CN110581736A - 轻量化长距离的水下led无线光通信传输系统 - Google Patents
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Abstract
一种轻量化长距离的水下LED无线光通信传输系统，包括：发射端，用于发射光信号,发射端包括：数据采集模块；发射端电光转换模块；发射端传输光纤；带有水密机械结构的发射端，包括：发射端光电转换模块；发射端数字信号处理模块；数模转换模块；放大器；LED阵列；直流偏置模块；发射端透镜组件；接收端，用于接收发射端发射的光信号，包括：带有水密机械结构的接收端，设置于水下，包括：接收端透镜组件；探测器；跨阻放大器；均衡及滤波模块；模数转换模块；接收端数字信号处理模块；接收端电光转换模块；接收端传输光纤；接收端光电转换模块；数据恢复模块。本发明由于光纤重量轻，适用于长距离传输，并且不会受到电磁干扰，传输信号准确。
Description
技术领域
本发明涉及一种水下通信系统，尤其是涉及一种轻量化长距离的水下LED无线光通信传输系统。
背景技术
地球表面的72％被海洋覆盖，随着人们对海洋资源的深入开发，人类与海洋的通信日益频繁，越来越多的水下探测设备、监测平台和传感器投入使用，因此迫切需要高速无线通信技术的支持。但由于海洋的趋肤效应，现有的无线通信技术无法适用于长距离的海洋通信。而作为目前水下通信主要通信方式的声波通信，虽然在海水中的损耗很小，但传输时的旁瓣较大，方向指向性不强，且通信速率低，保密性差，难于满足水下应用日渐增加的信息量传输需求。另外，声波通信还受到海洋环境的影响，背景噪声较大，从而使信号传输的质量下降。因此迫切需要一种中等距离的高速通信技术作为补充手段。
蓝绿光在水中的衰减比其他光波段小，这为水下光通信的发展奠定了基础。而且水下光通信系统具有传输带宽大、数据传输效率高和通信设备体积小等优点，可解决水下高速无线传输难题。此外，随着技术的不断发展，适合在海底传输的LED成本下降，发光效率提高，发射大发散角传输和接收端的大视场接收，均大幅减低了系统设计的难度。另外，水下LED无线光通信传输系统与目前使用的各种通信方法对接容易，水下环境适应性好、扩展升级方便、保密性强，通信速率高的特点，特别适合于深海中各种传感器的互联、数据收集和水面平台与水下设备间的接续，具有非常广阔的应用前景。现有的水下通讯系统每个模块之间均通过电缆连接，通信系统的水下发射端或者接收端必须在海洋中离信号采集端或者数据恢复端较近的地方，如果距离较远，由于中间信号传输时采用电缆进行传输，长距离传输会受到大量电磁干扰，进而对传输信号造成干扰。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供一种避免电磁干扰的轻量化长距离的水下LED无线光通信传输系统。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：
一种轻量化长距离的水下LED无线光通信传输系统，包括：
发射端，用于发射光信号,所述发射端包括：
数据采集模块，用于采集需要传输的数据；
发射端电光转换模块，输入端与所述数据采集模块输出端连接；
发射端传输光纤，输入端与所述发射端电光转换模块输出端连接；
带有水密机械结构的发射端，设置于水下，包括：
发射端光电转换模块，输入端与所述发射端传输光纤输出端连接；
发射端数字信号处理模块，输入端与所述发射端光电转换模块输出端连接；
数模转换模块，输入端与所述发射端数字信号处理模块输出端连接；
放大器，输入端与所述数模转换模块输出端连接；
LED阵列，信号输入端与所述放大器输出端连接，用于发射带有调制编码信号的光信号；
直流偏置模块，与所述LED阵列电连接，用于对所述LED阵列提供工作电源，并且用于与所述放大器输出的信号一起作用于所述LED阵列发射光信号；
