2. 中航工业西安飞行自动控制研究所, 陕西 西安 710065
空间光通信是一种新兴的无线通信技术，其诱人之处在于它利用激光作为无线通信的载体，以大气为传输介质，可以减少新的通信网络建设投资，使工程造价大幅下降。此外，无线光通信技术结合了光纤通信和无线通信的特点，具有通信容量大、传输速率高等众多优点，有着广泛的应用前景[1]。
空间光通信系统大多采用设计为强度调制/直接检测(IM/DD)的系统，应用于IM/DD光通信系统中的调制方式有很多种，脉冲位置调制(PPM)是一种正交调制方式，相比于传统的开关键控(OOK)调制，它具有更高的光功率利用率和频带利用率，并能进一步提高传输信道的抗干扰能力[2]。
脉冲位置调制，简称PPM，是一种脉冲位置根据被调信号的变化而变化的调制方法[3]。该调制方式通过使用L=2M个时钟周期中的不同位置的脉冲来表达有效信号“0”和“1”实现调制。它是由二进制的M位数据映射而成的L=2M个时钟周期组成，通过PPM调制后的信息是只有1个时钟周期的单脉冲信号，其传送的信息比特为M，且PPM的码组位数是固定的，其中有1个时钟周期为1，其他的时钟周期为0[4]。光PPM调制的物理帧格式包括同步序列和随机数据序列。
本文从工程应用出发，根据PPM的基本原理和数学模型，设计了一种PPM空间光通信系统，主要包括物理帧格式的设计和同步算法的研究，最后用Verilog HDL语言在Vivado上完成了系统设计和仿真[4]。仿真结果表明了该设计方案的正确性和可靠性。
1 空间光通信中物理帧格式的设计 1.1 性能要求PPM数字激光通信系统中，单位时间内激光器有规律输出的光脉冲数目称为重频(repeat frequency, Rf)。实际激光通信系统中, 要求激光器的重频1/Rf≥2 μs, 接收机的采样速率为fs=100 MHz, 接收机对接收到的信号进行P=4倍采样, 则每个时隙脉宽为T1=1/fs*P=40 ns, 所以单位时间内, 激光器发射的光脉冲时隙数N满足
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(1) |
实际的空间激光通信系统中, 为满足激光器重频的性能要求, 设计64-PPM的物理帧格式, 使激光脉冲间的时隙个数N≥L(即一个symbol的时隙宽度), 其中, “symbol”表示L=2M个时钟周期的符号。
1.2 物理帧格式的设计本节先介绍一种传统的64-PPM的物理帧格式, 分析其优缺点, 然后设计2种可以获得更高传输速率的物理帧格式。物理帧格式的设计中, “空symbol”表示L=2M个时钟周期的脉冲位置全为“0”; {xx, bit}表示高2位为“xx”, 低4位为“bit”的二进制数据在L=2M个时钟周期中所对应的脉冲位置。
1.2.1 传统的帧格式设计图 1所示为传统的物理帧格式, 为满足激光器的重频要求, 即确保激光脉冲间的时隙个数大于等于一个symbol的时隙宽度, 将每个信息帧分成一个信息段和一个保护段。这样设计可以满足重频大于2 μs的性能指标。但是, 由于这种传统的物理帧格式中每发送一个信息段都需要发送一个保护段, 导致信息传输效率比较低, 因此设计了“空-空-零”的物理帧格式和改进的“空-空-零”物理帧格式[5]。
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| 图 1 传统的帧格式 |
图 2所示为设计“空-空-零”的物理帧格式, 将信息数据包分为同步时段和通信时段。
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| 图 2 “空-空-零”的帧格式设计 |
同步时段发送2个“空symbol”和二进制数据{000000}的符号作为帧头进行帧头同步; 为满足重频要求, 即确保激光脉冲间的时隙个数大于等于一个symbol的时隙宽度, 在通信时段依次发送D1={00, bit1}, D2={01, bit2}, D3={10, bit3}, D4={11, bit4}且D1≤D2≤D3≤D4, 可以满足激光器的重频1/Rf≥2 μs的性能指标。
1.2.3 改进的“空-空-零”帧格式图 3所示为改进的“空-空-零”物理帧的设计结构图。图 3a)中所示为发送的一包数据分成1个同步帧和6个数据帧。图 3b)中所示为同步帧分成6个同步symbol和1个数据D0={1, bit}组成; 为满足激光器的重频要求, 即确保激光脉冲间的时隙个数大于等于一个symbol的时隙宽度, 按照图 3c)中所示设计的数据帧依次发送“空symbol”, D1={00, bit1}, D2={01, bit2}, D3={10, bit3}, D4={11, bit4}, “空symbol”, D5共7个symbol的有用信号且D1≤D2≤D3≤D4。这种物理帧格式的设计在满足激光器重频要求的同时提高了帧同步的准确性, 提高了系统的传输速率。
