基于PIN的水下可見光雙向語音通信試驗研究

劉杰徽，何 英，胡 鋒，甘若宏，甘智宇

(重慶前衛(wèi)科技集團(tuán)有限公司，重慶 401121)

0 引 言

隨著國家對海洋權(quán)益保護(hù)的日益重視，與海洋作業(yè)相關(guān)的活動迅速增多，如石油等資源的開采、海底生物的研究和國家安全防衛(wèi)等。水下高速無線通信技術(shù)對于水下活動具有重要的研究意義。可見光通信(Visible Light Communication, VLC)是一種新型寬帶通信技術(shù),其通過高性能的發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)發(fā)出高速閃爍信號，由接收端的光敏元件傳輸信息，具有通信速率高、安全性好和體積小等優(yōu)勢[1-3]。VLC可以補充無線電頻率通信，并改善無線網(wǎng)絡(luò)性能，實現(xiàn)新的移動無線設(shè)備使用案例[4]。

近年來，空間調(diào)制(Spatial Modulation, SM)技術(shù)作為一種有效的功率和帶寬調(diào)制技術(shù)，在VLC領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。2018年，Wang J Y[5]等研究了基于SM的具有任意發(fā)射機數(shù)量的VLC，提出了一種信道自適應(yīng)位映射方案，并驗證了該方案的有效性；同年，Hessien S[6]等針對水下VLC系統(tǒng)(Underwater Visible Light Communication，UVLC)，實現(xiàn)了一種自適應(yīng)的長期演進(jìn)幀結(jié)構(gòu)，在考慮信道估計和同步的情況下，對采用非均勻限幅光正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)調(diào)制技術(shù)的UVLC系統(tǒng)的性能進(jìn)行了實際測試，研究了OFDM參數(shù)的變化對系統(tǒng)信噪比和誤碼率性能的影響，但該系統(tǒng)測試的水下信道距離僅為1 m(衰減系數(shù)為0.071 m-1)；2019年，Chen M等[7]開發(fā)了一種基于現(xiàn)場可編程門陣列芯片的實時離散多音(Discrete Multi-Tone ,DMT)收發(fā)器，該收發(fā)器在一個硅襯底藍(lán)色LED的UVLC系統(tǒng)中進(jìn)行了實驗驗證，DMT信號的總比特率達(dá)到2.34 Gbit/s，誤碼率為3.5×10-3，該系統(tǒng)水下鏈路距離為1.2 m。

水下信道模型中應(yīng)用最廣泛的是比爾定律(Beer Law)，Beer Law認(rèn)為水下光束能量衰減特性是與介質(zhì)的吸收特性和散射特性相關(guān)的指數(shù)衰減特性[8-9]，且光子發(fā)生散射效應(yīng)后，將離開主光軸中視場角接收范圍，因此，Beer Law在相對簡單的純水環(huán)境及短距離通信中有效?，F(xiàn)階段無法針對LED水下通信進(jìn)行光衰減系數(shù)的直接測試。因此，本文提出了一種水下光衰減系數(shù)測試方法，通過對樣本水質(zhì)衰減度進(jìn)行擬合，并對UVLC的信道模型進(jìn)行估計，設(shè)計并搭建了UVLC，實現(xiàn)了不同距離下的語音通信。本文還分析了不同距離下信號幅度的影響因素，驗證了該模型和測試方法的正確性。

1 水下通信距離信道模型估計

在水下短距離條件下，仍然采用Beer Law信道模型來描述水下光束能量衰減特性。水的吸收特性與水中所含的物質(zhì)成分密切相關(guān)，如各種無機物、有色溶解有機物和浮游植物，而水的散射與水中顆粒物的種類、直徑大小和分布有關(guān)[10]。依據(jù)能量守恒定律，入射光束減少的能量應(yīng)該等于被水吸收的和散射出的光束總量即衰減總功率[11]。通過發(fā)射、吸收和散射功率得出散射度和吸光度，最后對水體厚度求極限得到水體的吸收和散射系數(shù)[12]。光在水中的衰減主要來自吸收和散射的影響，所以水下光通信首先要考慮到的就是水對光的吸收與散射效應(yīng)，其決定著信道模型中的吸收與散射系數(shù)[13]。

