基于RZ—OOK的水下光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于歸零碼（RZ-OOK）調(diào)制技術(shù)的光通信系統(tǒng)，系統(tǒng)以半導(dǎo)體藍(lán)光激光器作為信號(hào)的發(fā)射端，以DET10A光電探測(cè)器作為接收端對(duì)光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大濾波整形成數(shù)字信號(hào)以便進(jìn)行信號(hào)的解調(diào)與解碼。實(shí)驗(yàn)室通過(guò)水槽模擬水下環(huán)境實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明所設(shè)計(jì)的水下激光通信系統(tǒng)是可行，通信速率達(dá)512kbps。

關(guān)鍵詞：RZ-OOK；水下；通信；激光A器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.193

1 引言

地球上70%以上由海洋覆蓋，海洋中有豐富且寶貴的各種資源。因?yàn)榭茖W(xué)研究、商業(yè)以及軍事方面的需要，人類越來(lái)越重視對(duì)海洋環(huán)境與資源的探索，越來(lái)越多的海下作業(yè)和海下活動(dòng)就要求有一種良好的水下通信的方式為水下的人員和各種設(shè)備提供通信手段。在陸上的無(wú)線電子通信由于電磁波在海水中劇烈衰減根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)傳播，盡管水聲通信能夠成為水下通信的一種方案[1]，但其帶寬有限、傳輸延時(shí)、設(shè)備龐大復(fù)雜等，光通信具有高帶寬、實(shí)時(shí)、安全、抗干擾等諸多優(yōu)點(diǎn)使得水下光通信技術(shù)成為這幾十年來(lái)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

激光水下通信的關(guān)鍵技術(shù)主要有高功率高穩(wěn)頻激光器及其調(diào)制、光電探測(cè)即解調(diào)、編解碼計(jì)算法、低功耗信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)、適應(yīng)水下環(huán)境的微小型耐壓水密艙制造等多方面的技術(shù)[2]，本文的重點(diǎn)在調(diào)制技術(shù)以及信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)射端

1963年，美國(guó)S.A. Sullivan和S.Q. Duntley等人發(fā)現(xiàn)海水在0.45～0.55pm的藍(lán)綠波段存在低損耗窗口[3]，因此我們實(shí)驗(yàn)選用了PM-B500-450藍(lán)光連續(xù)激光器作為信號(hào)的發(fā)射端；該激光器支持TTL電頻直接調(diào)制。峰值功率較小，適合于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證使用。

2.2 調(diào)制

調(diào)制技術(shù)要依據(jù)選用的激光器和系統(tǒng)的目標(biāo)進(jìn)行選擇，比如半導(dǎo)體連續(xù)激光器可以直接使用OOK調(diào)制技術(shù)，而很多高功率固體脈沖激光器就只能使用脈沖調(diào)制。本文選用的是支持TTL電平調(diào)制的連續(xù)半導(dǎo)體激光器，這樣就可直接使用OOK調(diào)制，但是直接使用OOK調(diào)制，會(huì)因?yàn)槊}沖展寬的原因而使得調(diào)制頻率受限，而且直接調(diào)制的平均功率利用率低。為了提高功率利用率以及適應(yīng)高功率脈沖激光器的工作方式，我們應(yīng)該選擇采用脈沖調(diào)制的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)激光。基于脈沖的調(diào)制方式很多，比如PPM、DPPM、DPIM、DHPIM等，但是OOK方案最簡(jiǎn)單、最易于理解和實(shí)現(xiàn)，綜合考慮，于是我們最終選擇RZ-OOK調(diào)制方式。實(shí)驗(yàn)中RZ-OOK調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生我們用了極其簡(jiǎn)單的方案，就直接使用一個(gè)邏輯與門(mén)實(shí)現(xiàn)。我們一般OOK信號(hào)與合適周期脈沖波直接相與就可以得到RZ-OOK脈沖信號(hào)了。要特別說(shuō)明的是，這里我們的一個(gè)邏輯電平“1”可以靈活的由一個(gè)或多個(gè)脈沖表征，這也使得操作和處理起來(lái)更加靈活。

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2.3 接收處理與解調(diào)

信號(hào)接收用THORLABS公司的DET10A型光電探測(cè)器，探測(cè)器接收的是帶有噪音的小信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)放大整形濾波處理，處理之后就是RZ-OOK數(shù)字脈沖信號(hào)了。小信號(hào)脈沖的幅度不一，經(jīng)過(guò)放大濾波之后再經(jīng)過(guò)比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)整形，比較器的比較門(mén)限電平要選合適了。

如圖4所示，RZ-OOK信號(hào)最終經(jīng)過(guò)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器對(duì)脈沖進(jìn)行展寬就可整形成一般的OOK信號(hào)，即可直接通過(guò)成熟的常規(guī)方式解碼。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器我們采用芯片74LS123來(lái)設(shè)計(jì)，只需要調(diào)整電阻電容的值使得脈沖展寬的時(shí)間等于前面提到的周期脈沖波形的周期即可。電路原理簡(jiǎn)單這里不贅述。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本文通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)具體水下藍(lán)光激光通信系統(tǒng)的模型，實(shí)驗(yàn)用0.1m*0.2m*1m的水槽以及光衰減器來(lái)模擬光在海下傳播的環(huán)境，我們實(shí)現(xiàn)了比特率高達(dá)512kbps的成功通信，進(jìn)行了大量的文本傳輸實(shí)驗(yàn)，在256kbps比特率下對(duì)128kbps的高清數(shù)字音頻信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，音質(zhì)清晰。在實(shí)驗(yàn)中我們對(duì)于實(shí)現(xiàn)RZ-OOK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)方案中顯得更加簡(jiǎn)單靈活、易于實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了我們實(shí)驗(yàn)方案具有良好的可行性，能夠?yàn)樗峦ㄐ盘峁┮粋€(gè)很好的借鑒，具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]Giles， J.W.；Bankman， I.N.，“Underwater optical communications systems. Part 2： basic design considerations，” IEEE Military Communications Conference，.Atlantic City， NJ.， USA.， pp.1700-1705. 2005

[2]李宏升，岳軍等.藍(lán)綠激光水下通信技術(shù)綜述[J].《遙測(cè)遙控》，2015，36（05）：16-22.

[3]S. Q. Duntley. Light in the Sea [J]. Opt. Soc. Am.， 1963， 53（02）：214-233.

作者簡(jiǎn)介：王明波（1990-），男，福建泉州人，碩士研究生，研究方向：水下光通信。