紫zi外wai光guang通tong信xin具ju有you非fei常chang好hao的de非fei視shi距ju傳chuan輸shu和he保bao密mi性xing能neng。傳chuan統tong的de紫zi外wai光guang通tong信xin係xi統tong尺chi寸cun過guo大da，難nan以yi實shi際ji應ying用yong。紫zi外wai光guang通tong信xin作zuo為wei一yi種zhong新xin的de通tong信xin手shou段duan，其qi最zui突tu出chu的de優you點dian是shi不bu易yi被bei探tan測ce和he截jie收shou，可ke以yi通tong過guo散san射she進jin行xing非fei視shi線xian通tong信xin
，非fei常chang適shi用yong於yu近jin距ju離li抗kang幹gan擾rao和he有you遮zhe擋dang的de通tong信xin環huan境jing。

　　

國外從20世紀60年代開始研究紫外光通信，完成了從基本原理到實用係統的多方麵研究。2000年美國GTE公司為美軍研製成功了一種基於汞燈的新型隱蔽式紫外光無線單工通信係統，該係統通信速率為4.8Kb/s，誤碼率可以達到106 。2002年
，美國國防部高等研究計劃局（DARPA）啟動半導體紫外光係統（SUVOS）計劃，其核心任務是製造紫外發光二極管（UV LED）。在該計劃的推動下
，目前UV  LED已經研製成功並開始量產。

　　

美國加州大學河邊分校和麻省理工學院分別使用UV LED構建了單工通信試驗係統
，並對紫外光傳輸信道的特性進行了研究。

　　

國內從2000年開始對紫外光通信技術進行跟蹤，重慶大學
、北京理工大學、國防科技大學等單位都先後完成了紫外光單工通信係統原型的研製
，傳輸速率最高可達9.6Kb/s。danshidaomuqianweizhi，guoneizhexiexitongcaiyongdeziwaiguangyuanrengranshidiyagongdenghuoxiandeng，tijihegonghaojunjiaoda
，nanyixiaoxinghuahebianxieshiyong。lingwaiyigetuchudewentishi：國內外的這些係統都隻能進行單工通信，一定程度上限製了係統的實用性。

　　

本文研究並設計了一種基於UV LED的雙工紫外光通信係統方案
，可用於空天短距離語音和數據的雙向保密傳輸。

　　

　　

紫外光通信具有如下一些特點：

　　

1.波長為200~280nm。這個頻段是開放的

，不受無線電管理委員會的限製
，使用時不需要進行頻率申請。

2.200~280nm的(de)紫(zi)外(wai)光(guang)屬(shu)於(yu)日(ri)盲(mang)段(duan)。這(zhe)個(ge)波(bo)長(chang)的(de)太(tai)陽(yang)光(guang)受(shou)大(da)氣(qi)分(fen)子(zi)和(he)懸(xuan)浮(fu)顆(ke)粒(li)的(de)吸(xi)收(shou)


，信(xin)號(hao)強(qiang)度(du)按(an)指(zhi)數(shu)規(gui)律(lv)衰(shuai)減(jian)，到(dao)達(da)地(di)表(biao)附(fu)近(jin)時(shi)的(de)能(neng)量(liang)非(fei)常(chang)微(wei)弱(ruo)。因(yin)此(ci)
，紫(zi)外(wai)光(guang)通(tong)信(xin)的(de)背(bei)景(jing)噪(zao)聲(sheng)非(fei)常(chang)小(xiao)。

3.由於受大氣衰減的影響
，紫外光適合1km範圍內的短距離通信，超過這個範圍後將難以探測
，對它進行幹擾和偵聽的可能性很小。因此
，紫外光通信的保密性非常高。

4.紫zi外wai光guang源yuan對dui接jie收shou器qi視shi場chang所suo在zai空kong間jian進jin行xing照zhao射she
，通tong過guo彌mi漫man在zai大da氣qi層ceng中zhong的de微wei小xiao顆ke粒li
，散san射she到dao接jie收shou器qi的de視shi場chang區qu，並bing被bei接jie收shou器qi接jie收shou。因yin此ci，紫zi外wai光guang可ke以yi進jin行xing非fei視shi線xian通tong信xin（NLOS），適合在有遮擋的場景中使用。

　　

