CN108768523A - 一种水下通用的光通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水下通用的光通信系统，属于无线通信设备技术领域。一种水下通用的光通信系统包括数据发送子系统与数据接收子系统。本发明通过一种水下通用的光通信系统来实现在水下复杂环境下，使用单系统对模拟信号与数字信号二者的低误码率传递。本发明的光通信系统具有在水下复杂环境下传递数字信号与模拟信号的功能，弥补了当前同类产品只能传输数字信号的不足，使其可适应多种不同环境下不同的需求。本发明的光通信系统配套使用了多种算法，降低了传输的误码率。

Description

一种水下通用的光通信系统

技术领域

本发明涉及一种水下通用的光通信系统，属于无线通信设备技术领域。

背景技术

随着人们对海洋开发的不断深入，水下通信技术也在不断的发展。当前市面上已有的水下光通信技术普遍着力于数字信号的可靠传输，对水下模拟信号的传输的研究很少。虽然数字信号有可靠性高、抗干扰能力强等优点，但对数字信号的处理往往需要复杂的逻辑与较高的处理设备。在成本敏感，需要大范围进行广播的那种情景，使用数字信号便不是最佳的选择了。模拟信号可以承载更多的信息量，且对模拟信号的解调普遍比数字信号容易，在某些特定环境下使用模拟信号比使用数字信号更加适合。如像水下对讲机这种成本敏感、不需要太高的处理性能的设备，使用数字信号来进行数据传输会造成不必要的成本，而在这种情况下，使用模拟信号来进行信息的传递可以大大减少接收端的电路成本与设计难度，接收端只需要进行简单的解调即可实现对声音的还原，极大的降低了成本。

但由于水下环境的复杂性，单一的数字信号或模拟信号总会有局限性。在环境复杂、情况多变的水下环境下，数字信号传输的适用性势必会弱于既可调制解调数字信号又可调制解调模拟信号的系统。当前市场上只有水下数字信号光通信系统，这无疑制约了当今蓬勃发展的海洋开发，市场对既具有数字信号调制解调功能又具有模拟信号调制解调功能的全功能系统的需求会随着水下开发的发展而愈加旺盛。

发明内容

本发明解决的问题是在面对水下自然光，暗流等干扰的情况下，设计一种通用水下光通信系统，实现中远距离数字信号与模拟信号的高可靠性传输。本系统包括数据发送子系统与数据接收子系统，应用了一种对数据的处理方法。

本发明技术方案

一种水下通用的光通信系统，包括数据发送子系统与数据接收子系统；

所述的数据发送子系统包括载波发生系统、信号增益系统、加密系统、信号调制系统以及光信号生成系统；

载波发生系统(即产生载波信号的系统)根据加载信号的频率自由选择(包括但不限于LC振荡电路)，载波发生系统利用电路扰动产生合适的载波频率并产生正反馈使之增强，以达到生成固定频率载波的效果。

信号增益系统(对信号进行增益、放大的系统)，由具有放大作用的元件(包括但不限于运放)组成的放大电路对信号幅度进行增强，将信号放大到适合与载波进行调制的幅度。

加密系统(通过硬件或软件对数字信号进行加密的系统)，可分为硬件结构或软件结构。硬件结构即使用硬件数字电路对信号进行加密(包括但不仅限于M序列发生器)，用产生M序列的初始参数作为密钥，对不同图像根据不同的初始参数可获得不同的密钥来加密。解密时分别从相应的初始参数获得重构M序列，并产生相应的解密。软件结构即使用软件算法进行加密，(包括但不仅限于AES算法)。

信号调制系统(对信号进行调制，使信号能够发送的系统)，一般使用乘法器将载波与发送信号相乘获得调制信号(包括但不限于使用模拟乘法器)；

光信号生成系统(驱动光源发出光信号的系统)，光源的选择包括但不限于LED。

所述的数据接收系统包括光电采集系统、噪声衰减系统、信号解调系统以及信号增益系统；

光电采集系统，即将外界的光信号转换为电信号，供给给下一级系统处理的系统，一般我们使用光敏原件(包括但不限于光电二极管)根据外界光强改变，将光信号变为电信号；

噪声衰减系统，对环境噪声产生衰减作用，提高信号稳定性的系统。衰减系统分别对外界自然光干扰和自身光源两部分噪声进行处理，对自然光首先利用遮光板遮蔽来自水面的光，随后在光电采集系统获取原始信号后对原始信号进行滤波，只获取有效频带的信号；对自身光源的处理，在信号解调系统后，利用反向比例运算与求和电路去除自身光源干扰；

