徐山河，肖沙里，王 珊，彭帝永

(重庆大学光电工程学院光电技术及系统教育部重点实验室，重庆400044)

引 言

自由空间激光通信系统(free space optical，FSO)，因其相对于无线电通信具有带宽宽、应用灵活，抗电磁干扰能力强，且无需获得频率许可证等优势，近年来逐渐作为无线电通信的替代方式被深入研究［1］。通过激光内调制，加以捕获对准跟踪系统(acquisition，tracking and pointing，APT)［2］、中继系统［3］或融入波分复用、多入多出［4］等技术进行处理后，基本可满足远距离无线激光通信的要求，在外太空星际无线传输方面已有较好的发展与应用［5］，但传统FSO链路需两端都装有发射/接收系统和复杂的跟踪系统，使得系统的体积、功耗、重量和技术复杂度增加，成为制约FSO应用的重要因素。

逆向调制(modulating retro-reflector，MRR)激光通信系统［6］，可免去通信链路中一个终端的激光收发器和跟踪系统，从而减轻一方的重量、体积、能耗，有效解决了FSO的应用限制。可将其应用于承载能力弱的终端上，如热气球、海绵浮标、无人机等;亦可应用于供电能力弱的终端，如自供能的野外监测平台、智能机器人等。逆向调制光通信系统为FSO通信扩展了应用领域，提供了轻便、灵活的通信方式。国外对逆向调制通信非常重视，常选用铁电液晶调制器、微机电系统调制器、多量子阱调制器［7］、声光调制器(acousto-optic modulator，AOM)等调制方法。最早引起注目的研究是1996年，美国犹他州州立大学的学者采用铁电液晶逆向调制器，实现了地面与高空气球间的通信，通信速率达到20kbit/s;而基于AOM的MRR系统只有美国约克大学的SPIROU等人研究出了通信最高频率为1MHz且使用双程声光效应的通信系统［8］。

本文中选用具有优良温度稳定性和光电特性［9］的AOM作为调制器件，配以高反镜搭建逆向光链路实现了逆向光通信。相较而言，本系统更加灵活，通信范围更加广阔，消除了双程衍射光路的互相干扰;对仪器精度要求更低的同时，通信最高载波却提升到了5MHz;并且使用改进后的调制、编码、加密算法，使得通信系统的保密纠错能力更强。本系统通信质量良好、数据传输稳定，率先在国内开展了声光逆向调制光通信的研究。

1 系统原理与结构概述

本文中基于布喇格声光调制［10］原理，配以激光发射/接收系统、逆反链路等硬件搭建了MRR通信系统平台，该平台主要由AOM、控制核心现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)、激光器、高反镜、偏振片、滤波片、光电倍增管(photomultiplier tube，PMT)等组成。其中以AOM和FPGA开发板作为硬件核心，包括改进后的四进制调制方法、定时采样解调方法、冗余校验(cyclical redundancy check，CRC)加密技术、新型汉明(Hamming)码编码技术等作为关键技术，整个MRR通信系统如图1所示。

Fig.1 MRR FSO communication system

图1中，激光输出光束(频率为ν)首先进入偏振片，使得传输过程中的光束为垂直偏振光。激光经过自由空间信道传输到需要反馈信息的终端，由全反镜M1与M2将激光进行逆向偏转，逆反方向可为激光发射端，也可为第3方接收站，这样减轻了调制端的系统要求，而且通信链路更加灵活。逆反激光在返回端通过AOM进行信息加载，加载了调制信号的反馈1级光(频率为ν+fs)通过自由空间信道传送到接收端，接收端由PMT接收光信号，并经过电路处理和FPGA板的解调，最终还原为调制端所反馈的信息，整个逆向调制光通信过程得以实现。

MRR逆向通信系统包括光源、AOM、PMT、逆向光路等关键器件，其中AOM和逆向光路使用为应用难点。在调制解调等关键算法的处理上则均通过FPGA进行实现。

2 MRR逆向光通信的核心器件及其使用

2.1 声光调制器

AOM作为关键的调制器件，本系统采用中国电子科技集团第26所研制的TSGMN-1型声光调制器，该调制器由驱动电源产生的射频信号控制超声波的频率及强度，该AOM的超声波中心频率为100MHz。搭建一个测试平台对AOM进行测试，测试平台、测试波形如图2所示。

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

测试平台如图2a所示，由信号发生器向AOM调制端口输入不同频率TTL电平，观测PMT接收到光信号。测试结果表明，向AOM输入频率低于5MHz的电平信号，PMT均能接收到与调制频率一致的光信号，频率高于5MHz则严重紊乱。图2b所示为调制频5MHz时，PMT接收光信号与调制信号对比的波形图，验证了AOM调制加载方式及通信上限频率。

