紫外无线光通信系统及方法

1.本公开涉及光通信技术领域，尤其涉及一种紫外无线光通信系统及方法。


背景技术：

2.随着各个领域的技术发展，对于通信传输提出了越来越高的要求，在满足通信质量的同时也要保证在不同场景下的使用。现代通信主要有两个发展方向，分别是线缆物理实体的有线通信和不存在物理实体的无线通信。但有线通信往往面临着建设成本高、建设周期长等问题，而无线通信往往更为灵活。现有技术对于无线电通信的研究较多，但由于采用电磁频谱作为传输媒介，导致在某些条件下存在着易被侦测、易被干扰的缺点。传统的可见光通信和红外光通信也存在着隐蔽性低、难以对准通信的问题，日盲紫外光通信由于散射通信无需精确对准、高度保密且系统简单的特点，受到广泛关注，但紫外无线光通信的传输距离较近，对于微弱信号的检测和判决能力较低。


技术实现要素：

3.针对于现有技术问题，本公开提出一种紫外无线光通信系统及方法，用于至少部分解决现有光通信中存在的隐蔽性低、难以对准通信、通信距离短、接收信号弱、难以实现准确通信等技术问题。
4.本公开实施例一方面提供一种紫外无线光通信系统，包括：调制发送端，用于将传输信息转化成变长帧的信息序列，在变长帧的信息序列前端添加同步链路帧头后转换为码元序列，并产生多种调制频率，基于n阶频移键控调制方式，根据不同的码元序列输出对应的调制频率信息，再根据调制频率信息输出对应频率的紫外光脉冲信号；探测接收端，用于对紫外光脉冲信号进行过滤、放大及采样，将紫外光脉冲信号转化为数字信号；光子级信号处理端，用于对数字信号进行上升沿检测处理，统计上升沿数量，将统计的上升沿数量与多种调制频率对应的检测窗口进行相关性计算，得到多个检测窗口对应相关性序列数据，再将相关性序列数据与同步链路帧头进行相关性计算，得到相关性序列数据对应的时间序列，以及基于时间序列对传输信息进行恢复。
5.根据本公开实施例，调制发送端包括依次连接的信息序列生成模块、调制模块、驱动电路和紫外光光源，其中：信息序列生成模块用于将传输信息转化为变长帧的0-1信息序列并在0-1信息序列前端添加同步链路帧头；调制模块用于将添加有同步链路帧头的0-1信息序列转化为两位位宽的码元序列，并利用本振时钟生成的多种调制频率，基于nfsk调制方式，根据不同的码元序列输出对应的调制频率信息；驱动电路用于根据调制频率信息按照码元周期控制紫外光光源产生紫外光脉冲信号。
6.根据本公开实施例，探测接收端包括依次连接的光子级滤光片、光电倍增管、放大电路以及采样模块，其中：光子级滤光片用于对紫外光脉冲信号进行过滤；光电倍增管用于对过滤后的紫外光脉冲信号进行放大，将过滤后的紫外光子信号转化为电流信号；电路放大模块用于对电流信号进行二次放大，将电流信号转化为电压信号；采样模块用于对电压
信号进行数据采样，将电压信号转化为数字信号。
7.根据本公开实施例，光子级信号处理端包括依次连接的光子计数模块、时间对齐模块、信号恢复模块及时钟跟随模块，其中：光子计数模块用于对数字信号进行幅值硬判决，将数字信号转化为0-1形式的信号，再对进行0-1形式的信号上升沿检测处理，统计上升沿数量；时间对齐模块用于将统计的上升沿数量与多种调制频率对应的检测窗口进行相关性计算，得到多个检测窗口对应相关性序列数据，同时对0-1形式的信号进行低通滤波，生成包络线数据，再对包络线数据进行倍频；信号恢复模块用于将多个检测窗口对应相关性序列数据同时与同步链路帧头进行相关性计算，得到相关性序列数据对应的时间序列，将时间序列中最大值对应的时刻作为传输信息的起始时刻，基于起始时刻，选取同一时刻多条包络线数据强度输出最高的强度所对应的频率，将频率转化为对应的码元信息，对码元信号进行串并转换操作，实现数据恢复；时钟跟随模块用于对比时钟信号和传输的数据是否同步。
