基于聲光調制的逆向調制光通信系統研究

徐山河，肖沙里，王 珊，彭帝永

(重慶大學光電工程學院光電技術及系統教育部重點實驗室，重慶400044)

引 言

自由空間激光通信系統(free space optical，FSO)，因其相對于無線電通信具有帶寬寬、應用靈活，抗電磁干擾能力強，且無需獲得頻率許可證等優勢，近年來逐漸作為無線電通信的替代方式被深入研究［1］。通過激光內調制，加以捕獲對準跟蹤系統(acquisition，tracking and pointing，APT)［2］、中繼系統［3］或融入波分復用、多入多出［4］等技術進行處理后，基本可滿足遠距離無線激光通信的要求，在外太空星際無線傳輸方面已有較好的發展與應用［5］，但傳統FSO鏈路需兩端都裝有發射/接收系統和復雜的跟蹤系統，使得系統的體積、功耗、重量和技術復雜度增加，成為制約FSO應用的重要因素。

逆向調制(modulating retro-reflector，MRR)激光通信系統［6］，可免去通信鏈路中一個終端的激光收發器和跟蹤系統，從而減輕一方的重量、體積、能耗，有效解決了FSO的應用限制。可將其應用于承載能力弱的終端上，如熱氣球、海綿浮標、無人機等;亦可應用于供電能力弱的終端，如自供能的野外監測平臺、智能機器人等。逆向調制光通信系統為FSO通信擴展了應用領域，提供了輕便、靈活的通信方式。國外對逆向調制通信非常重視，常選用鐵電液晶調制器、微機電系統調制器、多量子阱調制器［7］、聲光調制器(acousto-optic modulator，AOM)等調制方法。最早引起注目的研究是1996年，美國猶他州州立大學的學者采用鐵電液晶逆向調制器，實現了地面與高空氣球間的通信，通信速率達到20kbit/s;而基于AOM的MRR系統只有美國約克大學的SPIROU等人研究出了通信最高頻率為1MHz且使用雙程聲光效應的通信系統［8］。

本文中選用具有優良溫度穩定性和光電特性［9］的AOM作為調制器件，配以高反鏡搭建逆向光鏈路實現了逆向光通信。相較而言，本系統更加靈活，通信范圍更加廣闊，消除了雙程衍射光路的互相干擾;對儀器精度要求更低的同時，通信最高載波卻提升到了5MHz;并且使用改進后的調制、編碼、加密算法，使得通信系統的保密糾錯能力更強。本系統通信質量良好、數據傳輸穩定，率先在國內開展了聲光逆向調制光通信的研究。

1 系統原理與結構概述

本文中基于布喇格聲光調制［10］原理，配以激光發射/接收系統、逆反鏈路等硬件搭建了MRR通信系統平臺，該平臺主要由AOM、控制核心現場可編程門陣列(field programmable gate array，FPGA)、激光器、高反鏡、偏振片、濾波片、光電倍增管(photomultiplier tube，PMT)等組成。其中以AOM和FPGA開發板作為硬件核心，包括改進后的四進制調制方法、定時采樣解調方法、冗余校驗(cyclical redundancy check，CRC)加密技術、新型漢明(Hamming)碼編碼技術等作為關鍵技術，整個MRR通信系統如圖1所示。

Fig.1 MRR FSO communication system

圖1中，激光輸出光束(頻率為ν)首先進入偏振片，使得傳輸過程中的光束為垂直偏振光。激光經過自由空間信道傳輸到需要反饋信息的終端，由全反鏡M1與M2將激光進行逆向偏轉，逆反方向可為激光發射端，也可為第3方接收站，這樣減輕了調制端的系統要求，而且通信鏈路更加靈活。逆反激光在返回端通過AOM進行信息加載，加載了調制信號的反饋1級光(頻率為ν+fs)通過自由空間信道傳送到接收端，接收端由PMT接收光信號，并經過電路處理和FPGA板的解調，最終還原為調制端所反饋的信息，整個逆向調制光通信過程得以實現。

MRR逆向通信系統包括光源、AOM、PMT、逆向光路等關鍵器件，其中AOM和逆向光路使用為應用難點。在調制解調等關鍵算法的處理上則均通過FPGA進行實現。

2 MRR逆向光通信的核心器件及其使用

2.1 聲光調制器

AOM作為關鍵的調制器件，本系統采用中國電子科技集團第26所研制的TSGMN-1型聲光調制器，該調制器由驅動電源產生的射頻信號控制超聲波的頻率及強度，該AOM的超聲波中心頻率為100MHz。搭建一個測試平臺對AOM進行測試，測試平臺、測試波形如圖2所示。

