一種燈塔平臺可見光岸海遠距離通信系統設計與實現

劉婷婷，馬向陽，董潔，陳萍

（中國船舶集團系統工程研究院，北京，100094）

0 引言

目前，我國海洋應急通信能力不足，需要應急補網與能力增強。我國目前的海洋通信基礎設施薄弱，海上近岸通信主要依靠臨海移動通信網絡、短波/超短波電臺網絡。近年來，隨著南海開發的迅速推進，一些條件較好的島嶼完善了公眾移動通信網絡，然而僅限于島嶼及周邊較近的海上區域。在中國近海范圍中，各燈塔平臺主要作用包括護航照明、指導地理坐標、軍事防御和宣示主權，并且各海域上各燈塔平臺之間相距較遠，分布較為零散，難以成體系或者規模在海上應急通信領域進行使用，無法滿足海上安全風險事件防控和應急處置的需求。

本文設計了一種基于燈塔平臺可見光岸海遠距離通信系統，傳統LED 可見光通信發散角度大，易于對準，并且輸出功率可以很高，達到W 級別，能夠達到遠距離的通信要求。且LED 體積小、易于安裝、價格低、受溫度影響小，人眼安全[1]。因此，在已有成熟的LED 可見光通信的基礎之上，研究一種遠距離LED 可見光通信系統尤為重要。本文從LED 可見光通信系統總體設計、硬件、調制解調和軟件設計研制分析，并生產配套樣機進行岸海遠距離拉距試驗驗證。一方面通過原理樣機的研制，驗證了以較大的波束發射角和接收視場角進行遠距離通信實際能力，另一方面，驗證了在無線電信號受到干擾、設備故障、船舶遇險等緊急情況下，燈光通信可提供半徑15km 區域范圍內安全、有效的最低限度通信手段，提高海上安全風險事件防控和應急處置能力。

1 系統整體設計

本系統為全雙工通信系統，為更好的表述，僅以單向通信為例進行描述。系統各組成部分簡述如下：

控制處理模塊：為本系統控制核心部件，主要采用單片機STM32F407 和藍牙模塊、DDS 芯片、FPGA 組成。

發射部分：包含數模變換器（DAC）、驅動電路、LED陣列和透鏡，DAC 負責將數字信號轉換成模擬電波形，驅動電路負責驅動LED，完成電光轉換，透鏡控制光束角度，提供天線增益。

接收模塊：包括匯聚透鏡、濾光片、光電變換器件、前置放大器和模數變換器（ADC）。負責光路處理、光電變換和光電流的放大處理[2]。

2 系統硬件模塊設計

本系統硬件模塊：控制處理模塊、光發射模塊、光接收模塊、電源模塊、調制解調和濾波器。

■2.1 控制處理模塊

控制處理模塊包括光發送和光接收兩個方向的控制處理功能[3]。

圖1 系統結構框圖

圖2 控制處理模塊-發送方向

圖3 控制處理模塊-接收方向

光發送方向主要功能包括：手持終端通過藍牙接入控制處理模塊，完成用戶數據接入，通過DPSK 調制，對用戶數據進行DPSK 調制。

光接收方向主要功能包括：對跨阻放大器的輸出電壓信號進行AD 采樣[4]，并送到單片機內部，完成對DPSK 信號進行解調，解碼后用戶數據送給手持終端。

光發送：手持終端通過藍牙信息傳輸下行進入FIFO，進行DPSK 調制（首先進行差分編碼，然后使用DDS 電路生成250kHz 調制載波[5]，將需要發送出去的信號調制成2DPSK 信號，加載到載波上，再經過放大和控制電路通過智能燈組發送出去。

光接收：對來自光電接收模塊的信號首先進行A/D 轉換，進行混頻以降低載頻，然后進行帶通濾波以降低電域噪聲，再進行DPSK 解調，最終送給手持終端[6]。

■2.2 光發送模塊

光電發送模塊的主要功能是電光變換、光束成型。

手持終端發送的數據藍牙接口發送到控制處理模塊，首先進入DSP，在DSP 中進行鏈路層和物理層處理，進行糾錯編碼，然后使用DDS 實現2DPSK 調制，將數字格式的已調信號送給DAC，然后變成連續的物理波形，這個電信號通過驅動電路轉變成電流信號驅動LED 陣列，發出光信號，光信號經過匯聚透鏡控制發射光束的角度[7]。

