CN110768719B - 一种双路水下可见光通信系统及通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双路水下可见光通信系统及通信方法，能够提升水下可见光通信系统的频谱资源利用率和传输速率。所述方法包括：在发送端，将两用户的传输信号分配到任意波形发生器的两个输出端口输出，输出的2路信号分别加载到第一光源和第二光源上，驱动相应的光源将其转换成光信号后通过水信道发送出去；其中，任意波形发生器输出信号的电平值可调节，输出的2路信号的电平值差异表示信号的功率差异，所述第一光源和第二光源为同色光源或异色光源；在接收端，两个功率大小不同的光信号被同一个光检测器捕捉后，进行信号恢复，得到发送端两用户的原始传输信号。本发明涉及水下可见光通信技术领域。

Description

一种双路水下可见光通信系统及通信方法

技术领域

本发明涉及水下可见光通信技术领域，特别是指一种双路水下可见光通信系统及通信方法。

背景技术

随着陆地资源的日益紧张，对于海洋领域开发利用的重要性逐渐显现，各国间的竞争也日益激烈。探索海洋领域离不开高速实时数据传输，因此，针对于水下环境的通信技术发展也越发重要，水下通信具有重要的战略意义和研究意义。

可见光通信技术由于其容量大、消费低、灵活可靠、拥有免费许可等特点，一直备受关注，近些年，更是逐渐被应用在水下通信系统中。与早期的水声通信相比较，水下可见光通信具有低延迟等多种优势，且可以支持更高速率的信息传输，此外，可见光通信的设备简易，简单的发光二极管(LED)和光检测器(PD)即可满足基本通信要求，正适用于复杂的水下环境。

然而，水下信道严重的吸收、散射、温度波动和水流扰动等问题，严重限制了水下可见光通信的传输距离和传输速率，目前，已经有一些针对此问题的解决方案，例如多输入多输出(MIMO)传输等。对于基于LED光源的系统，多载波调制技术正逐渐代替原有的单载波调制技术，被广泛应用于水下可见光通信中，例如正交频分复用技术(OFDM)，可以提升系统传输速率，但由于其正交性的限制，导致系统频谱资源利用率低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种双路水下可见光通信系统及通信方法，以解决现有技术所存在的正交频分复用技术由于其正交性的限制，导致系统频谱资源利用率低的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种双路水下可见光通信系统，包括：任意波形发生器、与所述任意波形发生器相连的第一光源和第二光源、光检测器及与所述光检测器相连的信号处理器，所述第一光源和第二光源为同色光源或异色光源；

所述任意波形发生器，用于在发送端，将接收到的两用户的传输信号通过自身的两个输出端口输出，其中，任意波形发生器输出信号的电平值可调节，输出的2路信号的电平值差异表示信号的功率差异；