8.根据本公开实施例，光子计数模块将数字信号中每个码元进行多次码元切片处理，对每个码元切片所含的上升沿进行检测，得到每个码元切片上升沿数量，其中，根据
[0009][0010]
计算每个码元切片上升沿数量g(m)，其中，h(k)为探测到的每个码元切片的上升沿数据，m为码元切片的编号，r为采样模块的采样频率，q表示窗口检测的调制频率t表示每个码元切片的频率与所述调制频率的倍数关系。
[0011]
根据本公开实施例，时间对齐模块根据
[0012][0013]
计算上升沿数量与多种调制频率对应的检测窗口的相关性corr(i)，其中，s表示对应的检测窗口的唯一码元中的特征值集合，m表示每个码元的切片数量，m的值为q与t的乘积，g(m)为第m个码元切片的上升沿数量，i表示时间。
[0014]
根据本公开实施例，信号恢复模块根据
[0015][0016]
计算相关性序列数据对应的时间序列corr(t)，其中，t表示时间，n表示本地同步序列中的码元符号总数，f(n)表示的是同步链路帧头中第n个码元符号。
[0017]
根据本公开实施例，对比时钟信号和传输的数据是否同步包括：通过对比单个码元长度上升沿和下降沿时间，得到中间值；对比中间值时刻是否处于时钟信号的下降沿；响应于中间值提前时钟信号的下降沿，进行计数器加一操作，响应于中间值落后于时钟下降沿，进行计数器减一操作，累积到计数器规定阈值，进行时钟调整。
[0018]
根据本公开实施例，调制发送端还包括：光学透镜，用于对紫外光脉冲信号进行准直和扩束处理，其中，光学透镜由全内反射透镜与扩束镜头结合组成。
[0019]
本公开另一方面提供一种紫外无线光通信方法，紫外无线光通信方法基于上述紫外无线光通信系统实现，包括：通过调制发送端将传输信息转化成变长帧的信息序列，在变
长帧的信息序列前端添加同步链路帧头后转换为码元序列，并产生多种调制频率，基于n阶频移键控调制方式，根据不同的码元序列输出对应的调制频率信息，再根据调制频率信息输出对应频率的紫外光脉冲信号；通过探测接收端对紫外光脉冲信号进行过滤、放大及采样，将紫外光脉冲信号转化为数字信号；通过光子级信号处理端对数字信号进行上升沿检测处理，统计上升沿数量，将统计的上升沿数量与多种调制频率对应的检测窗口进行相关性计算，得到多个检测窗口对应相关性序列数据，再将相关性序列数据与同步链路帧头进行相关性计算，得到相关性序列数据对应的时间序列，以及基于时间序列对传输信息进行恢复。
[0020]
根据本公开实施例提供的紫外无线光通信系统及方法，至少包括以下有益效果：
[0021]
无线光通信过程中，采用光子级信号检测而非传统上的波形检测，针对光子信号接收采用离散泊松信道模型而非传统的高斯信道模型，这能够保证在接收信号光极其微弱的情况下依然能够利用泊松信道的相关性质实现链路帧同步、频率解调及符号检测，从而保证了稳定的信号传输能力和较低的误码率，并且具有抗电磁干扰能力强、背景噪声小、安全性好和无需精确对准的优势。
[0022]
进一步地，基于n阶频移键控调制方式，采用四阶正交频率调制，使得无线光通信具有更高的抗环境噪声干扰的能力，并且极大地提高传输速率，优化汞灯本身传输速率低的缺点，从而提升了传输距离，丰富了应用场景。
[0023]
此外，采用紫外无线光进行通信，根据香农定理，可知紫外光的传输速率远远高于传统无线电及毫米波通信，并且，不依赖空间电磁场进行通信，抗电磁干扰能力强，无需进行频谱认证。利用紫外光优异的散射特性进行通信，保密性更好，相对于传统可见光通信及红外通信，无需精确对准；利用地面日盲区的特点，环境紫外光噪声很低，能够解决其他无线光通信的强日光干扰的问题。采用无线散射光通信，能够进一步丰富通信方式，应用于多种复杂场景下的通信，具有显著的进步意义。
附图说明
[0024]
图1示意性示出了本公开实施例提供的紫外无线光通信系统的结构图。
