閔亞洪

（江蘇省江陰中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 無錫 214433）

0 引 言

地球的海洋面積約占70%左右，是人類賴以生存的重要環(huán)境之一，而隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，基于水下光無線通信技術(shù)研究已經(jīng)成為提升通信技術(shù)可靠性和安全性的核心技術(shù)領(lǐng)域[1]。但是無線通信技術(shù)在水下傳輸環(huán)節(jié)容易出現(xiàn)信號(hào)的分散，因此探究新型水下光無線通信技術(shù)具有重要的價(jià)值[2]。本文在此基礎(chǔ)上探究基于LED水下光無線通信技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，希望可以為水下光無線通信技術(shù)的完善提供可行性借鑒。

1 基于LED的水下光無線通信傳輸特征分析

水下光通信時(shí)會(huì)受到光束擴(kuò)散的影響，發(fā)射光經(jīng)過準(zhǔn)直處理降低發(fā)射角。但是在海水的影響下會(huì)導(dǎo)致光束的擴(kuò)散，尤其是在長距離的傳輸中對(duì)水下光的影響更為顯著[3,4]。在水下光損耗中，根據(jù)泰勒級(jí)數(shù)tanθ≈θ可知。其損耗的表達(dá)為：

式中，z表示傳輸距離；Dt表示發(fā)射孔徑；Dr表示接收孔徑直徑；θ表示發(fā)散角。其中，r、z和θ之間的關(guān)系為：

通過式（2）發(fā)現(xiàn)，在傳輸距離增加時(shí)，r會(huì)逐漸增大，而在固定傳輸距離時(shí)，r會(huì)隨著θ而變大。

如果光源較遠(yuǎn)，則需要確定系統(tǒng)損耗[5]?？梢姽鈸p耗與傳輸距離之間存在線性化關(guān)系為：

2 基于LED的水下光無限通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在基于LED的模式下，需要實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括發(fā)射機(jī)、無線信道以及接收機(jī)幾個(gè)部分[6]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過上位機(jī)FPGA的RS編碼設(shè)計(jì)可以提升系統(tǒng)的抗干擾能力，同時(shí)將脈沖信號(hào)輸送到LED電路，之后抵達(dá)接收端，最后經(jīng)過軟件濾波處理后傳遞到PC機(jī)[7]。

2.2 系統(tǒng)軟件MDPCM解調(diào)的FPGA選擇

本次研究系統(tǒng)軟件的選擇方式中，應(yīng)用MDPCM解調(diào)的FPGA軟件模式。其中FPGA的芯片型號(hào)選擇INTEL公司生產(chǎn)的EP4CE6322C8N。MDPCM屬于衍生產(chǎn)品，采用FIFO緩存調(diào)制模式，經(jīng)過輸出處理，會(huì)形成DPCM-OUT波形。

在解調(diào)環(huán)節(jié)，需要實(shí)現(xiàn)軟件濾波器的功能，在HDL設(shè)計(jì)以及D觸發(fā)器的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)濾波處理。在MDPCM解調(diào)環(huán)節(jié)，采用最大似然概率判定模式，基本表達(dá)式為：

經(jīng)過系統(tǒng)判定及解調(diào)原理判定計(jì)數(shù)位于的區(qū)間，進(jìn)而輸出解調(diào)數(shù)據(jù)。

2.3 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)包括光源、驅(qū)動(dòng)電路以及UART電路等多個(gè)環(huán)節(jié)，本次研究對(duì)核心電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容如下。

2.3.1 LED驅(qū)動(dòng)電路

系統(tǒng)經(jīng)過FPGA解調(diào)后，信號(hào)通過I/O接口，電平設(shè)計(jì)為3.3 V，電流最大限流為40 mA，通過驅(qū)動(dòng)電路中的三極管以及MOS管可以實(shí)現(xiàn)功率放大[8]。本次研究中，LED光源驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

圖2 LED光源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖

本次研究中，選擇NMOS的型號(hào)是SUD40N10-25-E3，擊穿電壓和電流分別為100 V和40 A，電路會(huì)將電信號(hào)轉(zhuǎn)化成為光信號(hào)來傳輸信息。

2.3.2 光電探測(cè)器選型及放大電路的設(shè)計(jì)

