检测器，此外还有一片可编程逻辑阵列（fpga），外接语音压缩编解码芯片和usb接口芯片，分别用来支持语音和数据的传输，如图1所示。
图1紫外光通信系统组成框图
其中uv led选用的是韩国首尔光设备公司的t5f28，其波长为280nm，发射功率为150mw。光检测器选用的是日本滨松公司的r7154，其波长范围为160~320nm。fpga主要完成四个方面的功能：接收数据的定时恢复和判决；数据的加扰和解扰；信道编译码；数据的组帧和解帧。
当系统处于发送模式时，组帧之后的信号首先进行2ppm的调制，然后通过电流驱动器去驱动uv led，产生受控的紫外光；当系统处于接收模式时，紫外光检测器把收到的光信号转换成电信号，通过低通滤波器和自动增益控制器，经模/数转换后送给fpga进行后续处理。
2.关键技术
在紫外光传输系统的设计过程中，需要解决如下关键技术。
（1）光路设计
由于紫外光的散射传播特性，uv led的视场角和检测器的视场角重叠的区域越大，接收到的光能量就越多，接收信噪比就越高。考虑到系统选用的uv？led的视场角只有10°，为了增大收发双方在存在视线遮挡情况下的重叠区域，需要通过光学透镜增大发送光源的视场角。凹透镜能够对入射光束起发散作用，如图2所示，所以通过多个凹透镜的组合并调节uv？led和凹透镜的距离，就可以得到满足要求的发射视场角。
图2凹透镜典型光路示意图
（2）定时恢复
和常规的数字通信一样，接收端需要对检测器输出的电信号进行时钟恢复，并对最佳采样点进行判决。另一方面，由于调制方式采取的是2ppm，常规数字接收机中的载波恢复在这里并不需要。
时钟误差估计算法可采用经典的gardner算法，这里不再赘述。
（3）扰码、信道编码
为了提高数据传输的抗干扰能力，可在系统中加入信道纠错编码。同时为了更好地进行定时恢复，还需对发送的数据进行加扰处理。这里使用的扰码多项式为x5+x3+1，信道纠错编码为（2，1，7）卷积码，其生成多项式为(171)o，133o。
（4）双工通信协议
在紫外通信系统中，由于紫外光源和检测器的波长是固定的，要想支持多个用户间的双向通信，采用时分复用的多址方式（tdma）和载波侦听的接入方式（csma）是一种较好的选择。
对于一个用户容量为n的系统，一共设置n个时隙，每一个用户占用一个时隙。考虑到紫外光通信的范围通常在1km×1km以内，所以时隙之间的保护间隔可以设置得非常小。
以容量为10人的紫外光语音通信系统为例说明数据帧结构的设计。考虑到通常情况下人讲话的语速为每分钟160~180个汉字，在保留一定余量的情况下，假设每分钟240个汉字，如果压缩后的语音信号速率为4.8kb/s，可以算出平均每个汉字时间内的比特数为1200b。据此设计的数据帧结构如图3所示，其中数据的信息速率为60kb/s，信息体长度为1200b，时隙头长度为96b。时隙头包括前导序列、信息类型、发送方代号和接收方代号，长度分别为72b，8b，8b和8b。每一个用户只处理接收代号和自己的代号一致的时隙。收发双方作为一个组合占用相邻的两个时隙。前导序列为0，1交替的序列，信息类型的定义如表1所示。
图3 数据帧结构设计
整个系统的工作流程如下：
用户接入：如果用户k需要发起和用户j的通信，首先监听时隙1~10，如果用户j处于忙状态，则等待；否则如果信道上有空闲时隙对，则利用该时隙对的前一个时隙进行接入申请，同时接收自己的申请信息。如果接收的信息和发送的信息一致，表明没有另外一个用户正在竞争该时隙，则可以占用该时隙，用户j利用该时隙对的后一个时隙发出申请应答信息；如果接收的信息和发送的信息不一致，表明有另外一个用户正在竞争该时隙，则随机延迟δ（δ的范围取决于总的用户数）个数据帧的时间后再进行接入申请。
用户退出：如果用户k或j要退出该系统，需要利用其占用的时隙发出断开申请，对应的用户发出断开应答后，双方同时释放占用的时隙对。
系统同步：为了保证整个系统的时钟同步，避免不同用户时隙的相互重叠，可采取两种措施：
（1）时隙间留有3.4ms的保护间隔；
（2）除了加入系统的第一个用户，后续用户都要通过锁相环技术把自身的时钟调整成和第一个用户一致。所有的用户退出系统后，系统的时钟同步又要以第一个新接入的用户为基准而重新开始。
3.系统测试
紫外光收发模块如图4所示，板卡尺寸均小于5cm×5cm。为了加大紫外光的发射功率，在发射端还采用了led阵列。基于上述模块构建的测试系统表明，收发双方在室内可以实现4.8kb/s的清晰的语音通信。后续还将进行室外环境下的测试。
图4紫外光收发模块
三.结语
紫外光通信不易被探测和截收，可以通过散射进行非视线通信，非常适用于近距离抗干扰和有遮挡环境下的通信。本文设计了一个基于led的紫外光通信系统，研究了光路设计、时钟恢复、信道编码等方面的内容，并重点设计了双工通信协议，初步开展了链路性能测试。该系统将可用于语音和数据的双向保密传输。