[0025]
图2示意性示出了本公开实施例提供的调制发送端、探测接收端和光子级信号处理端的结构图。
[0026]
图3示意性示出了本公开实施例提供的上升沿数量与多种调制频率对应的检测窗口进行相关性计算的实现框图。
[0027]
图4示意性示出了本公开实施例提供的利用输出的多通道相关性序列数据同时与变长帧的信息序列前端添加链路帧头同步序列进行滑动相关计算的实现框图。
[0028]
图5示意性示出了本公开实施例提供的基于相关性序列数据实现数据恢复的原理图。
具体实施方式
[0029]
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下
所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
[0030]
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
[0031]
在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
[0032]
在本公开的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
[0033]
贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
[0034]
类似地，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0035]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
[0036]
图1示意性示出了本公开实施例提供的紫外无线光通信系统的结构图。
[0037]
如图1所示，该紫外无线光通信系统包括调制发送端tx和接收端rx。接收端rx包括探测接收端和光子级信号处理端，无线通信使用散射光进行通信，因此，发送接收器会存在一定的偏角。其中：
[0038]
调制发送端，用于将传输信息转化成变长帧的信息序列，在变长帧的信息序列前端添加同步链路帧头后转换为码元序列，并产生多种调制频率，基于n阶频移键控调制(nfsk)方式，根据不同的码元序列输出对应的调制频率信息，再根据调制频率信息输出对应频率的紫外光脉冲信号。
[0039]
探测接收端，用于对紫外光脉冲信号进行过滤、放大及采样，将紫外光脉冲信号转化为数字信号。
[0040]
光子级信号处理端，用于对数字信号进行上升沿检测处理，统计上升沿数量，将统
计的上升沿数量与多种调制频率对应的检测窗口进行相关性计算，得到多个检测窗口对应相关性序列数据，再将相关性序列数据与同步链路帧头进行相关性计算，得到相关性序列数据对应的时间序列，以及基于时间序列对传输信息进行恢复。
[0041]
图2示意性示出了本公开实施例提供的调制发送端、探测接收端和光子级信号处理端的结构图。
[0042]
如图2所示，在本公开实施例中，调制发送端包括依次连接的信息序列生成模块、调制模块、驱动电路和紫外光光源。其中：
[0043]
信息序列生成模块，用于将传输信息转化为变长帧的0-1信息序列并在0-1信息序列前端添加同步链路帧头。
[0044]
调制模块，用于将添加有同步链路帧头的0-1信息序列转化为两位位宽的码元序列，并利用本振时钟生成的多种调制频率，基于n阶频移键控调制方式，根据不同的码元序列输出对应的调制频率信息。当信息发送完成时，调制模块还可以输出一种有别于多种信号调制频率的其他频率信号以表明信息传递完成。
[0045]
驱动电路，用于根据n阶频移键控调制信号中的每个符号按照码元周期控制紫外光光源输出对应频率，产生紫外光并发送给接收端。
[0046]
