基于PIN的水下可見光雙向語音通信試驗研究

劉杰徽，何 英，胡 鋒，甘若宏，甘智宇

(重慶前衛科技集團有限公司，重慶 401121)

0 引 言

隨著國家對海洋權益保護的日益重視，與海洋作業相關的活動迅速增多，如石油等資源的開采、海底生物的研究和國家安全防衛等。水下高速無線通信技術對于水下活動具有重要的研究意義。可見光通信(Visible Light Communication, VLC)是一種新型寬帶通信技術,其通過高性能的發光二極管(Light Emitting Diode，LED)發出高速閃爍信號，由接收端的光敏元件傳輸信息，具有通信速率高、安全性好和體積小等優勢[1-3]。VLC可以補充無線電頻率通信，并改善無線網絡性能，實現新的移動無線設備使用案例[4]。

近年來，空間調制(Spatial Modulation, SM)技術作為一種有效的功率和帶寬調制技術，在VLC領域受到越來越多的關注。2018年，Wang J Y[5]等研究了基于SM的具有任意發射機數量的VLC，提出了一種信道自適應位映射方案，并驗證了該方案的有效性；同年，Hessien S[6]等針對水下VLC系統(Underwater Visible Light Communication，UVLC)，實現了一種自適應的長期演進幀結構，在考慮信道估計和同步的情況下，對采用非均勻限幅光正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)調制技術的UVLC系統的性能進行了實際測試，研究了OFDM參數的變化對系統信噪比和誤碼率性能的影響，但該系統測試的水下信道距離僅為1 m(衰減系數為0.071 m-1)；2019年，Chen M等[7]開發了一種基于現場可編程門陣列芯片的實時離散多音(Discrete Multi-Tone ,DMT)收發器，該收發器在一個硅襯底藍色LED的UVLC系統中進行了實驗驗證，DMT信號的總比特率達到2.34 Gbit/s，誤碼率為3.5×10-3，該系統水下鏈路距離為1.2 m。

水下信道模型中應用最廣泛的是比爾定律(Beer Law)，Beer Law認為水下光束能量衰減特性是與介質的吸收特性和散射特性相關的指數衰減特性[8-9]，且光子發生散射效應后，將離開主光軸中視場角接收范圍，因此，Beer Law在相對簡單的純水環境及短距離通信中有效。現階段無法針對LED水下通信進行光衰減系數的直接測試。因此，本文提出了一種水下光衰減系數測試方法，通過對樣本水質衰減度進行擬合，并對UVLC的信道模型進行估計，設計并搭建了UVLC，實現了不同距離下的語音通信。本文還分析了不同距離下信號幅度的影響因素，驗證了該模型和測試方法的正確性。

1 水下通信距離信道模型估計

在水下短距離條件下，仍然采用Beer Law信道模型來描述水下光束能量衰減特性。水的吸收特性與水中所含的物質成分密切相關，如各種無機物、有色溶解有機物和浮游植物，而水的散射與水中顆粒物的種類、直徑大小和分布有關[10]。依據能量守恒定律，入射光束減少的能量應該等于被水吸收的和散射出的光束總量即衰減總功率[11]。通過發射、吸收和散射功率得出散射度和吸光度，最后對水體厚度求極限得到水體的吸收和散射系數[12]。光在水中的衰減主要來自吸收和散射的影響，所以水下光通信首先要考慮到的就是水對光的吸收與散射效應，其決定著信道模型中的吸收與散射系數[13]。

由于該信道模型為指數衰減模型，在特定的水文與深度條件下，定義水下信道能量衰減模型[14]為

式中：I為光通過介質后的光強度；I0為初始光強度；z為光通過介質的距離；c為介質衰減系數；a為介質對光的吸收系數；b為散射系數。

根據現有模型，在室溫和環境光照度為0的條件下，選擇額定功率為1 W、波長為465 nm的藍光LED作為光源，取少量目標海域海水作為通信水質樣本，在容器壁厚5 mm，長寬高分別為25 cm×25 cm×50 cm的玻璃容器中進行衰減系數試驗，圖1所示為衰減系數試驗測試圖。

