基于ARM 控制的紫外光通信系统收发端捕获、对准与跟踪（APT）的研究与实现

刘 帅

（西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安 710048）

0 引 言

紫外光通信具有保密性好、抗干扰能力强、可非直视通信等优点。作为一种目前较新的通信方式，尤其是采用日盲波段的紫外光作为载波进行通信的方式，近年被各大高校深入研究并且已经研制出相对较为成熟的通信硬件设备。本文在现有的硬件设备基础上，提出详细的基于ARM 控制的收发端捕获、对准与跟踪（APT）设计方法，并且上机进行实地测验。

1 系统设计

1.1 硬件背景

现有通信实验样机总体架构如图1 所示，主要由主通信机、大气信道和从通信机3 大部分组成。通信机包括载有光源与光电倍增管的四棱柱部分、STM32微处理器、电机与其驱动设备、光源驱动电路等。STM32 微处理器通过伺服控制器控制电机，使其以一定转速带动与电机同轴的四棱柱匀速运转。同时，输入的信号经STM32 微处理器进行放大、滤波、整形处理后，传输给光源驱动电路驱动紫外（UV）LED 向四周发送信号，通过采集的信号判断当前主从通信机的通信状态[1]。

图1 样机系统结构组成

现有通信实验样机中，接收端和发射端都集中于节点四棱柱上（如图1 所示，“X”表示发射端的紫外LED，“O”表示光电倍增管接收装置），所以可以实现双向通信。主从通信机通信过程可以分为直视通信和非直视通信两个通信过程，如图2 所示[2]。

1.2 当前硬件背景下的实验测得数据

基于现有通信样机，在夜晚室内有微弱光照、以1 kHz 的方波作为信号、以波长365～370 nm（非日盲）的光源作为发射端、收发端距离为5 m 的情况下，测得数据波形。

（1）光电倍增管接收并未经处理，由非直视到直视通信过程的波形如图3 和图4 所示。

图2 样机通信过程

图3 非直视通信测得波形图

图4 直视通信测得波形

（2）对输出波形进行滤波处理后的图形，如图5和图6 所示。

图5 非直视测得滤波后

图6 直视通信测得滤波后

2 捕获、对准、跟踪算法

对测得电压进行整形，以便于STM32 处理，具体方法如下：设定一个阈值电压，与接收到的滤波后的波形进行比较，从而将三角波整形为方波。通信过程中固定一个阈值电压，接收端测得波形的功率峰值随对准的情况有大小的变化，所以通过整形后波形的高电平的时长可以反映出当前对准情况的对准效果。

如图7 所示，三角波为滤波之后的波形，红线为设定阈值，两者通过比较器后输出整形后的方波。

该方法的具体操作步骤如下：

（1）开机后，主从节点差速旋转（主节点1 s/r，从节点4 s/r），持续10 s 捕获过程；

图7 设定阈值整形后的波形

（2）对接收端采集到的波形通过阈值门限电路进行整形，随后从节点利用处理器的波形采集功能采集经过整形处理后的波形的高电平时长，将所得时长进行排序，去除异常的数据（如过短或者过长数据），取得最大值（该时长最大值必须在合理范围内）作为是否对准的参考量；

（3）10 s 捕获过程结束后，在下一周期检测到高电平时长最大值时，从节点随即加速到1 s/r；

（4）为了弥补从节点加速过程带来的误差，先对电机进行微量的超调，然后将速度减至1 s/r，完成对准过程；

（5）在两者同速旋转的过程中，检测该范围时长内的出现次数，次数增加或者不变时，维持当前旋转状态，如果次数减少，则开始计入微调阶段（跟踪阶段）；

（6）微调阶段：是否加、减速，随该时长出现次数变化趋势选择，即当前旋转状态下，该范围内的时长开始减小，则从节点开始小范围加速，ARM 微处理器检测该范围内的波时出现次数，次数增多则继续加速，加速至次数不变或者开始减少；反之减速，且减速后的微调过程与加速同样。流程框图如图8 所示。

3 实验测试及结果分析

对设备采用波形采集法，在夜晚室内有微弱光照、以1 kHz 的方波作为信号、以波长365～370 nm（非日盲）的光源作为发射端、收发端距离为5 m 的情况下进行实验。

设备在10 s 捕获阶段可以实现初步对准，并且可以很好地在直视通信时完成捕获；在对准与跟踪阶段，设备可以在当前周期接收到合理范围内的高电平时长后，迅速做出速度调整反应，并且可以实现跟踪阶段的微调；进入微调阶段后，通信系统可以实现直视与非直视通信的无缝连接。整个通信过程采集的波形如图9 所示。

在主从通信机通信丢失后，设备可以做出重新对准的调整，再次进行捕获、对准与跟踪的工作。

图8 流程框图

图9 波形采集法APT 完成后接受到的波形