由于該信道模型為指數(shù)衰減模型，在特定的水文與深度條件下，定義水下信道能量衰減模型[14]為

式中：I為光通過介質(zhì)后的光強度；I0為初始光強度；z為光通過介質(zhì)的距離；c為介質(zhì)衰減系數(shù)；a為介質(zhì)對光的吸收系數(shù)；b為散射系數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)有模型，在室溫和環(huán)境光照度為0的條件下，選擇額定功率為1 W、波長為465 nm的藍(lán)光LED作為光源，取少量目標(biāo)海域海水作為通信水質(zhì)樣本，在容器壁厚5 mm，長寬高分別為25 cm×25 cm×50 cm的玻璃容器中進(jìn)行衰減系數(shù)試驗，圖1所示為衰減系數(shù)試驗測試圖。

圖1 衰減系數(shù)試驗測試圖

應(yīng)用照度計(MT-4617LED)測量藍(lán)光入射水質(zhì)樣本前的初始照度，然后在玻璃容器中加入適量水質(zhì)樣本，再次測量穿過既定高度水質(zhì)樣本的光照度。第一次測試完成后，繼續(xù)加入水質(zhì)樣本，每次水質(zhì)樣本高度增加0.05 m，每加入一次水質(zhì)樣本，測量一次光的出水照度，連續(xù)進(jìn)行6組不同深度的水質(zhì)樣本出水照度測量，每組測量5次，并對5次數(shù)據(jù)取平均。得到經(jīng)過水質(zhì)樣本的照度數(shù)據(jù)結(jié)果并擬合，圖2所示為樣本水質(zhì)衰減系數(shù)擬合曲線圖。

圖2 樣本水質(zhì)衰減系數(shù)擬合曲線圖

試驗測試結(jié)果函數(shù)擬合方程為

式中：x為光通過介質(zhì)的距離；y為照度計在不同距離的照度測量值。對照Beer Law信道模型，0.206 7為擬合介質(zhì)衰減系數(shù)，式中照度系數(shù)與初始照度值一致，如果令光入水前初始照度值為L0，則

由于照度L=φ/S為單位面積上的光通量，S為照度計的光探測接收面積，φ為通過該接收面積的光通量，可以得出以下推算，

令φy=y×S，φ0=L0×S，則可得

式中：W為輻射到接收面積S上的光功率；n為轉(zhuǎn)換效率。

由此可知，在既定水質(zhì)條件下的通信距離與發(fā)射光功率和接收光功率有關(guān)，根據(jù)樣本水質(zhì)測試結(jié)果，即在光源和接收端靈敏度確定的前提下，可以根據(jù)最遠(yuǎn)接收光功率的大小，應(yīng)用以上表達(dá)式，估算出在該水質(zhì)條件下的水下通信距離。

若針對波長為λ的LED光源測試或采用光功率設(shè)備進(jìn)行測試時，即可將上式改為

式中，c(λ)為波長為λ的光在該水質(zhì)中的衰減系數(shù)。

2 UVLC系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)模型

UVLC系統(tǒng)框圖如圖3所示。發(fā)送端和接收端主要包括信號處理部分和光學(xué)模塊部分。首先，信源發(fā)送信號，由信號處理部分對信號進(jìn)行編碼、調(diào)制和轉(zhuǎn)換后進(jìn)入光學(xué)模塊部分，通過光源發(fā)送信號至水下光信道。信號經(jīng)過水下信道傳輸后，接收端由光學(xué)模塊中的高靈敏度光電探測器對光信號進(jìn)行檢測，轉(zhuǎn)換為電信號后再進(jìn)入信號處理部分解調(diào)，從而恢復(fù)原始信息。

圖3 UVLC系統(tǒng)框圖

由于可見光在信道傳輸過程中會有能量損耗，光電探測器檢測輸出的電流信號幅值較小，在收發(fā)端光學(xué)模塊電路中分別設(shè)計了一個功率放大器和增益控制器，對電壓信號進(jìn)行放大，接收電路將光電探測器檢測后產(chǎn)生的微弱電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柡?，方便進(jìn)行后續(xù)的信號處理。

