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(guó)家對(duì)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(dòng)迅速增多，如石油等資源的開(kāi)采、海底生物的研究和國(guó)家安全防衛(wèi)等。水下高速無(wú)線通信技術(shù)對(duì)于水下活動(dòng)具有重要的研究意義。可見(jiàn)光通信(Visible Light Communication, VLC)是一種新型寬帶通信技術(shù),其通過(guò)高性能的發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)發(fā)出高速閃爍信號(hào)，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(shì)[1-3]。VLC可以補(bǔ)充無(wú)線電頻率通信，并改善無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能，實(shí)現(xiàn)新的移動(dòng)無(wú)線設(shè)備使用案例[4]。

近年來(lái)，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(lái)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(jī)數(shù)量的VLC，提出了一種信道自適應(yīng)位映射方案，并驗(yàn)證了該方案的有效性；同年，Hessien S[6]等針對(duì)水下VLC系統(tǒng)(Underwater Visible Light Communication，UVLC)，實(shí)現(xiàn)了一種自適應(yīng)的長(zhǎng)期演進(jìn)幀結(jié)構(gòu)，在考慮信道估計(jì)和同步的情況下，對(duì)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(shí)際測(cè)試，研究了OFDM參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)信噪比和誤碼率性能的影響，但該系統(tǒng)測(cè)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(kāi)發(fā)了一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列芯片的實(shí)時(shí)離散多音(Discrete Multi-Tone ,DMT)收發(fā)器，該收發(fā)器在一個(gè)硅襯底藍(lán)色LED的UVLC系統(tǒng)中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，DMT信號(hào)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(kāi)主光軸中視場(chǎng)角接收范圍，因此，Beer Law在相對(duì)簡(jiǎn)單的純水環(huán)境及短距離通信中有效。現(xiàn)階段無(wú)法針對(duì)LED水下通信進(jìn)行光衰減系數(shù)的直接測(cè)試。因此，本文提出了一種水下光衰減系數(shù)測(cè)試方法，通過(guò)對(duì)樣本水質(zhì)衰減度進(jìn)行擬合，并對(duì)UVLC的信道模型進(jìn)行估計(jì)，設(shè)計(jì)并搭建了UVLC，實(shí)現(xiàn)了不同距離下的語(yǔ)音通信。本文還分析了不同距離下信號(hào)幅度的影響因素，驗(yàn)證了該模型和測(cè)試方法的正確性。

1 水下通信距離信道模型估計(jì)

在水下短距離條件下，仍然采用Beer Law信道模型來(lái)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(wú)機(jī)物、有色溶解有機(jī)物和浮游植物，而水的散射與水中顆粒物的種類(lèi)、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(guò)發(fā)射、吸收和散射功率得出散射度和吸光度，最后對(duì)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(lái)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(duì)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(guò)介質(zhì)后的光強(qiáng)度；I0為初始光強(qiáng)度；z為光通過(guò)介質(zhì)的距離；c為介質(zhì)衰減系數(shù)；a為介質(zhì)對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(yàn)，圖1所示為衰減系數(shù)試驗(yàn)測(cè)試圖。

圖1 衰減系數(shù)試驗(yàn)測(cè)試圖

應(yīng)用照度計(jì)(MT-4617LED)測(cè)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(cè)量穿過(guò)既定高度水質(zhì)樣本的光照度。第一次測(cè)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(cè)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(cè)量，每組測(cè)量5次，并對(duì)5次數(shù)據(jù)取平均。得到經(jīng)過(guò)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(yàn)測(cè)試結(jié)果函數(shù)擬合方程為

式中：x為光通過(guò)介質(zhì)的距離；y為照度計(jì)在不同距離的照度測(cè)量值。對(duì)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L(zhǎng)0，則

由于照度L=φ/S為單位面積上的光通量，S為照度計(jì)的光探測(cè)接收面積，φ為通過(guò)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(cè)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(duì)波長(zhǎng)為λ的LED光源測(cè)試或采用光功率設(shè)備進(jìn)行測(cè)試時(shí)，即可將上式改為