所述第一光源，用于加载任意波形发生器输出的其中一路信号，并将其转换成光信号通过水信道发送出去；

所述第二光源，用于加载任意波形发生器输出的另一路信号，并将其转换成光信号通过水信道发送出去；

所述光检测器，用于在接收端，捕捉两个功率大小不同的光信号，并将其转换成电信号；

所述信号处理器，用于对转换得到的电信号进行信号恢复，得到发送端两用户的原始传输信号。

进一步地，在同色光源下，通过调节任意波形发生器输出信号的电平值使得两用户传输信号的功率符合预设的比例要求。

进一步地，在异色光源下，任意波形发生器输出信号的电平值都设为最大值，利用光在水信道的传输特性，使得接收端接收到的两用户信号功率符合预设的比例要求。

进一步地，所述系统还包括：与所述任意波形发生器相连的第一放大器和第二放大器、与所述第一放大器相连的第一偏置器、与所述第二放大器相连的第二偏置器和示波器；

所述任意波形发生器通过所述第一放大器、第一偏置器与所述第一光源相连；

所述任意波形发生器通过所述第二放大器、第二偏置器与所述第二光源相连；

所述光检测器通过所述示波器与所述信号处理器相连。

进一步地，所述系统还包括：

设于第一光源前方的第一透镜；

设于第二光源前方的第二透镜；

设于光检测器前方的第三透镜；

所述第一透镜、第二透镜、第三透镜，都用于聚集光源。

本发明实施例还提供一种双路水下可见光通信方法，其特征在于，包括：

在发送端，将两用户的传输信号分配到任意波形发生器的两个输出端口输出，输出的2路信号分别加载到第一光源和第二光源上，驱动相应的光源将其转换成光信号后通过水信道发送出去；其中，任意波形发生器输出信号的电平值可调节，输出的2路信号的电平值差异表示信号的功率差异，所述第一光源和第二光源为同色光源或异色光源；

在接收端，两个功率大小不同的光信号被同一个光检测器捕捉后，进行信号恢复，得到发送端两用户的原始传输信号。

进一步地，所述在发送端，将两用户的传输信号分配到任意波形发生器的两个输出端口输出，输出的2路信号分别加载到第一光源和第二光源上，驱动相应的光源将其转换成光信号后通过水信道发送出去包括：

在发送端，将两用户的传输信号分配到任意波形发生器的两个输出端口输出，输出的每路信号经过放大、直流偏置后加载到相应的光源上，相应的光源将其转换成光信号通过水信道发送出去。

进一步地，在同色光源下，通过调节输出信号的电平值使得两用户传输信号的功率符合预设的比例要求。

进一步地，在异色光源下，输出信号的电平值都设为最大值，利用光在水信道的传输特性，使得接收端接收到的两用户信号功率符合预设的比例要求。

进一步地，所述在接收端，两个功率大小不同的光信号被同一个光检测器捕捉后，进行信号恢复，得到发送端两用户的原始传输信号包括：

在接收端，两路功率大小不同的光信号汇聚到同一个光检测器上，形成一路由两个功率大小不同的信号叠加而成的光信号，所述光检测器将该光信号转换成电信号；

根据转换成的电信号中信号的功率差异，使用串行干扰消除方法，依次恢复出发送端两用户的原始传输信号。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，将功分复用技术应用到水下可见光通信系统中，将功分复用技术与水信道固有传输特性相结合，可以显著提升水下可见光通信系统的频谱资源利用率和传输速率，从而提升下可见光通信系统整体性能。

附图说明

图1为本发明实施例提供的双路水下可见光通信系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的双路水下可见光通信系统的工作流程示意图；

图3为本发明实施例提供的红、绿、蓝三色光源经过空气和水信道传输后的光功率衰减曲线示意图；

图4为本发明实施例提供的两路红光信号在水信道中传输时误码率随采样率变化曲线示意图；

图5(a)为本发明实施例提供的一路红光一路绿光信号在水信道中传输时误码率随采样率变化曲线示意图；

图5(b)为本发明实施例提供的一路红光一路绿光信号在空气信道中传输时误码率随采样率变化曲线示意图；

图6(a)为本发明实施例提供的一路红光一路蓝光信号在水信道中传输时误码率随采样率变化曲线示意图；

图6(b)为本发明实施例提供的一路红光一路蓝光信号在空气信道中传输时误码率随采样率变化曲线示意图；

图7为本发明实施例提供的双路水下可见光通信方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的正交频分复用技术由于其正交性的限制，导致系统频谱资源利用率低的问题，提供一种双路水下可见光通信系统及通信方法。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供的双路水下可见光通信系统，包括：任意波形发生器1、与所述任意波形发生器1相连的第一光源2和第二光源3、光检测器4及与所述光检测器4相连的信号处理器5，所述第一光源2和第二光源3为同色光源或异色光源；

所述任意波形发生器1，用于在发送端，将接收到的两用户的传输信号通过自身的两个输出端口输出，其中，任意波形发生器1输出信号的电平值可调节，输出的2路信号的电平值差异表示信号的功率差异；