2.2 發(fā)射端

圖4所示為發(fā)射端示意圖，本系統(tǒng)的發(fā)射端主要包括發(fā)射燈頭與發(fā)射模塊電路，發(fā)射燈頭采用的是可調(diào)焦距的商用餌燈燈頭，發(fā)射模塊電路包括音頻信號處理模塊、功放模塊和發(fā)射驅(qū)動電路。

圖4 發(fā)射端示意圖

為了VLC的便捷和節(jié)能，光源器件選用體積小和功耗低的LED作為發(fā)光器件。LED是電流驅(qū)動的單向?qū)ㄆ骷淞炼扰c正向電流成正比，而LED本身的伏安特性并不是嚴(yán)格的線性，為保證LED的正常通信功能，在進(jìn)行發(fā)射電路設(shè)計時必須把電流控制在線性區(qū)域內(nèi)，本次測試選用1 W商用科銳(CREE)藍(lán)色燈珠，型號為XPE-2-R4，圖5所示為所測LED傳輸特性曲線。

圖5 LED伏安特性曲線圖

根據(jù)LED傳輸特性，選取LED光源的工作電壓為4.5 V，使其工作在線性區(qū)內(nèi)。由于系統(tǒng)傳輸業(yè)務(wù)為音頻信號，要設(shè)計合適的頻率響應(yīng)特性的直流偏置電路，系統(tǒng)帶寬的上限截止頻率(增益下降-3 dB處)控制在2 kHz以上，保證0～2 kHz信號有良好的幅頻特性。圖6所示為直流偏置電路原理圖。

圖6 直流偏置電路原理圖

可計算得出該電路的頻率響應(yīng)，公式如下：

式中：j為傅里葉變換后虛數(shù)單位；ω為角頻率。設(shè)計直流偏置電路的關(guān)鍵在于將ω調(diào)節(jié)到信號的3 dB帶寬處，根據(jù)以上計算，并對器件進(jìn)行適當(dāng)選型，令C1=330 μF，L1=10 μH，R1=30 Ω，Vcc=4.5 V，在Multisim軟件中對信號響應(yīng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖7所示，圖中，Channel_A為輸入信號通道，輸入信號為2 kHz的交流信號，Channel_B為輸出信號通道。由圖可知，該電路實現(xiàn)了輸出信號的無失真偏置，且在2 kHz以內(nèi)有良好的幅頻響應(yīng)。

圖7 直流偏置電路仿真結(jié)果

2.3 接收端

圖8所示為接收端示意圖。在接收端準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)中，選擇圓形光學(xué)玻璃凸透鏡作為光學(xué)鏡片進(jìn)行接收。該透鏡為耐高溫高硼硅材質(zhì)，內(nèi)外圓直徑為38～48 mm，透光率高達(dá)99%，焦距范圍為42 mm+20 mm。同時，為了便于焦距調(diào)節(jié)和光信號的對準(zhǔn)，光電二極管(Photodiode，PD)設(shè)計在光電轉(zhuǎn)換電路的中心，在旋轉(zhuǎn)圓筒的條件下，使接收光斑與PD的位置重疊。

圖8 接收端示意圖

系統(tǒng)的光電探測器采用的是HAMAMATSU公司的型號為S6968的硅本征半導(dǎo)體(Positive Intrinsic Negative，PIN) PD。S6968是一款高速響應(yīng)和高靈敏度的PD，光譜響應(yīng)范圍為320～1 060 nm，光電管響應(yīng)度為0.10～0.63 A/W，在波長為465 nm時，探測響應(yīng)度為0.30 A/W，并滿足全波段可見光探測。探測器感光面為15 mm2，能較大面積接收光信號。

3 水下通信試驗

3.1 試驗系統(tǒng)搭建

為驗證全雙工通信性能，采用兩套設(shè)備同時通信，發(fā)射端采用型號(XPE-2-R4)和額定功率(1W)相同的CREE燈珠，其中一個發(fā)射端安裝白色LED光源，另一個發(fā)射端安裝465 nm藍(lán)色LED光源，各接收端連接揚聲器，可隨時接收發(fā)送端音頻信號。

