水下光通信多媒體數據傳輸系統的設計與開發

曹 聰，郭建中，王振亞，譚 浪，胡仁杰， 艾 勇，肖 云，袁進剛，萬梓傲

(1.武漢紡織大學 電子與電氣工程學院，武漢 430200；2.武漢六博光電技術有限責任公司，武漢 430072； 3.武漢船舶通信研究所，武漢 430205)

引言

水下光通信是一種通過水介質傳輸信息的通信方式，其信息載體是光，通過脈沖數字碼進行調制。由于海水吸收、散射強烈，水下光通信技術的實現會比空間光通信技術的難度大大提升[1]。一個完整的水下光通信系統包括大功率藍綠光LED發射模塊、高靈敏度APD接收模塊、FPGA下位機數據轉換模三大部分，由于該系統在水下工作，一些相關的參數與傳輸數據難以顯示和分析，于是基于該系統中的FPGA數據控制轉換部分與PC聯合設計了一款通信系統，由PC提供水下通信數據的直觀顯示，可實現多媒體數據傳輸及光信道性能檢測。上位機作為信源發出數據，通過網線傳遞給FPGA，FPGA經過數據轉換驅動LED發射模塊，將電信號轉化為光信號發出，接收方通過高靈敏度APD將光信號轉化為電信號接收，再通過FPGA由網線將信號傳輸到上位機，在上位機中完成數據處理并顯示處理結果。此為完成一次單向的水下光通信系統的數據傳輸。上位機主要功能是為數據處理與數據收發顯示以及發送控制命令，下位機主要功能是控制數據傳輸速率與硬件系統相匹配以及直接控制硬件設備。為增加數據發送方與接收方的互動性，在上位機軟件中增加了攝像頭抓拍及循環發圖功能。可從圖片等數據的接收完整性，直觀體現水下光通信系統的傳輸穩定性。

1 原理與設計

1.1 多媒體數據傳輸系統整體設計與數據處理流程

上位機軟件主體部分采用C#語言編寫,利用Microsoft Visual Studio 2017開發工具在.NET Framework v4.6.1框架下進行應用程序開發。C#是一種簡單、現代、通用以及面向對象的程序設計語言[2]。下位機部分主要采用Verilog HDL語言編寫,利用QuartusⅡ17.0軟件進行開發。Verilog HDL是一種硬件描述語言,邏輯電路圖、邏輯表達式以及數字邏輯系統所完成的邏輯功能都可以用它來表示，它將數字系統硬件的結構和行為以文本的形式描述[3]。

FPGA通過網線與上位機連接，水下光通信設備開機后，FPGA處于等待狀態，通過上位機開啟服務，綁定固定端口，與下位機進行通信。上位機通過指令，控制系統的運行模式、光發射模塊與光接收模塊的開關及傳輸速率的切換等，通過光發射與光接收的硬件部分反饋的信號，FPGA判斷其是否正常工作并將結果返回給上位機，由開關控制區域的顏色進行表示。FPGA端資源有限，通過建立簡易的UDP通信模塊與PC端進行通信，FPGA根據接收的數據實現電路控制[4,5]。PC端開啟UdpReciveThread()線程進行接收，將接收的數據按照自定義的通信協議解析數據包，再進行相應的處理及顯示。

1.2 多媒體數據傳輸系統的結構設計

根據PC與FPGA檢測系統中的處理流程和數據的調用可分為四層：如圖1所示的系統結構圖，分別為界面層、處理層、通訊層和FPGA層。

圖1 多媒體數據傳輸系統結構框圖Fig.1 Block diagram of multimedia data transmission system

水下光通信系統框圖如圖2所示，下位機以UDP數據包的形式從上位機接收數據，在FPGA中通過FIFO緩沖解決PC與FPGA之間的數據傳輸速率匹配問題和FPGA內部的跨時鐘域問題[6]，再將數據以LVTTL電平的模式傳輸給LD驅動電路。FPGA將UDP模塊接收到的數據進行RS糾錯編碼，確保數據傳輸的準確性，再進行8B/10B編碼防止過多連續零和連續一的情況發生，再進行并串轉換以及幀同步后輸出的信號通過LD發射模塊發出，接收端接收后一次進行譯碼，再有UDP模塊傳送給PC進行處理顯示。若發送方改變了FPGA的發送速率，接收方的FPGA會對接收速率自適應改變，并將改變后的速率通過消息形式發送給上位機顯示。

圖2 水下光通信系統流程圖Fig.2 Flow chart of underwater optical communication system

1.3 PC與FPGA各個模塊設計

1.3.1 數據讀取模塊的設計與開發

目前實現下位機與上位機之間的數據通信通常使用的方式有兩種：1)USB轉串口方式；2)以太網方式。本次水下光通信系統的通信速率范圍跨度大，傳輸速率要求高，擬達到50 Mbps，故而選用網線連接的方式，運用以太網進行通信。該通信系統工作前，需先將PC端的IP地址設置為與下位機代碼中對應的地址。在后臺代碼中利用建立Socket建立套接字，可應用Bind()綁定端口，與FPGA端進行端對端的收發。其通訊準備流程如圖3所示。