发射端透镜组件，用于将LED阵列发射的光信号传导入传输介质中；
接收端，用于接收发射端发射的光信号，包括：
带有水密机械结构的接收端，设置于水下，包括：
接收端透镜组件，用于发射端发出的光信号通过，对接收的光信号进行汇聚；
探测器，用于探测经过所述接收端透镜组件传输的信号光；
跨阻放大器，输入端与所述探测器输出端连接；
均衡及滤波模块，输入端与所述跨阻放大器输出端连接；
模数转换模块，输入端与所述均衡及滤波模块输出端连接；
接收端数字信号处理模块，输入端与所述模数转换模块输出端连接；
接收端电光转换模块，输入端与所述接收端数字信号处理模块输出端连接；
接收端传输光纤，输入端与所述接收端电光转换模块输出端连接；
接收端光电转换模块，输入端与所述接收端传输光纤输出端连接；
数据恢复模块，输入端与所述接收端光电转换模块输出端连接。
本发明所述的轻量化长距离的水下LED无线光通信传输系统，其特征在于，所述LED阵列可发出波长为450nm-550nm的光。
本发明所述的轻量化长距离的水下LED无线光通信传输系统，其特征在于，所述发射端数字信号处理模块包括：
编码单元，用于对数字信号进行编码；
调制单元，用于对编码后的数字信号进行调制。
本发明所述的轻量化长距离的水下LED无线光通信传输系统，其特征在于，所述接收端数字信号处理模块包括：
解调单元，用于对输入的数字信号进行解调；
解码单元，用于对解调的数字信号进行解码。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、在发射端，通过设置发射端电光转换模块、发射端传输光纤、发射端光电转换模块，发射端电光转换模块将数据采集模块中的电信号转换成光信号，光信号由传输光纤传递至发射端光电转换模块，将光信号重新转换成电信号，之后经过后续模块处理，发射相应的光信号；通过使用光纤传递信号，能够有效避免电磁干扰，保证传输信号准确，可以根据需要将带有水密机械结构的发射端放置在深海中距离数据采集模块很远的位置。
2、在接收端，通过设置接收端电光转换模块、接收端传输光纤、接收端光电转换模块，接收端电光转换模块将接收端数字信号处理模块中的电信号转换成光信号，光信号由传输光纤传递至接收端光电转换模块，接收端光电转换模块将光信号重新转换成电信号，之后经过数据恢复模块，恢复信号数据；通过使用光纤传递信号，能够有效避免电磁干扰，保证传输信号准确，可以根据需要将带有水密机械结构的接收端放置在深海中距离数据恢复模块很远的位置。
附图说明
图1为适用于本发明实施例示意图；
具体实施方式
蓝绿光在水中的衰减比其他光波段小，这为水下光通信的发展奠定了基础。而且水下光通信系统具有传输带宽大、数据传输效率高和通信设备体积小等优点，可解决水下高速无线传输难题。此外，随着技术的不断发展，适合在海底传输的LED成本下降，发光效率提高，发射大发散角传输和接收端的大视场接收，均大幅减低了系统设计的难度。另外，水下LED无线光通信传输系统与目前使用的各种通信方法对接容易，水下环境适应性好、扩展升级方便、保密性强，通信速率高的特点，特别适合于深海中各种传感器的互联、数据收集和水面平台与水下设备间的接续，具有非常广阔的应用前景，现有的水下通讯系统每个模块之间均通过电缆连接，通信系统的水下发射端或者接收端必须在海洋中离信号采集端或者数据恢复端较近的地方，如果距离较远，由于中间信号传输时采用电缆进行传输，长距离传输会受到大量电磁干扰，进而对传输信号造成干扰，另一方面，长距离使用电缆时，由于电缆密度较大，如果将数据采集模块设置在船只上，由于长距离的水下电缆的存在，水下电缆重量较大，并且水下电缆的密度大于水的密度，需要船只对水下电缆施加较大的向上拉力，以避免电缆落入海底，长距离的水下电缆传输会导致船只承载负荷较大；最后一方面，长距离传输时，用到的电缆比较多，在将整个装置通过船只运输过程中由于电缆过重，也导致船只承载负荷较大。