Fig.2 Test platform of modulation performance of AOM and test result of waveform

測試平臺如圖2a所示，由信號發生器向AOM調制端口輸入不同頻率TTL電平，觀測PMT接收到光信號。測試結果表明，向AOM輸入頻率低于5MHz的電平信號，PMT均能接收到與調制頻率一致的光信號，頻率高于5MHz則嚴重紊亂。圖2b所示為調制頻5MHz時，PMT接收光信號與調制信號對比的波形圖，驗證了AOM調制加載方式及通信上限頻率。

2.2 逆向光鏈路

光學逆向鏈路是整個MRR的核心光學系統，也是與FSO的最大區別。逆向通信常采用“貓眼”反射結構［11］或角棱鏡反射結構［12］作為逆向器件，而本文中采用高反鏡的組合結構實現光學逆反效果，不僅組建更加靈活、精度要求更低，而且通信終端的范圍選擇更加闊。

根據反射原理組建光學鏈路如圖3所示，其中圖3a、圖3b為原理圖，圖3c、圖3d為對應實物圖。圖3a所示為逆向光通信常規鏈路，發射/接收系統在A處，而逆向調制鏈路處于B處，高反鏡的作用類似于角錐棱鏡，將A處的激光返回到A處，并通過AOM將B處的信息傳到A處，達到逆向調制通信的效果。相比于角錐棱鏡或者“貓眼”結構，高反鏡的優勢則在圖3b中得到體現，高反鏡組合光路變換更加靈活，除了逆向返回，還可以將光路反射到第3方終端C處，且C處的位置選擇基本可覆蓋全局，達到全局范圍內的無死角三方通信。該逆反系統將入射光與逆向光鏈路分開，光線無重疊，消除了二者之間的干涉，使得自身干擾更小，通信效果更好。

Fig.3 Optical principle diagrams of the reserve links and photos

3 MRR逆向光通信的核心算法

3.1 調制解調算法的實現

光通信中常用開關鍵控(on-off keying，OOK)調制、脈沖位置調制(pulse position modulation，PPM)、頻移鍵控(frequency-shift keying，FSK)調制、脈寬調制(pulse width modulation，PWM)等調制方法。FSK具有抗干擾能力強、易于實現等優點，PWM則是一種最節省頻帶的調制方法，將二者的有效結合可使調制系統即節省頻帶又具有較強的抗干擾能力。FSK+PWM四進制調制方式便具有此特征，相比于2FSK，其具有帶寬窄的優點，與4FSK相比則頻帶的利用率更高，以下具體介紹該四進制調制解調方式，原理如圖4所示。

Fig.4 Principle diagram of modulation and demodulation

如圖4所示，為一個碼元周期T內的四進制碼元波形。采用了高低頻率和2種不同的脈寬分別表示4種數字信號。使用串口助手，向FPGA發送波特率為Baud的串口信號，經FPGA調制，將其表示為四進制數據，FPGA調制原理如下:

用8個占空比為30%或80%、頻率為8Baud的矩形波信號分別表示發送信號00，10;用4個占空比為25%或80%、頻率為4Baud的矩形波信號分別表示發送信號 01，11。

針對于FSK+PWM四進制調制方法，定時采樣是一種簡單可行的檢波解調方法。如圖4中所示，縱向虛線為周期內定時采樣的位置，每T/8內采樣的位置固定為其25%和75%處。周期內采樣后為16位二進制數組d［15∶0］，由d［15∶0］解調出原四進制信號s［1∶0］，其解調對應如下式所示:

PMT接收到的信號，經處理后，FPGA根據(2)式采樣解調出四進制原始數字信號，再由并串轉換模塊輸出串口信號，還原到串口，實現串口信號的調制解調。

3.2 加密糾錯算法的實現

信號在信道傳輸過程中會受到隨機信號、突發信號等信號的干擾，且信道暴露在外，安全隱患嚴重，為降低誤比特率、提高通信質量、保障通信安全，本通信系統中使用了加密糾錯算法，使得系統更加完善。加密糾錯算法編碼順序如圖5所示。

Fig.5 Sequence diagram of encryption and error correction coding

如圖5所示，本文中采用加密與糾錯交替使用的方式。加密采用了多次換位加密與循環冗余檢驗(cyclic redundancy check，CRC)置換加密結合的方式，糾錯碼則采用了Hamming碼與奇偶校驗碼相結合的方式。其中CRC置換加密具體算法如下:(1)生成多項式G(x)=x8+x5+x3+1，對應除數則為［100101001］;(2)將8位原信息左移8位，右8位由0補充，得到16位數據;(3)用16位數據模二除以［100101001］，計算得到8位余數，即為置換后的信息。

加密算法中的換位加密主要利用換位矩陣，設計中對初始8位信息和經過編碼后的14位編碼信息采用不同的換位矩陣P(x)，P(y)實現換位效果，換位矩陣為私鑰，可任意設定，本文中設定換位矩陣如下式所示:

對于授權者，加密后的信息解密相對容易，可利用CRC查找表、換位逆矩陣等方式進行破譯;而非授權者破譯相對困難，盲目解密，則每8位數字信號需213次嘗試方可破譯，且無規律可循，增加了破譯的難度，增強了數據的安全性。

