一种2ASK的水下光通信系统研究

杜永亮 曹忠 赵文静

摘  要： 为解决水下声通信的通信速率低，无线电波通信的通信距离短等问题，设计并实现了一种2ASK的水下光通信系统。该水下光通信系统使用2ASK二分键控调制方式进行调制，从而实现一定距离上的高速信号传输。在模型测试中，系统使用小功率蓝光LED进行信号传输，并在接收端处接收到发送信号，从而验证了使用2ASK进行水下光通信的可行性，并通过测试其误码率、信噪比等通信系统的关键参数，为使用BPSK，OFDM等技术的水下光通信系统提供重要参考。

关键词： 水下光通信; 2ASK; 二分键控; 蓝光; 误码率; 信噪比

中图分类号： TN929.1?34                        文献标识码： A                         文章编号： 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

水下通信作为水下信息化的一个重难点，长期困扰着通信行业。常规电磁通信由于在水下极高的衰减率只能在近距离使用;水声通信由于其较低的传输速率限制了水下信息化的发展;中微子通信等更高级的通信方式又亟待发展;可见光在水下的衰减程度远低于电磁波，且能夠进行高频调制，满足信号高速传输的需求。使用频分复用技术、水下可见光通信技术可以实现大规模的水下组网通信，满足较近距离的水下信息化的要求。因此研究并对水下可见光通信技术进行推广可以在一定程度上满足潜艇等水下设备互相通信的需求。而且潜艇等水下设备本身在深海进行探索时经常需要灯光照明，直接使用照明灯光进行通信减少了系统的复杂度，减少了复杂的深海情况下出现设备损坏的几率。光通信近年来发展迅速，2013年，复旦大学首先使用LIFI技术，使用光通信令室内电脑以高速率同时上网，标志着我国在光通信方面也走上了世界的前列[1?2]。在对电磁干扰敏感的场所，例如医院、飞机等应用场景，可见光通信有着十分广阔的应用场景。深海探索领域中，水下机器人代替人力进行深海探索已有一定进展，单依靠水声通信与常规电磁通信远远不能满足不同的机器人个体之间的高速通信所需。综上所述，水下光通信在水下通信领域具有其独特的优点，对水下光通信进行探索十分有利于水下通信事业的发展，进而加快国家的深海探索进程。

2.2  接收端电气模型

在接收端处，光接收器件采用滨松S1223?01硅光电二极管，该光电二极管截止频率为20 MHz，感光面积为10 mm2，十分适合用于构建水下光通信系统。经计算，PIN光电二极管在距离光源30 m处接收到的峰值光功率为[5.3×10-3] mW，根据其数据手册，在蓝绿光波长500 mm附近的光电转换效率为0.3 A/W，光电二极管的光生电流峰值为1.6 μA，经过放大倍数为20 000倍的前置放大器放大并转换为电压信号，通过25倍的选频放大电路进行滤波并放大后得到信号峰值电压为0.79 V的未解调信号电压。进而通过包络检波以及信号整形后得到接收信号，系统各处信号图样如图3所示。

图3a）为发送信号，根据2ASK的定义，在传输‘0时，不发送任何信号，在传输‘1时，发送载波信号[5]，对信号做FFT快速傅里叶变换，可以看到在载波频率附近有明显的信号。图3b）为信号经过衰减和发散后接收到的信号，可见信号强度明显降低。图3c）为经过包络检波后的信号。图3d）为对包络检波[6]后的信号进行整形进而接收到的信号。明显可见接收到的最终信号与发送的信号严格对应，可认为成功接收并还原信号。