所述第一光源2，用于加载任意波形发生器1输出的其中一路信号，并将其转换成光信号通过水信道发送出去；

所述第二光源3，用于加载任意波形发生器1输出的另一路信号，并将其转换成光信号通过水信道发送出去；

所述光检测器4，用于在接收端，捕捉两个功率大小不同的光信号，并将其转换成电信号；

所述信号处理器5，用于对转换得到的电信号进行信号恢复，得到发送端两用户的原始传输信号。

本发明实施例所述的双路水下可见光通信系统，将功分复用技术应用到水下可见光通信系统中，将功分复用技术与水信道固有传输特性相结合，可以显著提升水下可见光通信系统的频谱资源利用率和传输速率，从而提升下可见光通信系统整体性能。

本实施例中，功分复用技术是一种非正交复用技术，类似于时分复用对信号在时域上加以区分、频分复用技术对信号在频域上加以区分，功分复用技术是在功率域上对信号加以区分的。本实施例中，给来自多用户的传输信号分配不同的功率，即各用户信号通过功率大小进行区分。因此，多用户信号可以同时利用整个频谱资源进行传输，大幅提升频谱利用率和系统传输速率。

本实施例中，水信道固有传输特性是指：由于光在水信道中的传输特性不同于自由空间信道，不同颜色的光经过水下信道传输后会有不同程度的衰减，具体可表现为接收端光功率的差异，此特性为功分复用在水下可见光通信系统中的应用打下了基础。

本实施例中，作为一可选实施例，为了增加任意波形发生器输出信号的输出功率，如图2所示，所述系统还包括：与所述任意波形发生器相连的第一放大器和第二放大器、与所述第一放大器相连的第一偏置器、与所述第二放大器相连的第二偏置器和示波器；

所述任意波形发生器通过所述第一放大器、第一偏置器与所述第一光源相连；

所述任意波形发生器通过所述第二放大器、第二偏置器与所述第二光源相连；

所述光检测器通过所述示波器与所述信号处理器相连。

本实施例中，作为又一可选实施例，为了聚集光源，提高系统的传输性能，如图2所示，所述系统还包括：

设于第一光源前方的第一透镜；

设于第二光源前方的第二透镜；

设于光检测器前方的第三透镜；

所述第一透镜、第二透镜、第三透镜，都用于聚集光源。

本实施例中，作为再一可选实施例，如图2所示，所述系统还包括：示波器；所述光检测器通过所述示波器与所述信号处理器相连。

本实施例中，图2为仿照自由空间可见光通信系统，搭建的基于功分复用技术的双路水下可见光通信系统。所述双路水下可见光通信系统的工作流程为：在发送端，获取两用户传输信号，将获取的两用户的传输信号分配到任意波形发生器的两个输出端口输出，输出信号的电平值可调节，其差异即可代表信号的功率差异；输出的每路信号经过放大器放大、直流偏置后加载到相应的光源上，驱动相应的光源发光，将其转换成光信号后通过水信道将其发送出去。经过水信道传输后，在接收端，两路功率大小不同的光信号同时被光检测器(APD, AD500)捕捉，形成一路由两个功率大小不同的光信号叠加而成的信号，再转化为电信号传送到示波器中，以便于通过示波器观察到叠加信号的波形，再通过信号处理器利用串行干扰消除(successive interference cancellation,SIC)方法对叠加信号进行信号恢复，即可依次恢复出各用户的原始传输信号。

本实施例中，串行干扰消除的工作原理为：在接收端，接收到的叠加信号中，来自各个用户的信号将按照功率从大到小的顺序进行恢复。首先对功率最大的强信号进行恢复，此时将其余弱信号当作噪声处理，直接对接收信号进行解调，即恢复强信号。然后对解调得到的信号进行重构处理，再在接收到的总信号中将重构的强信号除去；接下来，对小信号用同样的步骤进行恢复即可。

本实施例中，任意波形发生器输出信号的幅度(即：电平值)可以根据实际应用场景确定，幅度可在250mV和500mV之间调节。

本实施例中，光源可在红、绿、蓝三色中任意选择，传输信道长度为1 米，中间经过水信道长度为0.6米。

在前述双路水下可见光通信系统的具体实施方式中，进一步地，在同色光源下，通过调节任意波形发生器输出信号的电平值使得两用户传输信号的功率符合预设的比例要求。

在前述双路水下可见光通信系统的具体实施方式中，进一步地，在异色光源下，任意波形发生器输出信号的电平值都设为最大值，利用光在水信道的传输特性，使得接收端接收到的两用户信号功率符合预设的比例要求。

