水下短距離高速激光通信系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

馬春波，王永輝，敖 珺，王德令

（桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林541004）

水下短距離高速激光通信系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

馬春波，王永輝，敖 珺，王德令

（桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林541004）

針對(duì)水下短距離（≤50m）無(wú)線光通信的應(yīng)用需求，提出了一種實(shí)用的調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套基于D SP和FPG A的激光通信系統(tǒng)，編寫了通信協(xié)議，并對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證了其可行性。

水下；短距離；激光通信；高速率

0 引言

隨著人類水下活動(dòng)的增多，相關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)急需進(jìn)一步研發(fā)和完善，如船舶、水下傳感網(wǎng)絡(luò)（UWSNs）、遠(yuǎn)程遙控車輛（ROVs）和水下自動(dòng)化設(shè)備（AUVs）等[1]。目前，水下無(wú)人探測(cè)技術(shù)相對(duì)成熟，人們開(kāi)始研究多設(shè)備協(xié)同操作來(lái)執(zhí)行任務(wù)[2]。海洋探測(cè)中，需要在不同的水下終端設(shè)備間實(shí)時(shí)傳輸大量數(shù)據(jù)。因此，構(gòu)建支持高速點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的水下無(wú)線光通信網(wǎng)絡(luò)是目前自由空間光通信發(fā)展的一個(gè)重要分支。

研究表明，海水對(duì)480～540nm波段的藍(lán)綠光具有“窗口效應(yīng)”，即海水對(duì)其損耗最小。利用這種特性，可以將激光通信應(yīng)用于水下。在水下環(huán)境中，探測(cè)設(shè)備的空間和攜帶的能源都十分有限，激光二極管（LD）不僅能有效減小通信端機(jī)體積，降低設(shè)備功耗，而且相比LED，它還具有響應(yīng)速度快、調(diào)制性能好、傳播距離遠(yuǎn)、光強(qiáng)和效率高等特點(diǎn)，因此被應(yīng)用于水下短距離的激光通信中。高速率數(shù)據(jù)傳輸是水下藍(lán)綠激光通信追求的目標(biāo)之一，現(xiàn)有的LD驅(qū)動(dòng)電路的調(diào)制帶寬比較有限[3]，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的通信速率。因此，本文提出一種實(shí)用的高速調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路，并設(shè)計(jì)一套簡(jiǎn)單可行的激光通信系統(tǒng)。

1激光通信系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的激光通信系統(tǒng)整體框圖如圖1所示，發(fā)送端主要包括DSP模塊、FPGA模塊和LD驅(qū)動(dòng)模塊。接收端主要包括光電檢測(cè)模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、FPGA模塊和DSP模塊。上位機(jī)通過(guò)串口將信息傳入DSP內(nèi)，DSP進(jìn)行信息處理和編碼后，將信息通過(guò)外部存儲(chǔ)器接口（EMIF）[4]通信傳輸至FPGA，F(xiàn)PGA將信息成幀并調(diào)制發(fā)送。LD驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)LD發(fā)光，信息通過(guò)激光載體發(fā)出。在接收端，光電檢測(cè)電路將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，F(xiàn)PGA進(jìn)行硬判決并解調(diào)提取信息，將信息通過(guò)EMIF通信傳輸給DSP，DSP進(jìn)行信息解碼并傳輸給上位機(jī)。

圖1 激光通信系統(tǒng)整體框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)處理板的設(shè)計(jì)

DSP處理速度快，在進(jìn)行復(fù)雜的信道編解碼運(yùn)算時(shí)有明顯優(yōu)勢(shì)，而且編程簡(jiǎn)單。FPGA能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行并行處理，調(diào)制頻率高。因此，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用DSP+FPGA構(gòu)架，其中DSP的型號(hào)為TMS320C6713BPYP200，F(xiàn)PGA的型號(hào)為EP2C20Q240C8。在整個(gè)系統(tǒng)中，兩者可以相互配合完成信息的處理和傳輸。信號(hào)處理板的整體框圖如圖2所示。

圖2 信號(hào)處理板整體框圖

EMIF是DSP和外部存儲(chǔ)器進(jìn)行通信的接口, EMIF通信具有速度和位寬上的優(yōu)勢(shì)[4]。通過(guò)EMIF接口，DSP可以訪問(wèn)多種外部存儲(chǔ)器，如SDRAM、FLASH和FPGA。