由於上述特點
，紫外光通信係統可在戰術移動通信和保密通信中得到廣泛應用。

　　

　　

目前的紫外光通信係統都是單向通信

，調製方式采用的是常規的OOK（通斷）和PPM（脈衝位置調製）模式。若想實現雙向通信，一種方案是采取頻分複用的方式，收發雙方在200~280nm範圍內分別占用一個不同的波長
；lingwaiyizhongfanganshicaiqushifenfuyongdefangshi
，shoufashuangfanggongyongyigebochang
，danshizhanyongbutongdeshijianpian。youyurimangduandebochangfanweiyouxian
，qianyizhongfangandexitongrongliangnanyitigao。benwencaiqudierzhongfangan。

　　

　　

係統的核心部件是UV？LED和紫外光檢測器，此外還有一片可編程邏輯陣列（FPGA），外接語音壓縮編解碼芯片和USB接口芯片，分別用來支持語音和數據的傳輸，如圖1所示。

 

圖1紫外光通信係統組成框圖

 

其中UV LED選用的是韓國首爾光設備公司的T5F28，其波長為280nm，發射功率為150mW。光檢測器選用的是日本濱鬆公司的R7154

，其波長範圍為160~320nm。FPGA主要完成四個方麵的功能：接收數據的定時恢複和判決；數據的加擾和解擾；信道編譯碼；數據的組幀和解幀。

　　

當係統處於發送模式時，組幀之後的信號首先進行2PPM的調製，然後通過電流驅動器去驅動UV LED，產生受控的紫外光；當係統處於接收模式時，紫外光檢測器把收到的光信號轉換成電信號

，通過低通濾波器和自動增益控製器，經模/數轉換後送給FPGA進行後續處理。

　　

　　

在紫外光傳輸係統的設計過程中

，需要解決如下關鍵技術。

　　

（1）光路設計

　　

由於紫外光的散射傳播特性，UV LED的視場角和檢測器的視場角重疊的區域越大，接收到的光能量就越多，接收信噪比就越高。考慮到係統選用的UV？LED的視場角隻有10°
，為wei了le增zeng大da收shou發fa雙shuang方fang在zai存cun在zai視shi線xian遮zhe擋dang情qing況kuang下xia的de重zhong疊die區qu域yu
，需xu要yao通tong過guo光guang學xue透tou鏡jing增zeng大da發fa送song光guang源yuan的de視shi場chang角jiao。凹ao透tou鏡jing能neng夠gou對dui入ru射she光guang束shu起qi發fa散san作zuo用yong，如ru圖tu2所示，所以通過多個凹透鏡的組合並調節UV
？LED和凹透鏡的距離，就可以得到滿足要求的發射視場角。

 

圖2凹透鏡典型光路示意圖

　　

（2）定時恢複

　　

hechangguideshuzitongxinyiyang，jieshouduanxuyaoduijianceqishuchudedianxinhaojinxingshizhonghuifu，bingduizuijiacaiyangdianjinxingpanjue。lingyifangmian，youyutiaozhifangshicaiqudeshi2PPM，常規數字接收機中的載波恢複在這裏並不需要。

　　

時鍾誤差估計算法可采用經典的Gardner算法，這裏不再贅述。

　　

（3）擾碼、信道編碼

　　

為wei了le提ti高gao數shu據ju傳chuan輸shu的de抗kang幹gan擾rao能neng力li
，可ke在zai係xi統tong中zhong加jia入ru信xin道dao糾jiu錯cuo編bian碼ma。同tong時shi為wei了le更geng好hao地di進jin行xing定ding時shi恢hui複fu，還hai需xu對dui發fa送song的de數shu據ju進jin行xing加jia擾rao處chu理li。這zhe裏li使shi用yong的de擾rao碼ma多duo項xiang式shi為weix5+x3+1，信道糾錯編碼為（2，1
，7）卷積碼，其生成多項式為(171)o，133o。

　　

（4）雙工通信協議

　　

在紫外通信係統中，由於紫外光源和檢測器的波長是固定的，要想支持多個用戶間的雙向通信，采用時分複用的多址方式（TDMA）和載波偵聽的接入方式（CSMA）是一種較好的選擇。

　　

對於一個用戶容量為N的係統
，一共設置N個時隙，每一個用戶占用一個時隙。考慮到紫外光通信的範圍通常在1km×1km以內，所以時隙之間的保護間隔可以設置得非常小。

　　

