激光跨介質通信中跳時隙的編解碼方法

廖 欣,蔣紅艷,何 寧

(桂林電子科技大學信息與通信學院,廣西 桂林 541004)

1 引 言

隨著各國對海洋安全和領土保護愈發(fā)重視,水下激光通信將發(fā)揮重要作用,如何在復雜海洋環(huán)境中實現(xiàn)信息可靠傳輸和保密安全,是跨介質激光通信亟需解決的問題。采用機載、星載和艦載的藍綠激光直接實現(xiàn)對水下目標的通信,探索適合于海洋通信的調制和編碼技術,充分發(fā)揮激光技術和空中平臺兩者優(yōu)勢,利用特定波長激光在水中穿透特性、低損耗特性、靈活性和隱蔽性的空海激光通信技術,受到世界各國專家學者的廣泛關注,并得到快速發(fā)展,已成為空海通信中很有潛力的一種通信方式[1],在未來海洋資源開發(fā)利用與通信體制的技術研究都具有重要意義。

激光在海上大氣傳輸時,散射吸收效應、湍流效應和衰減效應等情況的出現(xiàn)都會對激光光束質量造成一定影響[2]?？缃橘|激光通信是一種在開放信道環(huán)境下信息傳輸方式,傳輸鏈路上信號是可以隨意截獲,其信息傳輸安全性和可靠性則難以保證[3]。在海洋上實現(xiàn)跨介質無線光通信信道(大氣、水)具有隨機性、復雜性和不可預測,特別是水下信道的不透明,信號傳輸受吸收、散射、湍流和海面因素影響造成信號衰落,產(chǎn)生光強閃爍、光束漂移和波前畸變,降低信息傳輸?shù)目煽啃訹4]。海上大氣環(huán)境與陸地大氣環(huán)境在許多方面存在差異,文獻[5]分析了海上大氣湍流對光電設備通信、跟蹤和成像性能的影響；文獻[6]基于海上大氣折射率起伏功率譜模型,推導了光束漂移的理論表達式,并進行了近海環(huán)境激光傳輸實驗驗證。文獻[7]提出一種采用雙通道跳頻通信系統(tǒng)同步捕獲方法,利用同步過程中載波頻率與被調制時間信息并行捕獲方式來縮短同步時間,提高信息傳輸同步的隱蔽性和抗干擾能力。針對海洋通信特點,選擇脈沖位置調制(Pulse Position Modulation,簡稱PPM)是一種最有效的適合在背景光限制的水下通信調制方式,它具有光功率和頻帶利用率高,信道資源占用低和抗干擾能力強[8]。

在跨介質無線通信環(huán)境下,海上信道變化無常,大氣信道中的云、雨、霧,海面波浪、游離植物,水下信道的懸浮顆粒、浪涌、湍流等都是引起激光光束傳輸過程光斑散射的因素,對光場散射吸收提供空間條件。雖然激光器光束發(fā)散角較小,但經(jīng)一定距離的路徑傳輸會發(fā)生光斑散射和擴束現(xiàn)象,造成光信號擴散在傳輸方向上的一個區(qū)域空間范圍內,使得通信信號被截獲的風險增加。若不采用一些新的技術機制來適應信道環(huán)境實現(xiàn)快速有效通信,而以固定時隙進行信息傳輸,其安全性無法保證。為解決海洋通信中信號可靠傳輸問題,本文提出一種跳時隙的脈沖位置調制編解碼方法,通過不同導頻碼與時隙類型的組合關系,探討一種以字節(jié)組幀的跳時隙通信,可有效降低因水下信道傳輸過程時延誤差積累,縮短同步處理時間,以保證接收信號采集時刻的準確判斷,實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息快速捕獲。采用增加通信時隙變化的類型結構,可提高信息傳輸中被截獲破譯的難度,能更好地適應復雜環(huán)境下傳輸安全與可靠性要求,為語音和數(shù)據(jù)信息的水下實時通信提供一種新的技術手段。

2 脈沖位置調制及跳時隙傳輸幀結構

脈沖位置調制是將一組nbit二進制數(shù)據(jù)映射到2n個時隙內一個對應時隙上的單個脈沖信號[9]。

設定nbit的數(shù)據(jù)M(m1,m2,m3,…mn),則與脈沖位置L的映射關系記為:

