CN107104734A - 基于蓝绿激光的水下可见光收发系统 - Google Patents

基于蓝绿激光的水下可见光收发系统 Download PDF

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扶华
贺锋涛
朱云周
高卓
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Abstract

本发明公开了基于蓝绿激光的水下可见光收发系统，光源器件通过恒流源驱动电路产生的直流光信号送给激光调制电路，激光调制电路将用FPGA编码后的信号调制到激光器上，使激光器输出的光信号为有一定速率的已调制的光信号；接收端的光电检测器PIN将接收到的光信号转变为电流信号，送入前置放大电路进行流压变化及低噪声放大，然后送入主级放大电路再次对信号进行放大后送入信号整形电路，将信号恢复为标准波形。本发明的有益效果是传输速率高、成本低。

Description

基于蓝绿激光的水下可见光收发系统
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及基于蓝绿激光的水下可见光收发系统。
背景技术
水下无线光通信是以光波作为载波实现数据传输的通信方式。目前水下无线通信主要采用水声通信，但是水声通信传输速率低，且容易受到外界其它电磁辐射的影响而导致系统的不稳定。研究发现，海水对450～550nm波段内的蓝绿光的衰减比对其他光波段的衰减要小很多，因此在海洋中亦存在一个类似于大气中的透光窗口。蓝绿激光的穿透能力强，工作频率高，方向性好，传送信息量大，抗干扰能力强，可高效的获取海洋监测信息，快速感知水下环境变化，为更精确的战术侦察、水下探雷、污染监测、石油控制与维护、近海勘探、气候变化监测、海洋学研究等提供高速灵活的信息平台，从而对海洋突发事件作出快速处理与决策。
发明内容
本发明的目的在于提供基于蓝绿激光的水下可见光收发系统，实现12MHz 方波，传输距离7米以上的收发电路，解决目前水下光通信主要面临传输速率低、距离近的问题。
本发明所采用的技术方案是光源器件通过恒流源驱动电路产生的直流光信号送给激光调制电路，激光调制电路将用FPGA编码后的信号调制到激光器上，使激光器输出的光信号为有一定速率的已调制的光信号；接收端的光电检测器 PIN将接收到的光信号转变为电流信号，送入前置放大电路进行流压变化及低噪声放大，然后送入主级放大电路再次对信号进行放大后送入信号整形电路，将信号恢复为标准波形。
进一步，光源器件选择欧司朗PL-520-B1，工作电压6V，功率120mW，波长520nm的LD，光电检测器选择滨松PINS2386-8K，工作电压0-5V，650nm 的灵敏度是0.35mA/mW，工作波长300nm-1100nm，1MHz的结电容是0.5nF。
进一步，恒流源驱动电路选用BUCK型的DC-DC制作恒流源用于驱动LD，它内部集成一个100毫欧电流采样电阻，用于监测输出电流，并对其进行调节，用于驱动对电流较敏感的大电流LD，输出电流范围为35mA至1A连续可调，宽范围可调开关频率200kHz至12MHz，实现400:1的调光范围，从而消除常见的LED调光过程中的彩色漂移。
进一步，激光调制电路设计采用OOK调制，利用MOS管的开关特性改变 LD的电流实现光电数字信号调制。为提高调制速率，OOK调制时的低电平“0”信号有一个小直流量，即调制信号是在一个直流偏置的基础上进行输出高低电平的直流变化的。
进一步，前置放大电路实现光电流到电压的变换，选用TI公司90MHz的 OPA380单电源互阻放大芯片，反馈电阻R6位1KΩ，C6为补偿电容，大小为2pF，可在电路中产生一个极点，增加电路的稳定性，提高响应速度，它的大小直接影响放大电路的带宽。
进一步，主级放大电路采用具有关断功能的电压反馈性OPA690作为主级放大芯片，其增益带宽积是500M，且可单电源供电，反馈电阻R1选取为510Ω， R5为47Ω的电阻实现。
进一步，信号整形电路采用TI公司的TLV3501，通过调节R8电阻可改变比较器的零点，R8电阻的阻值范围为10KΩ，前后增加R7和R9可提高电压调节精度。
本发明的有益效果是传输速率高、成本低。
附图说明
图1是恒流源驱动电路图；
图2是激光调制电路；
图3是前置放大电路；
图4是主级放大电路；
图5是信号整形电路设计。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明系统采用恒流源驱动蓝绿光激光器发直流光，光源器件通过恒流源驱动电路产生的直流光信号送给激光调制电路，激光调制电路将用FPGA编码后的信号调制到激光器上，使激光器输出的光信号为有一定速率的已调制的光信号。
接收端的光电检测器PIN将接收到的光信号转变为电流信号，送入前置放大电路进行流压变化及低噪声放大，然后送入主级放大电路再次对信号进行放大后送入信号整形电路，将信号恢复为标准波形。