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| 图 3 改进的“空-空-零”物理帧 |
下面主要分析了后2种设计的物理帧的传输速率。
图 2所示“空-空-零”的物理帧格式的数据传输率[6]可计算为
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图 4所示改进“空-空-零”的物理帧格式的数据传输率可计算为
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| 图 4 PPM数字接收机方案设计 |
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(3) |
对比(2)式和(3)式, 可以发现改进的“空-空-零”的物理帧格式在空间光通信系统中可以有效提高通信系统的传输速率。
2 基于FPGA的接收机的设计 2.1 方案设计本文设计的空间激光通信接收机的总体框图如图 4所示。首先, 接收机接收到的信号经过A/D转换为数字信号; 然后, 通过匹配滤波器模块对接收的信号进行匹配滤波处理, 降低噪声, 提高接收信噪比(在3.2节中详细介绍); 其次, 在帧同步模块中, 经过匹配滤波后的信号进行自适应相关阈值计算和相关滤波计算找到帧头位置, 同步是整个通信系统中一个非常重要的技术, 是进行信息传输的前提条件(在第3章中详细介绍); 最后, 通过PPM解调模块解调出有效信息[7]。
2.2 匹配滤波算法白噪声环境下所有的线性滤波器中, 匹配滤波器输出的信噪比最大, 所以本方案中脉冲位置的提取需要用匹配滤波器来完成。匹配滤波器的响应函数h(j)是输入信号s(j)的镜像平移函数, 理想情况下, 采用P=4倍采样, 取样后每个PPM脉冲为长度P的矩形系列, 因此h(j)实际运用中取一个长度为P的单位矩形系列, 则匹配滤波后的输出S0(j)为[7]
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(4) |
噪声信号经过匹配滤波后输出n0(j)为
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(5) |
由于n(j), n(j-1), n(j-2), …, n(j-p+1)互不相关, 所以no(j)不会得到相关增强且噪声功率降低了
接收到的信号经过匹配滤波后, 就可以进行同步头的捕获了。接收端采用相关算法检测帧同步头。此处采用互相关算法, x(i)和y(i)分别表示2个数据序列, 其相关值Rxy(m)为
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(6) |
接收端中帧同步头的捕获需要用到相关滤波器来实现。如图 5所示, 在每一个采样间隔期间, 将接收到的数据序列与同步头序列进行相关, 相关的结果会出现一个“谱峰”, 当接收数据流当中同步头刚好全部进入到相关器并与存储的同步头序列同步时会出现一个大于自适应相关阈值的峰值, 相关器立即启动帧头同步信号并确定帧头的脉冲位置[7]。
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| 图 5 帧头同步方案设计 |
帧头同步模块中, 计算出的相关值需要与自适应相关阈值进行判决, 从而找到帧头的脉冲起始位置, 所以如何确定自适应相关阈值成为主要的研究目标。
本文的空间激光通信系统在光学系统部分采用了自动增益控制模块, 接收信号相对稳定。另外, 设计的同步序列较长, 且采用匹配滤波技术, 相关后对噪声抑制效果较好, 信噪比得到较大的提升。而且, 本通信系统的最低工作信噪比较大, 信号强度的变化对于自适应相关阈值影响不大。为了方便分析和叙述, 分别分析数据信号和噪声, 数据脉冲为1的信号经过量化后其相对应的值为A; 由于信道环境等因素影响, 假设接收机接收到的高斯白噪声的均值为E。
图 6所示分别为接收信号进行匹配滤波后的输出信号和同步头序列进行匹配滤波后的信号。假设经过匹配滤波输出信号为与本地同步头序列对齐(同步头序列长为L=1 536), 即帧同步, 为事件H0, 此时相应的噪声所对应的序列长度为L0=L-5*7=1 502;当经过匹配滤波输出信号与本地同步信号相差一个采样信号即可完全对齐, 为事件H1, 此时相应的噪声所对应的长度为L1=L-5*8=1 496;当经过匹配滤波输出信号与本地同步信号相差一个脉冲信号时, 为事件H2, 此时相应的噪声所对应的长度为L2=L-5*7*2=1 466。接下来详细分析这3种情况所对应的相关值。