如圖4 所示，來自核心板的已調制信號輸入到LED 驅動器，LED 驅動器驅動LED 陣列發光。光通信設備中共36個LED，每6 個LED 串聯成一串，每2 串并聯到一起，使用一個驅動電路，整個陣列共有3 個驅動電路； LED 上安裝一個光學透鏡，該透鏡將LED 的光束角壓縮到8±2°[8]。該模塊為輸入信號安排了測試點，可對輸入信號特性進行測量，光學特性在模塊外部使用光學儀表進行測量。

圖6 電源單元原理框圖

■2.3 光接收模塊

光電接收模塊的主要功能是光學匯聚、光學濾波、光電變換、跨阻放大。

由接收鏡頭將光聚焦后，經過光學濾波片濾除帶外背景光噪聲之后，通過APD 的光電轉換將光信號轉換成電流信號，電流信號經過跨阻放大器的放大后變為電壓信號，電壓信號送入A/D 轉換電路，將電壓數字化，數字化后的信號經過FPGA的濾波，解調出信息數據送到主控制模塊[9]。

在光電接收模塊處，光信號首先被匯聚透鏡匯聚，然后

經一片20nm 的帶通濾光片濾波后，進入到APD（雪崩光電二極管）。APD 將光信號轉變為電流信號，再經跨阻放大器放大為電壓信號。跨阻放大器具有自動增益控制功能，可適應信道衰減的大幅度變化[10]。上圖中的運算放大器A、低通濾波器LPF 和三極管Q 構成直流抵消電路，該電路旁路掉光電流中的直流分量，可避免跨阻放大器飽和。

■2.4 電源模塊

電源模塊的主要功能是為設備提供交直流兩種供電方式，輸入電源電壓即可采用AC220V 供電，也可采用DC24V（懸浮）供電兩種電源互為備份，交直流供電能自動無縫隙切換，交流供電優先。交流220V 50Hz 電源，通過電源濾波器濾波和整流模塊，然后經變壓器、整流和濾波電路器將DC370V 變換成DC24V 輸出。直流輸入電源電壓DC24V 經濾波電路變換成DC24V 輸出。

■2.5 調制解調/濾波器設計

2.5.1 調制解調方案

本系統采用2PSK 調制方案進行設計。

（1）2PSK 調制的實現

在二進制數字調制之中，當正弦載波的相位隨著二進制數字基帶信號離散變化時，產生二進制移相鍵控（2PSK）信號。通常用已調信號載波的0°和180°分別表示二進制數字基帶信號的1 和0。2PSK 是用二進制數字信號控制在獲得兩個通常相隔π 弧度的相位，例如用相位0 和π 分別表示二進制中的1 和0。

在發送端采用了DDS 的方法實現2PSK 的調制。對于常見的DDS 芯片，如AD9852，需要在頻率控制字(FTW)中寫入載波頻率，并在兩個相位調整寄存器(Phase Adjust Register)中寫入相位控制字，再將數據源接到輸入管腳。當準備就緒后，激活I/O update clock 管腳，系統就能開始工作，實現2PSK 調制。芯片在2PSK 模式下時序如圖7所示。

圖7 DDS 芯片在2PSK 模式下時序

（2）2PSK 解調的實現

2PSK 信號通常采用帶通匹配濾波器或相關解調器進行解調，并進行最佳檢測。考慮到使用帶通匹配濾波器進行解調時，判決點需要較精確的在波形開始后的Tb 時刻，判決點采樣時刻的細微偏差會對判決結果造成較大的誤差，所以在此采用相關解調。具體的解調原理如圖8 所示。

圖8 2PSK 解調方案

圖9 等波紋濾波器設計方案

在接收端采用了數字解調的方法。光信號在進入接收端時，先經過光電探測器，實現了光電變換變為了電流信號，然后光電流經過前置放大器由電流信號放大并變為電壓信號，對此電壓信號進行采樣，完成了模擬信號向數字信號的轉換。在對采樣信號進行帶通濾波之后，得到的數據將在接收端的單片機中進行解調[11]。

2.5.2 濾波器設計

濾波器設計考慮的相關問題如表1 所示。

表1 濾波器設計考慮相關問題

經過大量仿真實驗驗證，本系統選擇等波紋Equirripple 濾波器設計方案，其特點是：在相同情況下最大逼近誤差最小，即通帶最大衰減最小，阻帶最小衰減最大；波紋比較穩定；設計容易實現；通帶比較寬；旁瓣變化比較陡。主要設計參數：階數120，Ast=60dB。

3 軟件設計

本系統可見光通信設備的通信采取手持終端（三防手機）的形式，以APP 方式實現，并可實現雙向語音通信[12]。其APP 軟件總體按功能劃分可分為以下幾個模塊：照明、通信業務、參數設置。