圖3 通訊準備流程圖Fig.3 Flow chart of communication preparation

通訊準備完成后，上位機需向FPGA發送相應指令，使FPGA打開光發射與接收的硬件設備，即可進行模式選擇，同時可收到FPGA返回的當前信道數據的傳輸速率，點擊繪圖模式便可實時顯示當前的發送與接收速率并繪制成曲線。若發送端的速率改變后，系統將處于未同步狀態，接收端會自動調整接收端的速率檔位直到設備處于同步狀態。其繪制的速率曲線圖界面如圖4所示。

圖4 通信速率曲線圖Fig.4 Communication rate curve

光接收模塊接收數據轉化為電信號輸出給FPGA，FPGA經過幀同步穩定接收后，設置幀長為1024字節為一幀，其中前8個字節為自定義通信協議數據包格式中的數據。由于數據接收函數一直運行需要大量資源，會使主線程操作時卡頓，故開啟一個新的線程，進行消息接收。為了保證軟件的穩定性，一般使用異步調用的方式。在新線程中調用Receive()方法進行數據接收。數據讀取流程圖如圖5所示。

圖5 數據讀取流程圖Fig.5 Data reading flow chart

1.3.2 數據解析模塊的設計與開發

上位機接收FPGA傳輸的數據，通過幀頭辨別數據類型進行相應的處理。將接收到的數據包暫存在新建數組中，根據自定義的通信協議進行判斷。由于從光模塊接收的數據已經有FPGA經過幀同步處理了，所以無需再進行特殊判別，可直接將接收數據進行分類，若不是所需要數據可直接舍去，后續不做任何處理。數據解析流程圖如圖6所示。自定義控制命令格式如圖7所示。

圖6 數據解析流程圖Fig.6 Data analysis flow chart

首先UDP協議的數據包在網絡層通過添加IP首部，封裝成IP數據包的格式，然后送到以太網MAC層完成以太網標準數據幀格式的封裝，最后才送到物理層處理，在數據鏈路層，數據都是以數據幀的形式進行傳輸的。以太網有效數據封裝成標準幀之后再進行傳輸[7]。標準以太網的幀格式包括幀頭標記(前導碼和幀起始定界符)、目的MAC地址、源MAC地址、長度/類型域、數據域、填充域和幀校驗域等字段[8]。

圖7 自定義控制命令格式Fig.7 Custom control command format

1.3.3 數據處理模塊的設計與開發

在通訊模式下，FPGA首先進行幀同步，確認幀同步后開始進行數據處理與傳輸，在FPGA中數據主要經過了8B/10B編解碼，RS編解碼的處理，主要是為了降低通信誤碼率，使得數據可以進行有效且穩定的傳輸，數據由FPGA傳送給上位機，上位機進行處理顯示，根據幀頭判斷多媒體數據的形式，再將以不同形式進行展現；在誤碼測試模式下，FPGA無需進行幀同步等處理，發送方由本原多項式產生27-1位偽隨機序列，以固定時鐘循環發送，接收方接收進行循環比對，以接收到的數據個數作為總數，比對的不同個數作為誤碼個數，反饋給上位機，上位機利用BitConverter()函數轉化為浮點型數據進行處理顯示。數據處理流程如圖8所示。

圖8 數據處理流程圖Fig.8 Data processing flow chart

2 實驗

2.1 多媒體數據傳輸系統通信性能自測

首先對PC與FPGA組成的通信系統進行獨立的性能測試，只有先確保了該系統的穩定可靠，才可加入到水下通信系統中進行水下的綜合測試。上位機主頁面如圖9所示。

主頁面包含有基礎的字符串、圖片等數據傳送功能，在主頁面的“上位機模式選擇”中包含有互動功能，增加人機的互動性，可手動截圖發送，也可定時在某一時刻拍攝發送給對方，也可設置開始與結束時間在期間以某一特定時間間隔拍攝并發送給對方。該功能增強整體系統的人際互動性。此頁面如圖10(a)所示。循環與實時功能，便于觀測連續數據的發送與接收情況，可從側面反映出系統通信性能的情況。實時功能頁面如圖10(b)所示。

圖9 上位機主頁面Fig.9 The main page of the host computer

2.1.1 丟包率測試

為便于觀測對比發送與接收的數據，有單塊FPGA與PC通過網線相連進行系統的環回實驗，通過Wireshark軟件在PC端進行抓包，對所抓取的以太網數據包進行比對。丟包率是數據通信過程中數據包丟失的數量與發送數量的比率[9]，其可以作為一項重要指標來證名該系統的穩定性。通信丟包率部分測試數據如表1所示。

