基于以太網(wǎng)語(yǔ)音和IP數(shù)據(jù)無(wú)線光通信鏈路設(shè)計(jì)

摘要 針對(duì)移動(dòng)應(yīng)用平臺(tái)間進(jìn)行較短距離的直接通信，設(shè)計(jì)了一種基于以太網(wǎng)和無(wú)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(hào)調(diào)制到光波上，將攜帶信息的載波激光束聚焦、對(duì)準(zhǔn)發(fā)送至接收設(shè)備;接收設(shè)備將采集到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，由光信號(hào)還原出發(fā)送方輸出的電信號(hào)，經(jīng)以太網(wǎng)傳輸至接收端，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的雙向傳遞;該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)、大容量、高速地傳輸語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、視頻和圖像等信號(hào)，且通信質(zhì)量穩(wěn)定可靠，保密性和安全性能優(yōu)良。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能較好地在大氣間進(jìn)行實(shí)時(shí)高速地?cái)?shù)據(jù)通信，滿足移動(dòng)應(yīng)用平臺(tái)間的保密需要。

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

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)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(diǎn)。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(wú)線電通信的安全性能較差，容易受干擾的缺點(diǎn)。大氣激光通信以光信號(hào)作為載波并以大氣作為傳輸介質(zhì)，能夠完成點(diǎn)到點(diǎn)或點(diǎn)到多點(diǎn)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(lái)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(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間信息實(shí)時(shí)高速傳遞，主要進(jìn)行了3方面工作：(1)搭建激光通信平臺(tái)，建立激光鏈路。(2)將以太網(wǎng)傳輸?shù)碾娦盘?hào)和大氣中傳輸?shù)墓庑盘?hào)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，主要實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)激光進(jìn)行視頻通話。(3)設(shè)計(jì)了傳輸速率測(cè)試軟件，實(shí)時(shí)監(jiān)控傳輸速率。

1 方案論證與設(shè)計(jì)

1.1 方案論證

設(shè)計(jì)了針對(duì)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)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?hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)以便于在大氣中傳輸，即將原始電信號(hào)調(diào)制到激光上，通過(guò)大氣傳輸實(shí)現(xiàn)大氣激光通信。通過(guò)速率測(cè)試軟件能對(duì)網(wǎng)絡(luò)速率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在網(wǎng)絡(luò)通信中，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸過(guò)程中，傳輸速率是不固定的，因此有必要設(shè)計(jì)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(hào)與光信號(hào)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(jì)要求。另外要考慮的是，在光傳輸與接收方面大氣中對(duì)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?。考慮一般情況，大氣對(duì)激光的損耗約為3～10 dB/km，設(shè)計(jì)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(hào)靈敏度為-31.0 dBm，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

在軟件設(shè)計(jì)中，采用C#中的PerformanceCounter控件能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，因此能夠滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)于網(wǎng)速測(cè)量，通過(guò)普通軟件 (如FeiQ、NetMeeting等)傳遞大文件的方法來(lái)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)速度受硬盤讀寫速度限制。因此，在網(wǎng)速測(cè)試中，采用生成隨機(jī)數(shù)的方式放入內(nèi)存中，通過(guò)重復(fù)發(fā)送隨機(jī)數(shù)來(lái)達(dá)到最大網(wǎng)速測(cè)試的目的。

1.2 總體設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)大氣激光通信系統(tǒng)的主要目的是實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的無(wú)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(jì)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(hào)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(duì)準(zhǔn)裝置;光接收設(shè)備包括光接收裝置、光電探測(cè)器、光電解調(diào)電路以及與發(fā)射設(shè)備同樣的對(duì)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(hào)變成合適的光脈沖信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)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(jì)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(shí)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(duì)互相交叉的雙絞線來(lái)傳輸信號(hào)。在100 Mbit·s-1的以太網(wǎng)傳輸中，雙絞線的信號(hào)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(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成適合光電轉(zhuǎn)換設(shè)備處理的單極性電平信號(hào)，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(hào)轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)適配器能處理的多電平信號(hào)，也是同樣情況。當(dāng)RJ45接口接收來(lái)自雙絞線的10/100 M數(shù)據(jù)時(shí)，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(guò)譯碼和電平轉(zhuǎn)換后，形成光信號(hào)并傳輸至光收發(fā)一體化模塊，通過(guò)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(hào)時(shí)，光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并將生成的電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)譯碼和電平轉(zhuǎn)換，將電信號(hào)傳輸?shù)? RJ45接口，并傳回目的計(jì)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(tái)計(jì)算機(jī)均可向?qū)Ψ桨l(fā)射經(jīng)過(guò)調(diào)制的光信號(hào)，同時(shí)也能接收來(lái)自對(duì)方的光信號(hào)，如此實(shí)現(xiàn)全雙工通信。從計(jì)算機(jī)A向計(jì)算機(jī)B發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的流程如下：

