基于激光编码调制技术语音通讯机的系统设计

引 言 自由空间光通信(Free Spacc Optical Communication，FSO)是小功率红外激光束以大气为介质传送光信号的一种激光通讯系统。 近年来随着连续波大功率半导体激光器技术、自适应光学变焦技术、光波窄带滤波技术、光源稳频技术、信号压缩编码技术和光学灭线技术的发展成熟，FSO技术再次成为各国相继研究的热点。 自由空间基于激光编码调制技术的语音通讯机系统是FSO技术在语音通讯领域的一种设计应用。本设计主要是基于自由空间激光通信的原理，通过采用双单片机控制系统实现对语音信号的无线传输，该FSO语音通讯机具有不用申请频率许可、抗干扰能力强、保密性好等显著优点，适用于现代军事战争中电子对抗的保密通讯领域。 2 系统总体设计思想 自由空间激光通讯机的系统设计主要由以下5个方面组成：语音采集系统、光学灭线系统、光发射终端机、光接收终端机、语音还原系统。 总体设计思想为：由主单片机控制AD转换对语音信号进行采样后，进行无线光OCDMA编码调制，光发射终端机将调制后的载波激光通过光学天线发射，接收光学天线接收到激光信号后由光接收终端机进行光波窄带滤波、前置放大、解调、解码后，再由DA转换还原成语音信号，最后经音频放大器放大推动扬声器，实现一个半双工通讯过程。 单片机的串行几具有全双工通讯能力，可以统控两个半双工通讯过程，所以很容易实现全双工的语音通讯，全双工语音通讯机的整体设计原理图如图1所示。 3 系统模块设计 下面以半双工通讯机为例讲述各部分模块的设计要点。 3.1 语音采集系统 工程技术上，要实现语音信号的不失真采集与还原，根据奈魁斯特采样定理：正弦波的采样不失真条件是采样频率大于2倍信号频率(f>2f)，一般波形采样不失真的条件是大于最高次潴波频率的2倍(f>2fc)。对于军事通讯只要求语音可懂频带即可满足实际需要，而语音信号可懂频率范围为：300～3 kHz，所以采样频率至少应大于6 kHz，即采样速度应该达到100 μs。 AD574A是美国模拟器件公司(Analog Devices)生产的12位逐渐逼近型快速A／D转换器，其转换速度为25μs，可以实现12 kHz不失真采样，远远满足不失真要求，其语音采集硬件电路图如图2所示。 3.2 光学天线系统 光学天线系统是光尢线通信系统的重要组成部分，他包括发射天线和接收天线。 3.2.1 发射天线 发射天线主要功能是压缩光束的发散角。发射天线总是设计成接近衍射极限，这样可以得到最小的光斑，如图3所示。 3.2.2 接收天线 接收天线也是采用折射结构，他用来接收直径为Dr的孔径范围内的光束功率，并将其聚焦在一个小的面积上。聚焦面积要比探测器的接收面积小一些，以便允许接收机瞄准有一定的误差。光电探测器放在接收天线的焦点上(如图4所示)。接收天线的直径越大，接收的光功率越强。增加天线的直径不仅可以增加平均信号强度，而且还可以减小衍射现象。 3.3 光发射终端机 信号光发射机主要由激光器、编码器、调制器组成。发射机的原理结构如图5所示。 3.3.1 高功率激光器 目前，FSO组织规定的半导体激光器常用波长为850 nm和1 550 nm，850 nm的设备相对比较便宜，一般应用在传输距离不太远的场合，本系统采用850 nm的半导体激光器作光源，完全可以满足15 km以内的大气通信系统的要求。 3.3.2 OCDMA编码器 OCDMA编码就足指将无线光和CDMA结合起来，实现曲者的优势互补，并提出合适OCDMA的信源、信道编码方案，在后面将会详细论述这种编码方案。 3.3.3 调制器 在空间光通信系统中，使用半导体材料制作光调制器解决了半导体激光器与光调制器的单片机集成问题，而且会使制作成本大幅度降低，他是利用半导体材料中的Frank-Keldysh效应或量子阱中的量子限制Stark效应对光进行调制的。 