2.2 逆向光链路

光学逆向链路是整个MRR的核心光学系统，也是与FSO的最大区别。逆向通信常采用“猫眼”反射结构［11］或角棱镜反射结构［12］作为逆向器件，而本文中采用高反镜的组合结构实现光学逆反效果，不仅组建更加灵活、精度要求更低，而且通信终端的范围选择更加阔。

根据反射原理组建光学链路如图3所示，其中图3a、图3b为原理图，图3c、图3d为对应实物图。图3a所示为逆向光通信常规链路，发射/接收系统在A处，而逆向调制链路处于B处，高反镜的作用类似于角锥棱镜，将A处的激光返回到A处，并通过AOM将B处的信息传到A处，达到逆向调制通信的效果。相比于角锥棱镜或者“猫眼”结构，高反镜的优势则在图3b中得到体现，高反镜组合光路变换更加灵活，除了逆向返回，还可以将光路反射到第3方终端C处，且C处的位置选择基本可覆盖全局，达到全局范围内的无死角三方通信。该逆反系统将入射光与逆向光链路分开，光线无重叠，消除了二者之间的干涉，使得自身干扰更小，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 调制解调算法的实现

光通信中常用开关键控(on-off keying，OOK)调制、脉冲位置调制(pulse position modulation，PPM)、频移键控(frequency-shift keying，FSK)调制、脉宽调制(pulse width modulation，PWM)等调制方法。FSK具有抗干扰能力强、易于实现等优点，PWM则是一种最节省频带的调制方法，将二者的有效结合可使调制系统即节省频带又具有较强的抗干扰能力。FSK+PWM四进制调制方式便具有此特征，相比于2FSK，其具有带宽窄的优点，与4FSK相比则频带的利用率更高，以下具体介绍该四进制调制解调方式，原理如图4所示。

Fig.4 Principle diagram of modulation and demodulation

如图4所示，为一个码元周期T内的四进制码元波形。采用了高低频率和2种不同的脉宽分别表示4种数字信号。使用串口助手，向FPGA发送波特率为Baud的串口信号，经FPGA调制，将其表示为四进制数据，FPGA调制原理如下:

用8个占空比为30%或80%、频率为8Baud的矩形波信号分别表示发送信号00，10;用4个占空比为25%或80%、频率为4Baud的矩形波信号分别表示发送信号 01，11。

针对于FSK+PWM四进制调制方法，定时采样是一种简单可行的检波解调方法。如图4中所示，纵向虚线为周期内定时采样的位置，每T/8内采样的位置固定为其25%和75%处。周期内采样后为16位二进制数组d［15∶0］，由d［15∶0］解调出原四进制信号s［1∶0］，其解调对应如下式所示:

PMT接收到的信号，经处理后，FPGA根据(2)式采样解调出四进制原始数字信号，再由并串转换模块输出串口信号，还原到串口，实现串口信号的调制解调。

3.2 加密纠错算法的实现

信号在信道传输过程中会受到随机信号、突发信号等信号的干扰，且信道暴露在外，安全隐患严重，为降低误比特率、提高通信质量、保障通信安全，本通信系统中使用了加密纠错算法，使得系统更加完善。加密纠错算法编码顺序如图5所示。

Fig.5 Sequence diagram of encryption and error correction coding

如图5所示，本文中采用加密与纠错交替使用的方式。加密采用了多次换位加密与循环冗余检验(cyclic redundancy check，CRC)置换加密结合的方式，纠错码则采用了Hamming码与奇偶校验码相结合的方式。其中CRC置换加密具体算法如下:(1)生成多项式G(x)=x8+x5+x3+1，对应除数则为［100101001］;(2)将8位原信息左移8位，右8位由0补充，得到16位数据;(3)用16位数据模二除以［100101001］，计算得到8位余数，即为置换后的信息。

加密算法中的换位加密主要利用换位矩阵，设计中对初始8位信息和经过编码后的14位编码信息采用不同的换位矩阵P(x)，P(y)实现换位效果，换位矩阵为私钥，可任意设定，本文中设定换位矩阵如下式所示:

对于授权者，加密后的信息解密相对容易，可利用CRC查找表、换位逆矩阵等方式进行破译;而非授权者破译相对困难，盲目解密，则每8位数字信号需213次尝试方可破译，且无规律可循，增加了破译的难度，增强了数据的安全性。

