基于RZ—OOK的水下光通信系統設計與研究

摘 要：本文設計了一個基于歸零碼（RZ-OOK）調制技術的光通信系統，系統以半導體藍光激光器作為信號的發射端，以DET10A光電探測器作為接收端對光信號進行光電轉換，轉換后的信號經過放大濾波整形成數字信號以便進行信號的解調與解碼。實驗室通過水槽模擬水下環境實驗，實驗結果證明所設計的水下激光通信系統是可行，通信速率達512kbps。

關鍵詞：RZ-OOK；水下；通信；激光A器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.193

1 引言

地球上70%以上由海洋覆蓋，海洋中有豐富且寶貴的各種資源。因為科學研究、商業以及軍事方面的需要，人類越來越重視對海洋環境與資源的探索，越來越多的海下作業和海下活動就要求有一種良好的水下通信的方式為水下的人員和各種設備提供通信手段。在陸上的無線電子通信由于電磁波在海水中劇烈衰減根本無法實現傳播，盡管水聲通信能夠成為水下通信的一種方案[1]，但其帶寬有限、傳輸延時、設備龐大復雜等，光通信具有高帶寬、實時、安全、抗干擾等諸多優點使得水下光通信技術成為這幾十年來的一個研究熱點。

激光水下通信的關鍵技術主要有高功率高穩頻激光器及其調制、光電探測即解調、編解碼計算法、低功耗信號處理電路設計、適應水下環境的微小型耐壓水密艙制造等多方面的技術[2]，本文的重點在調制技術以及信號處理電路設計。

2 系統設計

2.1 發射端

1963年，美國S.A. Sullivan和S.Q. Duntley等人發現海水在0.45～0.55pm的藍綠波段存在低損耗窗口[3]，因此我們實驗選用了PM-B500-450藍光連續激光器作為信號的發射端；該激光器支持TTL電頻直接調制。峰值功率較小，適合于實驗驗證使用。

2.2 調制

調制技術要依據選用的激光器和系統的目標進行選擇，比如半導體連續激光器可以直接使用OOK調制技術，而很多高功率固體脈沖激光器就只能使用脈沖調制。本文選用的是支持TTL電平調制的連續半導體激光器，這樣就可直接使用OOK調制，但是直接使用OOK調制，會因為脈沖展寬的原因而使得調制頻率受限，而且直接調制的平均功率利用率低。為了提高功率利用率以及適應高功率脈沖激光器的工作方式，我們應該選擇采用脈沖調制的方式來驅動激光。基于脈沖的調制方式很多，比如PPM、DPPM、DPIM、DHPIM等，但是OOK方案最簡單、最易于理解和實現，綜合考慮，于是我們最終選擇RZ-OOK調制方式。實驗中RZ-OOK調制信號的產生我們用了極其簡單的方案，就直接使用一個邏輯與門實現。我們一般OOK信號與合適周期脈沖波直接相與就可以得到RZ-OOK脈沖信號了。要特別說明的是，這里我們的一個邏輯電平“1”可以靈活的由一個或多個脈沖表征，這也使得操作和處理起來更加靈活。

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2.3 接收處理與解調

信號接收用THORLABS公司的DET10A型光電探測器，探測器接收的是帶有噪音的小信號，需要經過放大整形濾波處理，處理之后就是RZ-OOK數字脈沖信號了。小信號脈沖的幅度不一，經過放大濾波之后再經過比較器來實現整形，比較器的比較門限電平要選合適了。

如圖4所示，RZ-OOK信號最終經過單穩態觸發器對脈沖進行展寬就可整形成一般的OOK信號，即可直接通過成熟的常規方式解碼。單穩態觸發器我們采用芯片74LS123來設計，只需要調整電阻電容的值使得脈沖展寬的時間等于前面提到的周期脈沖波形的周期即可。電路原理簡單這里不贅述。

3 實驗結論

本文通過具體實驗，設計了一個具體水下藍光激光通信系統的模型，實驗用0.1m*0.2m*1m的水槽以及光衰減器來模擬光在海下傳播的環境，我們實現了比特率高達512kbps的成功通信，進行了大量的文本傳輸實驗，在256kbps比特率下對128kbps的高清數字音頻信號進行實時傳輸，音質清晰。在實驗中我們對于實現RZ-OOK信號的調制與解調方案中顯得更加簡單靈活、易于實現。實驗結果也證明了我們實驗方案具有良好的可行性，能夠為水下通信提供一個很好的借鑒，具有良好的應用前景。

參考文獻：

[1]Giles， J.W.；Bankman， I.N.，“Underwater optical communications systems. Part 2： basic design considerations，” IEEE Military Communications Conference，.Atlantic City， NJ.， USA.， pp.1700-1705. 2005

[2]李宏升，岳軍等.藍綠激光水下通信技術綜述[J].《遙測遙控》，2015，36（05）：16-22.

[3]S. Q. Duntley. Light in the Sea [J]. Opt. Soc. Am.， 1963， 53（02）：214-233.

作者簡介：王明波（1990-），男，福建泉州人，碩士研究生，研究方向：水下光通信。