本实施例中，在搭建双路水下可见光通信系统之后，用红、绿、蓝三种光源经过水信道传输信号，测量信号衰减情况，绘制衰减曲线，证明功分复用技术应用在水下可见光通信系统中的可行性：

1)使用系统中的一路，分别测量红、绿、蓝三种光源经过空气和水信道传输后的衰减差异。

本实施例中，在测量过程中，使用任意波形发生器的同一输出端口，将输出信号电平统一设为最大值，即保证了发送端发送信号功率相同，经过同样的空气和水信道传输后，在接收端，记录示波器显示的接收信号电平值，与发送信号电平值进行对比，判断信号衰减情况，绘制衰减曲线。测量得到的红、绿、蓝三种光源经过水信道和空气信道传输后的衰减曲线图如图3所示，可以看出，对于蓝绿光源，经过空气和水信道传输后的衰减情况相差不大，而对于原本穿透力最强的红光光源，经过水信道传输后的衰减情况明显大于空气信道，验证了水信道对蓝绿光源的吸收作用最小，影响最小的特性。因此，在搭建的系统中，不同颜色光经过传输后的衰减不同，可在发送端将来自两用户的信号加载到不同颜色光源上，在发射信号功率相同的情况下，经过同距离传输后，在接收端同时接收到功率大小各不相同的两用户叠加信号，使功分复用技术得以在水下可见光通信系统中实现。

2)利用两路同色光源，将功分复用技术应用到水下可见光通信系统，使系统性能得以提升。

本实施例中，利用两路同色光源分别传输来自两用户的传输信号，通过调节任意波形发生器输出信号的电平值使得两用户信号的功率符合预设的比例要求，实现基于功分复用技术的双路同色光源水下可见光通信。本实施例中，例如，在所搭建的系统中使用两路红光光源，分别用于传输来自两用户的传输信号。同色光源经过同样的水信道传输后，衰减情况相同，因此，需要在发送端为两路光信号设置不同的输出功率，即调节任意波形发生器的输出信号电平控制不同用户的信号功率。本实施例在所搭建的系统中使用功分复用技术时，大小信号功率比需要满足在2:1-4:1之间的要求，而使用的任意波形发生器的输出信号电平值仅可在250mV-500mV之间调节，因此将大小两路输出信号的电平值设为500mV和250mV，即信号功率比为2:1。经过水信道传输后，在接收端得到两路功率大小不同信号形成的叠加信号，利用接收信号的功率差异，使用串行干扰消除法(SIC)进行信号恢复。

本实施例中，改变采样率，得到的两信号误码率曲线以及星座图如图4 所示，系统的最大传输速率可达到200Mbit/s。由此可见，功分复用技术可在水信道环境中实现。

3)利用两路异色光源，结合光在水下信道传输的固有特性，实现基于功分复用技术的异色光源双路水下可见光通信。

本实施例中，例如，在所搭建的系统中，可以使用一路红光和一路绿光、一路红光和一路蓝光分别传输来自两用户的传输信号，任意波形发生器输出信号的电平值都设为最大值，利用光在水信道的传输特性，使得接收到的两用户信号功率符合预设的比例要求，实现基于功分复用技术的双路异色光源水下可见光通信。

本实施例中，利用红、绿两种颜色光源在经过水信道传输后的衰减情况不同，且衰减后的两路接收信号功率比满足2:1-4:1要求的特点，实现了基于功分复用技术的红绿光双路水下可见光通信。在发送端为两路输出信号设置相同的发送功率，都为最大值500mV，利用水信道传输后光功率的衰减差，在接收端得到的信号仍为功率大小不同的两路光信号的叠加，因此仍可利用串行干扰消除法(SIC)进行信号恢复，此时系统的最大传输速率为200Mbit/s，误码率如图5(a)、图5(b)所示。图5(a)与图5(b)相比，小信号在经过水信道传输后误码率下降明显，这是由于红、绿光同时经过水信道传输时，接收端接收到的大小信号功率比下降，满足了功分复用技术对于信号功率比的要求，使异色光源传输得以实现。

