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）

針對水下短距離（≤50m）無線光通信的應(yīng)用需求，提出了一種實用的調(diào)制驅(qū)動電路，對電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)說明。設(shè)計開發(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，并對整個通信系統(tǒng)進(jìn)行了測試，驗證了其可行性。

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）和水下自動化設(shè)備（AUVs）等[1]。目前，水下無人探測技術(shù)相對成熟，人們開始研究多設(shè)備協(xié)同操作來執(zhí)行任務(wù)[2]。海洋探測中，需要在不同的水下終端設(shè)備間實時傳輸大量數(shù)據(jù)。因此，構(gòu)建支持高速點對點通信的水下無線光通信網(wǎng)絡(luò)是目前自由空間光通信發(fā)展的一個重要分支。

研究表明，海水對480～540nm波段的藍(lán)綠光具有“窗口效應(yīng)”，即海水對其損耗最小。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，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，本文提出一種實用的高速調(diào)制驅(qū)動電路，并設(shè)計一套簡單可行的激光通信系統(tǒng)。

1激光通信系統(tǒng)總體設(shè)計

本文設(shè)計的激光通信系統(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)動模塊。接收端主要包括光電檢測模塊、信號調(diào)理模塊、FPGA模塊和DSP模塊。上位機(jī)通過串口將信息傳入DSP內(nèi)，DSP進(jìn)行信息處理和編碼后，將信息通過外部存儲器接口（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)動電路驅(qū)動LD發(fā)光，信息通過激光載體發(fā)出。在接收端，光電檢測電路將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，F(xiàn)PGA進(jìn)行硬判決并解調(diào)提取信息，將信息通過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

2.1 信號處理板的設(shè)計

DSP處理速度快，在進(jìn)行復(fù)雜的信道編解碼運算時有明顯優(yōu)勢，而且編程簡單。FPGA能對數(shù)據(jù)進(jìn)行并行處理，調(diào)制頻率高。因此，實驗平臺采用DSP+FPGA構(gòu)架，其中DSP的型號為TMS320C6713BPYP200，F(xiàn)PGA的型號為EP2C20Q240C8。在整個系統(tǒng)中，兩者可以相互配合完成信息的處理和傳輸。信號處理板的整體框圖如圖2所示。

圖2 信號處理板整體框圖

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

TMS320C6713BPYP200的尋址位寬最高可達(dá)32位[5]。DSP讀取一個數(shù)據(jù)由Setup、Strobe、Hold這3個階段組成，讀取數(shù)據(jù)過程的最小單位是周期。如果EMIF的工作時鐘為100MHz，則一個周期是10ns，讀取一次數(shù)據(jù)至少需要30ns。這是因為CPU訪問EMIF時，兩次訪問間的時間間隔會帶來延時，所以數(shù)據(jù)從DSP傳輸?shù)紽PGA的整個過程所需的時間要稍大于30ns，通信速度還是非常可觀的[6]。

FPGA在讀寫數(shù)據(jù)時的時序如下：FPGA讀取數(shù)據(jù)（即DSP寫數(shù)據(jù)）時，若檢測到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（即DSP讀數(shù)據(jù)），若檢測到FPGA中AOE和CE均為低，則寫數(shù)據(jù)總線即可。其余時間需將數(shù)據(jù)總線置為高阻態(tài)。

2.2 LD驅(qū)動電路的設(shè)計

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

圖3 LD驅(qū)動電路整體框圖

偏置電路是一種無源部件，它的作用是將高頻信號和直流（DC）信號耦合到一起或?qū)烧叩暮铣尚盘柗蛛x開。最簡單的偏置電路是由一個電感和一個電容組成的，理想情況下，電感相當(dāng)于一個低通濾波器，直流信號可以通過，高頻信號不能通過；電容相當(dāng)于一個高通濾波器，高頻信號可以通過,直流信號不能通過。在實際情況中，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

圖4中，輸入信號經(jīng)過C4后與直流信號疊加，信號的輸入阻抗為：

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)計還沒有明確的準(zhǔn)則可以參考，只能從最基本的電路開始研究。為使電路的穩(wěn)定工作頻率達(dá)到60MHz并滿足LD的驅(qū)動電流要求，本文根據(jù)式（1）和式（2）來設(shè)定電感、電容和電阻的值。實際電路中，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。

我們對驅(qū)動電路進(jìn)行了測試，輸入信號和得到的輸出信號如圖5所示。輸入信號是頻率為60MHz的正弦波，當(dāng)輸入為高電平時，LD發(fā)光，代表二進(jìn)制信息“1”；當(dāng)輸入為低電平時，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)動電路的輸出信號不僅能很好地表現(xiàn)輸入信號，沒有產(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)動電路完全符合激光通信系統(tǒng)的性能要求。

圖5 LD驅(qū)動電路測試結(jié)果

2.3 光電檢測模塊設(shè)計

光電探測器采用Firstsensor公司生產(chǎn)的高性能單點APD，整個探測電路包括光信號輸入部分、APD電路、流壓轉(zhuǎn)換電路、放大整形電路和信號輸出電路。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)計與數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

整個系統(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。OOK調(diào)制后的信息是隨機(jī)無規(guī)律的。在發(fā)送端使用“01111110”作為同步頭，為了保證數(shù)據(jù)中不會出現(xiàn)同步頭信息，需要對發(fā)送的信息進(jìn)行位填充：遇到5個“1”，插入1個“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（幀長度、序列號等）+數(shù)據(jù)信息+CRC校驗，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個連“1”的位置，便于剔除后面的一個“0”。

4 系統(tǒng)測試分析

我們按照圖1在實驗室搭建了激光通信系統(tǒng)的整體模型，對系統(tǒng)進(jìn)行了測試。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上位機(jī)傳輸?shù)叫盘柼幚戆澹?jīng)過編碼調(diào)制后被加載到激光上發(fā)射。在接收端，接收到的信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換、同步頭段檢測和解調(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。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

本文針對水下短距離高速通信的需求，研究并設(shè)計了一套實用的高速激光通信系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：①端機(jī)體積小、重量輕、功耗低，有利于在水下環(huán)境中長時間工作；②頻帶寬、信息容量大，能進(jìn)行實時大容量數(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)計了一種高速調(diào)制驅(qū)動電路，解決了現(xiàn)有LD驅(qū)動電路帶寬受限的問題。本文設(shè)計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。

國家自然科學(xué)基金(61167006)資助；“認(rèn)知無線電與信息處理”省部共建教育部重點實驗室主任基金(CRKL150106)資助。

馬春波（1975-），教授，博士后，主要研究方向為光通信和信息安全。

敖珺，junjunao1@263.net。