圖1 衰減系數試驗測試圖

應用照度計(MT-4617LED)測量藍光入射水質樣本前的初始照度，然后在玻璃容器中加入適量水質樣本，再次測量穿過既定高度水質樣本的光照度。第一次測試完成后，繼續加入水質樣本，每次水質樣本高度增加0.05 m，每加入一次水質樣本，測量一次光的出水照度，連續進行6組不同深度的水質樣本出水照度測量，每組測量5次，并對5次數據取平均。得到經過水質樣本的照度數據結果并擬合，圖2所示為樣本水質衰減系數擬合曲線圖。

圖2 樣本水質衰減系數擬合曲線圖

試驗測試結果函數擬合方程為

式中：x為光通過介質的距離；y為照度計在不同距離的照度測量值。對照Beer Law信道模型，0.206 7為擬合介質衰減系數，式中照度系數與初始照度值一致，如果令光入水前初始照度值為L0，則

由于照度L=φ/S為單位面積上的光通量，S為照度計的光探測接收面積，φ為通過該接收面積的光通量，可以得出以下推算，

令φy=y×S，φ0=L0×S，則可得

式中：W為輻射到接收面積S上的光功率；n為轉換效率。

由此可知，在既定水質條件下的通信距離與發射光功率和接收光功率有關，根據樣本水質測試結果，即在光源和接收端靈敏度確定的前提下，可以根據最遠接收光功率的大小，應用以上表達式，估算出在該水質條件下的水下通信距離。

若針對波長為λ的LED光源測試或采用光功率設備進行測試時，即可將上式改為

式中，c(λ)為波長為λ的光在該水質中的衰減系數。

2 UVLC系統

2.1 系統模型

UVLC系統框圖如圖3所示。發送端和接收端主要包括信號處理部分和光學模塊部分。首先，信源發送信號，由信號處理部分對信號進行編碼、調制和轉換后進入光學模塊部分，通過光源發送信號至水下光信道。信號經過水下信道傳輸后，接收端由光學模塊中的高靈敏度光電探測器對光信號進行檢測，轉換為電信號后再進入信號處理部分解調，從而恢復原始信息。

圖3 UVLC系統框圖

由于可見光在信道傳輸過程中會有能量損耗，光電探測器檢測輸出的電流信號幅值較小，在收發端光學模塊電路中分別設計了一個功率放大器和增益控制器，對電壓信號進行放大，接收電路將光電探測器檢測后產生的微弱電流信號轉變為電壓信號后，方便進行后續的信號處理。

2.2 發射端

圖4所示為發射端示意圖，本系統的發射端主要包括發射燈頭與發射模塊電路，發射燈頭采用的是可調焦距的商用餌燈燈頭，發射模塊電路包括音頻信號處理模塊、功放模塊和發射驅動電路。

圖4 發射端示意圖

為了VLC的便捷和節能，光源器件選用體積小和功耗低的LED作為發光器件。LED是電流驅動的單向導通器件，其亮度與正向電流成正比，而LED本身的伏安特性并不是嚴格的線性，為保證LED的正常通信功能，在進行發射電路設計時必須把電流控制在線性區域內，本次測試選用1 W商用科銳(CREE)藍色燈珠，型號為XPE-2-R4，圖5所示為所測LED傳輸特性曲線。

圖5 LED伏安特性曲線圖

根據LED傳輸特性，選取LED光源的工作電壓為4.5 V，使其工作在線性區內。由于系統傳輸業務為音頻信號，要設計合適的頻率響應特性的直流偏置電路，系統帶寬的上限截止頻率(增益下降-3 dB處)控制在2 kHz以上，保證0～2 kHz信號有良好的幅頻特性。圖6所示為直流偏置電路原理圖。

