一种自由空间光通信APT子系统信标光脉冲通信方法

摘要

本发明公开了一种自由空间光通信APT子系统信标光脉冲通信方法，对传统的FSOC系统APT子系统进行了大范围的改良，增加信标光载波脉冲编码系统和信标光载波脉冲解码系统，并在FSOC监控系统中增加信标光通讯控制单元，该方法在不额外增加通信设备的情况下，利用信标光发散角度大、覆盖范围广的特性，提出改进型信标光发射系统，可实现APT子系统在建立精调连接之前的就可进行数据通信，从而方便实现通信握手鉴权、系统状态监控、设备异常监控等应用，以此提高连接设备的准确性和安全性，提高自由空间光通信系统性能指标。

说明书

技术领域：

本发明涉及自由空间光通信领域，尤其涉及一种自由空间光通信APT子系统信标光脉冲通信方法。

背景技术：

光信号不仅可以在光纤中传播，也能在空气里传播，而且更加方便快捷，在业内，无线光通信的正式称谓叫自由空间光通信(FSOC)，其指代以光波为载体，在真空或大气中传递信息的通信技术，其与光纤通信相比，极具成本上的优势，自由空间光通信在军事和民用领域都有着广泛的应用前景，随着自由空间光通信技术的广泛应用，对光无线通信系统的管理需求也日益增加。

现有的自由空间光通信系统一般采用的是信标光与信号光结合方式来实现的，信标光用于APT，信号光用于高速通信，信标光发散角大，利于捕获，信号光束宽较窄，覆盖范围小，带宽大，能实现高达10Gbit/s的速度。在FSOC设备建立连接之前，两台设备并不知道彼此的真实地理位置。现有技术多采用全范围空间盲扫的方式进行信标光搜索，再精调对准，并建立光通讯连接。这种方式简单有效，但实际应用也存在问题。

现有技术的FSOC设备信标光不具备交互功能，空间盲扫可以大致找出接收设备的地理方位，而后需要两台设备同时协调自身姿态，直到通信光轴完全对准。而这精调对准是整个自由空间光通信在建立连接中，最精细又最耗时的步骤，该过程普遍需要数分钟甚至更长的时间，还会因为其他干扰因素导致对准失败，只有对准成功之后才能建立通信链路，而后才能进行数据交互。

当主FSOC设备的信标扫描范围内有多台FSOC从设备时，极易出现连错的情况。例如，主设备A1应与从设备A2建立连接，但在其扫描方向上提前出现第三者同款设备B1，由于现有技术不具备识错功能，这种问题只能在建立B1设备自由空间光通信连接之后，从应用层协议上去发现数据连接非法，再由应用层主动断开与B1设备的自由空间光通信连接，进行再次扫描。显然，这种时间开销不仅效率低下，错误的连接还有可能会带来其他数据安全问题。

另外，已建立自由空间光通信连接的设备，无法直接监控对方的系统信息，只能通过双方FSOC应用层收集系统数据，并额外建立通信连接，将系统数据和用户数据以数据协议的方式进行封装发送和拆包解析，以此来更新对方的系统数据，这不仅实时性略低，也占用了部分光通讯带宽资源。

发明内容：

针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种自由空间光通信APT子系统信标光脉冲通信方法，对传统的FSOC系统APT子系统进行了大范围的改良，增加信标光载波脉冲编码系统和信标光载波脉冲解码系统，并在FSOC监控系统中增加信标光通讯控制单元，实现信标光脉冲通信的交互数据包收发控制。

所述信标光载波脉冲编码系统由发送FIFO缓冲器、脉冲编码器、脉冲移位驱动器、信标光功率控制器、信标光门控单元和发射单元组成；所述信标光载波脉冲解码系统由前级滤波放大器、脉冲方波整形电路、脉冲解码器和接收FIFO缓冲单元组成；

该通信方法具体包括以下步骤：

(1)信标光通讯控制单元将握手数据传送到发送FIFO缓冲器后，信标光载波脉冲编码系统根据约定的脉冲协议，规律性地发送本机握手数据流信标光脉冲信号；

(2)发送方的信标光脉冲信号，会被接收方的光电探测器捕捉到，继而在接收方的前级滤波放大器上可检测到规律性的电压跳动脉冲；

(3)接收方的脉冲方波整形电路将前级滤波放大器输出的脉冲信号进一步处理为幅值一致的方波脉冲，并由脉冲解码器根据预设的协议提取发送方的通信数据，并将数据传送到接收FIFO缓冲单元，再由通讯控制单元读取该数据，从而完成一次信标光脉冲数据传输。

优选的，所述步骤(2)中电压跳动脉冲波形和发送方的信标光脉冲波形基本一致，但波形振幅和相位受光电探测器接收能量和响应时间的影响会略有差异。

优选的，所述接收方的高速ADC也可采集到前级滤波放大器上的电压跳动信号，其后级的数字滤波器可提取出有效电压时段下的探测器光斑坐标信息，用于APT系统的位置控制，实现APT子系统原有的定位功能。