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| 图 6 匹配滤波后输出信号 |
1) 经过匹配滤波后的输出信号与本地同步头序列完全对齐。
如图 6所示, 脉冲位置所对应的同步序列不为-1, 计算其相关值TH01为
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长为L0的噪声位置上所对应的同步序列均为-1, 计算出其相应的相关值TH00为
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(8) |
所以, 当经过匹配滤波的信号与本地同步头序列完全对齐时, 其最大的相关值TH0为
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(9) |
2) 当经过匹配滤波的信号与同步头序列相错一个采样数据未对齐时
同理, 根据上述算法计算相应的相关值, 进行相关计算时, 计算同步序列不为-1时的相关值TH11为
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(10) |
计算L1个同步序列为-1相关值TH10为
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(11) |
所以, 当经过匹配滤波的信号与本地同步头序列相错一个采样数据未对齐时, 其次大的相关值TH21为
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(12) |
3) 经过匹配滤波后的输出信号与本地信号相错一个脉冲数据未对齐时
根据上述算法计算相应的相关值, 进行相关计算时, 计算同步序列不为-1时的相关值TH21为
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(13) |
计算L2个同步序列为-1相关值TH20为
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(14) |
所以, 当经过匹配滤波的信号与本地同步头序列相错一个脉冲数据未对齐时, 其最小的相关值TH2为
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根据前面计算出的的相关值, 设定自适应的相关门限值为Tsyn=-1 536E+A。计算出的相关值与设定的自适应相关门限进行比较, 找到“谱峰”所对应的脉冲位置从而确定为同步头的位置, 启动同步信号。
3.3 相关滤波计算的简化算法针对设计的改进物理帧同步序列长度(L=1 536)较长, 做这么长序列的相关需要进行L次乘法和L-1加法, 复杂度太高的问题, 提出一种简化的相关值计算方法。考虑到经过PPM调制的序列中大部分都是0, 少量是1, 可以利用这种特性, 设计一种滑动相关的简化实现方案。
首先, 计算长度为L的接收数据所对应的相关值T0。然后, 采用滑动方法计算下一个相关值, 滑动前后, 激光发射的脉冲位置为“0”所对应本地同步序列未改变, 而脉冲位置为“1”所对应本地同步序列如图 7所示, 在前一相关值T0的基础上计算此时的相关值, 其中(1)~(4)脉冲位置上所对应的同步序列均增大1/2, (5)~(8)脉冲位置上的数据均减小1/2, 所以滑动后的相关值T为
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| 图 7 滑动前后脉冲位置上对应的本地同步序列 |
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(16) |
式中, sij表示设计的第i个符号上第j个脉冲位置所对应的信号, di表示第i个脉冲位置的接收数据, T0表示前L个数据的相关值。
采用设计的滑动计算方法, 简化了相关滤波算法中相关值计算的复杂度, 降低了资源消耗, 提升了空间激光通信的系统性能。
4 仿真结果分析和实验验证我们将从Matlab仿真、在线仿真和实际测试验证本文所提算法的正确性[8]。
