一种具有测距功能的大气激光通信机的设计与实现
一种具有测距功能的大气激光通信机的设计与实现
作者:卫斌 熊汉林 曾永福
0 引言
由于大气激光通信机两端的架设地点不同,大气激光通信机两端之间的距离也不同,而大气激光通信机的通信质量也与大气激光通信机间的距离有关系,并且大气激光通信机间的通信距离在通信场合中有着广泛的应用,比如距离的测量以及时间同步信息的传递,所以本文首先提出了一种具有测距功能的大气激光通信机的解决方案,详细描述了实现这一解决方案的大气激光通信机的设计。
1 大气激光通信机组成
大气激光通信机主要由光学透镜系统、伺服云台、EDFA光放大器、光模块、FPGA信号处理系统、显示模块组成。光学透镜系统主要完成激光信号的整形发射与接收;伺服云台主要配合ATP系统完成光学透镜系统的自动跟踪与对准;EDFA光放大器主要是增强用户天线发射功率,提高天线的传输距离;光模块主要完成用户信号的光电、电光以及波长转换,使天线发射光信号波长在规定范围内;FPGA信号处理系统主要完成用户信号、ATP跟踪信号与时间编码信号的复用解复用以及信息处理,完成用户数据的传输、ATP跟踪系统的实现以及时间延时信息的计算;显示模块则是ATP跟踪的状态信息以及距离信息的显示。
测量A端大气激光通信机至B端大气激光通信机之间的距离,首先要测量信号从A端传输至B端的时延。由图2可知,传输时延包含τa、τb、τ三个部分。其中τa、τb为大气激光通信机本身的固定时延,可以通过自环回时延测量得到。而τ是光在大气信道中传输产生的时延,因此时延测量的关键在于τ的测量。首先,在A端产生含有时延编码的数据信号,并在送出此数据信号的同时,在上升沿启动A端的计数器。B端收到数据信号后,直接将其重新传回A端,然后A端利用收到的时延编码数据解码来停止计数器计数。根据计数器计数的结果,就可以知道整个传输系统总的时延是(τa+τb+2τ),根据上面的公式,其中τa、τb已知,经过计算就可以得出τ的值。根据光在大气中传播速度为3.0×108m/s,我们就可以计算出A端大气激光通信机至B端大气激光通信机之间的准确距离。
2 关键技术的设计实现
2.1 距离测量的设计
为了提高A、B两端大气激光通信机之间距离的测量精度,根据前文提到的测距原理,我们采用了一种“粗”、“细”时延测量相结合的设计方案,其测量方案时序图如图3所示。其原理就是将接收下来的时延编码信号在FPGA通过内部逻辑单元阵列延时,并对延时时间进行测量,由于内部延时逻辑单元的延时非常稳定,就可以对延时时间进行准确测量。
“粗”时延测量就是以计数时钟T0为基准,以发送出去的时延编码信号和接收回来的时延编码信号为计数启动和停止的锁存信号,锁存住发送出去的时延编码信号和接收回来的时延编码信号到达时的计数值,根据计数器的计数时钟T0算出“粗”时延Tc。“细”时延测量就是利用F P G A内部逻辑单元阵列,将内部逻辑单元一级一级的级联下来,从而将输入信号一级一级的传递下去,形成一条信号延迟线,这样就能够完成“细”时延测量,将时延测量系统的测量精度提高。
接收时延编码信号时间延时示意图,本方案采用内部逻辑单元加法器级联来实现对接收时延编码信号的时间延迟。设全部的被加数据A为0、待加数据B为1时,接收时延编码信号作为外部信号输入。当外部无编码信号输入的时候,加法器0的输入为0,全部的加法器输出都为1,进位线上无信号传输。当外部有编码信号输入的时候,加法器0的输入信号为1,加法器0的输出SUM[0]为0,进位信号D[0]为1。因此接收时延编码信号沿着进位线一级一级的传输下去,接收时延编码信号被进位线延迟的信号就能够在加法器的输出信号中显示。同时为了锁存输入信号沿进位线传输的时延信号,每个加法器输出的后面都要加上一个锁存单元,这样就可以测量接收时延编码信号与发射时延编码信号上升沿之间的时间间隔,既“细”时延Ts。最后得到发射时延编码信号和接收时延编码信号之间的时间间隔为Td。
2.2 时延测量FPGA的选择
