基于以太網(wǎng)語音和IP數(shù)據(jù)無線光通信鏈路設(shè)計

摘要 針對移動應(yīng)用平臺間進(jìn)行較短距離的直接通信，設(shè)計了一種基于以太網(wǎng)和無線激光傳輸?shù)耐ㄐ沛溌废到y(tǒng)。該系統(tǒng)使用直接調(diào)制的方式將以太網(wǎng)發(fā)出的電信號調(diào)制到光波上，將攜帶信息的載波激光束聚焦、對準(zhǔn)發(fā)送至接收設(shè)備;接收設(shè)備將采集到的信號進(jìn)行解調(diào)，由光信號還原出發(fā)送方輸出的電信號，經(jīng)以太網(wǎng)傳輸至接收端，實現(xiàn)信號的雙向傳遞;該系統(tǒng)可實時、大容量、高速地傳輸語音、數(shù)據(jù)、視頻和圖像等信號，且通信質(zhì)量穩(wěn)定可靠，保密性和安全性能優(yōu)良。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能較好地在大氣間進(jìn)行實時高速地數(shù)據(jù)通信，滿足移動應(yīng)用平臺間的保密需要。

關(guān)鍵詞 以太網(wǎng);無線激光通信;IP數(shù)據(jù)傳輸;直接調(diào)制

現(xiàn)代戰(zhàn)爭要求通信速率高、信息傳輸能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活、易于安裝和維護(hù)、通信可靠性優(yōu)良、安全性好等特點。激光通信技術(shù)的出現(xiàn)，有效地彌補(bǔ)了有線通信網(wǎng)絡(luò)不靈活，無線電通信的安全性能較差，容易受干擾的缺點。大氣激光通信以光信號作為載波并以大氣作為傳輸介質(zhì)，能夠完成點到點或點到多點的信息傳輸，在IP數(shù)據(jù)網(wǎng)、電話網(wǎng)的入網(wǎng)應(yīng)急設(shè)備中可大規(guī)模普及應(yīng)用。隨著高速大容量信息傳輸需求的不斷擴(kuò)展以及通信相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，大氣激光通信技術(shù)已成為未來通信技術(shù)發(fā)展應(yīng)用的重要領(lǐng)域。

利用激光代替光纖實現(xiàn)計算機(jī)之間信息實時高速傳遞，主要進(jìn)行了3方面工作：(1)搭建激光通信平臺，建立激光鏈路。(2)將以太網(wǎng)傳輸?shù)碾娦盘柡痛髿庵袀鬏數(shù)墓庑盘栠M(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，主要實現(xiàn)了兩臺計算機(jī)通過激光進(jìn)行視頻通話。(3)設(shè)計了傳輸速率測試軟件，實時監(jiān)控傳輸速率。

1 方案論證與設(shè)計

1.1 方案論證

設(shè)計了針對網(wǎng)絡(luò)信號的大氣激光通信的鏈路系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片將網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)碾娦盘栟D(zhuǎn)換為光信號以便于在大氣中傳輸，即將原始電信號調(diào)制到激光上，通過大氣傳輸實現(xiàn)大氣激光通信。通過速率測試軟件能對網(wǎng)絡(luò)速率進(jìn)行實時監(jiān)測。在網(wǎng)絡(luò)通信中，網(wǎng)絡(luò)信號傳輸過程中，傳輸速率是不固定的，因此有必要設(shè)計自適應(yīng)速率匹配。使用光電轉(zhuǎn)化芯片可完成網(wǎng)絡(luò)中的電信號與光信號的轉(zhuǎn)換，并具有10/100 Mbit·s-1速率自適應(yīng)機(jī)制。在光電調(diào)制方面，一般情況下由于網(wǎng)絡(luò)速率基本在100 Mbit·s-1以下，因此可采用光強(qiáng)度調(diào)制，這完全能夠滿足設(shè)計要求。另外要考慮的是，在光傳輸與接收方面大氣中對光性質(zhì)的影響。在大氣中，霧霾、液滴、煙塵等是影響激光傳輸?shù)闹饕蛩??？紤]一般情況，大氣對激光的損耗約為3～10 dB/km，設(shè)計所采用的激光發(fā)射與接收設(shè)備為1×9光收發(fā)一體模塊，其發(fā)射功率范圍在1～1.7 mW，接收光信號靈敏度為-31.0 dBm，完全滿足設(shè)計要求。