基于此，本发明提供一种轻量化长距离的水下LED无线光通信传输系统，包括：
发射端，用于发射光信号,发射端包括：
数据采集模块101，用于采集需要传输的数据；
发射端电光转换模块201，输入端与数据采集模块101输出端连接；
发射端传输光纤301，输入端与发射端电光转换模块201输出端连接；
带有水密机械结构的发射端401，设置于水下，包括：
发射端光电转换模块4001，输入端与发射端传输光纤301输出端连接；
发射端数字信号处理模块4002，输入端与发射端光电转换模块4001输出端连接；
数模转换模块4003，输入端与发射端数字信号处理模块4002输出端连接；
放大器4004，输入端与数模转换模块4002输出端连接；
LED阵列4006，信号输入端与放大器4004输出端连接，用于发射带有调制编码信号的光信号；
直流偏置模块4005，与LED阵列4006电连接，用于对LED阵列4006提供工作电源，并且用于与放大器4004输出的信号一起作用于LED阵列4006发射光信号；
发射端透镜组件4007，用于将LED阵列4006发射的光信号传导入传输介质中；
接收端，用于接收发射端发射的光信号，包括：
带有水密机械结构的接收端601，设置于水下，包括：
接收端透镜组件6001，用于发射端发出的光信号通过，对接收的光信号进行汇聚；
探测器6002，用于探测经过接收端透镜组件6001传输的信号光；
跨阻放大器6003，输入端与探测器6002输出端连接；
均衡及滤波模块6004，输入端与跨阻放大器6003输出端连接；
模数转换模块6005，输入端与均衡及滤波模块6004输出端连接；
接收端数字信号处理模块6006，输入端与模数转换模块输出端6005连接；
接收端电光转换模块6007，输入端与接收端数字信号处理模块6006输出端连接；
接收端传输光纤701，输入端与接收端电光转换模块607输出端连接；
接收端光电转换模块801，输入端与接收端传输光纤701输出端连接；
数据恢复模块901，输入端与接收端光电转换模块801输出端连接。
本发明在使用过程中，具体通信过程如下，数据采集模块101采集需要传输的信号，经数据采集模块101采集的电信号经过发射端电光转换模块201转换成光信号，光信号由发射端电光转换模块201进入发射端传输光纤301，光信号经过发射端传输光纤301进入发射端光电转换模块4001转换成电信号，电信号传递至发射端数字信号处理模块4002，对电信号进行编码与调制，之后进入数模转换模块4003转换成模拟信号，模拟信号经过放大器4004进行信号放大，之后与直流偏置模块4005一起作用于LED阵列4006，发射带有调制编码信号的光信号，经过发射端透镜组件4007对光信号进行汇聚，避免在海洋中传送时分散，同时将光信号传输至水下信道501传输，水下信道501可以为海洋、河流、湖泊等，光信号通过水下信道501传输后，经过接收端透镜组件6001进入探测器6002，探测器探测信号后，将探测到的信号传输至跨阻放大器6003进行放大，然后经过均衡及滤波模块6004对信号进行均衡与滤波，均衡滤波之后的信号进入模数转换模块，将信号转换成数字信号，之后信号进入接收端数字信号处理模块6006，将数字信号进行解调解码，解调与解码之后的信号进入接收端电光转换模块6007中，将数字信号转换成光信号，光信号经过接收端传输光纤传输后进入接收端电光转换模块801重新转换成数字信号，之后数字信号经过数据恢复模块901对数据进行恢复。
在发射端，通过设置发射端电光转换模块201、发射端传输光纤301、发射端光电转换模块4001，发射端电光转换模块将数据采集模块中的电信号转换成光信号，光信号由传输光纤传递至发射端光电转换模块，将光信号重新转换成电信号，之后经过后续模块处理，发射相应的光信号，通过使用光纤传递信号，能够有效避免电磁干扰，保证传输信号准确，可以根据需要将带有水密机械结构的发射端401放置在深海中距离数据采集模块很远的位置；