本发明有益效果：本发明的一种自由空间光通信APT子系统信标光脉冲通信方法，在不额外增加通信设备的情况下，利用信标光发散角度大、覆盖范围广的特性，提出改进型信标光发射系统，可实现APT子系统在建立精调连接之前的就可进行数据通信，从而方便实现通信握手鉴权、系统状态监控、设备异常监控等应用，以此提高连接设备的准确性和安全性，提高自由空间光通信系统性能指标。

较现有技术相比，不降低原APT光电探测器定位精度的同时，增加了低成本的信标光载波脉冲通讯方法，实现现有技术无法做到的快速识别确认功能，大幅提高FSOC系统的扫描效率和通信连接可靠性。

附图说明：

图1为FSOC系统多机应用示意图；

图2为现有技术FSOC系统结构示意图；

图3为本发明的FSOC系统结构示意图；

图4为本发明信标光脉冲通信示意图；

图5为本发明滤波放大器实测信号波形；

图6为本发明方波整形效果实测波形；

图7为本发明户外对比实验安装示意图。

具体实施方式：

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过具体实施例及附图来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图1-7所示，本实施例的一种自由空间光通信APT子系统信标光脉冲通信方法，对传统的FSOC系统APT子系统进行了大范围的改良，增加信标光载波脉冲编码系统和信标光载波脉冲解码系统，并在FSOC监控系统中增加信标光通讯控制单元，实现信标光脉冲通信的交互数据包收发控制。

信标光载波脉冲编码系统由发送FIFO缓冲器、脉冲编码器、脉冲移位驱动器、信标光功率控制器、信标光门控单元和发射单元组成。

信标光载波脉冲解码系统由前级滤波放大器、脉冲方波整形电路、脉冲解码器和接收FIFO缓冲单元组成。

通讯控制单元将握手数据传送到发送FIFO后，信标光载波脉冲编码系统可根据约定的脉冲协议，规律性地发送本机握手数据流信标光脉冲信号。

发送方的信标光脉冲信号，会被接收方的光电探测器捕捉到，继而在接收方的前级滤波放大器上可检测到规律性的电压跳动脉冲，该电压脉冲波形和发送方的信标光脉冲波形基本一致，但波形振幅和相位受光电探测器接收能量和响应时间的影响，会略有差异。

接收方的脉冲方波整形电路，将前级滤波放大器输出的脉冲信号进一步处理为幅值一致的方波脉冲，并由脉冲解码器根据预设的协议提取发送方的通信数据，并将数据传送到接收FIFO单元，再由通讯控制单元读取该数据，从而完成一次信标光脉冲数据传输。

接收方的高速ADC也可采集到前级滤波放大器上的电压跳动信号，其后级的数字滤波器可提取出有效电压时段下的探测器光斑坐标信息，可用于APT系统的位置控制，实现APT子系统原有的定位功能。

本发明提出的信标光脉冲通讯方法，其数据传输速率和高速ADC采样速率、光电探测器响应速率相关。一般地，使用100Kbps的ADC同步采样和同级别的光电探测器，可实现最高50Kbps的脉冲传输速率，完全满足小数据量的握手需求。

利用本发明的信标光脉冲通讯方法，在建立通讯系统的精调对准前，就可实现设备的握手鉴权、系统状态监控、设备异常监控等应用，从而提前确认对方是否为正确的设备，避免连错设备带来的时间开销和安全风险。

实施例：如图3所示，本发明实施例提供一种自由空间光通信APT子系统信标光脉冲通信方法，该方法采用改进型信标光系统，实现APT子系统的数据通信功能。

本发明提供的改良型脉冲通信方法，包括信标光载波脉冲编码系统、信标光载波脉冲解码系统、通讯控制单元和数字滤波系统。

信标光载波脉冲编码系统由发送FIFO缓冲器、脉冲编码器、脉冲移位驱动器、信标光功率控制器、信标光门控单元和发射单元组成，用于实现通信数据的信标光载波脉冲发射。脉冲发射频率受到接收侧光电探测器的响应频率限制，本例采用的脉冲通信时钟为2MHz，以持续四个时钟周期以上的低电平为数据帧起始信号，采用NRZ不归零码方式对发送数据进行编码，并在数据帧的尾部附加CRC校验数据，该操作由脉冲编码器来完成。本例中脉冲编码器和脉冲移位驱动器由FPGA可编程逻辑器件来实现，并驱动信标光门控单元进行编码后的数据帧发送。

信标光载波脉冲解码系统由前级滤波放大器、脉冲方波整形电路、脉冲解码器和接收FIFO缓冲单元组成，用于实现通信数据的信标光载波脉冲接收提取。远距离光通讯不可避免会带来各类噪声信号，本例约定的脉冲通信时钟为2MHz，前级滤波器滤除无效的高频和低频噪声，由方波整形电路还原出包含脉冲信号的数据帧波形信号，并由脉冲解码器根据数据编码规则，反向解码出来自发送侧的数据内容。本例中的脉冲解码器采用FPGA可编程逻辑器件来实现。