式中，c(λ)為波長(zhǎng)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(hào)處理部分和光學(xué)模塊部分。首先，信源發(fā)送信號(hào)，由信號(hào)處理部分對(duì)信號(hào)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(guò)光源發(fā)送信號(hào)至水下光信道。信號(hào)經(jīng)過(guò)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(cè)器對(duì)光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后再進(jìn)入信號(hào)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(jiàn)光在信道傳輸過(guò)程中會(huì)有能量損耗，光電探測(cè)器檢測(cè)輸出的電流信號(hào)幅值較小，在收發(fā)端光學(xué)模塊電路中分別設(shè)計(jì)了一個(gè)功率放大器和增益控制器，對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大，接收電路將光電探測(cè)器檢測(cè)后產(chǎn)生的微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)后，方便進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)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(hào)處理模塊、功放模塊和發(fā)射驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(jì)時(shí)必須把電流控制在線性區(qū)域內(nèi)，本次測(cè)試選用1 W商用科銳(CREE)藍(lán)色燈珠，型號(hào)為XPE-2-R4，圖5所示為所測(cè)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(hào)，要設(shè)計(jì)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(hào)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(jì)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(jì)直流偏置電路的關(guān)鍵在于將ω調(diào)節(jié)到信號(hào)的3 dB帶寬處，根據(jù)以上計(jì)算，并對(duì)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(duì)信號(hào)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(hào)通道，輸入信號(hào)為2 kHz的交流信號(hào)，Channel_B為輸出信號(hào)通道。由圖可知，該電路實(shí)現(xiàn)了輸出信號(hào)的無(wú)失真偏置，且在2 kHz以?xún)?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(shí)，為了便于焦距調(diào)節(jié)和光信號(hào)的對(duì)準(zhǔn)，光電二極管(Photodiode，PD)設(shè)計(jì)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(cè)器采用的是HAMAMATSU公司的型號(hào)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(zhǎng)為465 nm時(shí)，探測(cè)響應(yīng)度為0.30 A/W，并滿足全波段可見(jiàn)光探測(cè)。探測(cè)器感光面為15 mm2，能較大面積接收光信號(hào)。

3 水下通信試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

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

在各發(fā)送端，將錄制的單音音頻信號(hào)存儲(chǔ)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(hào)處理模塊自動(dòng)讀取音頻信號(hào)，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(hào)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(jiàn)光發(fā)射端與接收端設(shè)備安裝在兩個(gè)工裝上，每個(gè)工裝上裝有一個(gè)發(fā)送端和一個(gè)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(gè)工裝分別固定在兩個(gè)箱體內(nèi)，并將箱體安裝在實(shí)驗(yàn)車(chē)上，可沿滑軌滑動(dòng)，試驗(yàn)裝置和環(huán)境如圖9所示。

圖9 通信平臺(tái)與測(cè)試圖

3.2 測(cè)試結(jié)果與信號(hào)譜估計(jì)

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(hào)水下通信距離略低于白光音頻信號(hào)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(yáng)聲器均能發(fā)出單音音頻信號(hào)，信號(hào)中有微弱噪聲。

