空間光通信對(duì)抗中通信光探測(cè)器的同步干擾特性研究

唐雁峰，李洪祚

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

世界各國(guó)對(duì)空間激光通信技術(shù)的研究已經(jīng)開(kāi)展多年，關(guān)鍵技術(shù)日趨成熟，并且在飛機(jī)、衛(wèi)星等多種平臺(tái)上開(kāi)展了通信試驗(yàn)，試驗(yàn)證明空間激光通信系統(tǒng)具有巨大的應(yīng)用潛力，未來(lái)將成為衛(wèi)星間通信、軍事通信等領(lǐng)域的主要通信手段。隨著空間激光通信的迅猛發(fā)展，空間激光通信的信息對(duì)抗也將成為研究熱點(diǎn)，本文針對(duì)空間激光通信系統(tǒng)通信用接收光電探測(cè)器的干擾特性進(jìn)行分析和測(cè)試。

1 光通信用光電探測(cè)器干擾特性研究

激光的有源干擾價(jià)值主要體現(xiàn)在與被干擾信號(hào)的相關(guān)性和低功耗性。要求干擾信號(hào)與原信號(hào)多重相關(guān)，包括時(shí)間相關(guān)、空間相關(guān)和特性相關(guān)。空間激光干擾分為同步干擾和非同步干擾，同步光通信是目前光通信中常用的通信方式，同步光通信系統(tǒng)中當(dāng)光信號(hào)進(jìn)入接收系統(tǒng)時(shí)，要完成時(shí)鐘提取和門(mén)限判決，可以分別對(duì)其實(shí)施比特干擾和時(shí)鐘提取干擾。

1.1 比特干擾

在無(wú)線激光通信干擾中，比特干擾是最基本、最簡(jiǎn)單的干擾方式，對(duì)開(kāi)關(guān)調(diào)制（OOK）以及DPPM調(diào)制尤為適用。其基本原理是抬高基帶信號(hào)“0”時(shí)刻的值，使其積分高于判決電路設(shè)定的閾值，將原信號(hào)的比特“0”判決為比特“1”。比特干擾是針對(duì)于系統(tǒng)的門(mén)限判決電路而制定的方法。對(duì)于IM/DD通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，要求干擾激光器所發(fā)出的干擾信號(hào)的頻率必須與被干擾信號(hào)成倍數(shù)關(guān)系，當(dāng)干擾信號(hào)的功率在脈沖時(shí)間內(nèi)的積分超過(guò)判決閾值時(shí)，即達(dá)到干擾效果。因此，實(shí)現(xiàn)比特干擾有需要確定探測(cè)器兩個(gè)參數(shù)：一是探測(cè)器輸入信號(hào)的光功率，二是探測(cè)器的閾值范圍。

以單音干擾為例，假設(shè)干擾信號(hào)是一個(gè)余弦信號(hào)

信號(hào)為

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，可設(shè)定ωc=ωj，φ0=0=0

則，接收端收到的合成信號(hào)為：

輸出包絡(luò)為

輸出包絡(luò)為一個(gè)服從廣義瑞利分布的隨機(jī)過(guò)程。則系統(tǒng)誤碼率其中：b為系統(tǒng)的判決門(mén)限；σn是噪聲的均方差；Pe1是發(fā)生“1”時(shí)的錯(cuò)誤概率；Pe0是發(fā)生“0”時(shí)的錯(cuò)誤概率；Q(α ),β是Marcum Q函數(shù)，其定義式為

其中，I0為第一類(lèi)零階修正貝塞爾函數(shù)。

歸一化門(mén)限后系統(tǒng)誤碼率改寫(xiě)為：

此時(shí)，誤碼率表示為：

圖1為比特干擾的示意圖原始信號(hào)為“10100”。經(jīng)比特干擾后，被誤判為“11101”。

圖1 比特干擾原理圖

1.2 時(shí)鐘提取干擾

時(shí)鐘提取是通信接收的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)，多采用鎖相環(huán)技術(shù)檢測(cè)并控制接收信號(hào)的相位，當(dāng)探測(cè)器接收到連續(xù)幾個(gè)信號(hào)與本地時(shí)鐘信號(hào)存在相位差，鎖相環(huán)就轉(zhuǎn)入失鎖狀態(tài)，進(jìn)行相位調(diào)整，直至本地時(shí)鐘信號(hào)與接收信號(hào)同相，完成鎖相過(guò)程。時(shí)鐘提取干擾正是利用這個(gè)過(guò)程使干擾信號(hào)不斷超前或滯后原始信號(hào)，使得系統(tǒng)鎖相環(huán)不斷處于“失鎖”的狀態(tài)下。從而不能在通信時(shí)間內(nèi)正常通信。

利用Matlab的Simulink仿真了不同重復(fù)頻率的干擾信號(hào)對(duì)時(shí)鐘恢復(fù)干擾過(guò)程，首先讓信源產(chǎn)生碼速率為32kb/s的非歸零碼（NRZ）的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器作為被干擾信號(hào)，干擾激光頻率分別為（a）32kHz，（b）40kHz和（c）96kHz。仿真結(jié)果如圖2所示。

由仿真結(jié)果分析可知：

（1）當(dāng)干擾光重頻為32kHz時(shí)，由于干擾頻率與通信頻率相同，所以鑒相器能夠連續(xù)輸出相等的相位誤差信號(hào)，當(dāng)誤差信號(hào)達(dá)到鎖相環(huán)計(jì)數(shù)溢出時(shí)，鎖相環(huán)就會(huì)進(jìn)入失鎖狀態(tài)重新修正本振相位來(lái)適應(yīng)干擾信號(hào)，這種鎖定干擾信號(hào)的干擾方式稱(chēng)之為“時(shí)鐘篡改”。

