CN105680941B - 一种基于可见光的水下led长距离通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可见光的水下LED长距离通信系统，所述系统包括置于水下且分别进行防水封装的发送装置和接收装置，所述发送装置具体包括数据采集模块，发送端数字信号处理模块，数模转换模块，发送端放大均衡模块，直流偏置模块和光源；接收装置具体包括光接收模块，接收端放大均衡模块，滤波器模块，模数转换模块，接收端数字信号处理模块和数据恢复模块。上述系统能够克服水下环境对电磁波的衰减影响和声波的低速低带宽缺陷，提高传输速率、增大数据承载能力、加强保密性、减少干扰影响，并降低设备成本功耗，实现高速率、高带宽、高保密、抗干扰的水下无线光通信。

Description

一种基于可见光的水下LED长距离通信系统

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种基于可见光的水下LED长距离通信系统。

背景技术

近年来，随着水下探测技术的快速发展，人类对于海洋研究和开发的力度越来越大，对于水下配套技术的要求自然也随之逐渐提高，尤其是对水下高速无线通信技术的要求，为此水下无线光通信应运而生。目前的水下无线通信方式大体分为三类：水下长波无线电通信(主要用于军事上)、水下无线声通信与水下无线光通信。

在水下环境的特殊场景限制下，相比其他两种通信技术，无线光通信具有速度快(可达Gbps量级)、带宽高(可见光波段频率高，承载信息能力强)、保密性好(由于光的定向性较强，若被拦截很容易被发现)以及体积小成本低等特点，在短距离水下高速通信以及长距离水下通信方面具有突出优势，但现有技术方案中缺乏针对水下无线光通信的系统研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于可见光的水下LED长距离通信系统,该系统能够克服水下环境对电磁波的衰减影响和声波的低速低带宽缺陷，实现高速率、高带宽、高保密、抗干扰的水下无线光通信。

