一種2ASK的水下光通信系統(tǒng)研究

　　摘 要： 為解決水下聲通信的通信速率低，無(wú)線電波通信的通信距離短等問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種2ASK的水下光通信系統(tǒng)。該水下光通信系統(tǒng)使用2ASK二分鍵控調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)一定距離上的高速信號(hào)傳輸。在模型測(cè)試中，系統(tǒng)使用小功率藍(lán)光LED進(jìn)行信號(hào)傳輸，并在接收端處接收到發(fā)送信號(hào)，從而驗(yàn)證了使用2ASK進(jìn)行水下光通信的可行性，并通過測(cè)試其誤碼率、信噪比等通信系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，為使用BPSK，OFDM等技術(shù)的水下光通信系統(tǒng)提供重要參考。

　　關(guān)鍵詞： 水下光通信; 2ASK; 二分鍵控; 藍(lán)光; 誤碼率; 信噪比

　　《長(zhǎng)沙通信職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)》以鄧小平理論和“三個(gè)代表”重要思想為指導(dǎo)，堅(jiān)持與時(shí)俱進(jìn)，開拓進(jìn)取，為通信技術(shù)教育、高等職業(yè)教育服務(wù)，為建設(shè)小康社會(huì)服務(wù);本刊從行業(yè)特色、科學(xué)特色、地域特色三方面體現(xiàn)本學(xué)報(bào)的辦刊特色;本著立足本院、對(duì)外開放的辦刊原則，本刊熱情歡迎校內(nèi)外各方人士惠賜稿件。

　　0 引 言

　　水下通信作為水下信息化的一個(gè)重難點(diǎn)，長(zhǎng)期困擾著通信行業(yè)。常規(guī)電磁通信由于在水下極高的衰減率只能在近距離使用;水聲通信由于其較低的傳輸速率限制了水下信息化的發(fā)展;中微子通信等更高級(jí)的通信方式又亟待發(fā)展;可見光在水下的衰減程度遠(yuǎn)低于電磁波，且能夠進(jìn)行高頻調(diào)制，滿足信號(hào)高速傳輸?shù)男枨蟆Ｊ褂妙l分復(fù)用技術(shù)、水下可見光通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的水下組網(wǎng)通信，滿足較近距離的水下信息化的要求。

　　因此研究并對(duì)水下可見光通信技術(shù)進(jìn)行推廣可以在一定程度上滿足潛艇等水下設(shè)備互相通信的需求。而且潛艇等水下設(shè)備本身在深海進(jìn)行探索時(shí)經(jīng)常需要燈光照明，直接使用照明燈光進(jìn)行通信減少了系統(tǒng)的復(fù)雜度，減少了復(fù)雜的深海情況下出現(xiàn)設(shè)備損壞的幾率。

　　光通信近年來發(fā)展迅速，2013年，復(fù)旦大學(xué)首先使用LIFI技術(shù)，使用光通信令室內(nèi)電腦以高速率同時(shí)上網(wǎng)，標(biāo)志著我國(guó)在光通信方面也走上了世界的前列[1?2]。在對(duì)電磁干擾敏感的場(chǎng)所，例如醫(yī)院、飛機(jī)等應(yīng)用場(chǎng)景，可見光通信有著十分廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。深海探索領(lǐng)域中，水下機(jī)器人代替人力進(jìn)行深海探索已有一定進(jìn)展，單依靠水聲通信與常規(guī)電磁通信遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足不同的機(jī)器人個(gè)體之間的高速通信所需。綜上所述，水下光通信在水下通信領(lǐng)域具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)水下光通信進(jìn)行探索十分有利于水下通信事業(yè)的發(fā)展，進(jìn)而加快國(guó)家的深海探索進(jìn)程。