圖6 直流偏置電路原理圖

可計算得出該電路的頻率響應，公式如下：

式中：j為傅里葉變換后虛數單位；ω為角頻率。設計直流偏置電路的關鍵在于將ω調節到信號的3 dB帶寬處，根據以上計算，并對器件進行適當選型，令C1=330 μF，L1=10 μH，R1=30 Ω，Vcc=4.5 V，在Multisim軟件中對信號響應進行仿真，仿真結果如圖7所示，圖中，Channel_A為輸入信號通道，輸入信號為2 kHz的交流信號，Channel_B為輸出信號通道。由圖可知，該電路實現了輸出信號的無失真偏置，且在2 kHz以內有良好的幅頻響應。

圖7 直流偏置電路仿真結果

2.3 接收端

圖8所示為接收端示意圖。在接收端準直光學系統中，選擇圓形光學玻璃凸透鏡作為光學鏡片進行接收。該透鏡為耐高溫高硼硅材質，內外圓直徑為38～48 mm，透光率高達99%，焦距范圍為42 mm+20 mm。同時，為了便于焦距調節和光信號的對準，光電二極管(Photodiode，PD)設計在光電轉換電路的中心，在旋轉圓筒的條件下，使接收光斑與PD的位置重疊。

圖8 接收端示意圖

系統的光電探測器采用的是HAMAMATSU公司的型號為S6968的硅本征半導體(Positive Intrinsic Negative，PIN) PD。S6968是一款高速響應和高靈敏度的PD，光譜響應范圍為320～1 060 nm，光電管響應度為0.10～0.63 A/W，在波長為465 nm時，探測響應度為0.30 A/W，并滿足全波段可見光探測。探測器感光面為15 mm2，能較大面積接收光信號。

3 水下通信試驗

3.1 試驗系統搭建

為驗證全雙工通信性能，采用兩套設備同時通信，發射端采用型號(XPE-2-R4)和額定功率(1W)相同的CREE燈珠，其中一個發射端安裝白色LED光源，另一個發射端安裝465 nm藍色LED光源，各接收端連接揚聲器，可隨時接收發送端音頻信號。

在各發送端，將錄制的單音音頻信號存儲在安全數碼(Secure Digital，SD)卡中，并將SD卡插入發送端卡槽中，信號處理模塊自動讀取音頻信號，并進行連續發送。調節各發送端設備直流偏置電路加載信號功率基本保持一致，發送端供電電壓均為12 V，穩態工作電流調節在250 mA左右。

選取兩套相同的可見光發射端與接收端設備安裝在兩個工裝上，每個工裝上裝有一個發送端和一個接收端，發送端與接收端的中心間距80 mm，將安裝好設備的兩個工裝分別固定在兩個箱體內，并將箱體安裝在實驗車上，可沿滑軌滑動，試驗裝置和環境如圖9所示。

圖9 通信平臺與測試圖

3.2 測試結果與信號譜估計

在當前水質條件下(由函數擬合得到衰減系數為0.206 7 m-1)，藍光音頻信號水下通信距離略低于白光音頻信號的水下通信距離，藍光音頻水下通信最遠距離為5.05 m，白光的水下音頻通信最遠距離為5.30 m，在各通信距離范圍內，接收端揚聲器均能發出單音音頻信號，信號中有微弱噪聲。

由于兩種波長的光源水下通信距離相差不大，因此選擇水下通信距離分別為1、2、3、4和5 m，用RIGOL DS1204B示波器對接收端輸出信號進行采樣。由于本次全雙工通信實驗的信道特性一致，本次選用藍色光源進行發送和接收信號的波形采集，得到的波形數據如圖10所示。

圖10 發送波形與不同距離接收波形采集圖

由圖可知，接收信號幅度隨著通信距離的增加逐漸降低。為了對接收信號的完整性進行評估和信號衰減規律驗證，本次采用自回歸(Auto Regressive，AR)模型估計方法對發送的語音數據和接收的語音數據進行功率譜分析，并對分析結果進行抽樣對比，如圖11所示。

圖11 功率譜分析圖

由于接收端使用了電壓增益控制，輸出信號幅度峰值大于發射端輸出信號幅度峰值。由圖11可知，接收和發送信號的變化趨勢和頻譜的幅度趨勢保持一致，說明信號基本被完整接收。發送的音頻信號功率主要集中在100 Hz以內。因此，選擇功率譜密度峰值進行統計，如表1所示，并將統計值進行擬合。分析結果可知，被擬合的功率譜密度峰值呈線性衰減變化，由于功率與信號幅度為對數函數關系，因此，信號在水下傳輸過程中，信號幅度呈指數衰減趨勢變化，與前文對水質樣本衰減系數測試模型估計是一致的。