4.1 帧头检测概率本文采用失帧率作为评估同步算法可靠性的指标, 定义为接收机未同步的概率。本节所做的仿真是基于第1节设计的改进物理帧格式和第3节设计的同步算法, 利用Matlab仿真, 设置SNR为6~10 dB, 使用高斯噪声系统模型进行10 000 00次独立试验。本文所设计的帧同步算法是基于帧格式中的同步头序列。因此, 失帧率只与同步序列有关, 而与传输的有效数据信息无关。
图 8显示了2种设计的物理帧失帧率对比。在信噪比为6~8 dB时, 改进的“空-空-零”物理帧格式比“空-空-零”物理帧格式失帧率更低。改进的“空-空-零”物理帧格式中, 信噪比为9~10 dB时, 通信系统完全同步没有失帧, 所以我们设计的物理帧格式与同步算法在通信传输速率较高的情况下, 同步性能比较好。
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| 图 8 信噪比为6~10 dB时的失帧率 |
根据设计帧同步模块, 用Verilog HDL语言在Vivado上完成帧同步模块的设计与仿真, 经Vivado综合、布局布线, 可以获得帧同步模块中的在线仿真和资源消耗分别如图 9和表 1所示。
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| 图 9 帧头同步时序图 |
| Logic Utilization | Used | Available | Utilization/% |
| Number of Slices | 9 858 | 53 200 | 18.53 |
| Number of FIFO/RAM | 19 288 | 106 400 | 18.13 |
在图 9中, corr表示计算出的相关值, threhold为计算出的自适应相关值阈值, header_find为帧头同步的启动信号。当相关值大于自适应相关阈值时, 找到峰值位置, 从而确定帧头位置, 启动帧头同步信号。
4.3 实际测试本文仅在实验室中进行激光数据传输实验，通过大气信道传输信息，进行实验结果的观察和分析[10]。本次实验的设备包括计算机两台，激光发射器和激光接收器各一个，调制解调系统两套，直流稳压电源。激光发射器和激光接收器的实物如图 10所示。
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| 图 10 空间激光通信系统 |
本节主要对空间激光通信系统中的实验现象和实验结果进行观察和分析。首先，通过数据源产生模块进行数据的发送，然后，经过PPM编码调制，输出窄脉冲信号波形，激光接收到的脉冲信号波形如图 11所示。
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| 图 11 窄脉冲信号波形 |
为了验证本文的接收机FPGA实现方案，我们搭建了如图 12所示的测试系统。上位机产生随机数据序列，添加同步头序列后成帧，进一步加入指定信噪比的随机白噪声，模拟AD操作经过量化后，通过网口发送给接收机，FPGA实现接收、同步、解调模块对接收到的量化数据进行相应操作，获得解调后的序列再通过网口送至上位机；上位机进行序列比对，计算出相应的误码率。
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| 图 12 上位机与FPGA的数据传输 |
图 13显示了MATLAB仿真与实际测试的误码率对比。从图 13中可以看出，基于设计的物理帧格式，实测结果与仿真结果完全一致。在信噪比为9~10 dB时，空间激光通信系统可以完全正确解调出有效数据。仿真结果表明了本方案的正确性和可靠性。
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| 图 13 信噪比为6~10 dB时的误码率 |
通过仿真结果和实验验证，本文所设计的空间激光通信系统方案，在最低误码率允许的范围内，可实现高速数据传输。
5 结论针对空间激光通信系统中信息传输速率低的情况，基于传统的物理帧格式，重点研究设计了"空-空-零"的帧格式以及改进的“空-空-零”的帧格式，理论分析了设计的改进的“空-空-零”的帧格式对于空间激光通信系统传输速率的提高具有重要的意义。空间激光通信系统中，PPM数字接收机的关键是同步的建立，开展帧同步算法的设计与实现。结合设计的物理帧格式，重点研究了帧同步算法设计，为了应对实际系统中噪声等参数的影响，提出自适应相关阈值设置，考虑面向工程实现中遇到的问题，研究相关滤波的简化实现方法。基于FPGA完成了接收机原型系统设计，实现了对帧同步信号的提取。经Matlab仿真、在线仿真以及实际测试表明本方案的正确性和可靠性。
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