3  小比例系统实现

3.1  PIN光电二极管特性概述

系统硬件由发射端和接收端组成。发射端使用三极管组成二分键控电路并对信号进行功率放大再经由LED进行发射，信号源使用STM32单片机的串口信号作为信号源，将STM32串口波特率配置为115 200 b/s，无奇偶校验位，1位停止位，将串口引脚直接接入到信号发射端并进行调制和发送。由于发射端电路较简单，在此略过。下面主要介绍接收端电路。接收端电路由前置放大电路、选频放大电路、包络检波和信号整形电路组成。由于PIN光电二极管中结电容的存在严重影响了PIN光电二极管的响应速度[7]，因此根据使用场合的不同，通常来说，PIN光电二极管的前置放大电路分为光伏模式和光导模式，由于光电二极管存在结电容，如果使用光电二极管输出光电压，即PIN光电二极管处于光伏模式中，则会导致其响应时间变长。而在光导模式中，光电二极管处于电流输出模式，其两端电压不会因为输出电流的变化而变化，消除了结电容对其带宽的影响，从而大大提高了PIN光电二极管的频率响应表现。

3.2  前置放大电路

前置放大电路的设计主要考虑PIN光电二极管的电路特性、电路的频率响应、放大倍数、噪声等四大方面。综上所述，使用如下电路作为前置放大器，令PIN光电二极管处于光导模式。光导模式下系统使用的前置放大电路如图4所示。

在图4的电路中运算放大器引入了负反馈，处于虚短虚断的状态，PIN光电二极管D1两端的电压始终不变，为光电二极管的高速响应提供了可能性。而图中所使用的AD823运放增益带宽积为16 MHz，输入电容为8.9 pF/MHz。在图4所示电路中，极点频率为274 kHz，零点频率[8]为2.1 MHz，本系统的载波频率为1 MHz，该前置放大器的响应范围满足系统所需。因此选择AD823作为前置放大器运放。

3.3  选频放大电路

通信系统的选频放大电路要求能带内平坦度好，通频带增益较大，阻带衰减强，以期使用最简单的电路和最少的运放从而避免引入噪声以及降低成本，提高系统可靠性。本文水下可见光通信系统的选频放大电路如图5所示。

该电路为典型的无限增益负反馈带通滤波器[9?10]，理论中心频率为1 MHz，[Q]值为2，中心频率增益为10倍[11?12]。实测[Q]值约为2，中心频率处增益为5倍。使用两组该滤波电路进行串联，中心频率处放大倍数为25倍，考虑到与理论运算的差距，增加放大倍率为4倍的反相比例放大器对信号进行放大。从而达到100倍的中心频率增益，从而有效地放大信号。

包络检波器由1N60检波二极管，100 pF，10 kΩ电阻组成，易知电容和电阻的RC时间常数为1 μs，测试使用的码元速率为115 200 b/s時，码元时间为8.6 μs，满足系统所需。信号整形电路使用单门限比较器，经实际测试，判决门限为0.2 V时通信质量良好，误码率较低，通信距离较长。

4  系统性能测试

4.1  测试条件

测试地点为广州大学电子信息实验楼311室，使用50 cm×30 cm×20 cm的水箱进行系统测试，如图6所示。

干扰光源为：16盏距离地面2.8 m的30 W日光灯，无日光干扰;供电电源：GWINSTEK台湾固纬PPE?3323可编程线性直流电源;发送信号源：使用STM32F103开发板发送测试信号到发射板;接收硬件：宏碁E5?572G?52DX微型计算机。

通过在合适的光照下对系统进行测试，附近无强电磁场源，创造一个合适的水下空间对系统进行测试，系统不添加聚光板，直接通过调制水上信号的LED发送信号到接收板上，对接收板进行信号接收测试，判断系统性能。

4.2  测试方式

使用STM32开发板的串口以115 200 b/s速率，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验的方式通过TTL电平发送异步串行数据，接入到发送板上。发送板LED方向直指向接收板光电传感器方向，接收板的串口信号通过USB?TTL模块转电平到微型计算机上，微型计算机通过串口调试助手检测接收到的数据并与原发送数据进行对比，统计其中100个连续发送的字符，得到其错误发送的字符，进而得到误码率。结合误码率与通信速率对整个通信系统进行评价，如表1所示。

说明：系统在0～10 cm处误码率为零，而在20 cm处出现了轻微误码，当到达了30 cm处，接收端接收到夹杂着所发送字符的大量无关字符，故判断为通信系统失效，有效通信距离为20 cm。