(1)計(jì)算機(jī)A通過(guò)網(wǎng)絡(luò)適配器，將要需要的原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫盘?hào)接口處理電路中，對(duì)信號(hào)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(hào)經(jīng)以太網(wǎng)介質(zhì)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)臅r(shí)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(dòng)電流，同時(shí)將電信號(hào)調(diào)制到光波上，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的電/光轉(zhuǎn)換。

信號(hào)調(diào)制成光信號(hào)的形式，在空氣中傳播。計(jì)算機(jī)B系統(tǒng)的光接收裝置就可以接收來(lái)自計(jì)算機(jī)A的光信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理還原出原來(lái)的信息。計(jì)算機(jī)B接收來(lái)自計(jì)算機(jī)A的數(shù)據(jù)，流程如下：

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

(2)變換后的電信號(hào)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(hào)放大、時(shí)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(jì)算機(jī)B。

通過(guò)收發(fā)過(guò)程，完成數(shù)據(jù)的傳輸。同理，從計(jì)算機(jī)B向計(jì)算機(jī)A發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程也如此。

2 原理分析與硬件設(shè)計(jì)

2.1 原理分析

在自由空間光通信中，信息要通過(guò)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(duì)移動(dòng)應(yīng)用平臺(tái)問(wèn)實(shí)時(shí)語(yǔ)音通信的需求，以語(yǔ)音信號(hào)為特例，給出直接調(diào)制原理框圖。語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)直接調(diào)制的方法調(diào)制成可以在大氣上傳輸?shù)墓庑盘?hào)，調(diào)制變換如圖3所示。

移動(dòng)應(yīng)用平臺(tái)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)男欧猓湔f(shuō)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(gè)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(zhǎng)度，存在于所有IP數(shù)據(jù)包;后面是可選字段，其長(zhǎng)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(duì)于光電轉(zhuǎn)換芯片，設(shè)計(jì)采用ICPLUS公司開(kāi)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(jì)，是一種技術(shù)成熟的高集成度產(chǎn)品，可實(shí)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(dòng)芯片MAX3738，MAX3738采用自動(dòng)功率控制(APC)工作模式，當(dāng)MAX3738 正常工作時(shí)，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(duì)調(diào)制器輸出以實(shí)現(xiàn)調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)從OUT-端和OUT+端輸出，去驅(qū)動(dòng)外接激光管;當(dāng)輸出功率變化時(shí)，反饋信號(hào)從MD端輸入，消光比控制電路通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)制電流和偏置電流變化，來(lái)自動(dòng)維持平均輸出功率和光幅度功率的穩(wěn)定。

對(duì)光載無(wú)線信號(hào)的解調(diào)也有兩種方法：強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)(IM/DD)和相干檢測(cè)。強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)就是對(duì)強(qiáng)度調(diào)制的光載無(wú)線信號(hào)直接進(jìn)行包絡(luò)檢測(cè)，即強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)直接通過(guò)光電探測(cè)器即可恢復(fù)出原信號(hào)。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

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(dòng)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(jì)與流程

根據(jù)以上方案，軟件設(shè)計(jì)部分主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)速實(shí)時(shí)測(cè)量，以及最大通信速率測(cè)量。網(wǎng)速測(cè)量操作流程如圖7所示，最大通信速率測(cè)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(shí)時(shí)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(cè)量的準(zhǔn)確性。

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

測(cè)試軟件：Netmeeting，進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻傳輸;基于.NET的網(wǎng)速測(cè)試軟件，分為客戶端與服務(wù)器。測(cè)試過(guò)程：計(jì)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(jiàn)光，先使用紅光光源在光學(xué)對(duì)準(zhǔn)設(shè)備上從發(fā)送端瞄準(zhǔn)接收端，對(duì)準(zhǔn)無(wú)誤后紅光光源換回原信號(hào)光源;使用同樣方法反向接入鏈路，確保鏈路通暢。測(cè)試結(jié)果如圖9～圖12所示。

從測(cè)試結(jié)果可看出，當(dāng)光鏈路建立成功，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)可通過(guò)激光進(jìn)行無(wú)線視頻，傳輸正常;當(dāng)光路被遮擋，傳輸終端，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)所顯示的內(nèi)容就無(wú)法同步，傳輸中斷;當(dāng)光鏈路重新建立，兩臺(tái)計(jì)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(jì)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(shí)，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(yǔ)

提出了一種基于以太網(wǎng)和無(wú)線激光傳輸?shù)耐ㄐ沛溌废到y(tǒng)，解決了較短距離移動(dòng)平臺(tái)間的無(wú)線激光通信。研究結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)能夠雙向、實(shí)時(shí)、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(duì)準(zhǔn)問(wèn)題，進(jìn)一步的研究方向?yàn)檩^長(zhǎng)距離下通過(guò)激光直接通信方案的實(shí)現(xiàn)。