基于蓝光LED的水下远距离通信系统设计_钟志.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 8 期 2023 年 8 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.8 Aug.2023 收稿日期:2023-02-22 基金项目:2021 年黑龙江省高等教育教学改革项目（SJGY20210167）；2020 年黑龙江省高等教育教学改革项目（SJGY20200149）；哈尔滨工程大学“课程思政”示范课（YJSKCSZ202007）作者简介:钟志（1976），男，湖南岳阳，博士，教授，主要从事光电检测与仪器研究，。通信作者:单明广（1979），男，辽宁大连，博士，教授，主要从事光电检测与仪器研究，。引文格式:钟志，张炳超，于蕾，等.基于蓝光 LED 的水下远距离通信系统设计J.实验技术与管理,2023,40(8):7-12.Cite this article:ZHONG Z,ZHANG B C,YU L,et al.Design of underwater long-distance communication system based on blue LEDJ.Experimental Technology and Management,2023,40(8):7-12.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.08.002 实验技术与方法 基于蓝光 LED 的水下远距离通信系统设计 钟 志，张炳超，于 蕾，单明广，薛 睿（哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001）摘 要：为满足水下远距离、高速率、低误码、高性能的通信要求，该文设计了一套低功耗、小型化的水下无线光通信系统。以蓝光 LED 阵列作为光源既提高了输出功率又增大了发射视角，以光电倍增管（PMT）作为探测器、极大提高了接收增益，整个收发系统以 FPGA 为基础，实现了数据的 RS 编解码，同时加入 8B/10B 编码以解决OOK 调制的均衡问题，内部电路的优化处理提高了系统整体性能，外部结构设计控制收发视角以提高系统的能量传输效率。经水池实验测试，该系统可实现水下距离 50 m，通信速率 100 kb/s、误码率（BER）低于 106的稳定通信，为后续水下远距离无线光通信的发展奠定了基础。关键词：水下无线光通信；蓝光 LED 阵列；宽视角；远距离 中图分类号：TN929.3 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)08-0007-06 Design of underwater long-distance communication system based on blue LED ZHONG Zhi,ZHANG Bingchao,YU Lei,SHAN Mingguang,XUE Rui(College of Information and Communication,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)Abstract:In order to meet the communication requirements of underwater long-distance,high-speed,low-error code and high-performance communication,this paper designs a low-power,miniaturized underwater wireless optical communication system.The blue LED array is used as the light source to improve the output power and increase the transmitting angle of view,the photomultiplier tube(PMT)is used as the detector to greatly improve the receiving gain,the whole transceiver system is based on FPGA to realize the RS coding and decoding of the data,while adding 8B/10B coding to solve the equalization problem of OOK modulation,the internal circuit optimization process to improve the overall performance of the system,and the external structure design controls the transceiver perspective,which