CN110113110B - 水下可见光通信装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种水下可见光通信装置。所述水下可见光通信装置包括：收发模块，包括光电探测器，所述光电探测器用于接收来自外界的第一光信号并将其转换为电信号；处理模块，包括跨阻放大器和滞回比较器；所述跨阻放大器连接所述光电探测器，用于对所述电信号进行放大；所述滞回比较器连接所述跨阻放大器，用于对放大后的所述电信号进行整形，以输出数字信号。本发明实现了水下可见光的高灵敏度通信。

Description

水下可见光通信装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种水下可见光通信装置。

背景技术

可见光通信(Visible Light Communication，VLC)是在发光二极管(LightEmitting Diode，LED)或激光光源等技术上发展起来的一种新型、短距离、高速的无线通信技术。虽然激光光源方向性好、亮度高，但是其成本较大，因此，目前主要以LED作为可见光通信系统中的发射光源。以LED作为发射光源的可见光通信装置，以大气或水作为传授媒介，通过发出肉眼察觉不到的、高速明暗闪烁的可见光信号来传输信息，在接收端利用，光电探测器(Photodetector,PD)完成光电转换，然后进行电信号的接收、再生、解调来实现信息的传递。与传统无线射频通信技术相比，VLC具有：耗能低、购置设备少等优势，符合国家节能减排战略；无电磁污染，可见光波段和射频信号不相互干扰，对人眼安全，频谱无需授权即可使用的优点；同时，适合信息安全领域使用，只要遮挡住可见光，VLC通信网络中的信息就不会外泄，具有高度保密性。基于上述原因，可见光通信被公认为最具发展前景的通信技术，已成为国内外的研究热点。

在水下通信技术中，由于声波在水中的传播速度很慢，例如对于纯水来说，声波在20℃下的传播速度仅为1500m/s，使得声学链路在水下遭受严重的通信延迟(延迟时间通常以秒为单位计)，这就导致水下声学链路不能支持需要实时大容量数据交换的应用。由于含有大量盐的海水是水下通信的导电传输介质，因此，射频波在超低频(例如30Hz～300Hz)下也只能传播几米。此外，水下射频系统还需要巨大的发射天线和昂贵、耗能的收发器。与声学方法和射频方法相比，UWOC(Underwater Wireless Optical Communication，水下无线光通信)具有相对较高的数据传输速率、较低的链路延迟和较低的实现成本。UWOC可以在几十米的中等距离上实现Gbps级别的数据传输速率。由于UWOC相对于传统的射频和声波具有高带宽高速率的优势，使其成为一种具有吸引力的可行性的替代方案。

但是，如何提高水下可见光通信装置的探测灵敏度，扩展水下可见光通信装置的应用领域，是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种水下可见光通信装置，用于解决现有的水下可见光通信装置探测灵敏度较低的问题，以扩展水下可见光通信装置的应用领域。

为了解决上述问题，本发明提供了一种水下可见光通信装置，包括：

收发模块，包括光电探测器，所述光电探测器用于接收来自外界的第一光信号并将其转换为电信号；

处理模块，包括跨阻放大器和滞回比较器；所述跨阻放大器连接所述光电探测器，用于对所述电信号进行放大；所述滞回比较器连接所述跨阻放大器，用于对放大后的所述电信号进行整形，以输出数字信号。