以容量為10人的紫外光語音通信係統為例說明數據幀結構的設計。考慮到通常情況下人講話的語速為每分鍾160~180個漢字，在保留一定餘量的情況下

，假設每分鍾240個漢字

，如果壓縮後的語音信號速率為4.8Kb/s，可以算出平均每個漢字時間內的比特數為1200b。據此設計的數據幀結構如圖3所示
，其中數據的信息速率為60Kb/s，信息體長度為1200b，時隙頭長度為96b。時隙頭包括前導序列、信息類型、發送方代號和接收方代號
，長度分別為72b
，8b，8b和8b。每一個用戶隻處理接收代號和自己的代號一致的時隙。收發雙方作為一個組合占用相鄰的兩個時隙。前導序列為0，1交替的序列，信息類型的定義如表1所示。

 

圖3 數據幀結構設計

 

 

整個係統的工作流程如下：

　　

用戶接入：如果用戶k需要發起和用戶j的通信
，首先監聽時隙1~10，如果用戶j處於忙狀態，則等待；否fou則ze如ru果guo信xin道dao上shang有you空kong閑xian時shi隙xi對dui

，則ze利li用yong該gai時shi隙xi對dui的de前qian一yi個ge時shi隙xi進jin行xing接jie入ru申shen請qing，同tong時shi接jie收shou自zi己ji的de申shen請qing信xin息xi。如ru果guo接jie收shou的de信xin息xi和he發fa送song的de信xin息xi一yi致zhi，表biao明ming沒mei有you另ling外wai一yi個ge用yong戶hu正zheng在zai競jing爭zheng該gai時shi隙xi，則ze可ke以yi占zhan用yong該gai時shi隙xi，用yong戶huj利用該時隙對的後一個時隙發出申請應答信息；如果接收的信息和發送的信息不一致
，表明有另外一個用戶正在競爭該時隙，則隨機延遲Δ（Δ的範圍取決於總的用戶數）個數據幀的時間後再進行接入申請。

　　

用戶退出：如果用戶k或j要退出該係統，需要利用其占用的時隙發出斷開申請
，對應的用戶發出斷開應答後，雙方同時釋放占用的時隙對。

　　

係統同步：為了保證整個係統的時鍾同步，避免不同用戶時隙的相互重疊
，可采取兩種措施：

　　

（1）時隙間留有3.4ms的保護間隔；

（2）除(chu)了(le)加(jia)入(ru)係(xi)統(tong)的(de)第(di)一(yi)個(ge)用(yong)戶(hu)
，後(hou)續(xu)用(yong)戶(hu)都(dou)要(yao)通(tong)過(guo)鎖(suo)相(xiang)環(huan)技(ji)術(shu)把(ba)自(zi)身(shen)的(de)時(shi)鍾(zhong)調(tiao)整(zheng)成(cheng)和(he)第(di)一(yi)個(ge)用(yong)戶(hu)一(yi)致(zhi)。所(suo)有(you)的(de)用(yong)戶(hu)退(tui)出(chu)係(xi)統(tong)後(hou)
，係(xi)統(tong)的(de)時(shi)鍾(zhong)同(tong)步(bu)又(you)要(yao)以(yi)第(di)一(yi)個(ge)新(xin)接(jie)入(ru)的(de)用(yong)戶(hu)為(wei)基(ji)準(zhun)而(er)重(zhong)新(xin)開(kai)始(shi)。

　　

　　

紫外光收發模塊如圖4所示
，板卡尺寸均小於5cm×5cm。為了加大紫外光的發射功率

，在發射端還采用了LED陣列。基於上述模塊構建的測試係統表明
，收發雙方在室內可以實現4.8Kb/s的清晰的語音通信。後續還將進行室外環境下的測試。

 

圖4紫外光收發模塊

　　

　　

紫外光通信不易被探測和截收
，可以通過散射進行非視線通信，非常適用於近距離抗幹擾和有遮擋環境下的通信。本文設計了一個基於LED的紫外光通信係統
，研究了光路設計、時鍾恢複
、信道編碼等方麵的內容，並重點設計了雙工通信協議，初步開展了鏈路性能測試。該係統將可用於語音和數據的雙向保密傳輸。