紫外光光源，用于将调制的频率信号，转化为光脉冲的形式发送到大气。紫外光光源采用大功率汞灯光源，相较于传统紫外光通信发送功率提升明显。
[0047]
在本公开实施例中，探测接收端包括依次连接的光子级滤光片、光电倍增管、放大电路以及采样模块，其中：
[0048]
光子级滤光片，用于对紫外光脉冲信号进行过滤，将除紫外光脉冲信号以外的其他波长光子进行滤除，从而降低环境噪声对通信系统的影响。
[0049]
光电倍增管，用于对过滤后的紫外光脉冲信号进行放大，将过滤后的紫外光子信号转化为电流信号。
[0050]
电路放大模块，用于对电流信号进行二次放大，将电流信号转化为电压信号。其中，光电倍增管和电路放大模块的放大倍数在104倍以上。
[0051]
采样模块，用于对电压信号进行数据采样，将电压模拟信号转化为数字信号。采样模块采用的adc芯片，可以将电压信号转化为能够被fpga芯片处理的数字信号。
[0052]
在本公开实施例中，光子级信号处理端在fpga芯片平台上实现数据解调解码功能，包括依次连接的光子计数模块、时间对齐模块、信号恢复模块及时钟跟随模块。
[0053]
光子计数模块，用于对所述数字信号进行幅值硬判决，将数字信号转化为0-1形式的信号，再对进行0-1形式的信号上升沿检测处理，计上升沿数量。
[0054]
示例性地，光子计数模块将数字信号中每个码元进行多次码元切片处理，以码元切片为周期，对每个码元切片所含的上升沿进行检测，得到每个码元切片上升沿数量。可以根据
[0055][0056]
计算每个码元切片上升沿数量g(m)，其中，h(k)为探测到的每个码元切片的上升沿数据，m为码元切片的编号，r为采样模块的采样频率，q表示窗口检测的调制频率，t表示每个码元切片的频率与所述调制频率的倍数关系。
[0057]
时间对齐模块，用于将统计的上升沿数量与多种调制频率对应的检测窗口进行相关性计算，得到多个检测窗口对应相关性序列数据，同时对0-1形式的信号进行低通滤波，生成包络线数据，再对包络线数据进行倍频。
[0058]
图3示意性示出了本公开实施例提供的上升沿数量与多种调制频率对应的检测窗口进行相关性计算的实现框图。
[0059]
如图3所示，将计数结果g(m)与调制频率检测窗口进行滑动相关运算，得到相关值在第i个时刻上的值corr(i)，从而得到相关值序列corr，1≤i≤l，l为设定的时间段长度。将同一个序列同时放入多个调制频率检测窗口进行相关性计算，输出的结果是多通道相关性序列数据。具体可以根据
[0060][0061]
计算上升沿数量与多种调制频率对应的检测窗口的相关性corr(i)，其中，s表示对应的检测窗口的唯一码元中的特征值集合，，m表示每个码元的切片数量，m的值为q与t的乘积，q不同，m不同，g(m)为第m个码元切片的上升沿数量，i表示时间。例如，当前码元切片的频率为40k，对应的倍数为8倍，则每个码元的切片数量为320。
[0062]
在得到上述相关值序列数后，传输至低通滤波器进行滤波处理，将脉冲状线转化为包络线型，降低后续寻找峰值时钟同步处理难度。随后对数据进行升频处理，使四通道数据输出速率保持一致。
[0063]
信号恢复模块，用于将多个检测窗口对应相关性序列数据同时与同步链路帧头进行相关性计算，得到相关性序列数据对应的时间序列，将时间序列中最大值对应的时刻作为待传输信号的起始时刻，基于起始时刻，选取同一时刻多条包络线数据强度输出最高的强度所对应的频率，将频率转化为对应的码元信息，对码元信号进行串并转换操作，实现数据恢复。
[0064]
图4示意性示出了本公开实施例提供的利用输出的四通道相关性序列数据同时与变长帧的信息序列前端添加链路帧头同步序列进行滑动相关计算的实现框图。
[0065]