improves the energy transmission efficiency of the system.After the pool experimental test,the system can realize stable communication with underwater distance of 50 m,communication rate of 100 kb/s and bit error rate(BER)lower than 106,which lays a foundation for the development of underwater long-distance wireless optical communication.Key words:underwater wireless optical communication;blue LED array;wide viewing angle;long-distance 1 研究背景 地球上海洋面积约占地球总面积的 71%，广袤的海洋中储藏着丰富的生物资源和矿产资源。随着对海洋的深入探索，各种水下自主式航行器（AUV）、遥控潜水器（ROV）、载人潜水（HOV）和水下传感网8 实 验 技 术 与 管 理 络（USN）1被广泛应用于海洋资源开发、水下信号采集、海洋环境监测等领域。随着科技的进一步发展，各种水下设备采集到的大量图片、视频信息需要在设备之间进行实时的数据传输和信息共享，这对于水下通信技术提出了进一步的要求。和陆地通信一样，水下也有有线（海底光缆等）和无线两种通信方式，海底光缆通信可靠性强、通信速率较快2，但是在深海中铺设线缆困难极大，且维护成本较高，费时费力，而无线通信则有效地解决了这个问题。根据通信载体的不同，水下无线通信大致可分为水声通信、电磁波通信和无线光通信三类。水声通信是目前应用最广泛、最成熟的水下无线通信技术，它以声波为载体进行信息传输，通信距离较远，但由于声波在海水中的传输带宽受限且时延较大3，因此水声通信只能实现低速率的数据传输，无法进行实时的高速数据通信。电磁波在水下衰减较大且随着频率的逐渐增大，电磁波衰减越严重，导致通信距离受限。水下无线光通信（UWOC）作为一种新兴的水下通信技术4，具有可靠性高、频带宽、保密性好、安全性高、低时延、低成本、低功耗等优势，在水下自主航行器5、蛙人作业、军用潜艇通信、水下传感网络等领域已有广泛的应用。蓝绿光作为海水的“透光窗口”6，在海水中的吸收和散射损耗较小，且具有很强的穿透能力，可在水下传输较远的距离。利用蓝绿光作为载体实现较远距离的水下通信，是在深海大洋中传输信息的重要通信方式之一7。目前，大多数 UWOC 系统是采用激光二极管（LD）作为发射光源实现水下远距离数据传输。2019年，印度卡纳塔克邦国家理工学院的 Ramavath 等以激光器作为发射光源，结合空间分集技术和 RS 纠错码技术，基于 OOK 调制方式实现了水下高可靠性的数据传输，传输距离超过 30 m，误码率低于 1058。2021 年，中国浙江大学徐敬教授所在的团队提出了一种基于蓝绿激光的波分复用技术，成功实现了水下100 m、通信速率为 200 Mb/s 的全双工无线光通信9。水下激光通信具有高带宽、高功率、远距离的数据通信能力，但在实际应用中，收发两端需要精确对准，操作难度要求较高。相比 LD 而言，发光二极管（LED）光源具有发散性，无需精确对准，且具有体积小、功耗低、兼顾照明以及价格便宜、寿命长等优点10。接收探测器作为 UWOC 系统的重要组成部分，同样决定着通信系统的传输性能。当前国内外大多数学者采用的是光电二极管（PIN）或者雪崩光电二极管（APD）作为接收端光电探测器，其抗干扰能力较强，且后端驱动电路简单。光电倍增管（PMT）作为另一款光电探测器件，虽然其驱动电路需要高压控制，但其内部具有光电倍增的系统，可检测极微弱的光波信号，具有超高的灵敏度和低噪声等优点3，适合水下远距离的信号探测。另外，调制技术的选择同样对通信系统起着至关重要的作用，合适的调制技术能极大提升 UWOC 系统的带宽利用率、光功率利用率和信息传输速率11。目前在 UWOC 系统中最广泛使用的是强度调制 OOK，相比脉宽位置调制（PPM）、差分脉宽位置调制（DPPM）方式而言，OOK 调制易于实现且具有极高的带宽利用率12，输出的平均光功率较大，但是由于发送“0”和“1”的数量不同，因此 OOK 调制易出现均衡失调，对接收端信号调理电路的带宽影响较大。信道编码技术能够提高水下信号传输的抗干扰能力，美国北卡罗来纳州立大学的 Cox 等使用一个（255，129）RS 码系统，和未编码 OOK 系统相比，降低了8 dB 的所需接收功率13，中国海洋大学的研究结果表明 RS 码比 BCH 码的纠错能力更强14。本文主要以水下 AUV、ROV 和潜水员等作为通信目标，在蓝光 LED 以及 PMT 的基础上，设计了一套小型化、低功耗的水下远距离无线光通信系统。通过 FPGA 实现了数据的 RS 编解码和 OOK 调制解调处理，同时对光通信的硬件平台进行电路设计和系统搭建。