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摘要：紫外光子可以和大氣中的微粒發生散射作用從而實現非直視通信，同時具有保密性高的特點。本文設計以fpga為發送和接收處理器核心的紫外LED通信設備。發射端FPGA使用USB串口線將電腦串口助手的信息通過I/O口輸出，經過驅動電路點亮LED，接收端通過光電倍增管和信號放大電路接收信源信息和實現接口協議電平，最后回傳給FPGA。實驗結果表明：在外界光線不影響的條件下，該裝置可以實現50米無誤碼的9600bps通信速率。
紫外光(UV)通信是一種新興的通信方式，因其獨特的通信優勢，受到越來越多學者的關注[1]。波長在200-280nm范圍內的紫外光是UV通信所采用的波段，這是因為該波段的紫外光被大氣平流層中的臭氧所吸收，導致到達地球表面的太陽輻射幾乎可以忽略，因此該波段被稱作“日盲區”，也為UV通信創造了接近零背景輻射的條件[2]。UV通信的另一大特點是大氣散射性強。大氣中存在大量的氣體分子、粉塵、氣溶膠等微粒，并且由于UV波長短，UV光子在傳輸的過程中會與這些微粒不斷地發生碰撞而產生散射作用，這種散射特性使得信號能夠繞障傳播，實現非直視的通信[3-4]。在通信系統中系統的信源消息是一個很重要的條件，常見的信源消息包括文字、語音、圖片、視頻。因此為了實現人機交互式的通信方式，本文設計了以文字信息為發射信源的紫外光通信系統。以FPGA為核心，系統由發送端和接收端構成，將文字信息通過ASCII編碼協議驅動紫外LED燈發送到空間大氣中，通過接收端得到發送的ASCII碼值回傳給電腦。在上位機上顯示發送消息。
1紫外光LED通信系統設計
1.1系統框圖
基于紫外光LED通信系統由發送端和接收端兩部分組成，發端主要完成光信號產生，收端主要完成信號轉換為電信號的接收[5]。紫外光通信系統框圖如圖1所示。如圖1所示電腦輸入的攜帶字符信息的電信號經過USB接口數據線輸入FPGA，通過FPGA程序接收處理和光源驅動電路，之后電信號點亮紫外LED燈，通過LED燈發送出去。接收端通過濾光片和光電探測器將光信號轉換成電信號，經過放大電路把信號給了FPGA，FPGA程序接收信號解調之后在回傳給上位機。
1.2FPGA程序設計
在FPGA開發板設計中，UART用來與PC進行通信，包括數據通信，命令和控制信息的傳輸。UART首先將接收到的并行數據轉換成串行數據來傳輸。消息幀從一個低位起始位開始，后面是7個或8個數據位，一個可用的奇偶位和一個或幾個高位停止位。UART傳輸時序如圖2所示。為了滿足UART協議本文基于Vivado2018.3使用VerilogHDL設計了串口回傳的程序代碼，根據圖2可以看出，串口屬于異步的傳輸時序，因此發端FPGA和收端FPGA采用了回環的串口通信方式。程序設計包括2部分構成：數據發送模塊，數據接收模塊，通過頂層文件將上述的2個模塊進行實例化，以參數化的方式來設置系統時鐘和波特率方便之后對于程序的移植。發端FPGA程序將UART_TX端口設置在了FPGA的通用I/O口上，使得電腦發送的串口數據可以通過I/O口輸出用來點亮紫外LED燈。接收端FPGA程序將UART_RX端口設置在了FPGA的通用I/O口上，將通過光電倍增管的接收數據輸入FPGA端口，程序就可以再次解調串口數據最終回傳給電腦。經過Vivado2018.3分析綜合之后的RTL視圖如圖3所示。圖3中的uart_recv為數據的接收模塊，該模塊首先對uart_rxd端口的數據進行同步處理，通過協議的起始信號來得到了一個接收數據標志，根據頂層模塊的參數設置來控制計數器，同時對數據進行串并轉換，當接收到8位的ASCII碼時生成uart_done信號。uart_send為數據發送模塊，當接收模塊接收到了8位數據，通過uart_done信號產生了一個發送使能信信號，同樣會在系統時鐘控制的計數器下，進行數據的并串轉換，最終將數據一位一位發送出去。
1.3硬件設計
對發送端而言要滿足紫外LED的額定工作條件，本文設計如圖4所示的驅動電路[6]。OPA2613具有輸出電流大，響應速度快，共模抑制比高的特性，該電路的工作原理就是一個設定閾值的比較電路。當信號的電壓大于設定值是LED不亮，當信號的電壓小于設定的閾值是LED亮，從而實現以OOK的調制方式將信號發送出去。對接收端而言，光電倍增管接收到的光信號轉換為一個電流信號，需要外界電阻將電流信號轉換為電壓信號并滿足電平標準，所以接收電路如圖5所示，其中圖5所示的R4變阻器用調節信號的電壓幅值。使得滿足FPGA的接口電平標準LVTTL3.3。
2實驗結果分析
2.1實驗硬件
通過對系統設備關鍵電路的設計，最終的系統發送端和接收端實物如圖6所示。
2.2發送端和接收端調試
在連接好發送端和接收端設備之后，通過USB串口線連接電腦和開發板，在串口助手中可以輸入任意的漢字、字母或者數字，發送的文本信息通過USB線，驅動電路板來點亮紫外LED燈。在接收端進行相同的連接并設置電腦串口助手。對于本次實驗串口助手設置波特率為9600bps，沒有校驗位，停止位的時間為1個比特周期。本文為了分析有關串口通信的協議，因此實驗結果只選取了示波器屏幕可以截取的部分，發送了Hello的字母消息。其中串口軟件圖如圖7所示，示波器對于接收端的波形圖如圖8所示。圖8中對應的信息為00001001010101001101000110110100011011010111101101其中加粗部分對應的分別為H、e、l、l、o的ASCII碼。
3結論
本文詳細介紹了基于FPGA的紫外光通信系統設計，給出了整體的實驗方案，驅動電路和接收電路，使用FPGA完成了相關的Verilog串口代碼設計，實際的測試結果良好。通過示波器觀測UART協議表明信號質量符合解調要求，最終可以無誤碼的觀測到上位機信息，同時在非直視的條件下也可以做到字符通信，提高了實際的紫外光通信系統的實用性。下一步可以繼續研究其他信源信息，如音頻、圖像等，完善紫外光通信裝置。
參考文獻
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[2]李海濤,李曉毅,葉永楨,韓志強.紫外光通信及其軍事應用前景[J].信息通信,2016(12):60-62，66.
[3]王勇,景艷玲.紫外光通信中調制技術研究[J].激光雜志,2014(3):37-38.
[4]江沛,劉學,孫暉.長距離紫外光通信系統[J].光通信技術,2016,40(06):44-46.
[5]張驍,胡昊,王紅星.紫外光室內傳輸系統設計與傳輸特性分析[J].光電子技術,2015,35(02):118-122.
[6]周顯禮.紫外光移動自組網節點通信系統的設計與研究[D].西安：西安工程大學,2018.
作者：楊永坤 白曉晨 單位：西安工程大學