　　2.2 接收端電氣模型

　　在接收端處，光接收器件采用濱松S1223?01硅光電二極管，該光電二極管截止頻率為20 MHz，感光面積為10 mm2，十分適合用于構(gòu)建水下光通信系統(tǒng)。經(jīng)計(jì)算，PIN光電二極管在距離光源30 m處接收到的峰值光功率為[5.3×10-3] mW，根據(jù)其數(shù)據(jù)手冊(cè)，在藍(lán)綠光波長(zhǎng)500 mm附近的光電轉(zhuǎn)換效率為0.3 A/W，光電二極管的光生電流峰值為1.6 μA，經(jīng)過放大倍數(shù)為20 000倍的前置放大器放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過25倍的選頻放大電路進(jìn)行濾波并放大后得到信號(hào)峰值電壓為0.79 V的未解調(diào)信號(hào)電壓。進(jìn)而通過包絡(luò)檢波以及信號(hào)整形后得到接收信號(hào)，系統(tǒng)各處信號(hào)圖樣如圖3所示。

　　圖3a)為發(fā)送信號(hào)，根據(jù)2ASK的定義，在傳輸‘0’時(shí)，不發(fā)送任何信號(hào)，在傳輸‘1’時(shí)，發(fā)送載波信號(hào)[5]，對(duì)信號(hào)做FFT快速傅里葉變換，可以看到在載波頻率附近有明顯的信號(hào)。圖3b)為信號(hào)經(jīng)過衰減和發(fā)散后接收到的信號(hào)，可見信號(hào)強(qiáng)度明顯降低。圖3c)為經(jīng)過包絡(luò)檢波后的信號(hào)。圖3d)為對(duì)包絡(luò)檢波[6]后的信號(hào)進(jìn)行整形進(jìn)而接收到的信號(hào)。明顯可見接收到的最終信號(hào)與發(fā)送的信號(hào)嚴(yán)格對(duì)應(yīng)，可認(rèn)為成功接收并還原信號(hào)。

　　3 小比例系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　3.1 PIN光電二極管特性概述

　　系統(tǒng)硬件由發(fā)射端和接收端組成。發(fā)射端使用三極管組成二分鍵控電路并對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率放大再經(jīng)由LED進(jìn)行發(fā)射，信號(hào)源使用STM32單片機(jī)的串口信號(hào)作為信號(hào)源，將STM32串口波特率配置為115 200 b/s，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，1位停止位，將串口引腳直接接入到信號(hào)發(fā)射端并進(jìn)行調(diào)制和發(fā)送。由于發(fā)射端電路較簡(jiǎn)單，在此略過。下面主要介紹接收端電路。接收端電路由前置放大電路、選頻放大電路、包絡(luò)檢波和信號(hào)整形電路組成。

　　由于PIN光電二極管中結(jié)電容的存在嚴(yán)重影響了PIN光電二極管的響應(yīng)速度[7]，因此根據(jù)使用場(chǎng)合的不同，通常來說，PIN光電二極管的前置放大電路分為光伏模式和光導(dǎo)模式，由于光電二極管存在結(jié)電容，如果使用光電二極管輸出光電壓，即PIN光電二極管處于光伏模式中，則會(huì)導(dǎo)致其響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)。而在光導(dǎo)模式中，光電二極管處于電流輸出模式，其兩端電壓不會(huì)因?yàn)檩敵鲭娏鞯淖兓兓私Y(jié)電容對(duì)其帶寬的影響，從而大大提高了PIN光電二極管的頻率響應(yīng)表現(xiàn)。

　　3.2 前置放大電路

　　前置放大電路的設(shè)計(jì)主要考慮PIN光電二極管的電路特性、電路的頻率響應(yīng)、放大倍數(shù)、噪聲等四大方面。綜上所述，使用如下電路作為前置放大器，令PIN光電二極管處于光導(dǎo)模式。光導(dǎo)模式下系統(tǒng)使用的前置放大電路如圖4所示。

　　在圖4的電路中運(yùn)算放大器引入了負(fù)反饋，處于虛短虛斷的狀態(tài)，PIN光電二極管D1兩端的電壓始終不變，為光電二極管的高速響應(yīng)提供了可能性。而圖中所使用的AD823運(yùn)放增益帶寬積為16 MHz，輸入電容為8.9 pF/MHz。在圖4所示電路中，極點(diǎn)頻率為274 kHz，零點(diǎn)頻率[8]為2.1 MHz，本系統(tǒng)的載波頻率為1 MHz，該前置放大器的響應(yīng)范圍滿足系統(tǒng)所需。因此選擇AD823作為前置放大器運(yùn)放。