在各發(fā)送端，將錄制的單音音頻信號存儲在安全數(shù)碼(Secure Digital，SD)卡中，并將SD卡插入發(fā)送端卡槽中，信號處理模塊自動讀取音頻信號，并進(jìn)行連續(xù)發(fā)送。調(diào)節(jié)各發(fā)送端設(shè)備直流偏置電路加載信號功率基本保持一致，發(fā)送端供電電壓均為12 V，穩(wěn)態(tài)工作電流調(diào)節(jié)在250 mA左右。

選取兩套相同的可見光發(fā)射端與接收端設(shè)備安裝在兩個工裝上，每個工裝上裝有一個發(fā)送端和一個接收端，發(fā)送端與接收端的中心間距80 mm，將安裝好設(shè)備的兩個工裝分別固定在兩個箱體內(nèi)，并將箱體安裝在實驗車上，可沿滑軌滑動，試驗裝置和環(huán)境如圖9所示。

圖9 通信平臺與測試圖

3.2 測試結(jié)果與信號譜估計

在當(dāng)前水質(zhì)條件下(由函數(shù)擬合得到衰減系數(shù)為0.206 7 m-1)，藍(lán)光音頻信號水下通信距離略低于白光音頻信號的水下通信距離，藍(lán)光音頻水下通信最遠(yuǎn)距離為5.05 m，白光的水下音頻通信最遠(yuǎn)距離為5.30 m，在各通信距離范圍內(nèi)，接收端揚聲器均能發(fā)出單音音頻信號，信號中有微弱噪聲。

由于兩種波長的光源水下通信距離相差不大，因此選擇水下通信距離分別為1、2、3、4和5 m，用RIGOL DS1204B示波器對接收端輸出信號進(jìn)行采樣。由于本次全雙工通信實驗的信道特性一致，本次選用藍(lán)色光源進(jìn)行發(fā)送和接收信號的波形采集，得到的波形數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 發(fā)送波形與不同距離接收波形采集圖

由圖可知，接收信號幅度隨著通信距離的增加逐漸降低。為了對接收信號的完整性進(jìn)行評估和信號衰減規(guī)律驗證，本次采用自回歸(Auto Regressive，AR)模型估計方法對發(fā)送的語音數(shù)據(jù)和接收的語音數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜分析，并對分析結(jié)果進(jìn)行抽樣對比，如圖11所示。

圖11 功率譜分析圖

由于接收端使用了電壓增益控制，輸出信號幅度峰值大于發(fā)射端輸出信號幅度峰值。由圖11可知，接收和發(fā)送信號的變化趨勢和頻譜的幅度趨勢保持一致，說明信號基本被完整接收。發(fā)送的音頻信號功率主要集中在100 Hz以內(nèi)。因此，選擇功率譜密度峰值進(jìn)行統(tǒng)計，如表1所示，并將統(tǒng)計值進(jìn)行擬合。分析結(jié)果可知，被擬合的功率譜密度峰值呈線性衰減變化，由于功率與信號幅度為對數(shù)函數(shù)關(guān)系，因此，信號在水下傳輸過程中，信號幅度呈指數(shù)衰減趨勢變化，與前文對水質(zhì)樣本衰減系數(shù)測試模型估計是一致的。

表1 功率譜峰值表

3.3 信噪比分析

應(yīng)用RIGOL RSA5032頻譜分析儀對水下通信距離分別為1、2、3、4和5 m的接收信號進(jìn)行采樣。采樣方法為，在關(guān)閉發(fā)送端情況下，將接收輸出信號端連接至頻譜分析儀，得到噪聲信號強度測試值，分別采樣5次，每次測5組數(shù)據(jù)并求得平均值，即為環(huán)境噪聲強度。在打開發(fā)送端情況下，用同樣的方法采樣得到信號強度測試值，并求得均值，即為信號強度，將不同距離的采樣信號功率與環(huán)境噪聲功率作差值運算，得到的信噪比數(shù)據(jù)如圖12所示，本次測試忽略發(fā)送端引入的熱噪聲。