优选的，所述处理模块还包括位于所述跨阻放大器与所述滞回比较器之间的放大电路；所述放大电路用于将所述跨阻放大器放大后的电信号进行再次放大后传输至所述滞回比较器。

优选的，所述放大电路的电压增益为20dB。

优选的，所述处理模块还包括：

高通滤波器，位于所述跨阻放大器与所述放大电路之间，用于对经所述跨阻放大器放大后的电信号进行高通滤波处理；

限幅放大器，连接所述滞回比较器，用于对经所述滞回比较器整形后的数字信号进行再次整形处理。

优选的，所述光电探测器为雪崩光电二极管。

优选的，还包括：

电源模块，连接所述收发模块与所述处理模块；所述电源模块中包括与所述雪崩光电二极管连接的增压电路，用于向所述雪崩光电二极管供电。

优选的，所述收发模块还包括光源以及位于所述光源出光面的第一透镜，所述第一透镜用于汇聚所述光源发射的第二光信号。

优选的，所述光源包括环绕所述光电探测器外周设置的多个子光源。

优选的，所述收发模块还包括：

环绕所述光电探测器外周设置的环形遮光罩，所述环形遮光罩位于所述光电探测器与所述子光源之间，用于避免所述光电探测器与所述子光源之间的相互影响；

第二透镜，位于所述光电探测器的入光面，用于汇聚所述第一光信号至所述光电探测器。

优选的，所述光源包括呈环形排列的6个子光源，所述光电探测器位于所述环形的中心；所述子光源为发光二极管，且所述发光二极管与所述雪崩光电二极管的尺寸相同。

本发明提供的水下可见光通信装置，通过在与收发模块连接的处理模块中设置跨阻放大器与滞回比较器，实现了对来自与光电探测器电信号的高效放大，使得水下可见光通信装置可以达到1MBaud的通信速率以及50米以上的可见光通信距离，实现了水下可见光的高灵敏度通信；且经所述处理模块输出的信号是数字信号，从而提高了信号处理的效率。

附图说明

附图1是本发明具体实施方式中水下可见光通信装置的结构示意图；

附图2是本发明具体实施方式中电源模块的电路结构示意图；

附图3是本发明具体实施方式中处理模块的电路图；

附图4是本发明具体实施方式中收发模块的结构示意图；

附图5是本发明具体实施方式中经所述处理模块放大和整形后的波形图；

附图6是本发明具体实施方式中通信距离为30米时的接收信号眼图；

附图7是本发明具体实施方式中通信距离为50米时的接收信号眼图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的水下可见光通信装置的具体实施方式做详细说明。

本具体实施方式提供了一种水下可见光通信装置，附图1是本发明具体实施方式中水下可见光通信装置的结构示意图。如图1所示，本具体实施方式提供的水下可见光通信装置包括：

收发模块，包括光电探测器10，所述光电探测器10用于接收来自外界的第一光信号并将其转换为电信号；

处理模块11，包括跨阻放大器111和滞回比较器112；所述跨阻放大器111连接所述光电探测器10，用于对所述电信号进行放大；所述滞回比较器112连接所述跨阻放大器111，用于对放大后的所述电信号进行整形，以输出数字信号。

图1中的箭头A表示第一光信号射入所述光电探测器10的方向。具体来说，在进行水下可见光通信的过程中，来自外界的第一光信号经水下光路射入所述光电探测器10，所述光电探测器10接收所述第一光信号、并将其转换为电信号(即光电流)。所述电信号依次经所述处理模块11中的所述跨阻放大器111放大、所述滞回比较器112整形后，以数字信号的形式经信号输出端口118传输至位于所述处理模块11外部的数字解调电路12。所述数字解调电路12对所述数字信号进行解调处理后传输至计算机13进行显示，从而使得用户获知所述第一光信号中所携带的信息。通过在所述处理模块11中设置跨阻放大器111与滞回比较器112，实现了对来自与光电探测器10电信号的高效放大，使得水下可见光通信装置可以达到1MBaud的通信速率以及50米以上的可见光通信距离，实现了水下可见光的高灵敏度通信。同时，由于所述滞回比较器112输出的信号为数字信号，能够直接被所述数字解调电路12识别，从而提高了信号处理的效率。附图6是本发明具体实施方式中通信距离为30米时的接收信号眼图，附图7是本发明具体实施方式中通信距离为50米时的接收信号眼图。

本具体实施方式中的所述跨阻放大器111以及所述滞回比较器112的具体型号，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。在本具体实施方式中，为了在提高所述水下可见光通信装置探测灵敏度的同时，使得所述处理模块11输出的信号为直接能被FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)识别的0V和3.3V的数字信号，所述跨阻放大器111的型号为OPA2846，所述滞回比较器112的型号为TLV-3501。

优选的，所述处理模块11还包括位于所述跨阻放大器111与所述滞回比较器112之间的放大电路113；所述放大电路113用于将所述跨阻放大器111放大后的电信号进行再次放大后传输至所述滞回比较器112。

所述放大电路113的放大倍数本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。优选的，所述放大电路113的电压增益为20dB。