在軟件設(shè)計中，采用C#中的PerformanceCounter控件能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)控，因此能夠滿足設(shè)計要求。對于網(wǎng)速測量，通過普通軟件 (如FeiQ、NetMeeting等)傳遞大文件的方法來測試網(wǎng)絡(luò)速度受硬盤讀寫速度限制。因此，在網(wǎng)速測試中，采用生成隨機(jī)數(shù)的方式放入內(nèi)存中，通過重復(fù)發(fā)送隨機(jī)數(shù)來達(dá)到最大網(wǎng)速測試的目的。

1.2 總體設(shè)計方案

設(shè)計大氣激光通信系統(tǒng)的主要目的是實現(xiàn)兩臺計算機(jī)的無線互聯(lián)和高速傳輸。系統(tǒng)的組成部分為信源、信道和信宿，其中信源和信宿包括相互通信的計算機(jī)、光發(fā)射設(shè)備、光接收設(shè)備及其外部設(shè)備如聲音、視頻等輸入設(shè)備;光發(fā)射設(shè)備包括信號接口電路、電光調(diào)制電路、半導(dǎo)體激光器、光發(fā)射裝置以及對準(zhǔn)裝置;光接收設(shè)備包括光接收裝置、光電探測器、光電解調(diào)電路以及與發(fā)射設(shè)備同樣的對準(zhǔn)裝置。圖1和圖2為基于以太網(wǎng)的空間光通信系統(tǒng)的基本框圖。

光發(fā)射設(shè)備的主要功能是將電脈沖信號變成合適的光脈沖信號以便在大氣中傳輸，激光二極管(LD)是關(guān)鍵器件。LD把電信號轉(zhuǎn)換為光信號的調(diào)制方式用兩種：直接調(diào)制和外調(diào)制。在大多數(shù)情況下，為降低系統(tǒng)的成本及設(shè)計復(fù)雜度，在低速率情況下通常采用直接調(diào)制方式，即注入調(diào)制電流直接實現(xiàn)光的強(qiáng)度調(diào)制。

從數(shù)據(jù)終端設(shè)備PC機(jī)上連接的網(wǎng)線接入RJ45接口的TP模塊。其中RJ45接口和網(wǎng)卡之間的是非屏蔽雙絞線(Unshielded Twisted Pairs，UTPs)，其內(nèi)部由兩對互相交叉的雙絞線來傳輸信號。在100 Mbit·s-1的以太網(wǎng)傳輸中，雙絞線的信號電平是三電平重疊調(diào)制變換(Modulated Lapped nansfmm-3，MLT3)碼，這是一種三電平多極性碼，其信號的編碼形式是485B碼。為將從網(wǎng)絡(luò)適配器接收的多電平信號轉(zhuǎn)換成適合光電轉(zhuǎn)換設(shè)備處理的單極性電平信號，并隔離彼此之間的電磁干擾和直流分量，必須用隔離變壓器進(jìn)行耦合。反之，將光電轉(zhuǎn)換設(shè)備產(chǎn)生的單極性電平信號轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)適配器能處理的多電平信號，也是同樣情況。當(dāng)RJ45接口接收來自雙絞線的10/100 M數(shù)據(jù)時，在隔離變壓器濾波之后將數(shù)據(jù)輸送到光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片，經(jīng)過譯碼和電平轉(zhuǎn)換后，形成光信號并傳輸至光收發(fā)一體化模塊，通過自聚焦透鏡形成激光束發(fā)射出去。當(dāng)接收端光收發(fā)一體化模塊接收到光信號時，光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并將生成的電信號進(jìn)行數(shù)據(jù)譯碼和電平轉(zhuǎn)換，將電信號傳輸?shù)? RJ45接口，并傳回目的計算機(jī)。