由于兩種波長(zhǎng)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(duì)接收端輸出信號(hào)進(jìn)行采樣。由于本次全雙工通信實(shí)驗(yàn)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(hào)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(hào)幅度隨著通信距離的增加逐漸降低。為了對(duì)接收信號(hào)的完整性進(jìn)行評(píng)估和信號(hào)衰減規(guī)律驗(yàn)證，本次采用自回歸(Auto Regressive，AR)模型估計(jì)方法對(duì)發(fā)送的語(yǔ)音數(shù)據(jù)和接收的語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜分析，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行抽樣對(duì)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(hào)幅度峰值大于發(fā)射端輸出信號(hào)幅度峰值。由圖11可知，接收和發(fā)送信號(hào)的變化趨勢(shì)和頻譜的幅度趨勢(shì)保持一致，說(shuō)明信號(hào)基本被完整接收。發(fā)送的音頻信號(hào)功率主要集中在100 Hz以?xún)?nèi)。因此，選擇功率譜密度峰值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1所示，并將統(tǒng)計(jì)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(hào)幅度為對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，因此，信號(hào)在水下傳輸過(guò)程中，信號(hào)幅度呈指數(shù)衰減趨勢(shì)變化，與前文對(duì)水質(zhì)樣本衰減系數(shù)測(cè)試模型估計(jì)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(duì)水下通信距離分別為1、2、3、4和5 m的接收信號(hào)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(hào)端連接至頻譜分析儀，得到噪聲信號(hào)強(qiáng)度測(cè)試值，分別采樣5次，每次測(cè)5組數(shù)據(jù)并求得平均值，即為環(huán)境噪聲強(qiáng)度。在打開(kāi)發(fā)送端情況下，用同樣的方法采樣得到信號(hào)強(qiáng)度測(cè)試值，并求得均值，即為信號(hào)強(qiáng)度，將不同距離的采樣信號(hào)功率與環(huán)境噪聲功率作差值運(yùn)算，得到的信噪比數(shù)據(jù)如圖12所示，本次測(cè)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(hào)隨著通信距離的增加，信噪比逐漸降低，通過(guò)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(duì)光的吸收和散射作用，使得光信號(hào)幅度成指數(shù)衰減，在通信距離為5 m時(shí)，信噪比為11.28 dB，接收到的音量最小。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，接收端的揚(yáng)聲器均能聽(tīng)到音頻，并且隨著水下小車(chē)滑動(dòng)距離的增加，音量逐漸降低，同時(shí)在接收音頻中出現(xiàn)了微弱雜音，從示波器測(cè)試波形上觀察，接收音頻信號(hào)基本保持完整，同時(shí)也出現(xiàn)了少量毛刺，即引入了一定噪聲。通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果分析，噪聲來(lái)源主要有兩個(gè)方面，一方面發(fā)送端信號(hào)自身引入了高斯白噪聲，另一方面由于本次設(shè)計(jì)沒(méi)有在通信設(shè)備接收端添加光學(xué)濾波片，無(wú)法對(duì)另一發(fā)送信號(hào)引起的接收串?dāng)_進(jìn)行相互隔離，同時(shí)也無(wú)法對(duì)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(cè)響應(yīng)范圍寬，在一定程度上增加了白色光源的探測(cè)響應(yīng)度，因此，藍(lán)光音頻信號(hào)水下通信距離略低于白光音頻信號(hào)的水下通信距離。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)可見(jiàn)光音頻通信系統(tǒng)的研究以室內(nèi)通信為主。因此，為了說(shuō)明本文研究的UVLC音頻系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，以現(xiàn)有某個(gè)典型的UVLC音頻系統(tǒng)[15]為例，進(jìn)行性能對(duì)比分析，如表2所示。

表2 水下通信性能對(duì)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(diǎn)(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(duì)接收信號(hào)峰峰值與發(fā)射信號(hào)(發(fā)送頻率f為0～2 kHz)峰峰值的比值取對(duì)數(shù)，即信號(hào)平均增益，本系統(tǒng)的信號(hào)平均增益大，通過(guò)功率譜分析，接收信號(hào)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(duì)接收信號(hào)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(duì)通信性能的驗(yàn)證和研究更加充分，從以上對(duì)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(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文進(jìn)行了基于PIN的UVLC雙向語(yǔ)音通信系統(tǒng)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)接收端和發(fā)送端的音頻信號(hào)進(jìn)行采集和測(cè)試，并進(jìn)行對(duì)比分析，同步進(jìn)行了語(yǔ)音全雙工通信測(cè)試實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)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(cè)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(guò)了5 m；通過(guò)對(duì)接收端與發(fā)送端音頻信號(hào)的頻譜估計(jì)對(duì)比分析，頻譜基本保持一致，驗(yàn)證了當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下，信號(hào)接收完整性良好。對(duì)接收端的信噪比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，接收端輸出信號(hào)隨著通信距離的增加，信噪比逐漸降低，通過(guò)函數(shù)擬合發(fā)現(xiàn)，基本呈線性衰減變化，驗(yàn)證了水下近距離光通信水質(zhì)衰減系數(shù)測(cè)試方法的正確性。