在接收端，通过设置接收端电光转换模块6007、接收端传输光纤701、接收端光电转换模块801，接收端电光转换模块将接收端数字信号处理模块中的电信号转换成光信号，光信号由传输光纤传递至接收端光电转换模块801，接收端光电转换模块801将光信号重新转换成电信号，之后经过数据恢复模块901，恢复信号数据；通过使用光纤传递信号，能够有效避免电磁干扰，保证传输信号准确，可以根据需要将带有水密机械结构的接收端放置在深海中距离数据恢复模块很远的位置。
同时由于光纤的密度比较小，长距离采用光纤传输信号时，采用的光纤重量较轻，如果需要将数据采集模块或者数据恢复模块设置在船只上，不会对船只造成造成较大的向下的拉力，船只不需要承载较大的负荷，保证船只正常运行，使数据采集模块或者数据恢复模块可以设置在船只上；并且在运输整个装置时，船只也不会承载较大的重量，进而可以使整个系统可在船只上正常运输。
需要说明的是，数据采集模块可以使用处理器，摄像头，麦克风来实现；发射端电光转换模块201、接收端电光转换模块6007可以采用电光转换器实现；发射端光电转换模块4001、接收端光电转换模块801可以采用光电转换器实现；发射端数字信号处理模块4002、接收端数字信号处理模块6006可以采用处理器或者现场可编程逻辑门阵列(FPGA)来实现，发射数模转换模块4003可以采用数模转换器来实现；放大器4004与直流偏置模块4005为现有技术在此不作详细描述，透镜组件为通信系统中常用组件在此不作详细描述；探测器6002可以采用光电探测器实现；跨阻放大器为本领域常用技术，在此不作详细描述，均衡及滤波模块6005可以通过滤波器来实现；模数转换模块6005可以采用模数转换器来实现；数据恢复模块根据需要可以采取音响、显示屏等与数据采集模块配合的装置。
需要说明的是带有水密机械结构的发射端401，一般做成整体密封在水下；带有水密机械结构的接收端601同样做成整体密封在水下；数据采集端可以放置在大陆上或者船只上，相应的数据恢复端可以设置在潜艇中或者水下工作站中，或者数据恢复端设置在大陆或者船只上，数据采集端设置在潜艇或者水下工作站中。
在一些实施例中，发射端电光转换模块201、发射端传输光纤301、发射端光电转换模块4001也可以按照顺序设置在发射端数字信号处理模块4002与数模转换模块4003之间或者设置在数模转换模块4003与放大器4004之间，此时带有水密机械结构的发射端401包含的是发射端光电转换模块4001及其以后的器件，密封在水下，可以根据需要设置发射端电光转换模块201、发射端传输光纤301、发射端光电转换模块4001之间的位置，使光电转换模块4001及其后的器件更少，降低带有水密机械结构的发射端401要密封的元器件数，进而降低带有水密机械结构的发射端401设计难度，同时减小要密封的体积，对于水下密封来说，体积越大越难以密封，体积越小越容易密封，进而降低机械结构设计时的难度。
在一些实施例中，接收端电光转换模块6007、接收端传输光纤701、接收端光电转换模块801也可以按照顺序设置在放到探测器6002与跨阻放大器6003之间、跨阻放大器6003与均衡及滤波模块6004之间、均衡及滤波模块6004与模数转换模块6005之间或者模数转换模块6005与接收端数字信号处理模块6006之间，带有水密机械结构的接收端601包括接收端电光转换模块6007及其之前的器件，密封在水下；可根据需要设置电光转换模块6007、接收端传输光纤701、接收端光电转换模块801的位置，使接收端电光转换模块6007及之前的器件更少，降低带有水密机械结构的接收端601包含的与元器件数，进而减小要密封的体积，降低机械结构设计时的难度。
在一些实施例中，LED阵列4006可发出波长为450nm-550nm的光，光的波长在450nm-550nm之间，即为蓝绿光，蓝绿光在水中衰减比其他光波段小，更适合水下传输。