一种基于可见光的水下LED长距离通信系统，所述系统包括置于水下且分别进行防水封装的发送装置和接收装置，其中；

所述发送装置具体包括：

数据采集模块，用于采集用户所需要的外部信号；

发送端数字信号处理模块，用于对所述数据采集模块采集到的信号进行调制编码处理，形成用于调制光源的电信号；

数模转换模块，用于将所述发送端数字信号处理模块处理后的数字信号进行数模转换，转换为模拟信号；

发送端放大均衡模块，用于放大所述数模转换模块转换后的模拟信号，同时对带内信号、带外噪声进行整形，使信号失真在可控范围内；

直流偏置模块，用于为光源提供直流工作电压；

光源，用于发送携带有调制编码信号的光信号，具体采用LED光源，波长在400nm-532nm之间，进一步为470nm的蓝光LED以及532nm的绿光LED；

所述接收装置具体包括：

光接收模块，用于接收来自所述发送装置的经调制处理后的光信号，并将该光信号转换为电信号；

接收端放大均衡模块，用于放大所述光接收模块处理后的电信号，并对该电信号进行放大整形，补偿信道低频衰减特性引起的信号失真；

滤波器模块，用于滤除所述接收端放大均衡模块处理后信号的带外噪声，使信号限制在通带内；

模数转换模块，用于将所述滤波器模块处理后的模拟信号进行模数转换，转换为数字信号；

接收端数字信号处理模块，用于对所述模数转换模块转换后的数字信号进行解调解码处理，形成承载信息的数字信号；

数据恢复模块，用于针对所述接收端数字信号处理模块处理后的数字信号，按照该数字信号对应的数据格式进行恢复。

所述数据采集模块包括视频摄像头和/或麦克风，根据不同水下应用场景的需求采集视频信号或语音信号。

所述发送端数字信号处理模块具体包括时钟管理模块、数据缓存模块、数据包组帧模块、编码模块、调制模块、脉冲成形模块及数据发送模块，其中：

所述时钟管理模块用于产生不同时钟域的时钟信号；

所述数据缓存模块用于数据在不同模块之间传输时，缓存数据以使时序稳定；

所述数据包组帧模块用于将接收到的数据包拆分组成设定的帧结构格式；

所述编码模块用于对每帧数据进行信道编码，以提高系统纠错能力；

所述调制模块用于将所述编码模块编码后的数据按照选择的调制方式调制成串行信号；

所述脉冲成形模块用于对所述调制模块调制后的信号进行成形滤波，消除符号间干扰；

所述数据发送模块用于将处理后的信号输出到数模转换模块。

所述编码模块具体根据信道环境性能选择RS码、卷积码或Turbo码的编码类型；

所述调制模块所选择的调制方式包括：OOK、DPIM或QAM。

所述接收装置中的光接收模块具体包括光学天线、滤光片、光电探测器及跨阻放大器，其中：

所述光学天线用于汇聚光信号，提高信噪比；

所述滤光片用于滤除环境光噪声；

所述光电探测器用于探测经调制处理后的光信号，并进行光电转换将该光信号转换为电信号；

所述跨阻放大器用于将光电流放大并转换为电压信号。

所述光电探测器采用雪崩光电二极管APD或者光电倍增管PMT。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述系统能够克服水下环境对电磁波的衰减影响和声波的低速低带宽缺陷，提高传输速率、增大数据承载能力、加强保密性、减少干扰影响，并降低设备成本功耗，实现高速率、高带宽、高保密、抗干扰的水下无线光通信。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例所提供基于可见光的水下LED长距离通信系统的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的接收装置中光接收模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

根据研究结果表明，不同波长的光在水中的衰减不同，在470nm-580nm范围内的可见光(蓝绿光)衰减最小，可以看到在蓝绿光波段有很明显的透射窗口。水体中对可见光传输造成衰减影响的有水分子、叶绿素、溶解有机物、悬浮颗粒物等诸多因素，其中叶绿素浓度对吸收透射窗口波长范围有较大影响：在深水区，由于叶绿素含量较少，吸收透射窗口在440nm与530nm之间；而在浅海水处，由于叶绿素含量升高，各种其他物质含量也随之升高，透射窗口平移到530nm至560nm范围之间，也就是说在深海区(叶绿素浓度低)，蓝色光谱的传输特性最好，而在近海区(叶绿素浓度高)，绿色光谱的传输特性优于其他波段，因此尽管可见光同样属于电磁波波段，但其特殊的“窗口现象”使处于蓝绿光波段的光波在水下环境中可以用于传输信息。基于上述原理，本发明提出了一种基于可见光的水下LED长距离通信系统，下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例所提供系统的结构示意图，所述系统包括置于水下且分别进行防水封装的发送装置和接收装置，其中；

所述发送装置具体包括：

数据采集模块，用于采集用户所需要的外部信号；具体实现中，该数据采集模块可包括视频摄像头和/或麦克风，能根据不同水下应用场景的需求采集视频信号或语音信号。例如对于利用水下无人机器人(UUV)探索海底时可以选择摄像头为采集设备；对于利用UUV收集海底布设的传感器存储的探测到的数据时可以选择各种传感器作为采集设备；对于水下蛙人之间交流时可以选择麦克风作为采集设备；

发送端数字信号处理模块，主要为FPGA开发平台，用于对所述数据采集模块采集到的信号进行调制编码处理，形成用于调制光源的电信号；该发送端数字信号处理模块与前端的数据采集模块之间的数据通信也可根据应用所需数据速率选择不同的接口完成，例如低速率可选择串口，高速率可选择USB或以太网口等；

数模转换模块，用于将所述发送端数字信号处理模块处理后的数字信号进行数模转换，转换为模拟信号；

发送端放大均衡模块，用于放大所述数模转换模块转换后的模拟信号，同时对带内信号、带外噪声进行整形，使信号失真在可控范围内；

直流偏置模块，用于为光源提供直流工作电压；

光源，用于发送携带有调制编码信号的光信号，具体采用LED光源，波长在400nm-532nm之间，进一步为470nm的蓝光LED以及532nm的绿光LED；研究结果显示，水下环境中波长在400nm-530nm之间的蓝绿光波的衰减最小，应优先选用，同时光源功率越大，发散角越小，可传输的距离就越远。