通過對通信丟包率的測試，相同數據長度、相同速率、不同數據包個數；相同數據長度、不同速率、相同數據包個數；各項測試中的丟包率均為0，可以得出PC與FPGA組成的通信系統穩定性極好，不存在丟包情況，能夠應用于水下光通信的測試中。

2.1.2 誤碼測試模式可用性測試

誤碼率是通信信道性能的直接體現，為了測試該系統誤碼測試的功能，使用單塊FPGA與PC進行環回實驗，其中有插入誤碼的功能，能夠測試該系統中誤碼測試功能是否良好。誤碼率的計算公式如式(1)所示：

(1)

式中Pe為誤碼率；Ne為傳輸中的誤碼個數；N為傳輸中的總碼數。根據以上誤碼率的計算公式計算，誤碼率測試結果如表2所示(速率是指FPGA開發板上利用SMA傳輸線模擬的光信道的傳輸速率)。

經計算檢驗，界面顯示的誤碼率準確。通過對誤碼率測試功能的檢測，可以得出該系統測試誤碼率的方法可靠性高。基于不同的數據傳送速率，插入誤碼次數不同，由于SMA代替光信道，多次實驗，誤碼率的變化符合理論規律。

表1 通信丟包率測試

表2 誤碼率測試

2.2 誤碼測試模式可靠性測試

測試場景如圖11所示，為同一通信信道，分別使用誤碼儀與該檢測系統檢測誤碼率，其中誤碼儀型號為ET34A誤碼測試儀，該誤碼儀速率最高僅能達到34 Mbps。其中，圖11(a)、(b)為實驗場景圖，圖11(c)、(d)為實驗結果圖。由于條件有限，搭建簡易的平臺進行測試實驗，根據接收端增加衰減片模擬水下不同距離的接收。

圖11 檢測系統誤碼率準確率測試Fig.11 Testing the accuracy of the bit error rate of the detection system

圖12 測試場景圖Fig.12 Test scene diagram

根據多次的實驗，該檢測系統的誤碼率與同一條件誤碼儀檢測的誤碼率一致，故此系統可用于測試實際水下光通信信道的誤碼率檢測，從而獲取水下光通信信道的性能指標與關鍵數據。

2.3 水下通信系統整體測試

通信測試時間為下午至夜晚，地點為泳池內，泳池兩邊分別放置2個設備，里面分別有藍綠LED和藍綠LD發射模塊及APD、PMT接收模塊。其中藍綠光波長分別為450 nm和520 nm，藍綠光LED陣列發光功率均為36.6 W，藍色激光發光功率均為80 mW，綠色激光發光功率均為130 mW，APD探測器接收靈敏度約為-31dBm，PMT探測器靈敏度約為-55 dBm。測試場景圖如圖12所示，其中(a)、(b)為空間測試場景圖，(c)、(d)為水下測試場景圖。

下午在空間上對該套設備的性能進行了測試，速率為3 Mbps，通信距離為50 m時，測得誤碼率為10-8。實驗截圖如圖13所示。

圖13 空間光通信信道誤碼測試結果圖Fig.13 Error test result of space optical communication channel

晚上在水下對該套設備的性能進行了測試，發射端由藍光發射光源，接收端由大面積APD進行光接收，測試的誤碼率情況如圖14所示。

經過多次測試得到結論，最佳情況為：空間中測試，綠光LED發射，PMT接收，通信距離50 m，通信速率3 Mbps可達到0誤碼；空間中藍光LED發射，APD接收，則誤碼率為10-8，此時可雙向發送接收近乎完整的多媒體數據；水下環境測試，藍光LD發射，APD接收，通信距離15 m，通信速率50 Mbps可達到0誤碼，可接收完整數據；水下環境測試，綠光LD發射，PMT接收，通信距離40 m，通信速率3M，誤碼率為10-5，接收數據不完整。

圖14 水下光通信信道誤碼測試結果圖Fig.14 Error test results of underwater optical communication channel

3 結論

綜上所述，本文中PC與FPGA所組成的多媒體數據傳輸系統具有穩定性與可靠性，且能夠加入到水下光通信系統中進行實驗，并在不同傳輸速率下能夠測得光通信信道的誤碼率，得到光通信系統性能評價的關鍵指標參數。還能夠進行實時的數據回傳，當前通信速率以繪圖形式呈現出來，非常直觀；當前誤碼率也是實時在界面刷新，并且可停止在某一時刻獲取當前時刻得誤碼率值。在誤碼率良好的情況下可進行多媒體數據的傳輸。該系統在水下光通信中十分具有應用意義，并具有穩定可靠性，用于水下光通信中。