信号解调系统，对接收的已调制的信号进行解调，变为简易且可直接读取的信号的系统，可使用但不限于包络检波后对信号进行解调。

信号增益系统，与数据发送子系统的信号增益系统结构组成上大致相同，都为对信号进行放大的系统，为具有放大作用的元件(包括但不限于运放)构成的放大电路。

数据发送子系统运行流程如下：

首先信号输入进信号增益系统，对信号进行增益；之后信号增益系统将增益后的信号输出到加密系统。待其加密完成，加密系统将加密后的信息传送给信号调制系统对其进行调制，将信号加载到载波发生系统产生的载波信号上。将调制完成后的信号传到光信号生成系统产生可见光进行通信。

数据接收子系统运行流程如下：

光电采集系统将光信号转换成电信号，将转换后的电信号输出到噪声衰减系统。噪声衰减系统对噪声进行抑制，滤除环境的干扰后将信号输出到信号解调系统对信号进行解调，解调后的信号输出到信号增益系统进行放大并输出。

本发明的有益效果：

1)能够进行模拟信号的传输，传输信息的方式更加多样化。该产品能够在发射端发射模拟信号并且在接收端有相应的接收方式，为产品发送音频等其他可以使用模拟信号进行通信的信号提供了更加稳定，更加高效的一种选择，提高了准确率与传输速度，相比于同类型其他产品有比较显著的优势。

2)传输数字信号时，对于误码有一套完整的算法进行校准。由于本系统工作环境在水下，考虑到各种环境因素，数字信号产生误差的概率比较高，接收端采用一套完整的软件算法可较为有效的解决这一问题，进而提高传输信息的完整性与可靠性。

3)预留多个信息接收端，可以实施多端之间的信息交互，进而形成一个完整的信息系统，使产品有更多的使用方式，提高了产品的泛用性，为将来的技术更新实施留下更大的空间。

4)产品的可移植性，可拓展性较强，普通无线电信号在流体中适用性不强，而使用可见光可以实现很好的传输。这使本产品的使用范围并不只局限于水下，还可以在多种复杂的环境(如其他透明流体)发挥作用。

5)隐蔽性强，不使用无线电改而使用可见光通道进行传输，降低了被截获被破解的可能性，只需要将光路阻断就可以即时中断传输，辅以软件算法的加密，安全性大大提升。

6)可以根据不同环境，不同距离对光源进行适当的调整与更换，确保用最低的功耗实现最好的效果，降低了使用成本。

附图说明

图1为本发明一种用于水下的通用光通信系统的系统结构图。

图2为本发明的系统流程图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

数据发送系统中：载波信号发生系统使用高速晶体管制作LC振荡电路，根据频率公式并且使用可调电容与可调电感可以制作出频率可变的载波信号，使频率在1MHz-40MHz的范围内变化。根据不同的调制信号选择合适的载波频率。如人声信号一般在10KHz以内，可以选用10MHz以内的载波频率。对于一般的水下传感器，则可以适用更低的载波频率。信号增益系统这里使用了单电源功放，使用由运放组成的电压跟随器来为模拟电路提供合适的偏置电压，可以提供高达100dB的信号增益，将人说话时的声信号、传感器传回的若信号进行无失真的高倍放大，并且有旋钮实现增益可控。对数字信号进行加密。为了尽可能减小成本，使用软件方法(包括AES等)进行对数字信号的加密。

信号调制系统有控制调制信号来源的开关，一条线路是来自信号增益系统的模拟信号，一条是来自数据加密系统的数字信号。调制信号和载波信号使用AM调制电路(包括MC1496模拟乘法器等)，将两个信号进行相乘。通过调节调制电路的增益旋钮同样可以做到对信号振幅的调节。光信号生成系统的任务是驱动光源，并使信号通过光源向外发送。光生成系统包含一个模拟加法器和功率放大器，将来自调制系统的调幅信号添加一个直流偏置后进行功率放大，以驱动大功率光源(如大功率LED)。驱动电路保证信号在波峰时光源强度达到最大，以及在波谷时光源强度最弱(注意，并不是关闭光源，不然模拟信号将产生严重失真)。