（2）當(dāng)干擾光重頻為40kHz時(shí)由于相位誤差不固定，鎖相環(huán)不會(huì)進(jìn)行時(shí)鐘調(diào)整。但時(shí)鐘提取干擾并不是干擾頻率越高越好。

（3）當(dāng)干擾光重頻為96kHz時(shí)，原始信號(hào)中出現(xiàn)連續(xù)低電平時(shí)，由于大量的干擾脈沖信號(hào)，在該時(shí)隙內(nèi)，鑒相器輸出較多的相位誤差信號(hào)，當(dāng)鎖相環(huán)的計(jì)數(shù)閾值溢出時(shí)，觸發(fā)時(shí)鐘調(diào)整。但是，當(dāng)相位信息未達(dá)到溢出閾值時(shí)，鎖相環(huán)將不進(jìn)行調(diào)整。

圖2 時(shí)鐘恢復(fù)干擾過(guò)程仿真結(jié)果

綜上所述，干擾必須使環(huán)路濾波器連續(xù)產(chǎn)生相位誤差信號(hào)才能是鎖相環(huán)調(diào)整；鎖相環(huán)一般在信號(hào)的上升沿或下降沿調(diào)整；時(shí)鐘提取干擾要求干擾信號(hào)的重復(fù)頻率和占空比與接收機(jī)被干擾信號(hào)時(shí)鐘頻率相關(guān)。這樣才能使環(huán)路濾波器產(chǎn)生恒定的相位誤差信號(hào)實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)本振信號(hào)調(diào)整的目的，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘提取干擾。

2 光通信中探測(cè)器的干擾實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了論證分析結(jié)果，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室已有的OOK無(wú)線光調(diào)制系統(tǒng)模擬空間光通信系統(tǒng)進(jìn)行干擾實(shí)驗(yàn)。

通信系統(tǒng)采用光強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)（IM/DD）體制，波長(zhǎng)1550nm傳輸數(shù)據(jù)為一幅JPEG格式圖像。干擾激光源波長(zhǎng)1550nm，輸出峰值功率為500W，信號(hào)發(fā)生器發(fā)出單一頻率脈沖驅(qū)動(dòng)干擾激光器。接收為APD310雪崩光電二極管。利用Aglient Technologies公司的DSO-X93204A示波器對(duì)光電探測(cè)器接收信號(hào)進(jìn)行觀察。室內(nèi)溫度26℃，利用衰減器模擬空間長(zhǎng)距離通信。干擾光以斜45°傾角直接射到接收器的接收視場(chǎng)中。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。圖片由信號(hào)源發(fā)出，通過(guò)在計(jì)算機(jī)接收顯示圖片。使用示波器對(duì)眼圖信號(hào)實(shí)時(shí)觀察，使用功率計(jì)對(duì)干擾激光器和通信光的平均功率進(jìn)行比較。

圖3 干擾實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)驗(yàn)中假設(shè)預(yù)先探知對(duì)方通信光波波長(zhǎng)，因此干擾光與信號(hào)光波長(zhǎng)一致，令通信光衰減50dB；通信光傳輸速率200Mbps；接收鏡頭視場(chǎng)1°；干擾光由信號(hào)發(fā)生器發(fā)出50%占空比方波信號(hào)、通過(guò)調(diào)整干擾光的衰減系數(shù)和干擾重復(fù)頻率對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

圖5 不同功率激光干擾圖像及眼圖

（1）干擾光衰減系數(shù)與通信光衰減系數(shù)相同時(shí)，重復(fù)頻率分別為（a）100KHz、（b）150MHz時(shí)的接收?qǐng)D像及眼圖信號(hào)，如圖4所示。

圖4 不同重復(fù)頻率下干擾的圖像及眼圖

（2）調(diào)整干擾光信號(hào)重復(fù)頻率為1kHz、衰減系數(shù)改為（a）60dB、（b）55dB和（c）50dB時(shí)的接收?qǐng)D像及眼圖信號(hào)，如圖5所示。

3 結(jié)論

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知：

（1）同步通信圖像干擾設(shè)計(jì)中，設(shè)定接收機(jī)連續(xù)2ms收不到幀同步信息時(shí)，干擾成功。而干擾光頻率100KHz時(shí)持續(xù)干擾10ms，導(dǎo)致每幀圖像中應(yīng)該有1/3的信息無(wú)法傳遞。圖4（a）部分圖像扭曲，出現(xiàn)一個(gè)黑白紋組合且黑白紋之間有圖像存在，圖4（b）圖像扭曲嚴(yán)重，黑白紋組合明顯增多。

（2）比較不同重復(fù)頻率干擾光對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響得出，并不是重復(fù)頻率越高，干擾現(xiàn)象就越嚴(yán)重。設(shè)干擾脈沖的頻率為Δ1，原圖像每幀頻為Δ2。發(fā)現(xiàn)在通信過(guò)程中Δ1與Δ2接近整數(shù)比，圖像變形得越嚴(yán)重，如圖4所示。

（3）探測(cè)器接受的干擾光功率與信號(hào)光功率比值對(duì)干擾效果作用明顯。當(dāng)干擾光平均功率比例過(guò)低時(shí)，圖像無(wú)變化，可認(rèn)為無(wú)干擾影響，如圖5（a）所示；但隨著干擾光衰減增強(qiáng)，干擾現(xiàn)象不斷加重。

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