3.4 光接收终端机 光接收机的作用是把接收到的微弱的光信号会聚后转化成电信号，接收机的基本功能组成如图6所示，主要是由探测器、低噪声前置放大器、主放大器(限幅放大器)和后面的判决电路组成。 3.4.1 探测器 我们选择InGaAs雪崩光电二檄管。光接收机的灵敏度表征接收机接收微弱信号的能力。影响接收机灵敏度的首要因素是噪声，表现为信噪比。APD光电二极管接收机的信噪比为： 信噪比越大，表明接收电路的噪声越小，对灵敏度影响越小。 3.4.2 放大器 放大器主要分为两部分：前置放大器和主放大器。 前置放大器的主要功能是把PIN的微小的光电电流转变成一个可测最的差分电压。通过直流消除电路滤除光电电流的直流部分，给出一个真止的差分电压，这样信号的接收部分就不再受直流背景光的影响，而且减少了脉冲宽度的畸变。实际中采用MNX3665来实现前置放大，他的主要技术指标为：低噪声(55 nArms)、高增益(8 k)、驱动能力100 Ω、带宽：470 MHz，因此可以完全满足我们的系统设计要求。 限幅放大器(主放大器)的主要功能将前置放大器输出的比较小的差分电压转变成我们所需要的标准的PECL电平，他主要是由一系列连续放大器组成，对前面的信号进行连续的大增益电压放大，直到达到所要求的信号幅值，MAX3761可以很好地实现这个功能。 3.4.3 判决电路 判决电路的主要功能是将限幅放大器输出的标准PECL电平信号利用锁相环技术进行时钟提取，得到标准的PECL信号和时钟的输出，之后再进行解码，将信号恢复。我们使用MAX3270米进行时钟提取，MAX3270主要就是一个锁相环，这个锁相环是由鉴相器、鉴频器(PFD)、滤波放大器、压控振荡器组成(VCO)组成。他可以对155 Mb／s和622 Mb／s的信号进行时钟提取和信号恢复功能。 3.5 语音还原系统 语音还原系统的作用是将解调出的数据流经单片机串行口接收存储后，由单片机逆演编码算法进行解码，得到的原始数字信号再通过D／A转换还原成语音信号，最后经音频功率放大器放大推动扬声器，实现一个完整的通讯过程。 为了保证输出信号不会严重失真，D／A转换的速度必须至少与采样速度一致，实际中我们采用常见的D／A转换器DAC0832，其转换速度很快，电流建立时间只有1μs，与单片机一起使用时，D／A转换过程无须延时等待，DAC0832属于电流输出型，要获得模拟电压量输出，需要分加转换电路。该部分电路如图7所示。 4 关键技术分析 4.1 光通讯终端机中ATP技术 在自由空间光通讯系统中，捕获、跟踪和瞄准(Acqui-sition Tracking Pointing，ATP)技术是最为关键的技术，他直接决定了通讯能否进行以及通讯系统的性能，由于激光束极小的散射角，因此，必须另有一套基于大角散射信标光的ATP系统来完成点对点通信链路的建立。 ATP系统的工作原理是：收发灭线接收到的信标光入射在探测器阵列上，粗跟踪探测器获取的信号经过单片机的误差分析后，向电机驱动电路发送控制信息，使光学天线对准信标光方向，然后进行精确定位，待精确定位后完成点对点的锁定，最后双方用通讯光束开始传播数据，实现通讯。 我们设计ATP系统主要由信标光装置、瞄准镜装置、捕获跟踪装置、单片机控制系统组成，其工作原理示意图如图8所示。 下面将结合示意图讲述ATP系统的捕获、跟踪、对准过程，我们以A，B两点分别表示需要建立链接的两发收终端，则其相互捕获、跟踪、对准步骤为： (1)A端发出信标光，在B端由瞄准镜进行粗对准。 (2)A端不动，B端进行小角度探测扫描，扫描方式可以螺旋式或矩形式等。 (3)B端扫描一遍，没有探测到信号的话，就发信标光，由A端进行小角度探测扫描，B端可以先不动，等A端扫完一遍后再扫描，一旦捕获到信标光，B端探测器输出位置误差信号给单片机系统，单片机进行误差分析后控制三维电机组(指能够实现XYZ三维空间任意方向调整的电机组)调整万向支架，使光学天线进一步对准A端。 (4)A端收到B端的信标光达到一定的门限值后，扫描停止，A端探测器输出位置误差信号给单片机系统，单片机进行误差分析后控制三维电机组调整万向支架，使光学天线进一步对准B端。 (5)追光系统进入实时跟踪状态，保证A，B端链接建立牢靠性。 对于ATP系统硬件电路设计难点在于红外接收二极管阵列与误差信息反馈系统的设计，我们可以用红外接收二极管串联构成失衡追光电路，其基本原理单元电路如图9所示。 在追光电路中，D1，D2为同种的红外接收二极管，当他们接收到的光强一样时，他们的导通程度一样，端口P的电压就为中间电压2.5 V，即为平衡态。当左边管D1接收的光较强时，D1导通程度较大，端口 P输出电压小于2.5 V，光强相差越大，电压偏离幅度越大，称为正失衡，反之，为负失衡。这个失衡电压值经A／D转换后送给辅控单片机，由单片机处理数据，判断光源方向，并通过一定的算法向三维电机组发出修正光学天线方向的指令。 由N个这样的基本单元电路组成一个圆盘形的激光探测二极管阵列，这个阵列应该根据半径的范同分为粗瞄准和精确瞄准两部分，其同心则为信号光探测器， 由4个圆盘激光探测二极管阵列，实现全方位光探测器系统，从而构成一个完整的误差信息反馈系统。同时为了避免环境光的影响，信标光也应该进行调制，因此，失衡追光电路两端也要加上选频回路。 4.2 激光无线通信OCDMA编码技术 4.2.1 OCDMA信源信道编码 OCDMA编码主要分信源编码和信道编码。 信源编码是在传输速率一定的条件下更快、更多地传输，进行数据压缩，去掉信息中大量多余部分，极大地提高传输效率。 信道编码是保证信息传输的可靠性，提高传输质量而设计的一种编码。在信息码中增加一定数量的多余码元，使码字具有一定的抗干扰能力。 4.2.2 信源编码 由于哈夫曼码的编码效率达到98％，所以，我们采用哈大曼码信源编码方式。下面是利用哈夫曼码进行信源编码的具体步骤： (1)把符号按概率大小排列； (2)对于二进制，对概率最小的2个符号分别配以一个码字； (3)再把该2个符号的概率相加，与未编码的符号重新按概率大小排队； (4)重复(1)，(2)，(3)三个步骤，直至概率和为1。 因为哈夫曼码具体规定了编码方法，能使无失真编码的效率很接近于1，在压缩信源信息率的设备中，能极大地提高信息传输效率。 4.2.3 信道编码 信道编码绝大多数是针对随机错误，但无线光CDMA信道易受到环境、多径、地形、气候等因素的影响，突发错误比较明显，为此，还必须采取交错编码技术，把突发错误转为随机错误，所以我们采用的核心技术是信道编码加交错技术。 大气信道在湍流的影响下可以近似为一个高斯信道，高斯信道编码的过程如图10所示：信息经信源编码后进人卷积编码器，进行卷积编码，再进行交织，再调制光源，转换成光信号进行传送。此时，加入用户标识码，再经发射，通过噪声信道传输，在接受端，进行相关的逆过程，从而完成了光信号OCDMA的通信过程。 通信系统通过编码之后，使通信的可靠性得到保证，提高了编码增益，降低误码率，改善信道的信噪比。这一切对无线光CDMA通信系统来说有着特别的意义，因为无线光信道条件很是恶劣，没有信道纠错编码，就不可能实现可靠通信。通过哈夫曼编码和交错卷积编码对无线光CDMA进行改善，通过上述设计，完成了对大气信道通信的优化。 5 程序流程设计 主单片机程序流程如图11所示，辅单片机程序流程因篇幅限制这里就不赘述了。 6 结 语 本设计的样机系统在相距约3 km的无视距两栋高楼之间，分别对晴天和阴天条件进行了48 h试验，结果表明：该通讯机能正常工作，通话质量良好，晴天时，误码率在10-6左右，能有如此性能，说明卷积码纠正高斯信道的错误能力比较强。阴天时，误码率降到了10-5以下，这就达到了我们预期的效果。