光電探測(cè)器屬于光信號(hào)和電流信號(hào)的轉(zhuǎn)化裝置，常見探測(cè)器包括光電晶體管、光電倍增管以及光敏電阻等。本次研究中，基于PIN管的優(yōu)良轉(zhuǎn)換性特征，選擇濱松公司的S6968型號(hào)光電探測(cè)器，接收直徑和面積分別為14 mm和150 mm2，頻率為50 MHz[9]。

對(duì)于整體放大電路的設(shè)計(jì)，在接入PIN管后，需要轉(zhuǎn)換電路的整體電流和電壓，以此來確保電路的功能。第一級(jí)別電路需要確保噪聲相對(duì)較小的原則，因而選擇集成的跨阻前置放大器來進(jìn)行轉(zhuǎn)換。該模塊具有光導(dǎo)和光伏的運(yùn)行模式，在工作時(shí)，PIN管具有方向電壓，會(huì)導(dǎo)致電容變小，之后在光電探測(cè)器的影響下會(huì)產(chǎn)生干擾電流，影響接收機(jī)的運(yùn)行。因此，在選擇S6938模式的基礎(chǔ)上采用光導(dǎo)的運(yùn)行模式。系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)放大電路設(shè)計(jì)圖

在系統(tǒng)放大電路的設(shè)計(jì)中，采用OPA228實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，然后通過電阻R13和R14計(jì)算反饋電阻。在放大電路的設(shè)計(jì)中，會(huì)在電阻上設(shè)計(jì)反饋電容，通過集成的方式實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，之后對(duì)各級(jí)電路進(jìn)行放大，另外采用±5 V的供電模式。

2.4 基于帶通濾波和脈沖整形階段的電路設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)接收體系的建設(shè)中存在噪聲元件，因此在信號(hào)放大環(huán)節(jié)，為了確保通信質(zhì)量，需要消除噪聲[10]。基于此，本次設(shè)計(jì)中采用四階巴特沃斯濾波器，頻率設(shè)計(jì)在3～30 kHz，整體上限頻率設(shè)計(jì)為30 kHz，電容為680 pF，根據(jù)仿真的原則確定該選擇符合系統(tǒng)的運(yùn)行需求。

在接收信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)需要通過FPGA的方式來進(jìn)行解調(diào)，將信號(hào)轉(zhuǎn)換成為模擬信號(hào)，但由于FPGA在系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)節(jié)并無識(shí)別的功能，因此首先需要將信號(hào)轉(zhuǎn)化成為數(shù)字信號(hào)。在本次設(shè)計(jì)中，采用電壓比較器來進(jìn)行信號(hào)模式的轉(zhuǎn)換，型號(hào)為LM393，具體的電路設(shè)計(jì)如圖4所示。在系統(tǒng)高電平的數(shù)值為1時(shí)，低電平為0，模擬信號(hào)會(huì)通過比較器來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，而電阻則為2～10 kΩ。在函數(shù)信號(hào)中，輸出信號(hào)存在180°的相位差，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行反相處理。

圖4 脈沖整形階段電路設(shè)計(jì)圖

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 串口、發(fā)射和接收階段的測(cè)試

在串口測(cè)試階段，通信協(xié)議選擇RS232，之后應(yīng)用字節(jié)的方式來接收數(shù)據(jù)。模塊主要包括發(fā)送模塊和接收模塊，通過下載FPGA接收代碼，驗(yàn)證串口調(diào)試成功。

在本次設(shè)計(jì)的發(fā)射模塊中，通過USB的方式實(shí)現(xiàn)PC及RS232串口連接。信號(hào)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)通過FPGA方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將二進(jìn)制8位轉(zhuǎn)換成為4位，之后對(duì)RS進(jìn)行編碼。處理過程中，轉(zhuǎn)碼完成后，經(jīng)過MDPCM進(jìn)行調(diào)制處理。將頻率設(shè)為200 kHz，經(jīng)過調(diào)制，完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換。此外，發(fā)射端的調(diào)試中主要結(jié)構(gòu)包括PC、電源、示波器、LED以及發(fā)射電路，同時(shí)包括FPGA和UART模塊。