本文中采用的汉明码与奇偶校验码相结合编码是一种改进的汉明码编码方式，其能有效地降低误比特率，提高通信质量。改进的汉明码位图如表1所示。原信号为8 位二进制信号B［8∶1］，P［4∶1］为生成的汉明码，C［2∶1］为偶校验码。

Table 1 Bitmap of the improved hamming coding

编码算法如下式所示，首先由8位数据信号异或运算生成信息位偶校验码C2，再根据汉明编码方法，由B［8∶1］、C2生成汉明码P［4∶1］，最后由P［4∶1］通过异或运算生成汉明码编码部分偶校验位C1。

该编码方式中，将原始信息与编码部分使用不同的偶校验位C2和C1进行分别跟踪。相比于扩展型汉明码，该编码能获得误码的分布情况，从而纠错检错能力更强。不仅可纠正一个任意位置错误，而且当判断信息位无错，编码位出错，则无论其有1个或多个错误，均能将正确的信息位提取并正确传送。

4 实验结果与分析

基于上述关键器件及关键算法搭建了基于AOM的逆向调制激光通信系统实验平台，通信系统的基本原理如图1所示。发射端与接收端处于同一终端，调制端则处于通信的另一终端，如此扩展了FSO通信的应用场合，使得通信更加灵活。在搭建好的通信平台上，通过PC串口发送不同数据，将8位信息位送入FPGA，对其进行FSK+PWM四进制调制、改进的汉明码编码、CRC加密及换位加密等算法处理，处理后的信号从AOM调制端输入，使其对经过AOM的激光进行准确的控制。实验中采用637nm全固态连续激光器作为通信光源，激光通过无线信道传输，经逆向调制端的AOM进行信号调制;接收端则采用PMT进行光信号探测，经电路处理后的电信号，即可送入示波器进行实时观察，也可送入FPGA开发板进行运算处理;FPGA对信号进行解调、解码、解密等算法处理后，输出信号由串口返回到PC，观察实验解调数据，对比发送数据，计算误比特率。

实验中选择数字信号“45”为传送内容，如图6a所示，串口首先输出为“010001010”，其中最低位为起始标志位0;数据经过一次换位及CRC置换加密得到信息为“10011111”(见图6b);使用改进的Hamming码进行编码得编码后信息为“10011111100100”(见图6c);对14位编码信息进行二次换位得到加密信息为“11011011010010”(见图6d);数字加密信号使用FSK+PWM四进制调制，得到最终控制AOM的调制信号，如图6e所示。

Fig.6 Process of signal modulation

在信号接收端，PMT接收的光信号经电路处理后，在示波器上显示的信号与调制信号一致。该信号经FPGA处理后返回到另一台PC机，可正确解调出原始信号“45”，实现了数字光通信。

在实验室内，下午和晚上分别以不同码率发送不同数字信号，每个码率连续发送时间超过0.5h，统计超过107bit信号的接收，与发送数据对比求得误比特率，如表2所示。

Table 2 Experiment result of bit error rate

实验结果表明，无论白天或夜晚，在解调端均能正确解调出原始信号，这主要得益于添加滤光片的原因，使得该系统基本不受室内的干扰光线影响。因此，室内搭建的逆向调制激光通信平台成功达到了预期目标，实现了室内5m内串口数据的正确发送与接收，通信速率达115.2kbit/s。经统计，不同码率传输下误比特率均低于10－6，实现了数据的正确传输。

分析整个系统，由于研究中采用串口作为数据传输方式，本系统的上限通信速率受到串口最大通信速率115.2kbit/s的限制，高频载波为八倍频，达1MHz;若改用其它端口作为数据传输方式，则通信速率会有很大提升，最高可达器件性能上限如图2a所示的5MHz。以后工作将会以提高通信质量和通信速率为重心，主要是提高AOM的超声波中心频带，优化接收端电路的设计，改进调制解调算法等方面;进行传输方式的改进，让通信速率不再受到串口协议的限制，并以逆向调制为基础进行双工光通信的探索研究。

5 小结

设计了一套基于AOM的逆向调制光通信系统，采用改进后的调制、编码加密等算法，加入逆向光链路，实现了室内通信速率为115.2kbit/s、误比特率低于10－6的数字逆向光通信。本系统设计采用数字化方法，以FPGA为控制核心，将状态控制、串口传输、调制编码加密算法集为一体，降低了通信器件的复杂度，增强了系统的稳定性。实验证明，在室内进行的逆向调制光通信，达到了预期目标，通信质量良好、数据传输稳定。

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