杜永亮 曹忠 趙文靜

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(wèn)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(guò)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

中圖分類(lèi)號(hào)： TN929.1?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）19?0006?05

Abstract： In order to solve the problems of low communication rate of underwater acoustic communication and short communication distance of radio wave communication， a 2ASK underwater optical communication system is designed and implemented in this paper. The 2ASK binary keying modulation mode is used in the underwater optical communication system to realize high?speed signal transmission in a certain distance. In test of the model， the feasibility of underwater optical communication with 2ASK modulation is verified by using low?power blue LED to transmit the signal and receive the sending signal at the receiving terminal. Meanwhile， the key parameters of the communication system， such as bit error rate and signal?to?noise ratio， are tested to provide an important reference for the underwater optical communication system with BPSK and OFDM technologies.

Keywords： underwater optical corresponding; 2ASK; binary keying; blue light; bit error rate; signal?to?noise ratio

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(jiàn)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?。使用頻分復(fù)用技術(shù)、水下可見(jiàn)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(jiàn)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(lái)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(jiàn)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)衰減和發(fā)散后接收到的信號(hào)，可見(jiàn)信號(hào)強(qiáng)度明顯降低。圖3c）為經(jīng)過(guò)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(jiàn)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(guò)。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(lái)說(shuō)，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?，消除了結(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(jiàn)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(mén)限比較器，經(jīng)實(shí)際測(cè)試，判決門(mén)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(kāi)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(shuō)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。