圖12 不同距離的信噪比

由圖可知，接收端輸出信號隨著通信距離的增加，信噪比逐漸降低，通過函數(shù)擬合發(fā)現(xiàn)，基本呈線性衰減變化。由于水下信道對光的吸收和散射作用，使得光信號幅度成指數(shù)衰減，在通信距離為5 m時，信噪比為11.28 dB，接收到的音量最小。

實驗發(fā)現(xiàn)，接收端的揚聲器均能聽到音頻，并且隨著水下小車滑動距離的增加，音量逐漸降低，同時在接收音頻中出現(xiàn)了微弱雜音，從示波器測試波形上觀察，接收音頻信號基本保持完整，同時也出現(xiàn)了少量毛刺，即引入了一定噪聲。通過對測試結(jié)果分析，噪聲來源主要有兩個方面，一方面發(fā)送端信號自身引入了高斯白噪聲，另一方面由于本次設(shè)計沒有在通信設(shè)備接收端添加光學(xué)濾波片，無法對另一發(fā)送信號引起的接收串?dāng)_進(jìn)行相互隔離，同時也無法對環(huán)境噪聲進(jìn)行濾波處理，使得接收端音頻出現(xiàn)了微弱雜音，由于S6968的硅PIN PD的光譜響應(yīng)范圍為320～1 060 nm，使得白色光源比藍(lán)色光源的探測響應(yīng)范圍寬，在一定程度上增加了白色光源的探測響應(yīng)度，因此，藍(lán)光音頻信號水下通信距離略低于白光音頻信號的水下通信距離。

目前，國內(nèi)對可見光音頻通信系統(tǒng)的研究以室內(nèi)通信為主。因此，為了說明本文研究的UVLC音頻系統(tǒng)優(yōu)勢，以現(xiàn)有某個典型的UVLC音頻系統(tǒng)[15]為例，進(jìn)行性能對比分析，如表2所示。

表2 水下通信性能對比表

由表可知，采用藍(lán)色商用LED光源，本文研究的音頻通信系統(tǒng)在發(fā)射額定光功率較小的情況下，最遠(yuǎn)通信距離為5.05 m，通信距離有很大提升。在不同通信距離點(現(xiàn)有水下音頻通信系統(tǒng)以通信距離為1.5 m的數(shù)據(jù)為準(zhǔn))，對接收信號峰峰值與發(fā)射信號(發(fā)送頻率f為0～2 kHz)峰峰值的比值取對數(shù)，即信號平均增益，本系統(tǒng)的信號平均增益大，通過功率譜分析，接收信號完整性較好。另外，本文研究的音頻通信系統(tǒng)為雙向通信，且對接收信號進(jìn)行了信噪比分析，相比現(xiàn)有水下音頻通信系統(tǒng)，本系統(tǒng)對通信性能的驗證和研究更加充分，從以上對比可知，本文研究的音頻通信系統(tǒng)的性能具有一定優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

本文進(jìn)行了基于PIN的UVLC雙向語音通信系統(tǒng)試驗，通過對接收端和發(fā)送端的音頻信號進(jìn)行采集和測試，并進(jìn)行對比分析，同步進(jìn)行了語音全雙工通信測試實驗，試驗證明，在發(fā)送端功耗基本一致的情況下，接收端應(yīng)用S6968的硅PIN光電探測器，白色光源水下通信距離高于藍(lán)色光源水下通信距離，且兩種光源的水下通信距離均超過了5 m；通過對接收端與發(fā)送端音頻信號的頻譜估計對比分析，頻譜基本保持一致，驗證了當(dāng)前實驗條件下，信號接收完整性良好。對接收端的信噪比進(jìn)行統(tǒng)計分析，接收端輸出信號隨著通信距離的增加，信噪比逐漸降低，通過函數(shù)擬合發(fā)現(xiàn)，基本呈線性衰減變化，驗證了水下近距離光通信水質(zhì)衰減系數(shù)測試方法的正確性。