具体来说，所述光电探测器10产生的光电流先后经所述跨阻放大器111和所述放大电路113进行两级放大后，再传输至所述滞回比较器112进行整形处理，有助于进一步提高所述水下可见光通信装置的探测灵敏度。

优选的，所述处理模块11还包括：

高通滤波器115，位于所述跨阻放大器111与所述放大电路113之间，用于对经所述跨阻放大器111放大后的电信号进行高通滤波处理；

限幅放大器114，连接所述滞回比较器112，用于对经所述滞回比较器112整形后的数字信号进行再次整形处理。

具体来说，所述光电探测器10产生的光电流信号传输至所述处理模块11后，依次经所述跨阻放大器111、所述高通滤波器115、所述放大电路113、所述电压监测电路116、所述缓存117、所述滞回比较器112、所述限幅放大器114处理后，经所述信号输出端口118输出至所述数字解调电路12。附图3是本发明具体实施方式中处理模块的电路图，附图5是本发明具体实施方式中经所述处理模块放大和整形后的波形图。图5中的波形51为先后经过所述跨阻放大器111和所述放大电路113两级放大处理后的波形图；波形52为先后经过所述滞回比较器112和所述限幅放大器114两级整形处理后的波形图。

所述跨阻放大器111、所述高通滤波器115、所述放大电路113、所述电压监测电路116、所述缓存117、所述滞回比较器112、所述限幅放大器114可以同时形成于一个处理电路板上，以提高所述水下可见光通信装置的集成度。另外，还可以在所述处理电路板的背面(即与形成有电路结构的表面相对的面)设置电磁屏蔽结构(例如金属涂层)，以消除外界电磁干扰。

所述光电探测器10的具体类型，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。本具体实施方式中，为了进一步提高所述水下可见光通信装置的探测灵敏度，优选的，所述光电探测器10为雪崩光电二极管。

雪崩光电二极管具有较高的探测灵敏度，采用雪崩光电二极管作为光信号接收端的光电探测器，有助于进一步提高所述水下可见光通信装置的探测灵敏度。

为了向所述雪崩光电二极管提供合适的工作电压，优选的，所述水下可见光通信装置还包括：

电源模块，连接所述收发模块与所述处理模块11；所述电源模块中包括与所述雪崩光电二极管连接的增压电路，用于向所述雪崩光电二极管供电。

由于雪崩光电二极管在工作时需要400V左右的工作电压，因此，本具体实施方式还设置了电源模块，通过所述电源模块同时向所述收发模块和所述处理模块11供电。而所述电源模块中所述增压电路的设置，可以将低电压转换成高电压，例如将电源模块中的电源电压(例如12V电压)转换成供所述雪崩光电二极管工作的高电压(例如400V电压)；而所述处理模块11中各电子元件所需的工作电压仅为3.3V和/或5V，因此，可以通过所述电源模块中的电源电压直接进行供电。本具体实施方式将所述处理模块11与所述光电探测器10的供电集中在一块电路板上，使得所述处理模块11与所述光电探测器10整体仅需较低电源电压(例如12V)进行供电，简化了水下可见光通信装置的电路结构，并提高了其电路集成度。附图2是本发明具体实施方式中电源模块的电路结构示意图。

优选的，所述收发模块还包括光源以及位于所述光源出光面的第一透镜，所述第一透镜用于汇聚所述光源发射的第二光信号。

优选的，所述光源包括环绕所述光电探测器10外周设置的多个子光源40。

优选的，所述收发模块还包括：

环绕所述光电探测器10外周设置的环形遮光罩42，所述环形遮光罩42位于所述光电探测器10与所述子光源40之间，用于避免所述光电探测器10与所述子光源40之间的相互影响；

第二透镜，位于所述光电探测器10的入光面，用于汇聚所述第一光信号至所述光电探测器10。

优选的，所述光源包括呈环形排列的6个子光源40，所述光电探测器10位于所述环形的中心；所述子光源40为发光二极管，且所述发光二极管与所述雪崩光电二极管的尺寸相同。