在一些实施例中，发射端数字信号处理模块4002包括：
编码单元40021，用于对数字信号进行编码；
调制单元40022，用于对编码后的数字信号进行调制，通过编码单元与调制单元对数字信号进行编码与调制
在一些实施例中，接收端数字信号处理模块6006包括：
解调单元60061，用于对输入的数字信号进行解调；
解码单元60062，用于对解调的数字信号进行解码，通过解调单元与解码单元对数字信号进行解调与解码。
以上所述的实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (4)
1.一种轻量化长距离的水下LED无线光通信传输系统，其特征在于，包括：
发射端，用于发射光信号,所述发射端包括：
数据采集模块(101)，用于采集需要传输的数据；
发射端电光转换模块(201)，输入端与所述数据采集模块(101)输出端连接；
发射端传输光纤(301)，输入端与所述发射端电光转换模块(201)输出端连接；
带有水密机械结构的发射端(401)，设置于水下，包括：
发射端光电转换模块(4001)，输入端与所述发射端传输光纤(301)输出端连接；
发射端数字信号处理模块(4002)，输入端与所述发射端光电转换模块(4001)输出端连接；
数模转换模块(4003)，输入端与所述发射端数字信号处理模块(4002)输出端连接；
放大器(4004)，输入端与所述数模转换模块(4002)输出端连接；
LED阵列(4006)，信号输入端与所述放大器(4004)输出端连接，用于发射带有调制编码信号的光信号；
直流偏置模块(4005)，与所述LED阵列(4006)电连接，用于对所述LED阵列(4006)提供工作电源，并且用于与所述放大器(4004)输出的信号一起作用于所述LED阵列(4006)发射光信号；
发射端透镜组件(4007)，用于将LED阵列(4006)发射的光信号传导入传输介质中；接收端，用于接收发射端发射的光信号，包括：
带有水密机械结构的接收端(601)，设置于水下，包括：
接收端透镜组件(6001)，用于发射端发出的光信号通过，对接收的光信号进行汇聚；
探测器(6002)，用于探测经过所述接收端透镜组件(6001)传输的信号光；
跨阻放大器(6003)，输入端与所述探测器(6002)输出端连接；
均衡及滤波模块(6004)，输入端与所述跨阻放大器(6003)输出端连接；
模数转换模块(6005)，输入端与所述均衡及滤波模块(6004)输出端连接；
接收端数字信号处理模块(6006)，输入端与所述模数转换模块输出端(6005)连接；
接收端电光转换模块(6007)，输入端与所述接收端数字信号处理模块(6006)输出端连接；
接收端传输光纤(701)，输入端与所述接收端电光转换模块(607)输出端连接；
接收端光电转换模块(801)，输入端与所述接收端传输光纤(701)输出端连接；
数据恢复模块(901)，输入端与所述接收端光电转换模块(801)输出端连接。
2.根据权利要求1所述的轻量化长距离的水下LED无线光通信传输系统，其特征在于，所述LED阵列(4006)可发出波长为450nm-550nm的光。
3.根据权利要求1所述的轻量化长距离的水下LED无线光通信传输系统，其特征在于，所述发射端数字信号处理模块(4002)包括：
编码单元(40021)，用于对数字信号进行编码；
调制单元(40022)，用于对编码后的数字信号进行调制。
4.根据权利要求1所述的轻量化长距离的水下LED无线光通信传输系统，其特征在于，所述接收端数字信号处理模块(6006)包括：
解调单元(60061)，用于对输入的数字信号进行解调；
解码单元(60062)，用于对解调的数字信号进行解码。
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