所述接收装置具体包括：

光接收模块，用于接收来自所述发送装置的经调制处理后的光信号，并将该光信号转换为电信号；

接收端放大均衡模块，用于放大所述光接收模块处理后的电信号，并对该电信号进行放大整形，补偿信道低频衰减特性引起的信号失真；

滤波器模块，用于滤除所述接收端放大均衡模块处理后信号的带外噪声，使信号限制在通带内；

模数转换模块，用于将所述滤波器模块处理后的模拟信号进行模数转换，转换为数字信号；

接收端数字信号处理模块，用于对所述模数转换模块转换后的数字信号进行解调解码处理，形成承载信息的数字信号；

数据恢复模块，用于针对所述接收端数字信号处理模块处理后的数字信号，按照该数字信号对应的数据格式进行恢复。例如对于前端采集到的视频信号，可利用播放器、监控窗口等将视频显示；对于前端采集到的各种检测信号，可直接存储为文件形式；对于前端采集到的语音信号，可通过耳机、扬声器等播放。

具体实现中，上述发送端数字信号处理模块具体可以包括时钟管理模块、数据缓存模块、数据包组帧模块、编码模块、调制模块、脉冲成形模块及数据发送模块，其中：

所述时钟管理模块用于产生不同时钟域的时钟信号；

所述数据缓存模块用于数据在不同模块之间传输时，缓存数据以使时序稳定；

所述数据包组帧模块用于将接收到的数据包拆分组成设定的帧结构格式；

所述编码模块用于对每帧数据进行信道编码，以提高系统纠错能力；该编码模块具体可根据信道环境性能选择RS码、卷积码或Turbo码的编码类型；

所述调制模块用于将所述编码模块编码后的数据按照选择的调制方式调制成串行信号；该调制模块所选择的调制方式可以包括：开关键控OOK、数字脉冲间隔调制DPIM或正交幅度调制QAM，这些适合水下信道特性的手段；

所述脉冲成形模块用于对所述调制模块调制后的信号进行成形滤波，消除符号间干扰(ISI)；

所述数据发送模块用于将处理后的信号输出到数模转换模块，由数模转换模块进行后继处理。

如图2所示为本发明实施例所提供的接收装置中光接收模块的结构示意图，光接收模块具体包括光学天线、滤光片、光电探测器及跨阻放大器，其中：

所述光学天线用于汇聚光信号，提高信噪比；通过采取特殊设计结构的天线系统还可能做到增大接收视场角FOV的效果，常用的接收端光学天线包括菲涅尔透镜、复眼透镜等；

所述滤光片用于滤除环境光噪声；在具体实现中，由于深海环境下基本没有环境光噪声，该滤光片可不用；

所述光电探测器用于探测经调制处理后的光信号，并进行光电转换将该光信号转换为电信号；为确保长距离情况下能够探测到足够信噪比的光信号，需选择高灵敏度、高增益、高信噪比的探测器件，具体实现中该光电探测器可采用雪崩光电二极管(APD)或者光电倍增管(PMT)，两者均具有高灵敏度、高增益、高信噪比的优点，适合作为长距离水下光通信的信号接收器件，其有效波长范围应在可见光波段内，选择时应选取所述光源波长附近敏感度较高的型号；

所述跨阻放大器用于将光电流放大并转换为电压信号，因为大部分放大电路都是针对电压信号进行处理的。

另外，在具体实现中，所述接收端数字信号处理模块可以包括时钟管理模块、数据接收模块、位同步模块、帧同步模块、解调模块、解码模块、数据帧组包模块和数据回传模块，其中：

