一種2ASK的水下光通信系統研究

杜永亮 曹忠 趙文靜

摘 ?要： 為解決水下聲通信的通信速率低，無線電波通信的通信距離短等問題，設計并實現了一種2ASK的水下光通信系統。該水下光通信系統使用2ASK二分鍵控調制方式進行調制，從而實現一定距離上的高速信號傳輸。在模型測試中，系統使用小功率藍光LED進行信號傳輸，并在接收端處接收到發送信號，從而驗證了使用2ASK進行水下光通信的可行性，并通過測試其誤碼率、信噪比等通信系統的關鍵參數，為使用BPSK，OFDM等技術的水下光通信系統提供重要參考。

關鍵詞： 水下光通信; 2ASK; 二分鍵控; 藍光; 誤碼率; 信噪比

中圖分類號： TN929.1?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 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重難點，長期困擾著通信行業。常規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展;中微子通信等更高級的通信方式又亟待發展;可見光在水下的衰減程度遠低于電磁波，且能夠進行高頻調制，滿足信號高速傳輸的需求。使用頻分復用技術、水下可見光通信技術可以實現大規模的水下組網通信，滿足較近距離的水下信息化的要求。因此研究并對水下可見光通信技術進行推廣可以在一定程度上滿足潛艇等水下設備互相通信的需求。而且潛艇等水下設備本身在深海進行探索時經常需要燈光照明，直接使用照明燈光進行通信減少了系統的復雜度，減少了復雜的深海情況下出現設備損壞的幾率。光通信近年來發展迅速，2013年，復旦大學首先使用LIFI技術，使用光通信令室內電腦以高速率同時上網，標志著我國在光通信方面也走上了世界的前列[1?2]。在對電磁干擾敏感的場所，例如醫院、飛機等應用場景，可見光通信有著十分廣闊的應用場景。深海探索領域中，水下機器人代替人力進行深海探索已有一定進展，單依靠水聲通信與常規電磁通信遠遠不能滿足不同的機器人個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域具有其獨特的優點，對水下光通信進行探索十分有利于水下通信事業的發展，進而加快國家的深海探索進程。

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 mm2，十分適合用于構建水下光通信系統。經計算，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，根據其數據手冊，在藍綠光波長500 mm附近的光電轉換效率為0.3 A/W，光電二極管的光生電流峰值為1.6 μA，經過放大倍數為20 000倍的前置放大器放大并轉換為電壓信號，通過25倍的選頻放大電路進行濾波并放大后得到信號峰值電壓為0.79 V的未解調信號電壓。進而通過包絡檢波以及信號整形后得到接收信號，系統各處信號圖樣如圖3所示。

圖3a）為發送信號，根據2ASK的定義，在傳輸‘0時，不發送任何信號，在傳輸‘1時，發送載波信號[5]，對信號做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。圖3b）為信號經過衰減和發散后接收到的信號，可見信號強度明顯降低。圖3c）為經過包絡檢波后的信號。圖3d）為對包絡檢波[6]后的信號進行整形進而接收到的信號。明顯可見接收到的最終信號與發送的信號嚴格對應，可認為成功接收并還原信號。

3 ?小比例系統實現

3.1 ?PIN光電二極管特性概述

系統硬件由發射端和接收端組成。發射端使用三極管組成二分鍵控電路并對信號進行功率放大再經由LED進行發射，信號源使用STM32單片機的串口信號作為信號源，將STM32串口波特率配置為115 200 b/s，無奇偶校驗位，1位停止位，將串口引腳直接接入到信號發射端并進行調制和發送。由于發射端電路較簡單，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、包絡檢波和信號整形電路組成。由于PIN光電二極管中結電容的存在嚴重影響了PIN光電二極管的響應速度[7]，因此根據使用場合的不同，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模式，由于光電二極管存在結電容，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，則會導致其響應時間變長。而在光導模式中，光電二極管處于電流輸出模式，其兩端電壓不會因為輸出電流的變化而變化，消除了結電容對其帶寬的影響，從而大大提高了PIN光電二極管的頻率響應表現。

3.2 ?前置放大電路

前置放大電路的設計主要考慮PIN光電二極管的電路特性、電路的頻率響應、放大倍數、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模式。光導模式下系統使用的前置放大電路如圖4所示。

在圖4的電路中運算放大器引入了負反饋，處于虛短虛斷的狀態，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提供了可能性。而圖中所使用的AD823運放增益帶寬積為16 MHz，輸入電容為8.9 pF/MHz。在圖4所示電路中，極點頻率為274 kHz，零點頻率[8]為2.1 MHz，本系統的載波頻率為1 MHz，該前置放大器的響應范圍滿足系統所需。因此選擇AD823作為前置放大器運放。

3.3 ?選頻放大電路

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

該電路為典型的無限增益負反饋帶通濾波器[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]。實測[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行串聯，中心頻率處放大倍數為25倍，考慮到與理論運算的差距，增加放大倍率為4倍的反相比例放大器對信號進行放大。從而達到100倍的中心頻率增益，從而有效地放大信號。

包絡檢波器由1N60檢波二極管，100 pF，10 kΩ電阻組成，易知電容和電阻的RC時間常數為1 μs，測試使用的碼元速率為115 200 b/s時，碼元時間為8.6 μs，滿足系統所需。信號整形電路使用單門限比較器，經實際測試，判決門限為0.2 V時通信質量良好，誤碼率較低，通信距離較長。

4 ?系統性能測試

4.1 ?測試條件

測試地點為廣州大學電子信息實驗樓311室，使用50 cm×30 cm×20 cm的水箱進行系統測試，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，無日光干擾;供電電源：GWINSTEK臺灣固緯PPE?3323可編程線性直流電源;發送信號源：使用STM32F103開發板發送測試信號到發射板;接收硬件：宏碁E5?572G?52DX微型計算機。

通過在合適的光照下對系統進行測試，附近無強電磁場源，創造一個合適的水下空間對系統進行測試，系統不添加聚光板，直接通過調制水上信號的LED發送信號到接收板上，對接收板進行信號接收測試，判斷系統性能。

4.2 ?測試方式

使用STM32開發板的串口以115 200 b/s速率，8位數據位，1位停止位，無奇偶校驗的方式通過TTL電平發送異步串行數據，接入到發送板上。發送板LED方向直指向接收板光電傳感器方向，接收板的串口信號通過USB?TTL模塊轉電平到微型計算機上，微型計算機通過串口調試助手檢測接收到的數據并與原發送數據進行對比，統計其中100個連續發送的字符，得到其錯誤發送的字符，進而得到誤碼率。結合誤碼率與通信速率對整個通信系統進行評價，如表1所示。

說明：系統在0～10 cm處誤碼率為零，而在20 cm處出現了輕微誤碼，當到達了30 cm處，接收端接收到夾雜著所發送字符的大量無關字符，故判斷為通信系統失效，有效通信距離為20 cm。