基于LED的水下光無線通信技術探究

閔亞洪

（江蘇省江陰中等專業學校，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境之一，而隨著無線通信技術的發展，基于水下光無線通信技術研究已經成為提升通信技術可靠性和安全性的核心技術領域[1]。但是無線通信技術在水下傳輸環節容易出現信號的分散，因此探究新型水下光無線通信技術具有重要的價值[2]。本文在此基礎上探究基于LED水下光無線通信技術系統的設計與實現，希望可以為水下光無線通信技術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

水下光通信時會受到光束擴散的影響，發射光經過準直處理降低發射角。但是在海水的影響下會導致光束的擴散，尤其是在長距離的傳輸中對水下光的影響更為顯著[3,4]。在水下光損耗中，根據泰勒級數tanθ≈θ可知。其損耗的表達為：

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

通過式（2）發現，在傳輸距離增加時，r會逐漸增大，而在固定傳輸距離時，r會隨著θ而變大。

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

2 基于LED的水下光無限通信系統設計

2.1 系統結構設計

在基于LED的模式下，需要實現通信系統的結構設計，主要包括發射機、無線信道以及接收機幾個部分[6]。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構設計圖

系統設計中，通過上位機FPGA的RS編碼設計可以提升系統的抗干擾能力，同時將脈沖信號輸送到LED電路，之后抵達接收端，最后經過軟件濾波處理后傳遞到PC機[7]。

2.2 系統軟件MDPCM解調的FPGA選擇

本次研究系統軟件的選擇方式中，應用MDPCM解調的FPGA軟件模式。其中FPGA的芯片型號選擇INTEL公司生產的EP4CE6322C8N。MDPCM屬于衍生產品，采用FIFO緩存調制模式，經過輸出處理，會形成DPCM-OUT波形。

在解調環節，需要實現軟件濾波器的功能，在HDL設計以及D觸發器的基礎上實現濾波處理。在MDPCM解調環節，采用最大似然概率判定模式，基本表達式為：

經過系統判定及解調原理判定計數位于的區間，進而輸出解調數據。

2.3 系統電路設計

系統電路的設計包括光源、驅動電路以及UART電路等多個環節，本次研究對核心電路進行設計，主要內容如下。

2.3.1 LED驅動電路

系統經過FPGA解調后，信號通過I/O接口，電平設計為3.3 V，電流最大限流為40 mA，通過驅動電路中的三極管以及MOS管可以實現功率放大[8]。本次研究中，LED光源驅動電路如圖2所示。

圖2 LED光源驅動電路設計圖

本次研究中，選擇NMOS的型號是SUD40N10-25-E3，擊穿電壓和電流分別為100 V和40 A，電路會將電信號轉化成為光信號來傳輸信息。

2.3.2 光電探測器選型及放大電路的設計

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

對于整體放大電路的設計，在接入PIN管后，需要轉換電路的整體電流和電壓，以此來確保電路的功能。第一級別電路需要確保噪聲相對較小的原則，因而選擇集成的跨阻前置放大器來進行轉換。該模塊具有光導和光伏的運行模式，在工作時，PIN管具有方向電壓，會導致電容變小，之后在光電探測器的影響下會產生干擾電流，影響接收機的運行。因此，在選擇S6938模式的基礎上采用光導的運行模式。系統電路結構如圖3所示。

圖3 系統放大電路設計圖

在系統放大電路的設計中，采用OPA228實現對信號的轉換，然后通過電阻R13和R14計算反饋電阻。在放大電路的設計中，會在電阻上設計反饋電容，通過集成的方式實現補償，之后對各級電路進行放大，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計

在系統接收體系的建設中存在噪聲元件，因此在信號放大環節，為了確保通信質量，需要消除噪聲[10]?；诖耍敬卧O計中采用四階巴特沃斯濾波器，頻率設計在3～30 kHz，整體上限頻率設計為30 kHz，電容為680 pF，根據仿真的原則確定該選擇符合系統的運行需求。

