劉 帥

（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048）

0 引 言

紫外光通信具有保密性好、抗干擾能力強(qiáng)、可非直視通信等優(yōu)點(diǎn)。作為一種目前較新的通信方式，尤其是采用日盲波段的紫外光作為載波進(jìn)行通信的方式，近年被各大高校深入研究并且已經(jīng)研制出相對(duì)較為成熟的通信硬件設(shè)備。本文在現(xiàn)有的硬件設(shè)備基礎(chǔ)上，提出詳細(xì)的基于ARM 控制的收發(fā)端捕獲、對(duì)準(zhǔn)與跟蹤（APT）設(shè)計(jì)方法，并且上機(jī)進(jìn)行實(shí)地測(cè)驗(yàn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件背景

現(xiàn)有通信實(shí)驗(yàn)樣機(jī)總體架構(gòu)如圖1 所示，主要由主通信機(jī)、大氣信道和從通信機(jī)3 大部分組成。通信機(jī)包括載有光源與光電倍增管的四棱柱部分、STM32微處理器、電機(jī)與其驅(qū)動(dòng)設(shè)備、光源驅(qū)動(dòng)電路等。STM32 微處理器通過(guò)伺服控制器控制電機(jī)，使其以一定轉(zhuǎn)速帶動(dòng)與電機(jī)同軸的四棱柱勻速運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)，輸入的信號(hào)經(jīng)STM32 微處理器進(jìn)行放大、濾波、整形處理后，傳輸給光源驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)紫外（UV）LED 向四周發(fā)送信號(hào)，通過(guò)采集的信號(hào)判斷當(dāng)前主從通信機(jī)的通信狀態(tài)[1]。

圖1 樣機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

現(xiàn)有通信實(shí)驗(yàn)樣機(jī)中，接收端和發(fā)射端都集中于節(jié)點(diǎn)四棱柱上（如圖1 所示，“X”表示發(fā)射端的紫外LED，“O”表示光電倍增管接收裝置），所以可以實(shí)現(xiàn)雙向通信。主從通信機(jī)通信過(guò)程可以分為直視通信和非直視通信兩個(gè)通信過(guò)程，如圖2 所示[2]。

1.2 當(dāng)前硬件背景下的實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)

基于現(xiàn)有通信樣機(jī)，在夜晚室內(nèi)有微弱光照、以1 kHz 的方波作為信號(hào)、以波長(zhǎng)365～370 nm（非日盲）的光源作為發(fā)射端、收發(fā)端距離為5 m 的情況下，測(cè)得數(shù)據(jù)波形。

（1）光電倍增管接收并未經(jīng)處理，由非直視到直視通信過(guò)程的波形如圖3 和圖4 所示。

圖2 樣機(jī)通信過(guò)程

圖3 非直視通信測(cè)得波形圖

圖4 直視通信測(cè)得波形

（2）對(duì)輸出波形進(jìn)行濾波處理后的圖形，如圖5和圖6 所示。

圖5 非直視測(cè)得濾波后

圖6 直視通信測(cè)得濾波后

2 捕獲、對(duì)準(zhǔn)、跟蹤算法

對(duì)測(cè)得電壓進(jìn)行整形，以便于STM32 處理，具體方法如下：設(shè)定一個(gè)閾值電壓，與接收到的濾波后的波形進(jìn)行比較，從而將三角波整形為方波。通信過(guò)程中固定一個(gè)閾值電壓，接收端測(cè)得波形的功率峰值隨對(duì)準(zhǔn)的情況有大小的變化，所以通過(guò)整形后波形的高電平的時(shí)長(zhǎng)可以反映出當(dāng)前對(duì)準(zhǔn)情況的對(duì)準(zhǔn)效果。

如圖7 所示，三角波為濾波之后的波形，紅線為設(shè)定閾值，兩者通過(guò)比較器后輸出整形后的方波。

該方法的具體操作步驟如下：

（1）開機(jī)后，主從節(jié)點(diǎn)差速旋轉(zhuǎn)（主節(jié)點(diǎn)1 s/r，從節(jié)點(diǎn)4 s/r），持續(xù)10 s 捕獲過(guò)程；

圖7 設(shè)定閾值整形后的波形

（2）對(duì)接收端采集到的波形通過(guò)閾值門限電路進(jìn)行整形，隨后從節(jié)點(diǎn)利用處理器的波形采集功能采集經(jīng)過(guò)整形處理后的波形的高電平時(shí)長(zhǎng)，將所得時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行排序，去除異常的數(shù)據(jù)（如過(guò)短或者過(guò)長(zhǎng)數(shù)據(jù)），取得最大值（該時(shí)長(zhǎng)最大值必須在合理范圍內(nèi)）作為是否對(duì)準(zhǔn)的參考量；

（3）10 s 捕獲過(guò)程結(jié)束后，在下一周期檢測(cè)到高電平時(shí)長(zhǎng)最大值時(shí)，從節(jié)點(diǎn)隨即加速到1 s/r；

（4）為了彌補(bǔ)從節(jié)點(diǎn)加速過(guò)程帶來(lái)的誤差，先對(duì)電機(jī)進(jìn)行微量的超調(diào)，然后將速度減至1 s/r，完成對(duì)準(zhǔn)過(guò)程；

（5）在兩者同速旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，檢測(cè)該范圍時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的出現(xiàn)次數(shù)，次數(shù)增加或者不變時(shí)，維持當(dāng)前旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，如果次數(shù)減少，則開始計(jì)入微調(diào)階段（跟蹤階段）；

（6）微調(diào)階段：是否加、減速，隨該時(shí)長(zhǎng)出現(xiàn)次數(shù)變化趨勢(shì)選擇，即當(dāng)前旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，該范圍內(nèi)的時(shí)長(zhǎng)開始減小，則從節(jié)點(diǎn)開始小范圍加速，ARM 微處理器檢測(cè)該范圍內(nèi)的波時(shí)出現(xiàn)次數(shù)，次數(shù)增多則繼續(xù)加速，加速至次數(shù)不變或者開始減少；反之減速，且減速后的微調(diào)過(guò)程與加速同樣。流程框圖如圖8 所示。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果分析

對(duì)設(shè)備采用波形采集法，在夜晚室內(nèi)有微弱光照、以1 kHz 的方波作為信號(hào)、以波長(zhǎng)365～370 nm（非日盲）的光源作為發(fā)射端、收發(fā)端距離為5 m 的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

設(shè)備在10 s 捕獲階段可以實(shí)現(xiàn)初步對(duì)準(zhǔn)，并且可以很好地在直視通信時(shí)完成捕獲；在對(duì)準(zhǔn)與跟蹤階段，設(shè)備可以在當(dāng)前周期接收到合理范圍內(nèi)的高電平時(shí)長(zhǎng)后，迅速做出速度調(diào)整反應(yīng)，并且可以實(shí)現(xiàn)跟蹤階段的微調(diào)；進(jìn)入微調(diào)階段后，通信系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)直視與非直視通信的無(wú)縫連接。整個(gè)通信過(guò)程采集的波形如圖9 所示。

在主從通信機(jī)通信丟失后，設(shè)備可以做出重新對(duì)準(zhǔn)的調(diào)整，再次進(jìn)行捕獲、對(duì)準(zhǔn)與跟蹤的工作。

圖8 流程框圖

圖9 波形采集法APT 完成后接受到的波形