L=m1+2m2+…+2n-1mn

(1)

設Sn為調制信號,Pc為光脈沖功率,時隙寬度為Tc,t為時域位置,則有:

(2)

對于一個2 bit的二進制數(shù)進行脈沖位置調制,在時域上調制的時隙數(shù)為22=4,由公式(1)可得到L對應于相應脈沖位置的映射關系,能滿足編碼調制的唯一性。

為便于接收信息幀起始位置識別,數(shù)據(jù)傳輸中一般在一幀數(shù)據(jù)的前端加入同步脈沖,接收端可通過檢測這些幀同步脈沖參數(shù)判斷當前脈沖為數(shù)據(jù)還是起始位[10]。脈沖位置調制信號的同步是實現(xiàn)對數(shù)據(jù)進行解調的重要依據(jù),圖1所示為具有一定寬度引導信號和數(shù)據(jù)脈沖組成幀結構。

圖1 具有引導信號和數(shù)據(jù)脈沖幀結構Fig.1 A frame consisting of pilot signal and data pulses

根據(jù)激光在水下信道傳輸特性,若采用寬度一定的單個激光脈沖信號,在時域上會產(chǎn)生展寬和時延造成判斷誤差。因此,依據(jù)脈沖位置調制的思路,可以采用檢測兩個脈沖間隔作為判斷信號幀起始依據(jù)。

以4 PPM、16 PPM和256 PPM三種常用的字節(jié)數(shù)據(jù)脈沖位置調制方式為例,通過在每種字節(jié)數(shù)據(jù)時隙前加入不同的導頻碼時隙類型來組成跳時隙PPM幀結構。圖2是在同一時域下傳輸三種不同時隙單字節(jié)組幀的示意波形。

圖2 三種不同時隙類型字節(jié)幀結構Fig.2 Three one-byte-data frames with different timeslots

圖2中①、②、③標注分別代表3種時隙類型的導頻碼,由圖2看出不同時隙類型導頻碼與數(shù)據(jù)脈沖有對應關系。從提高系統(tǒng)信息傳輸安全性方面考慮,通信發(fā)射時隙類型組合順序可依據(jù)收發(fā)雙方需求任意組合,引導脈沖間隔可隨機變換,以增加接收方外的第三方對數(shù)據(jù)捕獲解碼難度,目前在通信信號領域可采用跳頻技術、信息加密技術、信道編碼技術等進行保密傳輸?shù)陌踩幚怼?/p>

3 系統(tǒng)組成與編解碼

3.1 系統(tǒng)組成

跳時隙水下激光通信系統(tǒng)結構如圖3所示,系統(tǒng)主要由信息編碼調制、激光驅動、脈沖激光器、水介質信道、激光信號接收放大整形和信息解調譯碼6部分組成。

圖3 實驗系統(tǒng)組成Fig.3 The experimental system

信息采用字節(jié)形式由編碼調制模塊處理將其配置為不同時隙的PPM調制方式,發(fā)射端激光器受跳時隙信號控制輸出的激光由空間入射到水介質信道傳輸,接收端通過FPGA檢測導頻碼來獲得對應的調制類型,并完成數(shù)據(jù)解調。

3.2 跳時隙編解碼軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息以256 PPM、16 PPM和4 PPM三種調制類型按字節(jié)組幀進行軟件編碼,可通過程序將待傳送信息劃分為3部分。系統(tǒng)編碼的時隙類型與導頻碼間隔關系設定如下:

導頻碼間隔t1對應256 PPM；導頻碼間隔t2對應16 PPM；導頻碼間隔t3對應4 PPM。

為保證編碼調制的時隙類型呈現(xiàn)隨機性,選擇利用FPGA定時器數(shù)據(jù)獲得,在發(fā)送時刻讀取定時器的數(shù)據(jù)對3進行求余數(shù),根據(jù)得到的余數(shù)采用上面三種時隙類型完成字節(jié)組幀編碼,然后用組合的串行輸出數(shù)據(jù)幀脈沖驅動激光器[11]。PPM調制信息傳輸?shù)年P鍵是通過時隙同步和符號同步來保證接收端進行正確解調,且符號同步是建立在時隙同步的基礎上[12]。