　　3.3 選頻放大電路

　　通信系統(tǒng)的選頻放大電路要求能帶內(nèi)平坦度好，通頻帶增益較大，阻帶衰減強(qiáng)，以期使用最簡(jiǎn)單的電路和最少的運(yùn)放從而避免引入噪聲以及降低成本，提高系統(tǒng)可靠性。本文水下可見光通信系統(tǒng)的選頻放大電路如圖5所示。

　　該電路為典型的無(wú)限增益負(fù)反饋帶通濾波器[9?10]，理論中心頻率為1 MHz，[Q]值為2，中心頻率增益為10倍[11?12]。實(shí)測(cè)[Q]值約為2，中心頻率處增益為5倍。使用兩組該濾波電路進(jìn)行串聯(lián)，中心頻率處放大倍數(shù)為25倍，考慮到與理論運(yùn)算的差距，增加放大倍率為4倍的反相比例放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。從而達(dá)到100倍的中心頻率增益，從而有效地放大信號(hào)。

　　包絡(luò)檢波器由1N60檢波二極管，100 pF，10 kΩ電阻組成，易知電容和電阻的RC時(shí)間常數(shù)為1 μs，測(cè)試使用的碼元速率為115 200 b/s時(shí)，碼元時(shí)間為8.6 μs，滿足系統(tǒng)所需。信號(hào)整形電路使用單門限比較器，經(jīng)實(shí)際測(cè)試，判決門限為0.2 V時(shí)通信質(zhì)量良好，誤碼率較低，通信距離較長(zhǎng)。

　　4 系統(tǒng)性能測(cè)試

　　4.1 測(cè)試條件

　　測(cè)試地點(diǎn)為廣州大學(xué)電子信息實(shí)驗(yàn)樓311室，使用50 cm×30 cm×20 cm的水箱進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，如圖6所示。

　　干擾光源為：16盞距離地面2.8 m的30 W日光燈，無(wú)日光干擾;供電電源：GWINSTEK臺(tái)灣固緯PPE?3323可編程線性直流電源;發(fā)送信號(hào)源：使用STM32F103開發(fā)板發(fā)送測(cè)試信號(hào)到發(fā)射板;接收硬件：宏碁E5?572G?52DX微型計(jì)算機(jī)。

　　通過在合適的光照下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，附近無(wú)強(qiáng)電磁場(chǎng)源，創(chuàng)造一個(gè)合適的水下空間對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)不添加聚光板，直接通過調(diào)制水上信號(hào)的LED發(fā)送信號(hào)到接收板上，對(duì)接收板進(jìn)行信號(hào)接收測(cè)試，判斷系統(tǒng)性能。

　　4.2 測(cè)試方式

　　使用STM32開發(fā)板的串口以115 200 b/s速率，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)的方式通過TTL電平發(fā)送異步串行數(shù)據(jù)，接入到發(fā)送板上。發(fā)送板LED方向直指向接收板光電傳感器方向，接收板的串口信號(hào)通過USB?TTL模塊轉(zhuǎn)電平到微型計(jì)算機(jī)上，微型計(jì)算機(jī)通過串口調(diào)試助手檢測(cè)接收到的數(shù)據(jù)并與原發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，統(tǒng)計(jì)其中100個(gè)連續(xù)發(fā)送的字符，得到其錯(cuò)誤發(fā)送的字符，進(jìn)而得到誤碼率。結(jié)合誤碼率與通信速率對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，如表1所示。

　　說明：系統(tǒng)在0～10 cm處誤碼率為零，而在20 cm處出現(xiàn)了輕微誤碼，當(dāng)?shù)竭_(dá)了30 cm處，接收端接收到夾雜著所發(fā)送字符的大量無(wú)關(guān)字符，故判斷為通信系統(tǒng)失效，有效通信距離為20 cm。