经水池实验测试，结果表明，该系统可在水下实现距离超过 50 m、通信速率为 100 kb/s 的稳定数据通信，误码率低于 106。2 系统设计 2.1 系统总体架构 本系统以水下无线通信远距离、宽视角、高速率、低误码为设计指标，兼顾系统小型化、低功耗的性能，在充分考虑水下信道的带宽和能量利用率的基础上，进行方案设计，系统设计框架如图 1 所示。UWOC 系统主要由发射部分、水下信道、接收部分构成，系统与收发上位机之间采用 UDP 协议进行网络通信。在发送端，首先由以太网接收模块负责实时接收发送上位机发来的数据，并将待发送的信息传入FPGA，在 FPGA 中进行 RS 编码，提高系统的抗干扰能力和纠错能力，然后将编码后的数据打包加上帧头、帧尾并进行 OOK 调制，将调制后的脉冲信号送入光源驱动电路中，通过驱动电路将调制后的脉冲信号放大到能够驱动发射光源，通过控制光源的亮灭来传输信息，最后光信号通过聚光透镜准直，转换为发射角极小的光束发射出去。光束通过水下无线信道后，抵达接收端系统。在接收端，PMT 光电探测器将检测到的光束信号转换为电流信号，经信号处理电路对输入信号进行流 钟 志，等：基于蓝光 LED 的水下远距离通信系统设计 9 图 1 系统总体结构框图 压转换、滤波、电压放大、整形处理，极大提高了信号的抗噪能力，将整形后的信号在 FPGA 内部进行数字滤波、同步解调、解码，最后经过以太网发送模块将数据传输给接收上位机，完成数据的通信。2.2 发射机系统搭建 发射机主要包括内部系统电路和外部结构设计。内部系统主要完成对发送数据的打包处理，驱动蓝光 LED 阵列发送数据，由以太网接收部分、FPGA主控部分、灯源驱动电路部分、LED 阵列显示部分构成。（1）以太网接收部分。该部分主要由网络芯片RTL8201 及其外围电路构成，向上负责与发送上位机之间的网络通信，向下负责与 FPGA 之间进行数据传输。图 2 给出了发射机与上位机之间的网络连接过程，发射机的网络 IP 设置为 192.168.3.10，端口号 2050，发送上位机首先向该 IP 地址发送一段初始化信息，当发射机接收到该信息后反传给上位机，以此表示发射机网络连接正常，当发送上位机接收到发射机反传的初始化信息后，开始正式发送数据信息，否则网络通信异常。图 2 网络连接建立过程 （2）FPGA 主控部分。FPGA 作为整个系统的信息处理平台，主要完成数据的缓存、编码、调制等功能。图 3 给出了 FPGA 内部生成的 RTL 视图，对以太网接收模块传入的数据首先存入 fifo（先入先出）中，同时完成不同时钟域的切换，存入 fifo 的数据缓存器中；RS 编码模块从 fifo 缓存器中读取待编码的数据，本系统采用的是（255，129）RS 编码，纠错能力约为24.7%，极大提高了通信的可靠性；最后，为解决 OOK调制带来均衡失调问题，本系统在调制之前加入了8B/10B 编码，使得系统发送“0”“1”的概率基本相同，保证了直流均衡。图 3 发端 RTL 视图 （3）灯源驱动电路部分。由于 FPGA 输出的控制信号驱动能力较弱，无法驱动多个 LED 灯，因此需要将 FPGA 输出的已调电信号通过驱动电路将其放大以驱动发射端的 LED 阵列光源。驱动电路采用大功率增强型 NMOS 管搭建，该 MOS 管的漏极击穿电压为100 V，漏极关断电流为 40 A，响应速度可达 200 ns。同时在 FPGA 与 MOS 管之间加入 74 芯片进行隔离，一方面增强了 MOS 管栅极的驱动能力，另一方面避免了 FPGA 芯片受到 NOS 管倒灌电流的冲击。（4）LED 阵列显示部分。由于水下信道衰减较大、单个 LED 的功率较低且发散角较大，难以满足通信距离的要求，因此本系统采用串并混连的方式组成蓝光LED 阵列（如图 4 所示），不仅增加了发射光源的功率，更提高了稳定性。LED 选用科锐的 LED 灯珠，中心波长为 480 nm，单个灯珠的最大发光功率为 3 W。外部结构主要包括灯源透镜、机械外壳、水密等部分（见图 5）。在系统灯源前端加入聚光杯和光学凸透镜玻璃进行光束聚光整形，既保证了输出视场角又 10 实 验 技 术 与 管 理 图 4 驱动电路、LED 阵列设计 提高了输出光功率。机械外壳采用钛合金材料制作，壁厚 0.8 cm，可承受 200 m 的水压。尾部通过 3 个水密胶圈做密封，外部通过水密线缆与上位机进行网络通信。图 5 发射端系统图 2.3 接收机系统搭建 与发射机类似，接收机同样由内部系统电路和外部结构设计两部分构成。内部系统主要完成对光束的接收和信号的处理，解包恢复原始数据。主要包括光电探测接收部分、信号处理部分、FPGA 主控部分。（1）光电探测接收部分。该部分主要由光电倍增管和高压模块构成。光电倍增管选取的是日本滨松公司的 H13175U，其光谱响应范围为 230920 nm，有效感光面积直径是 8 mm，带宽达 100 MHz，增益为 106。由于光电倍增管有较高的增益，因此可用于水下远距离的光波检测15，但是其较高的增益是建立在高压供电的基础上，且供电电压的好坏直接影响着 PMT 输出信号的质量。