一种水下通信系统设计

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1引言

在现今高速发展的社会，信息对于人们的生活极其重要。而传播信息的方式就成了各个研究所大力研究的问题。自然空气中的通信技术逐渐饱和，水下无线通信系统成为一大热点。目前光通信因为其在速率以及可靠等特点成为了通信界的热门。复杂的水下环境成了很多科研人员的一大挑战，专家学者都为水下通信想了很多的办法。本文就描述一种水下通信系统的设计。

2概述

本系统设计的整体方案包括LED发射电路的设计、接收电路的设计、信号协议的处理等。从功能实现到工程实现、需要的准备描述了一整套的方案。

3系统结构

两台样机在水下通信的演示系统。每台样机内部有发射LED和接收探测器，这里LED使用商用高性能LED，接收探测器使用PIN或者APD（雪崩光电二极管），这里先用PIN表示。光电前端包含了LED的驱动电路和光电二极管接收放大电路。信号处理板用于对发射和接收的光信号做分析处理，包含了串口信号的处理模块和网络信号处理模块。电源部分主要对信号处理板和光电前端进行供电以及接受外部供电。对外接口使用防水航空插座，电源接口可以使用两芯航空插座，信号接口可使用6芯航空插座，4根网络信号线和2根串口信号线。

4发射部分

考虑到集成芯片的调制速率和带宽问题，要使LED发射机在满足照明需求的同时，具有大调制电流、可调的输出功率、灵敏的电流反馈控制以及足够高的响应带宽。从而使该LED发射机能够适应于高速可见光通信系统。光信号发射端的框图如图2所示，该方案初步使用OFDM作为高速信号类型，因此设计为模拟调制，这套方案可实现宽带大信号对LED进行驱动，既可以传输发射低频的串口信号，也能传输发射高速OFDM信号。信号由前级的信号处理板输出，是串口信号或者OFDM信号，为了减轻驱动电路对前级信号的负担，先使用缓冲器对降低信号输入级的输出电流，由于商用LED的调制带宽很小，因此使用硬件预均衡电路对系统通信带宽进行补偿，硬件预均衡电路在设计时选择与后端功率放大器输入阻抗相同的输出阻抗，提高信号完整性。功率放大电路使用宽带功率放大电路，增益根据实际需求来选择，使用功率放大电路是为了提高对LED的调制深度，从而在接收端能获得更大的有用信号。由于LED的交流阻抗很小，因此使用阻抗匹配电路对LED的交流阻抗进行阻抗变换，这能保证信号完整性。LED驱动电路可以使用偏置树电路也可以使用大功率MOS驱动电路，考虑到系统线性度的问题，初步方案定位使用偏置树电路驱动LED。均衡电路和功率放大电路的实际参数设计需要根据实际测量LED的响应特性来决定。

5接收部分

PIN接收方案先使用透镜在前端聚光，聚光后使用TIA即跨阻放大器作为第一级放大，将PIN的电流信号转换成电压信号，第一级放大使用差分对输出的方式进入后端，下一级分别使用两个增益可控的低噪放大器放大之后进行差分转单端的变化，之后进入AGC电路调控LNA的增益尽量避免输出信号发生失真。

6信号处理部分

串口信号处理使用stm32作为主控制器，串口传输在硬件上使用奇校验或者偶校验的方式防止比特出错。我们使用帧发送的方式进行串口传输，并对每一帧加上帧头帧尾以及CRC防止出现错误传输现象，由于本设计将串口传输与高速传输公用LED发射，因此中间需要切换，即串口发送时单独切换发射信号通路，使LED上只加载串口信号，接收端同时接收两种信号分别进行处理。

7结束语

水下LED可见光系统包括发射电路设计、接收电路设计、信号转换设计三个主要部分。设备完成功能要求的情况下还需要进行水下防水外壳的设计。水下外壳在后期的研究中需要将水下的耐压以及防水性能，内部的散热等等工程性的问题进行考虑。

参考文献：

[1]王永进.可见光通信最新研究进展[J].邮电设计技术,2017.

[2]隋美红等.水下光学无线通信的海水信号特性研究[J].海洋科学,2009.

[3]邓小芳等.水下通信系统建模与仿真[J].光通信技术,

作者：张子瑜 单位：苏州健雄职业技术学院电子信息学院