表1 功率譜峰值表

3.3 信噪比分析

應用RIGOL RSA5032頻譜分析儀對水下通信距離分別為1、2、3、4和5 m的接收信號進行采樣。采樣方法為，在關閉發送端情況下，將接收輸出信號端連接至頻譜分析儀，得到噪聲信號強度測試值，分別采樣5次，每次測5組數據并求得平均值，即為環境噪聲強度。在打開發送端情況下，用同樣的方法采樣得到信號強度測試值，并求得均值，即為信號強度，將不同距離的采樣信號功率與環境噪聲功率作差值運算，得到的信噪比數據如圖12所示，本次測試忽略發送端引入的熱噪聲。

圖12 不同距離的信噪比

由圖可知，接收端輸出信號隨著通信距離的增加，信噪比逐漸降低，通過函數擬合發現，基本呈線性衰減變化。由于水下信道對光的吸收和散射作用，使得光信號幅度成指數衰減，在通信距離為5 m時，信噪比為11.28 dB，接收到的音量最小。

實驗發現，接收端的揚聲器均能聽到音頻，并且隨著水下小車滑動距離的增加，音量逐漸降低，同時在接收音頻中出現了微弱雜音，從示波器測試波形上觀察，接收音頻信號基本保持完整，同時也出現了少量毛刺，即引入了一定噪聲。通過對測試結果分析，噪聲來源主要有兩個方面，一方面發送端信號自身引入了高斯白噪聲，另一方面由于本次設計沒有在通信設備接收端添加光學濾波片，無法對另一發送信號引起的接收串擾進行相互隔離，同時也無法對環境噪聲進行濾波處理，使得接收端音頻出現了微弱雜音，由于S6968的硅PIN PD的光譜響應范圍為320～1 060 nm，使得白色光源比藍色光源的探測響應范圍寬，在一定程度上增加了白色光源的探測響應度，因此，藍光音頻信號水下通信距離略低于白光音頻信號的水下通信距離。

目前，國內對可見光音頻通信系統的研究以室內通信為主。因此，為了說明本文研究的UVLC音頻系統優勢，以現有某個典型的UVLC音頻系統[15]為例，進行性能對比分析，如表2所示。

表2 水下通信性能對比表

由表可知，采用藍色商用LED光源，本文研究的音頻通信系統在發射額定光功率較小的情況下，最遠通信距離為5.05 m，通信距離有很大提升。在不同通信距離點(現有水下音頻通信系統以通信距離為1.5 m的數據為準)，對接收信號峰峰值與發射信號(發送頻率f為0～2 kHz)峰峰值的比值取對數，即信號平均增益，本系統的信號平均增益大，通過功率譜分析，接收信號完整性較好。另外，本文研究的音頻通信系統為雙向通信，且對接收信號進行了信噪比分析，相比現有水下音頻通信系統，本系統對通信性能的驗證和研究更加充分，從以上對比可知，本文研究的音頻通信系統的性能具有一定優勢。

4 結束語

本文進行了基于PIN的UVLC雙向語音通信系統試驗，通過對接收端和發送端的音頻信號進行采集和測試，并進行對比分析，同步進行了語音全雙工通信測試實驗，試驗證明，在發送端功耗基本一致的情況下，接收端應用S6968的硅PIN光電探測器，白色光源水下通信距離高于藍色光源水下通信距離，且兩種光源的水下通信距離均超過了5 m；通過對接收端與發送端音頻信號的頻譜估計對比分析，頻譜基本保持一致，驗證了當前實驗條件下，信號接收完整性良好。對接收端的信噪比進行統計分析，接收端輸出信號隨著通信距離的增加，信噪比逐漸降低，通過函數擬合發現，基本呈線性衰減變化，驗證了水下近距離光通信水質衰減系數測試方法的正確性。