数据接收系统中，光电采集系统使用光敏传感器(包括但不限于光电二极管)来对环境中的光信号进行收集，并且使用信号增益系统对光电传感器的信号进行放大，使之具有一定的抗干扰性。噪声衰减系统使用但不限于低通滤波器(滤除环境中固有的噪声)、利用运放的共模抑制来在运放的另一输入端输入由未接受光信号的光敏模块采集到的环境转换来的信号(需传入单片机的信号可以由降噪算法来实现软件降噪)。信号解调系统使用不限于低通滤波器的AM解调包络检测电路。为了获得更好的解调效果，这里使用两级低通滤波电路。解调后的模拟信号可以直接供给下一级模拟信号处理电路，解调后的数字电路供给一个滞回电压比较器(包括但不限于施密特触发器、软件ADC模拟比较器等)，高于上限阈值的电压被认定为逻辑‘1’，低于下限阈值电压的被认定为是逻辑‘0’。并且利用非线性元件实现自动阈值调整。若信号源距离过远，接收到的数字信号幅度较弱，则自动调整阈值电压使之变得更加灵敏；近距离的通信则加大上下限阈值的电压差，提高抗干扰能力。接收信号增益系统通常是指对模拟信号进行功率放大以驱动下级模拟信号处理电路(如驱动扬声器将电信号还原为声信号)，但不限于功率增益电路。

具体应用

(1)水下对讲：水下工作人员头罩四周设有LED灯带，用于照明的同时向四周发送数据。工作人员身体四面设有光电二极管，可以接收来自周围的数据。由于载波频率非常高，数据传输并不会对照明产生影响。人说话的声信号经转换放大调制后由LED向四周发送，由于信号的衰减，距离越远的人接收到的信号越弱，通过这点水下工作人员可大致判断彼此之间的距离。

(2)水下-水面数据传输：水面的基站(或移动的物体)在水面下若干米处设有带遮光板的光电管。水下的传感器与水面基站有一套自协商系统，水面基站在获取水下传感器信息前会向水下传感器连续发出若干起始信号，使传感器进入准备状态。传感器发送完数据后，会发送终止信号(附带校验信息以判定数据是否正确)断开与水面主机的通信。一个深海水下传感器只需要装配本系统和大容量电池便可长期投入水下使用，进行长期水下数据采集而不必使用昂贵低效的声呐系统。若传感器与水面接收器都是固定的，则可采用聚焦后的可见光进行通信，大大提升传输距离。在安置阶段，水面可向水下广播数据从而对所有传感器进行批量设置。在浅水环境中，水面的太阳光会干扰到信号的传输，但在深度超过阳光可达到的最大深度的深海，阳光对本系统所造成的干扰微乎其微，经过调制的信号加之匹配的降噪算法会使传输准确率得到极大地提升，搭配合适的低功耗算法，系统可连续工作多年，不间断的获取海底数据。

以下为本发明的解决方案

数据发送系统中，载波信号发生系统使用高速晶体管制作LC振荡电路，根据频率公式制作出频率可变的载波信号，使频率在1MHz-40MHz的范围内变化，使用户可根据不同的调制信号选择合适的载波频率。如人声信号一般在10KHz以内，可以选用10MHz的载波频率。对于一般的水下传感器，则可以选用更低的载波频率以提高其抗干扰能力。信号增益系统使用单电源功放，使用由运放组成的电压跟随器来为模拟电路提供合适的偏置电压，可以提供高达100dB的信号增益，将人说话时的声信号、传感器传回的信号进行无失真的高倍放大，配置旋钮，实现增益可控。对于对安全又需求的行业，本系统使用软件方法(AES)对数字信号进行加密。

信号调制系统有控制调制信号来源的开关，一条线路是来自信号增益系统的模拟信号，一条是来自数据加密系统的数字信号。调制信号和载波信号使用AM调制电路(包括MC1496模拟乘法器等)，将两个信号进行相乘。通过调节调制电路的增益旋钮同样可以做到对信号振幅的调节。光信号生成系统的任务是驱动光源，并使信号通过光源向外发送。光生成系统包含模拟加法器和功率放大器，将来自调制系统的调幅信号添加直流偏置后进行功率放大，以驱动大功率光源(如大功率LED)。驱动电路保证信号在波峰时光源强度达到最大，以及在波谷时光源强度最弱(并非关闭光源，否则模拟信号将产生严重失真)。