本实施例中，由于蓝光在水信道中的传输特性与绿光极为相似，因此基于功分复用技术的红蓝光双路水下可见光通信的设计思路与红绿光相同，将两路输出信号的电平值都设为500mV，同时经过水信道传输后，在接收端仍可将信号恢复，此时系统的最大传输速率可达到250Mbit/s，误码率如图6(a)、图 6(b)所示。图6(a)与图6(b)相比，对比的结果与红绿光实验相似，由此可见，不仅功分复用技术可以在水信道环境中得以实现，与水信道固有特性相结合后，还可提升功分复用系统的性能。

本实施例中，通过对红、绿、蓝三种不同颜色光源在水下的传输特性加以验证，可以证明功分复用技术应用在同色光源、异色光源双路水下可见光通信系统中的可行性，且实现了不低于200Mbit/s的系统传输速率。

实施例二

本发明还提供一种双路水下可见光通信方法的具体实施方式，由于本发明提供的双路水下可见光通信方法与前述双路水下可见光通信系统的具体实施方式相对应，该双路水下可见光通信方法可以通过执行上述方法具体实施方式中的流程步骤来实现本发明的目的，因此上述双路水下可见光通信系统具体实施方式中的解释说明，也适用于本发明提供的双路水下可见光通信方法的具体实施方式，在本发明以下的具体实施方式中将不再赘述。

如图7所示，本发明实施例还提供一种双路水下可见光通信方法，包括：

S101，在发送端，将两用户的传输信号分配到任意波形发生器的两个输出端口输出，输出的2路信号分别加载到第一光源和第二光源上，驱动相应的光源将其转换成光信号后通过水信道发送出去；其中，任意波形发生器输出信号的电平值可调节，输出的2路信号的电平值差异表示信号的功率差异，所述第一光源和第二光源为同色光源或异色光源；

S102，在接收端，两个功率大小不同的光信号被同一个光检测器捕捉后，进行信号恢复，得到发送端两用户的原始传输信号。

本发明实施例所述的双路水下可见光通信方法，将功分复用技术应用到水下可见光通信系统中，将功分复用技术与水信道固有传输特性相结合，可以显著提升水下可见光通信系统的频谱资源利用率和传输速率，从而提升下可见光通信系统整体性能。

在前述双路水下可见光通信方法的具体实施方式中，进一步地，所述在发送端，将两用户的传输信号分配到任意波形发生器的两个输出端口输出，输出的2路信号分别加载到第一光源和第二光源上，驱动相应的光源将其转换成光信号后通过水信道发送出去包括：

在发送端，将两用户的传输信号分配到任意波形发生器的两个输出端口输出，输出的每路信号经过放大、直流偏置后加载到相应的光源上，相应的光源将其转换成光信号通过水信道发送出去。

在前述双路水下可见光通信方法的具体实施方式中，进一步地，在同色光源下，通过调节输出信号的电平值使得两用户传输信号的功率符合预设的比例要求。

在前述双路水下可见光通信方法的具体实施方式中，进一步地，在异色光源下，输出信号的电平值都设为最大值，利用光在水信道的传输特性，使得接收端接收到的两用户信号功率符合预设的比例要求。

在前述双路水下可见光通信方法的具体实施方式中，进一步地，所述在接收端，两个功率大小不同的光信号被同一个光检测器捕捉后，进行信号恢复，得到发送端两用户的原始传输信号包括：

在接收端，两路功率大小不同的光信号汇聚到同一个光检测器上，形成一路由两个功率大小不同的信号叠加而成的光信号，所述光检测器将该光信号转换成电信号；

根据转换成的电信号中信号的功率差异，使用串行干扰消除方法，依次恢复出发送端两用户的原始传输信号。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述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来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，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 (6)