本系统的高压供电采用的是东文高压电源模块，在额定负载下，其输出的高压纹波峰峰值小于 0.002%额定输出电压，极大提高了接收探测器输出信号的质量。（2）信号处理部分。该部分主要包括对信号的流压转换、放大、滤波、整形处理。如图 6 所示，PMT探测器将接收到的光信号转换为频率相同的电流信号，而后续电路处理对象一般是电压信号，因此该部分首先采用低噪声、高灵敏度的跨阻放大器进行流压转换；当水下传输距离较远时，PMT 输出的信号较微弱，无法直接对输出信号进行整形，故该部分对流压转换后的信号做了两级放大处理，增加了输出信号的强度，同时在两次放大之间加入了滤波处理，滤除带外噪声的干扰，提高信噪比；接收的信号经过处理后最终要送入 FPGA 内部进行解调解码，由于放大电路输出的信号为模拟信号，FPGA 无法直接识别，所以需要通过整形电路将模拟信号转换为数字信号，本系统采用低噪声、高带宽的 TLV3501 比较器搭建滞回比较电路，如图 7 所示，系统可通过调节滑动变阻器 R1设置阈值电压，既增加了电路的灵活性，又提高了信号的抗干扰能力。图 6 信号调理电路结构图 图 7 脉冲整形电路 （3）FPGA 主控部分。该部分主要是通过软件的形式完成对信号的解调、解码处理，还原原始数据发送给下位机。在数据解调之前，系统在 FPGA 内部高频采样时钟的基础上通过 D 触发器和 JK 触发器搭建了一个多级的数字滤波器，滤除了数据传输过程中混杂的毛刺干扰信号，提高了待解调数据的准确性，其滤波流程如图 8(a)所示。OOK 的解调遵循最大似然的判决准则，如图 8(b)所示，采用高频时钟完成对每一 钟 志，等：基于蓝光 LED 的水下远距离通信系统设计 11 个高低电平的计数，判断该计数结果所处范围，从而解调具体的数据，由于高频采样时钟的选择，使得计数结果是一个范围，不是一个固定数，即使相差几个时钟，计数结果仍处于这个范围内，对解调数据没有影响，保证了解调的准确性。RS 解码通过调用 FPGA内部 IP 核的方式完成，简化了程序。图 8 FPGA 内部数据解析流程图 综合考虑接收视场角、器件安装和密封等因素，本系统的接收机前端采用了焦距 35 mm 的光学凸透镜玻璃，透光率高于 98%，接收视场角约 120，通过调整器件的位置使得凸透镜的聚光焦点落在光电倍增管的感光面上，最大程度上提高了接收效率。其机械结构和水密设计与发射机类似，这里不再赘述。图 9分别展示了接收机内部组合视图和外观结构图。图 9 接收端系统图 3 实验测试 3.1 实验环境 本系统的实验环境选择哈尔滨工程大学综合试验水池，该水池属于大深度宽型水池，长 40 m，宽 30 m，深 15 m，配以 X-Y 航车、水面浮游艇等专用试验设备。近年来，水池承担了中海油恩平油田 FPSO 模型试验等多个实验项目16，积累了丰富的实践经验。为了模拟深海环境，本实验最终选择在晚上进行。如图 10 所示，将系统收发两端全部放入水下，接收机固定在水池一旁并与接收上位机进行连接，时刻保存接收的数据，发射机固定在游艇后端，通过滑动游艇来测试该系统在水下不同距离下的通信性能。图 10 水池实验环境 3.2 实验结果 为了方便测试，实验过程中，将发射机设置成默认循环发送数据，一次发送 40 个字，每个字 16 bit，每包的数据格式为 1 个帧头字 16h97FD、37 个有效数据信息、1 个帧数字、一个帧尾字 16hEB90，其中有效数据字为 065 535 循环发送，信息传输速率默认为 100 kb/s。图 11 展示了水下距离 16 m 处，接收机接收到的数据，可见，所有发送的数据均正常上传。图 11 接收机上传数据显示 为验证系统的通信速率，接收端上位机在接收到数据的同时对数据进行解析处理。首先提取每一包数据的帧数，然后在帧数前加上步长，步长时间为 1 s。经实验测试，在 1 min 内上位机共接收到 10 200 包数据，每包数据中共有 37 个有效字即 74 个字节，故系统通信速率10 20060 74 8100.64 kb/sV=。继续验证通信的可靠性，将该系统放入水池中持续通信1 h，上位机提取每一包数据的帧数，并对相邻两包帧数作差，可以发现帧数连续，未出现数据丢包，以此证明该系统数据传输的可靠性。接下来测试系统的功耗，由于发射机需要驱动大功率灯源，其功耗大于接12 实 验 技 术 与 管 理 收机，经长时间稳定测试，发射机的运行功耗大概在45 W，接收机功耗较小，长时间运行功耗在 3 W 以内。最后，测试该 UWOC 系统的水下通信距离以及不同距离下的通信速率和误码率情况。接收机固定在水池一旁，发射机分别放到距离 16、35、42、50 m 的位置，发射机自动循环发送数据，同时发送上位机通过下发指令信息来控制系统切换不同的通信速率，在水下不同距离处分别切换了 3 次，通信速率从小到大依次为 50、100、200 kb/s。接收上位机对上传的每一包数据进行解析：验证数据帧头、帧尾并提取中间的 37 个有效数据字和帧数作统计，其结果表明当通信速率为 100 kb/s，系统可实现水下距离 50 m、误码率低于 106的数据传输；当通信速率增大到 200 kb/s，在距离 35 m 处系统出现误码，误码率约为 103，在距离 50 m 处，误码率约为101。