通讯控制单元用于协调信标光脉冲通信的发送和接收控制，实现握手数据包的定时更新和超时重发机制。

数字滤波系统用于提取信标光脉冲在有效输出时段下的探测器坐标信号，实现APT子系统原有的光电探测器坐标跟踪定位功能。

如图1和图4所示，FSOC源设备A1以恒定的信标光功率进行扫描，希望与目的设备A2建立自由空间光通信。在Ts时刻，源设备A1恰好与第三者同款设备B1信标范围重合，双方的光电探测器均检测到信标光源，完成APT粗调整工作。

在Ts时刻，源设备A1按照约定的脉冲协议，规律性地发送通信握手数据帧。源设备A1的通信控制单元，将握手数据内容写入发送FIFO缓冲器，脉冲编码器按照先进先出原则，依次读取FIFO中发送数据的字节内容，并按照二进制比特位MSB顺序对该字节流进行NRZ不归零编码(如图4中线条所示)。脉冲移位驱动器将按照该编码后的二进制信息，驱动信标光门控单元的开关量，从而实现信标光的脉冲数据发送。

在Td时刻，第三者B1的光电探测器捕捉到该信标光脉冲，在B1的滤波放大器上可检测到正关系变化的电压脉冲信号，该电压脉冲信号和发送方的信标光脉冲基本一致，其幅值受探测器接收能量波动，相位受探测器响应时间而滞后，其中Ts-Td为信标光的发送到光电探测器上响应的时间延迟。

第三者B1的光电探测器的输出信号波形，可大致反映来自发送侧的脉冲信息(如图5所示)，该信号将由前级滤波放大器做进一步的滤波和放大处理。处理后的电平信号将整合成两路，一路送往高速ADC并行采集系统，用于快速计算光电探测器上的光斑位置坐标；另一路将合并送往脉冲方波整形电路，用于提取来自发送方的数据内容。

第三者B1的脉冲方波整形电路，将前级滤波放大器输出的脉冲信号进一步处理为幅值一致的方波脉冲。如图6所示，整形后的脉冲波形已准确包含发送侧的NRZ比特位脉冲数据信号，该信号的时钟频率为上述约定的2MHz，接收一帧50字节长度的握手数据，仅不到0.5ms的时间就可以完成。

脉冲解码器根据预设的协议提取设备A1的真实通信数据，并将数据传送到接收FIFO单元，并通知通讯控制单元读取该数据。

第三者B1的监控系统根据通讯控制单元中数据，及时发现源设备A1的握手数据异常，判断设备A1非法连接，从而忽略设备A1继续扫描其他设备。

同理，在源设备A1的监控系统上，也能快速检测到非法设备B1，双方及时断开非法连接，避免数据安全问题，缩短扫描时间，提高连接可靠性。

在源设备A1和目的设备A2建立正确连接后，源设备A1和目的设备A2的信标光系统，可按照约定的脉冲协议，规律性地发送本机状态信息和其他监控信息，从而减少通信子系统的带宽资源占用，提高带宽利用率。

实验效果对比：

如图7所示，以郊区高楼屋顶A1为中心，取周边4-5公里范围内，两个视线无遮挡的测试点A2和B1，分别安装三台市面现有的自由空间光通讯设备和三台本发明设计的自由空间光通信样机。按照图7标示，分别设置这两组自由空间光通讯设备的物理地址，使A1和A2为配对设备，B1为非法设备，并人为将A1设备的信标光探头朝B1方向发射，同时将B1设备的信标光探头朝A1方向发射，让A1设备和B1设备优先建立错误连接，从而试验其排错时间。

试验表明，市面现有设备A1启动后很快就能找到B1，但在A1和B1精调对准环节却消耗了近5分钟时间，而后A1和B在建立通信后才配对失败，并进行下一个环节操作。

使用本发明设计的样机，在A1启动后同样能很快找到B1，但A1和B1的信标光脉冲通信，只需要数毫秒时间即可完成交互，A1迅速发现非法设备B1，跳过精调对准环节，直接进入下一步操作，高效排错。

本发明提高了连接可靠性：现有技术的FSOC设备，在多机应用环境下，无法快速确认接收方是否为正确的目的设备，只能在建立光通信连接后，通过应用层协议去识别接收设备是否是错的，而后再断开重新扫描，其效率极其低下。本发明提出的改进型信标光发射系统，可实现信标光的脉冲通信，在APT精调初期即可进行通信握手鉴权和FSOC运行状态监控，从而快速确认是否需要和接收方建立连接，提高连接可靠性，也降低安全风险。

提高了带宽利用率：现有技术的FSOC设备，无法直接监控双方系统状态，只能通过FSOC系统应用层，将系统状态数据由通信子系统链路打包发送，再由接收方提取解析，这种做法不仅系统复杂，也占用通信子系统的部分带宽。本发明提出的方法，利用闲置的信标光资源解决上述问题，采用信标光脉冲通信实时交互双方的系统数据，专线连接不仅实时性好、效率高效，也不占用通信子系统带宽资源，更能提高系统性能。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。