在接收信號時，系統需要通過FPGA的方式來進行解調，將信號轉換成為模擬信號，但由于FPGA在系統的運行環節并無識別的功能，因此首先需要將信號轉化成為數字信號。在本次設計中，采用電壓比較器來進行信號模式的轉換，型號為LM393，具體的電路設計如圖4所示。在系統高電平的數值為1時，低電平為0，模擬信號會通過比較器來實現信號的轉換，而電阻則為2～10 kΩ。在函數信號中，輸出信號存在180°的相位差，因此需要對信號進行反相處理。

圖4 脈沖整形階段電路設計圖

3 系統測試

3.1 串口、發射和接收階段的測試

在串口測試階段，通信協議選擇RS232，之后應用字節的方式來接收數據。模塊主要包括發送模塊和接收模塊，通過下載FPGA接收代碼，驗證串口調試成功。

在本次設計的發射模塊中，通過USB的方式實現PC及RS232串口連接。信號轉換環節通過FPGA方式進行轉換，將二進制8位轉換成為4位，之后對RS進行編碼。處理過程中，轉碼完成后，經過MDPCM進行調制處理。將頻率設為200 kHz，經過調制，完成信號的轉換。此外，發射端的調試中主要結構包括PC、電源、示波器、LED以及發射電路，同時包括FPGA和UART模塊。

接收模塊主要負責實現光電信號的轉換，在本次設計中，采用S6968信號的轉換器，接收電路信號后會對信號進行處理，之后輸入FPGA。在數據信號的處理過程中，應用軟件的濾波處理模式實現對尖峰脈沖信號的調整，然后在FPGA的模塊中設計對應的解調解碼，恢復數據，并將信號傳遞到PC端。

在接收模塊的設計中，主要包括同步、濾波、解調、串口以及解碼等環節。發射端和接收端之間會存在相差，并且達到180°，因此在接收數據完成后，需要對數據進行反相處理，最終確保數據的一致性與準確性。RS解碼階段，IP參數方式存在一定的差異，需要將reset的代碼拉高，之后在解碼時實現復位處理，否則將會導致出現解碼異常。在頻率調整環節，將頻率設計為200 kHz，信號主要是通過MOS管來調整波形，最后通過放大電路形成具體波動圖形。

3.2 實驗測試結果

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到90%以上。為了測試系統的性能，了解在水下的運行準確率，在發射階段循環發送1到F的十六進制數字，通過系統RS解碼方式將數據劃分為3個組別，之后對數據進行編碼。在每組數據中設計超幀，調制完成后，應用LED陣列發送數據，根據接收的數據和發送的數據對比，確定解碼的準確率。實驗過程中需要對數據進行多次測試，在溶解鹽的影響中發現500 kHz的環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對較短的波長進行吸收，而不會對LED可見光產生一定的影響。

在懸浮顆粒的影響方面，確定海水的懸浮顆粒對測試結果的影響。在水質中加入氫氧化鋁和氫氧化鎂的混合物，頻率設計為500 kHz。在清水測試時，并無明顯的差異，而在渾濁度達到40 g/m3的情況下，數據的錯誤率相對較高。其中，在500 kHz的環境下，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，系統出現丟幀的特征?？梢?，懸浮顆粒對于系統的準確率具有顯著的影響，因此在使用系統環節，需要對水質的環境進行分析。

4 結 論

本文主要探究水下光無線通信傳輸系統的設計與實現，首先確定系統結構設計，包括上位機、發射機以及接收機等幾個組成部分，軟件系統采用MDPCM解調的FPGA，此外在系統電路設計中設計了LED驅動電路、放大電路以及脈沖整形電路等核心電路結構。其次，對系統進行測試，發現發射和接收階段達到測試目標，并且溶解鹽濃度對測試結果并無顯著影響，而懸浮顆粒濃度在40 g/m3以上時則容易造成丟幀，影響信息傳輸。