接收模塊主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，在本次設(shè)計(jì)中，采用S6968信號(hào)的轉(zhuǎn)換器，接收電路信號(hào)后會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，之后輸入FPGA。在數(shù)據(jù)信號(hào)的處理過程中，應(yīng)用軟件的濾波處理模式實(shí)現(xiàn)對(duì)尖峰脈沖信號(hào)的調(diào)整，然后在FPGA的模塊中設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的解調(diào)解碼，恢復(fù)數(shù)據(jù)，并將信號(hào)傳遞到PC端。

在接收模塊的設(shè)計(jì)中，主要包括同步、濾波、解調(diào)、串口以及解碼等環(huán)節(jié)。發(fā)射端和接收端之間會(huì)存在相差，并且達(dá)到180°，因此在接收數(shù)據(jù)完成后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反相處理，最終確保數(shù)據(jù)的一致性與準(zhǔn)確性。RS解碼階段，IP參數(shù)方式存在一定的差異，需要將reset的代碼拉高，之后在解碼時(shí)實(shí)現(xiàn)復(fù)位處理，否則將會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)解碼異常。在頻率調(diào)整環(huán)節(jié)，將頻率設(shè)計(jì)為200 kHz，信號(hào)主要是通過MOS管來調(diào)整波形，最后通過放大電路形成具體波動(dòng)圖形。

3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

本次研究基于清澈海水，海水中包含溶解鹽及懸浮顆粒，并且氯化鈉的含量達(dá)到90%以上。為了測(cè)試系統(tǒng)的性能，了解在水下的運(yùn)行準(zhǔn)確率，在發(fā)射階段循環(huán)發(fā)送1到F的十六進(jìn)制數(shù)字，通過系統(tǒng)RS解碼方式將數(shù)據(jù)劃分為3個(gè)組別，之后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。在每組數(shù)據(jù)中設(shè)計(jì)超幀，調(diào)制完成后，應(yīng)用LED陣列發(fā)送數(shù)據(jù)，根據(jù)接收的數(shù)據(jù)和發(fā)送的數(shù)據(jù)對(duì)比，確定解碼的準(zhǔn)確率。實(shí)驗(yàn)過程中需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多次測(cè)試，在溶解鹽的影響中發(fā)現(xiàn)500 kHz的環(huán)境下自來水的誤碼率為7.45×10-6，7%溶解鹽中的誤碼率為6.32×10-6，15.56%溶解鹽中地誤碼率為5.85×10-6，總體并無顯著的差異，其可能是由于溶解鹽會(huì)對(duì)較短的波長進(jìn)行吸收，而不會(huì)對(duì)LED可見光產(chǎn)生一定的影響。

在懸浮顆粒的影響方面，確定海水的懸浮顆粒對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。在水質(zhì)中加入氫氧化鋁和氫氧化鎂的混合物，頻率設(shè)計(jì)為500 kHz。在清水測(cè)試時(shí)，并無明顯的差異，而在渾濁度達(dá)到40 g/m3的情況下，數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤率相對(duì)較高。其中，在500 kHz的環(huán)境下，自來水的誤碼率為8.25×10-6，16.13 g/m3渾濁度的情況下，誤碼率為6.02×10-4，24.19 g/m3渾濁度的情況下，誤碼率1.56×10-2，在40 g/m3的情況下，系統(tǒng)出現(xiàn)丟幀的特征?？梢姡瑧腋☆w粒對(duì)于系統(tǒng)的準(zhǔn)確率具有顯著的影響，因此在使用系統(tǒng)環(huán)節(jié)，需要對(duì)水質(zhì)的環(huán)境進(jìn)行分析。

4 結(jié) 論

本文主要探究水下光無線通信傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，首先確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括上位機(jī)、發(fā)射機(jī)以及接收機(jī)等幾個(gè)組成部分，軟件系統(tǒng)采用MDPCM解調(diào)的FPGA，此外在系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)了LED驅(qū)動(dòng)電路、放大電路以及脈沖整形電路等核心電路結(jié)構(gòu)。其次，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)發(fā)射和接收階段達(dá)到測(cè)試目標(biāo)，并且溶解鹽濃度對(duì)測(cè)試結(jié)果并無顯著影響，而懸浮顆粒濃度在40 g/m3以上時(shí)則容易造成丟幀，影響信息傳輸。