如图4所示，利用输出的四通道相关性序列数据同时与变长帧的信息序列前端添加链路帧头同步序列进行滑动相关计算，得到相关值在第t个时刻上的值corr(t)，从而得到相关值的时间序列corr，1≤t≤l；l为设定的时间段长度，从相关值的时间序列corr中找到最大值所对应的时刻t
max
作为一帧传输信号的起始时刻，从而实现帧同步，进而实现时钟信号同步。具体可以根据
[0066][0067]
计算相关性序列数据对应的时间序列corr(t)，其中，t表示时间，n表示本地同步序列中的码元符号总数，f(n)表示的是同步链路帧头中第n个码元符号。
[0068]
图5示意性示出了本公开实施例提供的基于相关性序列数据实现数据恢复的原理图。
[0069]
如图5所示，根据链路帧的起始时刻t
max
，确定同步位置后，使用多通道比较器比较同一时刻的四通道序列的最大值，并与设定的阈值进行比较，只有在大于阈值情况下进行
信号解调，当大于阈值时，则判定此时为有效输出信号，输出此时刻的频率对应的码元信号，从而恢复发送的0-1信息序列。
[0070]
例如，本公开实施例假定采用4fsk调制方式，40k、45k、50k、55k为选取的调制频率。
[0071]
l(t)＝max(p40，p45，p50，p55)≥n
[0072]
其中，l(t)为t时刻信号对应的频率，n为设定的阈值，每一时刻比较出来的最大数据都要大于n，否则认为t时刻信息无效。p40、p45、p50、p55分别为t时刻对应40k、45k、50k、55k的包络线强度。
[0073]
时钟跟随模块，用于对比时钟信号和传输的数据是否同步。
[0074]
示例性地，时钟跟随模块包括计数器，对比时钟信号和传输的数据是否同步包括：通过对比单个码元长度上升沿和下降沿时间，得到中间值。对比中间值时刻是否处于时钟信号的下降沿。响应于中间值提前时钟信号的下降沿，进行计数器加一操作，响应于中间值落后于时钟下降沿，进行计数器减一操作，累积到计数器规定阈值，进行时钟调整。保证时钟和信号的严格对齐，从而实现所述0-1信息序列解调。
[0075]
进一步地，在本公开一实施例中，调制发送端还包括：光学透镜，用于对紫外光脉冲信号进行准直和扩束处理，其中，光学透镜由全内反射透镜与扩束镜头结合组成。
[0076]
在本公开一实施例中，探测接收端中紫外光脉冲信号在经过光子级滤光片过滤杂波之后，还可以经过光学透镜，对光束进行整形，提升光电倍增管接收光子强度。
[0077]
在本公开一实施例中，信息序列生成模块还可以外接摄像头、麦克风、pc端，根据不同应用场景需求传输视频信号、语音信号和数据信号。
[0078]
基于统一发明构思，本公开实施例还提供一种紫外无线光通信方法，该紫外无线光通信方法基上述紫外无线光通信系统，包括：
[0079]
首先，通过调制发送端将传输信息转化成变长帧的信息序列，在变长帧的信息序列前端添加同步链路帧头后转换为码元序列，并产生多种调制频率，基于n阶频移键控调制方式，根据不同的码元序列输出对应的调制频率信息，再根据调制频率信息输出对应频率的紫外光脉冲信号。
[0080]
然后，通过探测接收端对紫外光脉冲信号进行过滤、放大及采样，将所述紫外光脉冲信号转化为数字信号。
[0081]
最后，通过光子级信号处理端对数字信号进行上升沿检测处理，统计上升沿数量，将统计的上升沿数量与多种调制频率对应的检测窗口进行相关性计算，得到多个检测窗口对应相关性序列数据，再将相关性序列数据与同步链路帧头进行相关性计算，得到相关性序列数据对应的时间序列，以及基于时间序列对传输信息进行恢复。
[0082]
需要说明的是，本公开实施例提供的紫外无线光通信方法实施部分与紫外无线光通信系统实施例部分对应，其实施细节及带来的技术效果也是相似或相同，此处不再赘述。
[0083]
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。