通信系統(tǒng)中設(shè)置有光發(fā)射和光接收裝置，且每臺計算機(jī)均可向?qū)Ψ桨l(fā)射經(jīng)過調(diào)制的光信號，同時也能接收來自對方的光信號，如此實現(xiàn)全雙工通信。從計算機(jī)A向計算機(jī)B發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的流程如下：

(1)計算機(jī)A通過網(wǎng)絡(luò)適配器，將要需要的原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫盘柦涌谔幚黼娐分?，對信號進(jìn)行濾波，且耦合到以太網(wǎng)介質(zhì)轉(zhuǎn)換電路中。

(2)信號經(jīng)以太網(wǎng)介質(zhì)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)臅r鐘恢復(fù)、解擾等處理，并將在以太網(wǎng)中傳輸?shù)腗LT-3電平轉(zhuǎn)換成適合在大氣傳輸?shù)膯螛O性NRZ電平，再傳輸?shù)焦獍l(fā)射設(shè)備電路。

(3)光發(fā)射設(shè)備電路的功能是向光源提供驅(qū)動電流，同時將電信號調(diào)制到光波上，實現(xiàn)信號的電/光轉(zhuǎn)換。

信號調(diào)制成光信號的形式，在空氣中傳播。計算機(jī)B系統(tǒng)的光接收裝置就可以接收來自計算機(jī)A的光信號，經(jīng)過處理還原出原來的信息。計算機(jī)B接收來自計算機(jī)A的數(shù)據(jù)，流程如下：

(1)光收發(fā)模塊接收來自計算機(jī)A的光信號，將光信號進(jìn)行光電解調(diào)，轉(zhuǎn)換成為電信號。

(2)變換后的電信號在光接收設(shè)備電路和以太網(wǎng)介質(zhì)轉(zhuǎn)換設(shè)備電路中進(jìn)行信號放大、時鐘提取以及數(shù)據(jù)判決等處理恢復(fù)，恢復(fù)后的數(shù)據(jù)傳輸至計算機(jī)B。

通過收發(fā)過程，完成數(shù)據(jù)的傳輸。同理，從計算機(jī)B向計算機(jī)A發(fā)送數(shù)據(jù)的過程也如此。

2 原理分析與硬件設(shè)計

2.1 原理分析

在自由空間光通信中，信息要通過大氣信道進(jìn)行傳播，以光波作為載波，把所要發(fā)送的信息加載到光波上進(jìn)行傳播。在大氣環(huán)境下背景光的干擾較大，系統(tǒng)需要的光源功率需要匹配調(diào)制速率。針對移動應(yīng)用平臺問實時語音通信的需求，以語音信號為特例，給出直接調(diào)制原理框圖。語音信號經(jīng)過直接調(diào)制的方法調(diào)制成可以在大氣上傳輸?shù)墓庑盘?，調(diào)制變換如圖3所示。

移動應(yīng)用平臺間需要大量傳輸IP數(shù)據(jù)包。IP數(shù)據(jù)包是網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男欧?，其說明了數(shù)據(jù)發(fā)送的源地址和目的地址，以及數(shù)據(jù)內(nèi)容和其傳輸狀態(tài)。一個完整的IP數(shù)據(jù)包由首部和數(shù)據(jù)兩部分組成。首部前20 Byte屬于固定長度，存在于所有IP數(shù)據(jù)包;后面是可選字段，其長度可變，首部后是數(shù)據(jù)包攜帶的數(shù)據(jù)，IP數(shù)據(jù)格式如圖4所示。

對于光電轉(zhuǎn)換芯片，設(shè)計采用ICPLUS公司開發(fā)的IP113ALF芯片。IP113A LF芯片是48腳LQFP封裝，該芯片廣泛應(yīng)用于快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器設(shè)計，是一種技術(shù)成熟的高集成度產(chǎn)品，可實現(xiàn)10/100BASE—TX與 100BASE—FX之間的轉(zhuǎn)換光收發(fā)一體模塊中使用激光驅(qū)動芯片MAX3738，MAX3738采用自動功率控制(APC)工作模式，當(dāng)MAX3738 正常工作時，數(shù)據(jù)從IN-端和IN+端輸入，經(jīng)輸入緩沖電路和數(shù)據(jù)通道處理后，控制差分對調(diào)制器輸出以實現(xiàn)調(diào)制，調(diào)制后的信號從OUT-端和OUT+端輸出，去驅(qū)動外接激光管;當(dāng)輸出功率變化時，反饋信號從MD端輸入，消光比控制電路通過調(diào)節(jié)調(diào)制電流和偏置電流變化，來自動維持平均輸出功率和光幅度功率的穩(wěn)定。