数据接收系统中，光电采集系统使用光敏传感器(包括但不限于光电二极管)来对环境中的光信号进行收集，并且使用信号增益系统对光电传感器的信号进行放大，使之具有一定的抗干扰性。噪声衰减系统使用但不限于低通滤波器(滤除环境中固有的噪声)、利用运放的共模抑制来在运放的另一输入端输入由未接受光信号的光敏模块采集到的环境转换来的信号(需传入单片机的信号可以由降噪算法来实现软件降噪)。信号解调系统使用不限于低通滤波器的AM解调包络检测电路。为了获得更好的解调效果，这里使用两级低通滤波电路。解调后的模拟信号可以直接供给下一级模拟信号处理电路，解调后的数字电路供给一个滞回电压比较器(包括但不限于施密特触发器、软件ADC模拟比较器等)，高于上限阈值的电压被认定为逻辑‘1’，低于下限阈值电压的被认定为是逻辑‘0’。并且利用非线性元件实现自动阈值调整。若信号源距离过远，接收到的数字信号幅度较弱，则自动调整阈值电压使之变得更加灵敏；近距离的通信则加大上下限阈值的电压差，提高抗干扰能力。接收信号增益系统通常是指对模拟信号进行功率放大以驱动下级模拟信号处理电路(如驱动扬声器将电信号还原为声信号)，但不限于功率增益电路。

Claims (1)

1.一种水下通用的光通信系统，其特征在于，所述的水下通用的光通信系统包括数据发送子系统与数据接收子系统；

所述的数据发送子系统包括载波发生系统、信号增益系统、加密系统、信号调制系统以及光信号生成系统；

载波发生系统根据加载信号的频率选择LC振荡电路，利用LC振荡电路扰动产生的载波频率，并产生正反馈使之增强，以达到生成固定频率载波；

信号增益系统，由具有放大作用的元件组成的放大电路，对信号幅度进行增强，将信号放大到与载波进行调制的幅度；

加密系统，使用数字电路对信号进行加密，M序列发生器产生的M序列的初始参数作为密钥，对不同图像根据不同的初始参数获得不同的密钥来加密；解密时分别从对应的初始参数获得重构M序列，并产生相应的解密；加密系统使用AES算法进行加密；

信号调制系统，对信号进行调制，使信号能够发送；使用乘法器将载波与发送信号相乘获得调制信号；

光信号生成系统，驱动光源发出光信号的系统；

数据发送子系统的运行流程如下：

首先信号输入至信号增益系统，对信号进行增益；之后信号增益系统将增益后的信号输出到加密系统；待其加密完成，加密系统将加密后的信息传送给信号调制系统对其进行调制，将信号加载到载波发生系统产生的载波信号上；将调制完成后的信号传到光信号生成系统产生可见光进行通信；

所述的数据接收系统包括光电采集系统、噪声衰减系统、信号解调系统以及信号增益系统；

光电采集系统，即将外界的光信号转换为电信号，供给下一级系统处理，使用光敏原件，根据外界光强改变，将光信号变为电信号；

噪声衰减系统，对环境噪声产生衰减作用，提高信号稳定性；分别对外界自然光干扰和自身光源两部分噪声进行处理，对自然光首先利用遮光板遮蔽来自水面的光，随后在光电采集系统获取原始信号后对原始信号进行滤波，只获取有效频带的信号；对自身光源的处理，在信号解调系统后，利用反向比例运算与求和电路去除自身光源干扰；

信号解调系统，对接收的已调制的信号进行解调，变为简易且可直接读取的信号；

信号增益系统，与数据发送子系统的信号增益系统结构组成上相同，对信号进行放大，为具有放大作用的元件构成的放大电路；

数据接收子系统的运行流程如下：

光电采集系统将光信号转换成电信号，将转换后的电信号输出到噪声衰减系统；噪声衰减系统对噪声进行抑制，滤除环境的干扰后将信号输出到信号解调系统对信号进行解调，解调后的信号输出到信号增益系统进行放大并输出。