基于ARM 控制的紫外光通信系統收發端捕獲、對準與跟蹤（APT）的研究與實現

劉 帥

（西安工程大學 電子信息學院，陜西 西安 710048）

0 引 言

紫外光通信具有保密性好、抗干擾能力強、可非直視通信等優點。作為一種目前較新的通信方式，尤其是采用日盲波段的紫外光作為載波進行通信的方式，近年被各大高校深入研究并且已經研制出相對較為成熟的通信硬件設備。本文在現有的硬件設備基礎上，提出詳細的基于ARM 控制的收發端捕獲、對準與跟蹤（APT）設計方法，并且上機進行實地測驗。

1 系統設計

1.1 硬件背景

現有通信實驗樣機總體架構如圖1 所示，主要由主通信機、大氣信道和從通信機3 大部分組成。通信機包括載有光源與光電倍增管的四棱柱部分、STM32微處理器、電機與其驅動設備、光源驅動電路等。STM32 微處理器通過伺服控制器控制電機，使其以一定轉速帶動與電機同軸的四棱柱勻速運轉。同時，輸入的信號經STM32 微處理器進行放大、濾波、整形處理后，傳輸給光源驅動電路驅動紫外（UV）LED 向四周發送信號，通過采集的信號判斷當前主從通信機的通信狀態[1]。

圖1 樣機系統結構組成

現有通信實驗樣機中，接收端和發射端都集中于節點四棱柱上（如圖1 所示，“X”表示發射端的紫外LED，“O”表示光電倍增管接收裝置），所以可以實現雙向通信。主從通信機通信過程可以分為直視通信和非直視通信兩個通信過程，如圖2 所示[2]。

1.2 當前硬件背景下的實驗測得數據

基于現有通信樣機，在夜晚室內有微弱光照、以1 kHz 的方波作為信號、以波長365～370 nm（非日盲）的光源作為發射端、收發端距離為5 m 的情況下，測得數據波形。

（1）光電倍增管接收并未經處理，由非直視到直視通信過程的波形如圖3 和圖4 所示。

圖2 樣機通信過程

圖3 非直視通信測得波形圖

圖4 直視通信測得波形

（2）對輸出波形進行濾波處理后的圖形，如圖5和圖6 所示。

圖5 非直視測得濾波后

圖6 直視通信測得濾波后

2 捕獲、對準、跟蹤算法

對測得電壓進行整形，以便于STM32 處理，具體方法如下：設定一個閾值電壓，與接收到的濾波后的波形進行比較，從而將三角波整形為方波。通信過程中固定一個閾值電壓，接收端測得波形的功率峰值隨對準的情況有大小的變化，所以通過整形后波形的高電平的時長可以反映出當前對準情況的對準效果。

如圖7 所示，三角波為濾波之后的波形，紅線為設定閾值，兩者通過比較器后輸出整形后的方波。

該方法的具體操作步驟如下：

（1）開機后，主從節點差速旋轉（主節點1 s/r，從節點4 s/r），持續10 s 捕獲過程；

圖7 設定閾值整形后的波形

（2）對接收端采集到的波形通過閾值門限電路進行整形，隨后從節點利用處理器的波形采集功能采集經過整形處理后的波形的高電平時長，將所得時長進行排序，去除異常的數據（如過短或者過長數據），取得最大值（該時長最大值必須在合理范圍內）作為是否對準的參考量；

（3）10 s 捕獲過程結束后，在下一周期檢測到高電平時長最大值時，從節點隨即加速到1 s/r；

（4）為了彌補從節點加速過程帶來的誤差，先對電機進行微量的超調，然后將速度減至1 s/r，完成對準過程；

（5）在兩者同速旋轉的過程中，檢測該范圍時長內的出現次數，次數增加或者不變時，維持當前旋轉狀態，如果次數減少，則開始計入微調階段（跟蹤階段）；

（6）微調階段：是否加、減速，隨該時長出現次數變化趨勢選擇，即當前旋轉狀態下，該范圍內的時長開始減小，則從節點開始小范圍加速，ARM 微處理器檢測該范圍內的波時出現次數，次數增多則繼續加速，加速至次數不變或者開始減少；反之減速，且減速后的微調過程與加速同樣。流程框圖如圖8 所示。

3 實驗測試及結果分析

對設備采用波形采集法，在夜晚室內有微弱光照、以1 kHz 的方波作為信號、以波長365～370 nm（非日盲）的光源作為發射端、收發端距離為5 m 的情況下進行實驗。

設備在10 s 捕獲階段可以實現初步對準，并且可以很好地在直視通信時完成捕獲；在對準與跟蹤階段，設備可以在當前周期接收到合理范圍內的高電平時長后，迅速做出速度調整反應，并且可以實現跟蹤階段的微調；進入微調階段后，通信系統可以實現直視與非直視通信的無縫連接。整個通信過程采集的波形如圖9 所示。

在主從通信機通信丟失后，設備可以做出重新對準的調整，再次進行捕獲、對準與跟蹤的工作。

圖8 流程框圖

圖9 波形采集法APT 完成后接受到的波形