本文中采用的漢明碼與奇偶校驗碼相結合編碼是一種改進的漢明碼編碼方式，其能有效地降低誤比特率，提高通信質量。改進的漢明碼位圖如表1所示。原信號為8 位二進制信號B［8∶1］，P［4∶1］為生成的漢明碼，C［2∶1］為偶校驗碼。

Table 1 Bitmap of the improved hamming coding

編碼算法如下式所示，首先由8位數據信號異或運算生成信息位偶校驗碼C2，再根據漢明編碼方法，由B［8∶1］、C2生成漢明碼P［4∶1］，最后由P［4∶1］通過異或運算生成漢明碼編碼部分偶校驗位C1。

該編碼方式中，將原始信息與編碼部分使用不同的偶校驗位C2和C1進行分別跟蹤。相比于擴展型漢明碼，該編碼能獲得誤碼的分布情況，從而糾錯檢錯能力更強。不僅可糾正一個任意位置錯誤，而且當判斷信息位無錯，編碼位出錯，則無論其有1個或多個錯誤，均能將正確的信息位提取并正確傳送。

4 實驗結果與分析

基于上述關鍵器件及關鍵算法搭建了基于AOM的逆向調制激光通信系統實驗平臺，通信系統的基本原理如圖1所示。發射端與接收端處于同一終端，調制端則處于通信的另一終端，如此擴展了FSO通信的應用場合，使得通信更加靈活。在搭建好的通信平臺上，通過PC串口發送不同數據，將8位信息位送入FPGA，對其進行FSK+PWM四進制調制、改進的漢明碼編碼、CRC加密及換位加密等算法處理，處理后的信號從AOM調制端輸入，使其對經過AOM的激光進行準確的控制。實驗中采用637nm全固態連續激光器作為通信光源，激光通過無線信道傳輸，經逆向調制端的AOM進行信號調制;接收端則采用PMT進行光信號探測，經電路處理后的電信號，即可送入示波器進行實時觀察，也可送入FPGA開發板進行運算處理;FPGA對信號進行解調、解碼、解密等算法處理后，輸出信號由串口返回到PC，觀察實驗解調數據，對比發送數據，計算誤比特率。

實驗中選擇數字信號“45”為傳送內容，如圖6a所示，串口首先輸出為“010001010”，其中最低位為起始標志位0;數據經過一次換位及CRC置換加密得到信息為“10011111”(見圖6b);使用改進的Hamming碼進行編碼得編碼后信息為“10011111100100”(見圖6c);對14位編碼信息進行二次換位得到加密信息為“11011011010010”(見圖6d);數字加密信號使用FSK+PWM四進制調制，得到最終控制AOM的調制信號，如圖6e所示。

Fig.6 Process of signal modulation

在信號接收端，PMT接收的光信號經電路處理后，在示波器上顯示的信號與調制信號一致。該信號經FPGA處理后返回到另一臺PC機，可正確解調出原始信號“45”，實現了數字光通信。

在實驗室內，下午和晚上分別以不同碼率發送不同數字信號，每個碼率連續發送時間超過0.5h，統計超過107bit信號的接收，與發送數據對比求得誤比特率，如表2所示。

Table 2 Experiment result of bit error rate

實驗結果表明，無論白天或夜晚，在解調端均能正確解調出原始信號，這主要得益于添加濾光片的原因，使得該系統基本不受室內的干擾光線影響。因此，室內搭建的逆向調制激光通信平臺成功達到了預期目標，實現了室內5m內串口數據的正確發送與接收，通信速率達115.2kbit/s。經統計，不同碼率傳輸下誤比特率均低于10－6，實現了數據的正確傳輸。

分析整個系統，由于研究中采用串口作為數據傳輸方式，本系統的上限通信速率受到串口最大通信速率115.2kbit/s的限制，高頻載波為八倍頻，達1MHz;若改用其它端口作為數據傳輸方式，則通信速率會有很大提升，最高可達器件性能上限如圖2a所示的5MHz。以后工作將會以提高通信質量和通信速率為重心，主要是提高AOM的超聲波中心頻帶，優化接收端電路的設計，改進調制解調算法等方面;進行傳輸方式的改進，讓通信速率不再受到串口協議的限制，并以逆向調制為基礎進行雙工光通信的探索研究。

5 小結

設計了一套基于AOM的逆向調制光通信系統，采用改進后的調制、編碼加密等算法，加入逆向光鏈路，實現了室內通信速率為115.2kbit/s、誤比特率低于10－6的數字逆向光通信。本系統設計采用數字化方法，以FPGA為控制核心，將狀態控制、串口傳輸、調制編碼加密算法集為一體，降低了通信器件的復雜度，增強了系統的穩定性。實驗證明，在室內進行的逆向調制光通信，達到了預期目標，通信質量良好、數據傳輸穩定。

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