所述时钟管理模块用于产生不同时钟域的时钟信号；

所述数据接收模块用于进行匹配滤波及信道均衡，对接收到的数据再次滤波；

所述位同步模块用于对数据进行下采样，保证每次采样点均在信号脉冲峰值处，此时判决效果最好；

所述帧同步模块用于检测每帧数据的同步头，捕获到同步头之后开始采样有效数据；

所述解调模块用于对串行调制信号进行解调；

所述解码模块用于对解调后的数据进行校验纠错解码恢复；

所述数据帧组包模块是发送装置中数据包组帧模块的逆变换，负责将数据帧按照原先的数据包长度重新组合成包格式；

所述数据回传模块根据采用的与所述数据恢复模块通信的接口标准将数据包封装为符合标准的格式。

上述发送装置和接收装置在实际应用环境中均需要置于防水密封装置中，防水封装时需预留出光源窗口与探测器窗口。

综上所述，本发明实施例所提供的系统能克服水下环境对电磁波的衰减影响和声波的低速低带宽缺陷，提高传输速率、增大数据承载能力、加强保密性、减少干扰影响，并降低设备成本功耗，实现高速率、高带宽、高保密、抗干扰的水下无线光通信；随着人类对海底资源的探索不断发展，对用于水下的可靠通信技术的需求越来越大，如海底监控传感器网络、海面舰船间通信、水下蛙人间通信、水下机器人控制等领域都需要稳定、可靠、具有一定传输速和传输距离的通信手段保证数据传输，上述本发明实施例所提供的水下LED长距离通信系统可以在这些领域有效地应用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于可见光的水下LED长距离通信系统，其特征在于，所述系统包括置于水下且分别进行防水封装的发送装置和接收装置，其中；

所述发送装置具体包括：

数据采集模块，用于采集用户所需要的外部信号；

发送端数字信号处理模块，用于对所述数据采集模块采集到的信号进行调制编码处理，形成用于调制光源的电信号；

数模转换模块，用于将所述发送端数字信号处理模块处理后的数字信号进行数模转换，转换为模拟信号；

发送端放大均衡模块，用于放大所述数模转换模块转换后的模拟信号，同时对带内信号、带外噪声进行整形，使信号失真在可控范围内；

直流偏置模块，用于为光源提供直流工作电压；

光源，用于发送携带有调制编码信号的光信号，具体采用LED光源，波长在400nm-532nm之间；

所述接收装置具体包括：

光接收模块，用于接收来自所述发送装置的经调制处理后的光信号，并将该光信号转换为电信号；

接收端放大均衡模块，用于放大所述光接收模块处理后的电信号，并对该电信号进行放大整形，补偿信道低频衰减特性引起的信号失真；

滤波器模块，用于滤除所述接收端放大均衡模块处理后信号的带外噪声，使信号限制在通带内；

模数转换模块，用于将所述滤波器模块处理后的模拟信号进行模数转换，转换为数字信号；

接收端数字信号处理模块，用于对所述模数转换模块转换后的数字信号进行解调解码处理，形成承载信息的数字信号；

数据恢复模块，用于针对所述接收端数字信号处理模块处理后的数字信号，按照该数字信号对应的数据格式进行恢复；

其中，所述发送端数字信号处理模块具体包括时钟管理模块、数据缓存模块、数据包组帧模块、编码模块、调制模块、脉冲成形模块及数据发送模块，其中：

所述时钟管理模块用于产生不同时钟域的时钟信号；

所述数据缓存模块用于数据在不同模块之间传输时，缓存数据以使时序稳定；

所述数据包组帧模块用于将接收到的数据包拆分组成设定的帧结构格式；

所述编码模块用于对每帧数据进行信道编码，以提高系统纠错能力；

所述调制模块用于将所述编码模块编码后的数据按照选择的调制方式调制成串行信号；

所述脉冲成形模块用于对所述调制模块调制后的信号进行成形滤波，消除符号间干扰；

所述数据发送模块用于将处理后的信号输出到数模转换模块。

2.根据权利要求1所述基于可见光的水下LED长距离通信系统，其特征在于，

所述数据采集模块包括视频摄像头和/或麦克风，根据不同水下应用场景的需求采集视频信号或语音信号。

3.根据权利要求1所述基于可见光的水下LED长距离通信系统，其特征在于，

所述编码模块具体根据信道环境性能选择RS码、卷积码或Turbo码的编码类型；

所述调制模块所选择的调制方式包括：开关键控OOK、数字脉冲间隔调制DPIM或正交幅度调制QAM。

4.根据权利要求1所述基于可见光的水下LED长距离通信系统，其特征在于，所述接收装置中的光接收模块具体包括光学天线、滤光片、光电探测器及跨阻放大器，其中：

所述光学天线用于汇聚光信号，提高信噪比；

所述滤光片用于滤除环境光噪声；

所述光电探测器用于探测经调制处理后的光信号，并进行光电转换将该光信号转换为电信号；

所述跨阻放大器用于将光电流放大并转换为电压信号。

5.根据权利要求4所述基于可见光的水下LED长距离通信系统，其特征在于，

所述光电探测器采用雪崩光电二极管APD或者光电倍增管PMT。