其系統軟件工作流程圖如圖10 所示。

圖10 軟件總體工作流程圖

4 平臺的測試與分析

本系統對燈塔遠距離可見光通信平臺進行了測試和評估，包括莫爾斯報文傳輸功能、傳輸速率以及遠距離通信距離功能測試。可見光通信平臺分為燈塔端平臺和船載端兩部分，燈塔端燈光通信設備固定在燈塔平臺上，船載端燈光設備固定在船載上，兩端分別接收和發送可見光進行通信測試，光源類型為紅光LED，波長860nm，光功率216W。測試場景如圖11 所示。

圖11 可見光通信測試場景圖

試驗連接示意圖如圖12 所示。

圖12 可見光（紅外光）通信試驗連接示意圖

（1）莫爾斯報文傳輸功能測試

可見光通信平臺按圖12 進行連接后，燈塔端燈光通信設備和船載端燈光設備互發報文完成對準后，燈塔端燈光設備向船載端通信設備發送莫爾斯報文“thank you”，接收端手持終端可以正確接收并顯示“thank you”；按相反流程，船載端燈光設備向燈塔端通信設備發送莫爾斯報文，接收端手持終端正確接收并顯示“thank you”，即可完成傳輸功能測試驗證。

（2）通信傳輸速率測試

可見光通信平臺按圖12 進行連接后，燈塔端燈光通信設備和船載端燈光設備互發報文完成對準后，燈塔端燈光設備向船載端通信設備發送不少于10000 個數字報文，接收端手持終端可以正確接收并顯示；按相反流程，船載端燈光設備向燈塔端通信設備發送不少于10000 個數字報文，接收端手持終端正確接收并顯示，兩端根據報文數據量和時間計算通信速率，即可完成傳輸速率測試驗證。

（3）遠距離通信距離測試

可見光通信平臺按圖13 進行連接后，當船載端行駛至7.5km 處時，燈塔端燈光通信設備和船載端燈光設備互發報文完成對準后，燈塔端燈光設備向船載端通信設備發送一組數據報文，船載端手持終端可以正確接收并顯示，記錄接收數據報文的流暢性和準確性，重復3 次報文收發；按相反流程，船載端燈光設備向燈塔端通信設備發送一組數據報文，燈塔端手持終端可以正確接收并顯示，記錄接收數據報文的流暢性和準確性，重復3 次報文收發。當船載端行駛至15km 時，重復上述過程進行驗證。

圖13 船載端行駛軌跡圖

5 平臺性能測試與分析

我們在紅光LED、波長頻率860nm、光功率216W、接收端靈敏度小于-57dBm 的固定條件，大氣透射率0.8T、背景光強度200cd/m2（隨天氣變化）的測試條件下，對可見光通信平臺進行了莫爾斯報文傳輸功能、傳輸速率以及遠距離通信距離功能測試，通過燈塔端和船載端燈光設備手持終端對接收到的數據進行記錄，測試結果如表2 所示。

表2 功能測試記錄

測試結果表明，在進行莫爾斯碼業務報文測試時，當燈塔端發送莫爾斯碼時，船載端建鏈正常，接收莫爾斯碼正常；當船載端發送莫爾斯碼時，燈塔端建鏈正常，接收莫爾斯碼正常。在進行傳輸速率測試時，燈塔端發送數據傳輸速率5.5kbps，船載端發送數據傳輸速率5.32kbps；在進行通信距離測試時，燈塔端與船載端分別相距7.5km和15km時，建鏈正常，通信情況良好，可實現無誤碼數據傳輸。因此，本文系統設計方法可以滿足岸海遠距離通信，實際通信范圍可覆蓋15 公里，語音和數據通信正常，在接收端經過濾波器后的信號波形檢測相對穩定，因此本系統設計合理，具有實際使用價值。

6 結束語

本文介紹了一種基于燈塔平臺可見光岸海遠距離系統設計、實現與驗證，結合岸海LED 可見光通信系統的特點，重點介紹了LED 可見光遠距離通信系統樣機設計方案，結果表明：本系統提供了近岸常態應急保障手段，搭建了在既有燈塔站點上配置響應的體系架構，實現燈塔站點周圍附近海域的常態化應急通信保障。在我國近岸、島礁周邊發生災害和突發事件時，通過在東海沿岸、島礁、以及重點海區布設的燈塔平臺上部署燈塔應急通信系統，利用平臺支持能力強、網絡節點地理位置相對固定的特點，實現近岸海域/島礁周邊15 公里左右范圍內海域的全天時、全天候多功能應急通信接入流程，可支持海上用戶SOS 呼救，能夠滿足海上應急通信保障的具體需求，并靈活機動地調整服務區域范圍，對國內可見光通信系統設計提供重要參考意義。