TMS320C6713BPYP200的尋址位寬最高可達(dá)32位[5]。DSP讀取一個(gè)數(shù)據(jù)由Setup、Strobe、Hold這3個(gè)階段組成，讀取數(shù)據(jù)過(guò)程的最小單位是周期。如果EMIF的工作時(shí)鐘為100MHz，則一個(gè)周期是10ns，讀取一次數(shù)據(jù)至少需要30ns。這是因?yàn)镃PU訪問(wèn)EMIF時(shí)，兩次訪問(wèn)間的時(shí)間間隔會(huì)帶來(lái)延時(shí)，所以數(shù)據(jù)從DSP傳輸?shù)紽PGA的整個(gè)過(guò)程所需的時(shí)間要稍大于30ns，通信速度還是非?？捎^的[6]。

FPGA在讀寫數(shù)據(jù)時(shí)的時(shí)序如下：FPGA讀取數(shù)據(jù)（即DSP寫數(shù)據(jù)）時(shí)，若檢測(cè)到FPGA中AWE為下降沿且CE為低，則讀數(shù)據(jù)總線即可；FPGA寫入數(shù)據(jù)時(shí)（即DSP讀數(shù)據(jù)），若檢測(cè)到FPGA中AOE和CE均為低，則寫數(shù)據(jù)總線即可。其余時(shí)間需將數(shù)據(jù)總線置為高阻態(tài)。

2.2 LD驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

LD諧振驅(qū)動(dòng)電路的整體框圖如圖3所示。輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)緩存（buffer）后,偏置電路將其與直流信號(hào)疊加，驅(qū)動(dòng)LD發(fā)射出激光信號(hào)。

圖3 LD驅(qū)動(dòng)電路整體框圖

偏置電路是一種無(wú)源部件，它的作用是將高頻信號(hào)和直流（DC）信號(hào)耦合到一起或?qū)烧叩暮铣尚盘?hào)分離開(kāi)。最簡(jiǎn)單的偏置電路是由一個(gè)電感和一個(gè)電容組成的，理想情況下，電感相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器，直流信號(hào)可以通過(guò)，高頻信號(hào)不能通過(guò)；電容相當(dāng)于一個(gè)高通濾波器，高頻信號(hào)可以通過(guò),直流信號(hào)不能通過(guò)。在實(shí)際情況中，電感具有自諧振，嚴(yán)重影響了電路的性能。為了提高帶寬，本文設(shè)計(jì)了諧振電路，電路結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 寬帶偏置電路的設(shè)計(jì)

圖4中，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)C4后與直流信號(hào)疊加，信號(hào)的輸入阻抗為：

其中，L和R分別為電路中的總感抗和總阻抗。電路的諧振頻率為：

目前，寬帶通信的偏置電路設(shè)計(jì)還沒(méi)有明確的準(zhǔn)則可以參考，只能從最基本的電路開(kāi)始研究。為使電路的穩(wěn)定工作頻率達(dá)到60MHz并滿足LD的驅(qū)動(dòng)電流要求，本文根據(jù)式（1）和式（2）來(lái)設(shè)定電感、電容和電阻的值。實(shí)際電路中，由于寄生效應(yīng)、自諧振和器件本身差異，要根據(jù)情況調(diào)整各元器件的值。

我們對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了測(cè)試，輸入信號(hào)和得到的輸出信號(hào)如圖5所示。輸入信號(hào)是頻率為60MHz的正弦波，當(dāng)輸入為高電平時(shí)，LD發(fā)光，代表二進(jìn)制信息“1”；當(dāng)輸入為低電平時(shí)，LD不發(fā)光，代表二進(jìn)制信息“0”，利用光的通斷即可傳遞信息[7]。從圖5可以看出，驅(qū)動(dòng)電路的輸出信號(hào)不僅能很好地表現(xiàn)輸入信號(hào)，沒(méi)有產(chǎn)生畸變和失真，而且其輸出電流也可以使LD正常工作。因此，本驅(qū)動(dòng)電路完全符合激光通信系統(tǒng)的性能要求。

圖5 LD驅(qū)動(dòng)電路測(cè)試結(jié)果

2.3 光電檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

光電探測(cè)器采用Firstsensor公司生產(chǎn)的高性能單點(diǎn)APD，整個(gè)探測(cè)電路包括光信號(hào)輸入部分、APD電路、流壓轉(zhuǎn)換電路、放大整形電路和信號(hào)輸出電路。光電轉(zhuǎn)換模塊的整體框圖如圖6所示。

圖6 光電檢測(cè)模塊整體框圖

在電路放大部分，選擇高性能放大芯片THS3091作為主放大芯片，它的壓擺率達(dá)7300V/μs。放大后的信號(hào)進(jìn)入高速比較器LT3501進(jìn)行滯回比較整形，整形后由比較器輸出3V左右的方波。