图 12 给出了水下 50 m 距离处，通信速率 100 kb/s时接收上位机的数据统计结果图。图 12 距离 50 m、通信速率 100 kb/s 接收数据统计结果 4 结语 本文主要针对水下 AUV 自主航行机器人无线数据通信的需求，在蓝光 LED 和 PMT 接收的基础上设计了一套用于水下远距离、高速率、低误码、低功耗的无线光通信系统。整个收发系统基于 FPGA，通过搭建硬件电路处理平台，完成在水下环境中的信息传输。通过 RS（255，129）编译码增加数据传输的可靠性，利用 8B/10B 编码解决 OOK 调制过程中的均衡失调问题。发射端通过 MOS 管阵列驱动发射光源，光源采用多个大功率蓝光 LED 组成 LED 阵列来增大发射功率；接收端的探测器选用高增益的 PMT，增加了通信距离，通过信号调理电路优化了信噪比，提升了系统的接收性能。外部结构通过选取合适的透镜控制收发视角，提高了光能量的传输效率。通过水池实验测试验证，表明该系统可实现水下距离 50 m、通信速率 100 kb/s、误码率低于 106稳定的数据通信，为未来水下无线光通信技术的进一步发展奠定了理论和工程基础。参考文献(References)1 任峰，张莹，张丽婷，等.“海龙”号 ROV 系统深海试验与应用研究J.海洋技术学报，2019,38(2):3035.2 孔美巍.水下无线光通信系统的设计与实验研究D.杭州：浙江大学，2018.3 KAUSHAL H,KADDOUM G.Underwater optical wireless communicationJ.IEEE Access,2016,4:15181547.4 王博，吴琼，刘立奇，等.水下无线光通信系统研究进展J.激光技术，2022,46(1):99109.5 吴厚德，侯昱辰，许文海，等.水下自主航行器微光照相机驱动系统设计J.光学精密工程，2018,26(10):26052613.6 隋美红，于新生，刘西锋，等.水下光学无线通信的海水信道特性研究J.海洋科学，2009,33(6):8085.7 周田华，陆婷婷，朱小磊.水下长距离高速光通信系统设计C/2018 年光学技术与应用研讨会暨交叉学科论坛.桂林，2018:151154.8 RAMAVATH P N,UDUPI S A,KRISHNAN P.High-speed and reliable Underwater Wireless Optical Communication system using Multiple-Input Multiple-Output and channel coding techniques for IoUT applicationsJ.Optics Communications,2020,461(4):824.9 YANG X Q,TONG Z G,DAI Y Z,et al.100 m full-duplex underwater wireless optical communication based on blue and green lasers and high sensitivity detectorsJ.Optics Communications,2021,498(1):1624.10 董冰，佟首峰，张鹏，等.20 m 水下无线蓝光 LED 通信系统样机设计J.中国光学，2021,14(6):14511458.11 张雨凡，李鑫，吕伟超，等.水下无线光通信链路构成与性能优化进展J.光电工程，2020,47(9):313.12 CHI N.LED visible light communication technologiesM.Beijing:Tsinghua University Press,2013.13 COX W C,SIMPSON J A,DOMIZIOLI C P,et al.An underwater optical communication system implementing Reed-Solomon channel codingC/OCEANS 2008.Quebec City,QC,Canada,2008.14 WANG W P,ZHENG B.The simulation design of LED-based close-range underwater optical communication systemC/2013 10th International Computer Conference on Wavelet Active Media Technology and Information Processing(ICCWAMTIP).Chengdu,China,2013:283285.15 李金佳，叶德茂，王林宁，等.PMT 阵列在水下 MIMO 无线光通信中的应用J.红外与激光工程，2021,50(8):300308.16 吴宝昌.深海半潜平台动力定位系统模型试验设计与分析D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.（编辑：张利芳）