一種水下通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1引言

在現(xiàn)今高速發(fā)展的社會(huì)，信息對于人們的生活極其重要。而傳播信息的方式就成了各個(gè)研究所大力研究的問題。自然空氣中的通信技術(shù)逐漸飽和，水下無線通信系統(tǒng)成為一大熱點(diǎn)。目前光通信因?yàn)槠湓谒俾室约翱煽康忍攸c(diǎn)成為了通信界的熱門。復(fù)雜的水下環(huán)境成了很多科研人員的一大挑戰(zhàn)，專家學(xué)者都為水下通信想了很多的辦法。本文就描述一種水下通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2概述

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體方案包括LED發(fā)射電路的設(shè)計(jì)、接收電路的設(shè)計(jì)、信號(hào)協(xié)議的處理等。從功能實(shí)現(xiàn)到工程實(shí)現(xiàn)、需要的準(zhǔn)備描述了一整套的方案。

3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

兩臺(tái)樣機(jī)在水下通信的演示系統(tǒng)。每臺(tái)樣機(jī)內(nèi)部有發(fā)射LED和接收探測器，這里L(fēng)ED使用商用高性能LED，接收探測器使用PIN或者APD（雪崩光電二極管），這里先用PIN表示。光電前端包含了LED的驅(qū)動(dòng)電路和光電二極管接收放大電路。信號(hào)處理板用于對發(fā)射和接收的光信號(hào)做分析處理，包含了串口信號(hào)的處理模塊和網(wǎng)絡(luò)信號(hào)處理模塊。電源部分主要對信號(hào)處理板和光電前端進(jìn)行供電以及接受外部供電。對外接口使用防水航空插座，電源接口可以使用兩芯航空插座，信號(hào)接口可使用6芯航空插座，4根網(wǎng)絡(luò)信號(hào)線和2根串口信號(hào)線。

4發(fā)射部分

考慮到集成芯片的調(diào)制速率和帶寬問題，要使LED發(fā)射機(jī)在滿足照明需求的同時(shí)，具有大調(diào)制電流、可調(diào)的輸出功率、靈敏的電流反饋控制以及足夠高的響應(yīng)帶寬。從而使該LED發(fā)射機(jī)能夠適應(yīng)于高速可見光通信系統(tǒng)。光信號(hào)發(fā)射端的框圖如圖2所示，該方案初步使用OFDM作為高速信號(hào)類型，因此設(shè)計(jì)為模擬調(diào)制，這套方案可實(shí)現(xiàn)寬帶大信號(hào)對LED進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，既可以傳輸發(fā)射低頻的串口信號(hào)，也能傳輸發(fā)射高速OFDM信號(hào)。信號(hào)由前級(jí)的信號(hào)處理板輸出，是串口信號(hào)或者OFDM信號(hào)，為了減輕驅(qū)動(dòng)電路對前級(jí)信號(hào)的負(fù)擔(dān)，先使用緩沖器對降低信號(hào)輸入級(jí)的輸出電流，由于商用LED的調(diào)制帶寬很小，因此使用硬件預(yù)均衡電路對系統(tǒng)通信帶寬進(jìn)行補(bǔ)償，硬件預(yù)均衡電路在設(shè)計(jì)時(shí)選擇與后端功率放大器輸入阻抗相同的輸出阻抗，提高信號(hào)完整性。功率放大電路使用寬帶功率放大電路，增益根據(jù)實(shí)際需求來選擇，使用功率放大電路是為了提高對LED的調(diào)制深度，從而在接收端能獲得更大的有用信號(hào)。由于LED的交流阻抗很小，因此使用阻抗匹配電路對LED的交流阻抗進(jìn)行阻抗變換，這能保證信號(hào)完整性。LED驅(qū)動(dòng)電路可以使用偏置樹電路也可以使用大功率MOS驅(qū)動(dòng)電路，考慮到系統(tǒng)線性度的問題，初步方案定位使用偏置樹電路驅(qū)動(dòng)LED。均衡電路和功率放大電路的實(shí)際參數(shù)設(shè)計(jì)需要根據(jù)實(shí)際測量LED的響應(yīng)特性來決定。

5接收部分

PIN接收方案先使用透鏡在前端聚光，聚光后使用TIA即跨阻放大器作為第一級(jí)放大，將PIN的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，第一級(jí)放大使用差分對輸出的方式進(jìn)入后端，下一級(jí)分別使用兩個(gè)增益可控的低噪放大器放大之后進(jìn)行差分轉(zhuǎn)單端的變化，之后進(jìn)入AGC電路調(diào)控LNA的增益盡量避免輸出信號(hào)發(fā)生失真。

6信號(hào)處理部分

串口信號(hào)處理使用stm32作為主控制器，串口傳輸在硬件上使用奇校驗(yàn)或者偶校驗(yàn)的方式防止比特出錯(cuò)。我們使用幀發(fā)送的方式進(jìn)行串口傳輸，并對每一幀加上幀頭幀尾以及CRC防止出現(xiàn)錯(cuò)誤傳輸現(xiàn)象，由于本設(shè)計(jì)將串口傳輸與高速傳輸公用LED發(fā)射，因此中間需要切換，即串口發(fā)送時(shí)單獨(dú)切換發(fā)射信號(hào)通路，使LED上只加載串口信號(hào)，接收端同時(shí)接收兩種信號(hào)分別進(jìn)行處理。

7結(jié)束語

水下LED可見光系統(tǒng)包括發(fā)射電路設(shè)計(jì)、接收電路設(shè)計(jì)、信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)三個(gè)主要部分。設(shè)備完成功能要求的情況下還需要進(jìn)行水下防水外殼的設(shè)計(jì)。水下外殼在后期的研究中需要將水下的耐壓以及防水性能，內(nèi)部的散熱等等工程性的問題進(jìn)行考慮。

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作者：張子瑜 單位：蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息學(xué)院