1.一种双路水下可见光通信系统，其特征在于，包括：任意波形发生器、与所述任意波形发生器相连的第一光源和第二光源、光检测器及与所述光检测器相连的信号处理器，所述第一光源和第二光源为同色光源或异色光源；

所述任意波形发生器，用于在发送端，将接收到的两用户的传输信号通过自身的两个输出端口输出，其中，任意波形发生器输出信号的电平值可调节，输出的2路信号的电平值差异表示信号的功率差异；

所述第一光源，用于加载任意波形发生器输出的其中一路信号，并将其转换成光信号通过水信道发送出去；

所述第二光源，用于加载任意波形发生器输出的另一路信号，并将其转换成光信号通过水信道发送出去；

所述光检测器，用于在接收端，捕捉两个功率大小不同的光信号，并将其转换成电信号；

所述信号处理器，用于对转换得到的电信号进行信号恢复，得到发送端两用户的原始传输信号；

其中，在同色光源下，通过调节任意波形发生器输出信号的电平值使得两用户传输信号的功率符合预设的比例要求；

其中，在异色光源下，任意波形发生器输出信号的电平值都设为最大值，利用光在水信道的传输特性，使得接收端接收到的两用户信号功率符合预设的比例要求。

2.根据权利要求1所述的双路水下可见光通信系统，其特征在于，所述系统还包括：与所述任意波形发生器相连的第一放大器和第二放大器、与所述第一放大器相连的第一偏置器、与所述第二放大器相连的第二偏置器和示波器；

所述任意波形发生器通过所述第一放大器、第一偏置器与所述第一光源相连；

所述任意波形发生器通过所述第二放大器、第二偏置器与所述第二光源相连；

所述光检测器通过所述示波器与所述信号处理器相连。

3.根据权利要求1所述的双路水下可见光通信系统，其特征在于，所述系统还包括：

设于第一光源前方的第一透镜；

设于第二光源前方的第二透镜；

设于光检测器前方的第三透镜；

所述第一透镜、第二透镜、第三透镜，都用于聚集光源。

4.一种双路水下可见光通信方法，其特征在于，包括：

在发送端，将两用户的传输信号分配到任意波形发生器的两个输出端口输出，输出的2路信号分别加载到第一光源和第二光源上，驱动相应的光源将其转换成光信号后通过水信道发送出去；其中，任意波形发生器输出信号的电平值可调节，输出的2路信号的电平值差异表示信号的功率差异，所述第一光源和第二光源为同色光源或异色光源；

在接收端，两个功率大小不同的光信号被同一个光检测器捕捉后，进行信号恢复，得到发送端两用户的原始传输信号；

其中，在同色光源下，通过调节输出信号的电平值使得两用户传输信号的功率符合预设的比例要求；

其中，在异色光源下，输出信号的电平值都设为最大值，利用光在水信道的传输特性，使得接收端接收到的两用户信号功率符合预设的比例要求。

5.根据权利要求4所述的双路水下可见光通信方法，其特征在于，所述在发送端，将两用户的传输信号分配到任意波形发生器的两个输出端口输出，输出的2路信号分别加载到第一光源和第二光源上，驱动相应的光源将其转换成光信号后通过水信道发送出去包括：

在发送端，将两用户的传输信号分配到任意波形发生器的两个输出端口输出，输出的每路信号经过放大、直流偏置后加载到相应的光源上，相应的光源将其转换成光信号通过水信道发送出去。

6.根据权利要求4所述的双路水下可见光通信方法，其特征在于，所述在接收端，两个功率大小不同的光信号被同一个光检测器捕捉后，进行信号恢复，得到发送端两用户的原始传输信号包括：

在接收端，两路功率大小不同的光信号汇聚到同一个光检测器上，形成一路由两个功率大小不同的信号叠加而成的光信号，所述光检测器将该光信号转换成电信号；

根据转换成的电信号中信号的功率差异，使用串行干扰消除方法，依次恢复出发送端两用户的原始传输信号。

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