在FPGA中 “细”时延测量的实现与FPGA内部逻辑单元阵列有关,不同FPGA它们的内部逻辑单元阵列之间的进位线延时都不同,根据赛灵思公司FPGA相关的技术文档,下表1列出了部分FPGA内部基本逻辑单元阵列专用进位线的最大进位时延。
经过比较,赛灵思的Kintex7器件最大进位时延为50ps,根据FPGA时延测量技术,大气激光通信时延测量系统的测量精度是由“细”时延测量来决定的,即FPGA的内部专用进位线单元的最大时延,因此,采用Kintex7器件可以使大气激光通信时延测量系统实现50ps左右的精度。
2.3 软件的设计及实现
大气激光通信机为了实现距离测量功能,其内部的FPGA要完成用户信号的透明传输、测量时间编解码以及距离的计算,下面详细介绍软件是如何实现这些工作。
FPGA测量分为发射和接收两部分,它的工作过程如下:
发射端:FPGA编码处理单元是将用户数据、光学天线的ATP数据、时间编码数据加上帧头数据复接成一路信号送入天线。
接收端:FPGA将接收下来的数据信号通过帧头同步处理,分解出用户数据、光学天线的ATP数据、时间编码数据,将用户数据送给用户,光学天线的ATP数据送给ATP数据处理单元,ATP数据处理单元根据此数据来完成光学天线的自动对准与跟踪,时间编码数据送入时间数据处理单元,时间数据处理单元根据发出的时间编码和接收的时间编码之间的时延计算出两端天
线间的距离。
2.3.1 测量数据帧格式
大气激光通信机系统要完成数据的传输以及距离的测量,其用户数据、ATP信息数据、时间编码数据必须要按照一定的帧格式处理。本系统的数据帧长度固定,每帧数据都由括帧头、ATP信息数据、时间编码数据和用户数据四个部分组成。帧头主要用于接收端数据同步,ATP信息数据用于大气激光通信机系统的跟踪与瞄准,时间编码数据用于距离的测量。
2.3.2 帧头的同步处理
在大气激光通信中,信息的传输是需要进行同步的,因此我们采取N/M序列同步检测技术来实现同步。数据帧由32b y t es组成,分别为8b i t s帧头、4bitsATP信息、4bits时间编码、30bytes用户信息。采用10110101作为数据帧头,由于数据帧头是跟其它数据一起组成用户数据,数据帧头也可能作为数据出现在用户数据流中,当用户数据中出现数据帧头10110101时,我们就要判断是数据帧头还是其它数据。根据数据帧格式结构,数据帧头每隔1帧就出现一次,因此必须连续N(N取3)帧检测到数据帧头,程序才能进入帧头同步状态,否则还要继续寻找数据帧头。当程序进入帧头同步状态后,连续M(M取8)帧检测到数据帧头,则程序进入帧头失步状态。经过上面的帧头同步处理分析过程,其过程可以分为4个状态,即:帧头定位、帧头失步、帧头同步、帧头丢失。
2.3.3 距离信息的处理
数据帧中有4b i ts作为时间编码,当大气激光通信机处于A、B两端时,测量A、B两端距离,在A端发射端启动时间编码时,启动时间计数器,B端接收端接收到时间编码信号后,送入B端发射端,当A端接收端收到传回的时间编码时停止计数器计数。根据计数值以及时钟周期,可以计算出A、B两端的“粗”时延,同时测量发射与接收时间编码信号上升沿之间的时间间隔算出“细”时延,根据得到的时延值计算出A、B两端距离,最后显示在大气激光通信机的显示屏上。
3 实验数据
根据此方案我们研制了具有测距功能的大气激光通信机,在距离测试实验中,将两端天线放到相距1Km的位置进行测量,将此位置的数据作为基准值,再以5m标准、10m标准延长天线距离,并记录下测量数据,在每次测量中取连续200个测量数据进行平均处理。根据实验结果证明,其测量误差在-0.05m到+0.05m之间。
4 结束语
作为一种新的接入网方式,大气激光通信机的应用越来越多,而我们研制的具有测距功能的大气激光通信机,实现了数据的透明传输以及距离的测量,在距离的测量以及时间同步信息的传递等方面有着很好的应用,提高了我们大气激光通信机的应用范围,该技术已经在正式产品应用,具有很好的经济价值和实用价值。
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