光源器件选择欧司朗PL-520-B1，工作电压6V，功率120mW，波长520nm 的LD。光电检测器选择滨松PINS2386-8K，工作电压0-5V，650nm的灵敏度是0.35mA/mW，工作波长300nm-1100nm，1MHz的结电容是0.5nF。
恒流源驱动电路：
选用BUCK型的DC-DC(LT3474)制作恒流源用于驱动LD，它内部集成一个100毫欧电流采样电阻，用于监测输出电流，并对其进行调节，以实现高精度的电流输出，用于驱动对电流较敏感的大电流LD。其输出电流范围为35mA 至1A连续可调。可实现400:1的调光范围，从而消除常见的LED调光过程中的彩色漂移。宽范围可调开关频率200kHz至12MHz。图1是恒流源驱动电路，用 LT3474设计的DC-DC驱动电路需要设计开关频率，及相关频率下的回路补偿和 LC滤波。
根据芯片资料，当电路中的开关频率为2MHz时，电阻RT为10KΩ，电感 L1为3.3uH，电容C8为0.22uF。其中REF管脚为芯片内部产生的稳定输出1.25V 的参考电压。LED的输出电流ILED由Vadj管脚的电压控制，设置关系如下：
Vadj管脚的电压可由两个电阻R4和R5分压产生，为了使REF管脚的输出电流小于250uA，选取R4和R5的阻值时，串联阻值大于5.11KΩ，并联阻值小于4KΩ的规则选取R4，而R5可由以下公式可得，最后选择R4为15KΩ，R5 为3.3KΩ。
激光调制电路设计：
本文采用OOK调制，属于内调制。通过利用MOS管的开关特性改变LD 的电流实现光电数字信号调制。此处选用MOS管时主要关注它的导通电阻Rds、阈值电压V_GS、开启时间T_(d(on))、关断时间T_(d(off))、输入电容Ciss 等参数。鉴于现今微处理器的输出电压基本都是5V或者3.3V，所以微处理器如 FPGA的输出信号首先通过电压反馈运算放大器芯片OPA690对其进行适当的放大。
图2是激光调制电路，激光调制电路实现信号调制的步骤如下：
第一步：首先设计放大电路将信号源的小信号放大；
第二步：将放大的信号通过高速MOS管的开光特性调制到激光器上。
从FPGA输出的信号电压为0-3.3V，需放大到4.5V以上。放大电路采用 OPA690，根据运算放大器的最大输出电压摆幅和频率的关系， SR＝2π×fmax×Vpp，OPA690的压摆率为1800V/us，当输入频率为12MHz时，输出电压可为25V,完全满足信号放大3倍的要求。为减小水下系统的体积， OPA690采用单电源供电。MOS管选用CSD19535KCS，输入电容521pF，阈值电压2.7V，开启时间11.6ns，关断时间6.2ns。图1和图4中的R7为10KΩ和 D3可提高响应速度。另外为了提高响应速度，调节MOS工作在可变电阻区时的电阻，即调节MOS管低电平电压，不让MOS管工作在截止区。可通过调节图4中的电阻R9和R12实现。当R9设置为15KΩ，R12为4.7KΩ时，激光直流偏置不为0，激光输出功率为0.15mW，求得消光比为29dB。
前置放大电路：
前置放大电路实现光电流到电压的变换，采用互阻放大电路实现。选用TI 公司90MHz的OPA380单电源互阻放大芯片，反馈电阻R6位1KΩ，C6为补偿电容，大小为2pF，可在电路中产生一个极点，增加电路的稳定性，提高响应速度，它的大小直接影响放大电路的带宽。图3是前置放大电路。
主级放大电路设计
前置放大电路的输出电压信号的幅度较小，需要后级再次放大。采用具有关断功能的电压反馈性OPA690作为主级放大芯片，其增益带宽积是500M，且可单电源供电。通过增益计算公式，并参考数据手册可知要实现放大信号到3.3V，图4中的反馈电阻R1可选取为510Ω和R5为47Ω的电阻实现。图4为主级放大电路。
信号整形电路设计
本发明采用比较器恢复数字信号。选用TI公司的TLV3501。实现电路如图 5。
由于光电检测器PIN和前置放大电路都存在一定的电容，使得放大过后的信号并不是理想的数字信号，所以信号整形电路是必不可少的。一般采用比较器恢复数字信号。在本设计中，比较电路选用TI公司的TLV3501，通过调节图5 中的R8电阻可改变比较器的零点。R8电阻的阻值范围为10KΩ，前后增加R7 和R9可提高电压调节精度。
系统测试：考虑到激光器的使用寿命，结合使用的OOK调制方式，使输入低电平时MOS管关断激光器不工作，输入高电平时MOS打开激光器正常工作。本发明电路为提高MOS管的开关频率可通过使MOS管直接工作在可变电阻区和饱和区实现。首先要使MOS管工作在可变电阻区，即Vgs电压不能为0，但最高不能超过2.4V(开启电压)。