附图4是本发明具体实施方式中收发模块的结构示意图。具体来说，多个所述子光源40与所述光电探测器10共同形成在一个收发电路板上。所述子光源40发射的第二光信号经所述第一透镜聚焦后向外发射，以减小所述第二光信号的发散角。为了避免所述子光源40向外界发射的第二光信号对所述光电探测器10接收到的光信号造成影响，本具体实施方式在所述光电探测器10的外周设置有所述环形遮光罩42。所述环形遮光罩42的高度优选为高于所述光电探测器10的高度，使得遮蔽效果更佳。本领域技术人员可以根据实际需要设置所述环形遮光罩42高度的具体数值，例如设置为10厘米；所述环形遮光罩42的颜色优选为黑色，其材料本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。另外，通过在所述光电探测器10的入光面设置所述第二透镜，通过所述第二透镜将所述第一光信号进行聚焦，使得所述第一光信号以0°～9°的平行光的形式入射到所述光电探测器10的感光面，在避免对所述光源发出的第二光信号造成影响的同时，进一步提高了所述光电探测器10的探测灵敏度。

所述发光二极管与所述雪崩光电二极管的具体尺寸，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如所述发光二极管与所述雪崩光电二极管的截面尺寸均为5mm×5mm。

本具体实施方式提供的水下可见光通信装置，通过在与收发模块连接的处理模块中设置跨阻放大器与滞回比较器，实现了对来自与光电探测器电信号的高效放大，使得水下可见光通信装置可以达到1MBaud的通信速率以及50米以上的可见光通信距离，实现了水下可见光的高灵敏度通信；且经所述处理模块输出的信号是数字信号，从而提高了信号处理的效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种水下可见光通信装置，其特征在于，包括：

收发模块，包括光电探测器，所述光电探测器用于接收来自外界的第一光信号并将其转换为电信号，所述第一光信号经水下光路射入所述光电探测器，所述光电探测器为雪崩光电二极管；

处理模块，包括跨阻放大器和滞回比较器；所述跨阻放大器连接所述光电探测器，用于对所述电信号进行放大，所述跨阻放大器的型号为OPA2846；所述滞回比较器连接所述跨阻放大器，用于对放大后的所述电信号进行整形，以输出数字信号，使得所述水下可见光通信装置达到1MBaud的通信速率以及50米以上的可见光通信距离，所述滞回比较器的型号为TLV-3501；

数字解调电路，位于所述处理模块外部，用于对所述数字信号进行解调处理后传输至计算机进行显示；

所述处理模块还包括位于所述跨阻放大器与所述滞回比较器之间的放大电路；所述放大电路用于将所述跨阻放大器放大后的电信号进行再次放大后传输至所述滞回比较器；

所述处理模块还包括：

高通滤波器，位于所述跨阻放大器与所述放大电路之间，用于对经所述跨阻放大器放大后的电信号进行高通滤波处理；

限幅放大器，连接所述滞回比较器，用于对经所述滞回比较器整形后的数字信号进行再次整形处理；

所述跨阻放大器、所述高通滤波器、所述放大电路、所述滞回比较器和所述限幅放大器形成于一个处理电路板上；

电源模块，连接所述收发模块与所述处理模块；所述电源模块中包括与所述雪崩光电二极管连接的增压电路，所述电源模块用于同时向所述雪崩光电二极管和所述处理模块供电；

所述收发模块还包括光源，所述光源包括环绕所述光电探测器外周设置的多个子光源；

所述收发模块还包括环绕所述光电探测器外周设置的环形遮光罩，所述环形遮光罩位于所述光电探测器与所述子光源之间，所述环形遮光罩的高度高于所述光电探测器的高度，用于避免所述光电探测器与所述子光源之间的相互影响。

2.根据权利要求1所述的水下可见光通信装置，其特征在于，所述放大电路的电压增益为20dB。

3.根据权利要求1所述的水下可见光通信装置，其特征在于，所述收发模块还包括位于所述光源出光面的第一透镜，所述第一透镜用于汇聚所述光源发射的第二光信号。

4.根据权利要求1所述的水下可见光通信装置，其特征在于，所述收发模块还包括：

第二透镜，位于所述光电探测器的入光面，用于汇聚所述第一光信号至所述光电探测器。

5.根据权利要求1所述的水下可见光通信装置，其特征在于，所述光源包括呈环形排列的6个子光源，所述光电探测器位于所述环形的中心；所述子光源为发光二极管，且所述发光二极管与所述雪崩光电二极管的尺寸相同。

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