本系統(tǒng)接收端FPGA利用脈沖上升沿作為觸發(fā)信號,其功能是提取時隙同步信號和幀同步信號[13],當接收到脈沖上升沿時啟動短周期脈沖開始計數(shù),待接收到第二個脈沖時停止計數(shù),然后讀取計數(shù)器數(shù)值并將計數(shù)器清零,同時進行間隔判斷；已知時隙寬度為Tc,相鄰脈沖時間間隔為ΔT,當檢測到兩脈沖間隔為t1、t2、t3時,則判定為不同時隙類型幀開始,接下來檢測從導頻碼第二個脈沖到第一個數(shù)據(jù)時隙脈沖的間隔以及之后相鄰時隙脈沖的間隔ΔT,依據(jù)各時隙類型的字節(jié)組幀規(guī)則,若滿足條件(ΔT-Tc)/Tc,即實現(xiàn)對每幀數(shù)據(jù)信息的解碼還原,并送上位機顯示,同時再進入下一輪詢時隙類型字節(jié)幀數(shù)據(jù)脈沖接收。圖4為系統(tǒng)接收軟件解碼流程。

圖4 解碼流程Fig.4 The decoding process

4 實驗測試分析

系統(tǒng)實驗采用波長為532 nm脈沖型激光器,利用時隙編碼輸出發(fā)送“J12”和“W20”字符信息模擬“經(jīng)度”和“緯度”方位指令,輸出信號按照單字節(jié)組幀依次以設定的時隙類型循環(huán)順序進行發(fā)送。

圖5是激光發(fā)射脈沖能量5 mJ,經(jīng)實驗室2000 mm×800 mm×800 mm水槽傳輸,由接收端測試得到的數(shù)據(jù)時隙信號幀波形。圖中上半部分為光電探測放大處理信號,下半部為整形后的脈沖信號,其信號響應位置有對應關系。

圖5 接收信號幀波形Fig.5 The waveforms of received frames

圖5(a)為“J12”3個字符的幀結構傳輸波形,圖5(b)為“W20”3個字符的幀結構傳輸波形,圖中數(shù)據(jù)信息是以字節(jié)組幀形式傳送,每幀采用雙脈沖作為導頻碼,標識①為16 PPM幀頭,標識②為4 PPM幀頭,標識③為256 PPM幀頭,其余脈沖是與時隙類型對應的數(shù)據(jù)信息。傳統(tǒng)跳頻和脈沖位置調制通信是以固定參數(shù)特征實現(xiàn)傳輸,這對非合作接收方的信號檢測和參數(shù)截獲提供突破口,系統(tǒng)采用變參數(shù)的時隙類型組合編碼和短幀處理技術,一是可提升信息的抗截獲優(yōu)勢,二是減少傳輸帶來的時延積累,提高信息位置判斷準確性和識別效率。實驗中通過設置多組不同信息數(shù)據(jù)進行傳輸測試,在發(fā)射光視距范圍內按照通信雙方時隙跳變規(guī)則接收信號得到較好的跟隨,進一步驗證以字節(jié)組幀的時隙類型變化編解碼正確性。

5 結 論

闡述了跨介質激光水下通信中信道特點,針對開放信道環(huán)境下信號傳輸風險,提出一種跳時隙的通信機制,分析了跳時隙PPM的時域幀結構與軟件編解碼實現(xiàn)過程,通過導頻碼與時隙類型的組合關系,采用3種時隙類型實現(xiàn)字節(jié)組幀的跳時隙字符編碼信息傳輸,完成激光水下數(shù)據(jù)信息傳輸實操測試。測試表明,在大氣與水下介質信道中,采用字節(jié)組幀的信息傳輸,有利于幀同步處理,實現(xiàn)快速響應,可降低長信息幀在傳輸過程中受到信道隨機噪聲干擾而導致的接收不完整錯誤,只要通信雙方的時隙幀結構按照約定規(guī)律進行變化,對實際系統(tǒng)的語音和數(shù)據(jù)信息的實時傳輸具有一定優(yōu)勢。若通信雙方的時隙導頻碼類型采用更多形式組合實現(xiàn)更為復雜的時隙跳變技術,則有利于減少信號被截獲破譯機率,為空海一體化通信的安全性和隱蔽性提供一種新的技術手段。