3 軟件設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)的軟件分為DSP部分和FPGA部分。在發(fā)送端，DSP主要負(fù)責(zé)從上位機(jī)接收數(shù)據(jù)和信息編碼，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)信息成幀和調(diào)制發(fā)送。在接收端，F(xiàn)PGA主要負(fù)責(zé)信息接收解調(diào)，DSP負(fù)責(zé)信息解碼并將解碼后的信息發(fā)送回上位機(jī)。發(fā)送端和接收端的軟件流程圖分別如圖7和圖8所示。

圖7 發(fā)送端軟件流程圖

圖8 接收端軟件流程圖

本系統(tǒng)采用OOK調(diào)制，它具有帶寬和功率利用率較高的優(yōu)點(diǎn)。OOK調(diào)制后的信息是隨機(jī)無(wú)規(guī)律的。在發(fā)送端使用“01111110”作為同步頭，為了保證數(shù)據(jù)中不會(huì)出現(xiàn)同步頭信息，需要對(duì)發(fā)送的信息進(jìn)行位填充：遇到5個(gè)“1”，插入1個(gè)“0”，即“逢五插一”，保證了同步頭在數(shù)據(jù)流中的唯一性。發(fā)送端信息的具體幀格式為：01111110(同步頭)+32bit幀信息（幀長(zhǎng)度、序列號(hào)等）+數(shù)據(jù)信息+CRC校驗(yàn)，其幀結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)示意圖

圖10 接收端FPGA仿真圖

本文采用Signal TapⅡ軟件仿真了接收端FPGA接收到的數(shù)據(jù)，如圖10所示。FPGA接收到的信息中存在5個(gè)連“1”的位置，便于剔除后面的一個(gè)“0”。

4 系統(tǒng)測(cè)試分析

我們按照?qǐng)D1在實(shí)驗(yàn)室搭建了激光通信系統(tǒng)的整體模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。在發(fā)送端上位機(jī)使用自己編寫的上位機(jī)軟件，該軟件可以設(shè)定發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔和每次發(fā)送的字節(jié)數(shù)。接收端使用常用的串口助手。信息以文本形式通過(guò)上位機(jī)傳輸?shù)叫盘?hào)處理板，經(jīng)過(guò)編碼調(diào)制后被加載到激光上發(fā)射。在接收端，接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換、同步頭段檢測(cè)和解調(diào)譯碼后，由串口將得到的解調(diào)譯碼結(jié)果輸出給接收端的PC機(jī)，并在PC機(jī)的串口調(diào)試助手中顯示出來(lái)。我們比較了發(fā)送端的發(fā)送信息和接收端接收到的信息，誤碼率計(jì)算結(jié)果表明本系統(tǒng)的性能完全滿足通信需要。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)水下短距離高速通信的需求，研究并設(shè)計(jì)了一套實(shí)用的高速激光通信系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①端機(jī)體積小、重量輕、功耗低，有利于在水下環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間工作；②頻帶寬、信息容量大，能進(jìn)行實(shí)時(shí)大容量數(shù)據(jù)傳輸；③保密性好、抗電磁干擾，設(shè)備間干擾少適合用于民用通信和軍事領(lǐng)域[9]；④易搭建、成本低、性能穩(wěn)定，為以后激光通信設(shè)備的大面積推廣提供了前提。另外，我們還設(shè)計(jì)了一種高速調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路，解決了現(xiàn)有LD驅(qū)動(dòng)電路帶寬受限的問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)的高速激光通信系統(tǒng)還有很多需要改進(jìn)的地方，如通信協(xié)議的優(yōu)化（加入反饋機(jī)制，等停協(xié)議）和電路參數(shù)的調(diào)整，今后可進(jìn)一步研究將MIMO技術(shù)運(yùn)用于系統(tǒng)中，提高系統(tǒng)的通信性能。

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Research and implementation of underwater short-distance high-speed laser communication system

MA Chun-bo,WANG Yong-hui,AO Jun,WANG De-ling
(School of Information and Communication,Guilin University of Electronic Technology,Guilin Guangxi 541004,China)

The paper intends for the application requirements of short-distance(≤50m)wireless optical communication system,proposes a modulation driving circuit and give the details of the circuit structure.It designs and develops a laser communication system based on DSP and FPGA and write the communication protocol,makes the tests to validate circuit is feasible.

underwater,short-distance,laser communication,high-speed

TN929.3

A

1002-5561（2016）04-0052-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.04.017

2015-12-15。

國(guó)家自然科學(xué)基金(61167006)資助；“認(rèn)知無(wú)線電與信息處理”省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任基金(CRKL150106)資助。

馬春波（1975-），教授，博士后，主要研究方向?yàn)楣馔ㄐ藕托畔踩?/p>

敖珺，junjunao1@263.net。