對光載無線信號的解調(diào)也有兩種方法：強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(IM/DD)和相干檢測。強(qiáng)度調(diào)制直接檢測就是對強(qiáng)度調(diào)制的光載無線信號直接進(jìn)行包絡(luò)檢測，即強(qiáng)度調(diào)制信號直接通過光電探測器即可恢復(fù)出原信號。

2.2 硬件設(shè)計

以太網(wǎng)收發(fā)電路由RJ接口、耦合變壓器、以太網(wǎng)收發(fā)器以及收發(fā)器與調(diào)制驅(qū)動電路接收解調(diào)電路之間的接口組成，其中以太網(wǎng)收發(fā)芯片是核心單元。芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖和系統(tǒng)框圖如圖5所示，以太網(wǎng)光收發(fā)芯片系統(tǒng)框圖如圖6所示。

3 軟件設(shè)計與流程

根據(jù)以上方案，軟件設(shè)計部分主要實現(xiàn)網(wǎng)速實時測量，以及最大通信速率測量。網(wǎng)速測量操作流程如圖7所示，最大通信速率測量如圖8所示。

在網(wǎng)絡(luò)速率監(jiān)視中，由客戶端直接生成隨機(jī)數(shù)，向指定端口持續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，在顯示界面記錄實時傳輸速率。由于內(nèi)存的讀取速率遠(yuǎn)高于網(wǎng)絡(luò)速率，從而保證網(wǎng)絡(luò)最大傳輸速率測量的準(zhǔn)確性。

4 系統(tǒng)測試與分析

測試軟件：Netmeeting，進(jìn)行實時視頻傳輸;基于.NET的網(wǎng)速測試軟件，分為客戶端與服務(wù)器。測試過程：計算機(jī)以太網(wǎng)口與光電轉(zhuǎn)換設(shè)備用網(wǎng)線連接，由于發(fā)射的是不可見光，先使用紅光光源在光學(xué)對準(zhǔn)設(shè)備上從發(fā)送端瞄準(zhǔn)接收端，對準(zhǔn)無誤后紅光光源換回原信號光源;使用同樣方法反向接入鏈路，確保鏈路通暢。測試結(jié)果如圖9～圖12所示。

從測試結(jié)果可看出，當(dāng)光鏈路建立成功，兩臺計算機(jī)可通過激光進(jìn)行無線視頻，傳輸正常;當(dāng)光路被遮擋，傳輸終端，兩臺計算機(jī)所顯示的內(nèi)容就無法同步，傳輸中斷;當(dāng)光鏈路重新建立，兩臺計算機(jī)又可重新建立連接。傳輸由于網(wǎng)卡和芯片的限制，100 Mbit·s-1帶寬的極限速度是12.5 MB·s-1，設(shè)計鏈路達(dá)到的最高速度已接近網(wǎng)卡極限。由于在服務(wù)器端設(shè)置有緩存區(qū)，所以在發(fā)送數(shù)據(jù)時，部分?jǐn)?shù)據(jù)留在緩存區(qū)中未被發(fā)送，導(dǎo)致服務(wù)器端的速率略低于客戶端。

5 結(jié)束語

提出了一種基于以太網(wǎng)和無線激光傳輸?shù)耐ㄐ沛溌废到y(tǒng)，解決了較短距離移動平臺間的無線激光通信。研究結(jié)果表明，該設(shè)計能夠雙向、實時、大容量高速傳輸音頻視頻等數(shù)據(jù)。研究的局限性在于通信距離較短以及光學(xué)對準(zhǔn)問題，進(jìn)一步的研究方向為較長距離下通過激光直接通信方案的實現(xiàn)。