提高激光器的开关速度可让激光器在输入为0电平时，也可发光，但需控制此发光功率，因为存在消光比的问题，调节MOS工作在可变电阻区时的电阻解决激光直流偏置的问题。见图1，恒流源驱动电路即直流偏置电路。此处检测 LD两端的电压。加载调制信号对电路进行测试，观察发现调制速率得到了明显的提高，最高调制频率稳定可达12MHz。如果光对准效果好的情况下达到15MHz (调试过程偶尔可以达到，但一般很难将光完全对准)。接收端输出信号的波形由整形电路决定，通过调节图5中的TLV3501管脚2的输入管脚的参考电压，使输出信号的占空比为50％。由于微控制器FPGA的输出高电平一般为3.3V，后面的信号源输出测试信号的峰峰值为3.3V、直流偏置1.65V。下面对系统分别在自由空间和水中进行测试。首先信号源输出1MHz的方波信号，调试系统，使接收端输出标准的1MHz的方波，完成调试后，改变信号源的输出信号频率，测试主要记录了100KHz、1MHz、2MHz、5MHz、10MHz、12MHz的波形，前面信号测试整体效果较好。
然后对系统进行误码率测试，用FPGA产生伪随机码16200bit，信号速率为 1Mbps，首先进行NRZI编码，并让系统产生10个bit的误码，然后改变编码格式为扰码+NRZI、4B5B+NRZI以及RS+NRZI的编码测试，对测试结果统计，测试数据如表1。
最后在水中传输测试。依次使用信号源输出方波和FPGA输出信号测试系统的性能。性能与自由空间测试结果一致。
表1 系统误码率测试
NRZI 扰码+NRZI 4B5B+NRZI RS+NRZI
误码个数 10 10 5 0
误码率 0.0006 0.0006 0.0003 0
对发明系统在实际应用中的实用性进行了不同频率，不同格式的数字信号传输测试，以及对实验测试结果进行统计和分析。最终本发明系统在传输速率1Mbps，在大气中如果收发对准，采用4B5B+NRZI编码方式，或RS+NRZI编码，10米以内均无误码。因此水下无线激光通信在传输速率2Mbps时，可采用此两种编码方式。相比传统的水下通信该系统具有传输速率高、通信距离远、误码率低、稳定性高、成本低等优点。所设计的驱动电路对激光器的保护也做了充分地考虑，有效降低了半导体激光器的损耗，具有很强的实用参考价值。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.基于蓝绿激光的水下可见光收发系统，其特征在于：光源器件通过恒流源驱动电路产生的直流光信号送给激光调制电路，激光调制电路将用FPGA编码后的信号调制到激光器上，使激光器输出的光信号为有一定速率的已调制的光信号；接收端的光电检测器PIN将接收到的光信号转变为电流信号，送入前置放大电路进行流压变化及低噪声放大，然后送入主级放大电路再次对信号进行放大后送入信号整形电路，将信号恢复为标准波形。
2.按照权利要求1所述基于蓝绿激光的水下可见光收发系统，其特征在于：所述光源器件选择欧司朗PL-520-B1，工作电压6V，功率120mW，波长520nm的LD，光电检测器选择滨松PIN S2386-8K，工作电压0-5V，650nm的灵敏度是0.35mA/mW，工作波长300nm-1100nm，1MHz的结电容是0.5nF。
3.按照权利要求1所述基于蓝绿激光的水下可见光收发系统，其特征在于：所述恒流源驱动电路选用BUCK型的DC-DC制作恒流源用于驱动LD，它内部集成一个100毫欧电流采样电阻，用于监测输出电流，并对其进行调节，用于驱动对电流较敏感的大电流LD，输出电流范围为35mA至1A连续可调，宽范围可调开关频率200kHz至12MHz，实现400:1的调光范围，从而消除常见的LED调光过程中的彩色漂移。
4.按照权利要求1所述基于蓝绿激光的水下可见光收发系统，其特征在于：所述激光调制电路设计采用OOK调制，利用MOS管的开关特性改变LD的电流实现光电数字信号调制，OOK调制时的低电平0信号对应恒流源驱动电路的35mA直流输出，高电平1在此基础上调制直流电流的输出量。
5.按照权利要求1所述基于蓝绿激光的水下可见光收发系统，其特征在于：所述前置放大电路实现光电流到电压的变换，选用TI公司90MHz的OPA380单电源互阻放大芯片，反馈电阻R6位1KΩ，C6为补偿电容，大小为2pF，可在电路中产生一个极点，增加电路的稳定性，提高响应速度，它的大小直接影响放大电路的带宽。
6.按照权利要求1所述基于蓝绿激光的水下可见光收发系统，其特征在于：所述主级放大电路采用具有关断功能的电压反馈性OPA690作为主级放大芯片，其增益带宽积是500M，且可单电源供电，反馈电阻R1选取为510Ω，R5为47Ω的电阻实现。
7.按照权利要求1所述基于蓝绿激光的水下可见光收发系统，其特征在于：所述信号整形电路采用TI公司的TLV3501，通过调节R8电阻可改变比较器的零点，R8电阻的阻值范围为10KΩ，前后增加R7和R9可提高电压调节精度。
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