CN111431624A - 水下无线光通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种水下无线光通信系统，发送端包括：音视频信号输入模块、信号调理电路以及光源阵列；接收端包括：光电检测模块、解调模块以及音视频信号输出模块；其中，所述光源阵列为多个第一发光二极管以及多个第二发光二极管在空间分布形成的阵列，所述第一发光二极管与所述第二发光二极管的发光频段不同，所述光电检测模块包括光电倍增管以及4个雪崩光电二极管，形成多输入多输出的信号传输方式，可实现空间分集、频率分集和时间分集多种分集的通信方式，显著提升了系统的抗水下信道衰落与通信性能，显著提高了系统的通信性能。

Description

水下无线光通信系统
技术领域
本发明涉及水下无线光通信技术领域，尤其涉及一种水下无线光通信系统。
背景技术
水下无线光通信技术已引起了学术界和工业界的广泛关注。随着移动设备、移动业务的指数级增长，无线频谱资源日益紧张。光作为特殊的电磁波段拥有射频波段难以比拟的带宽资源优势，这使得高速通信成为可能，且不需要频谱申请。高性能发送端与接收端是水下无线光通信系统的重要组成部分，如何提升系统的通信性能是本领域技术人员所面临的技术问题之一。
发明内容
本发明实施例提供一种水下无线光通信系统，用以解决现有技术中水下无线光通信系统通信性能较低的问题。
本发明实施例提供一种水下无线光通信系统，包括发送端和接收端，所述发送端包括：音视频信号输入模块、信号调理电路以及光源阵列；所述信号调理电路用于接收经所述音视频信号输入模块输入的音视频信号，对所述音视频信号进行数字调制，并利用数字调制后的信号驱动所述光源阵列发出光强调制信号；
所述接收端包括：光电检测模块、解调模块以及音视频信号输出模块；所述光电检测模块用于将接收到的可见光信号转换为电信号，并由所述解调模块进行解调后，经所述音视频信号输出模块输出音视频；
其中，所述光源阵列为多个蓝色发光二极管以及多个绿色发光二极管在空间分布形成的阵列，以形成发送端空间分集，所述蓝色发光二极管与所述绿色发光二极管在时域上交替发送光信号，以形成时间分集，所述蓝色发光二极管与所述绿色发光二极管的发光频段不同，以实现频率分集；所述光电检测模块包括光电倍增管以及多个雪崩光电二极管；其中，多个雪崩光电二极管均匀设置在所述光电倍增管的外围；
其中，所述发送端的多个蓝色发光二极管和多个绿色发光二极管与所述接收端的光电倍增管能够形成多输入单输出的通信方式，所述发送端的多个蓝色发光二极管和多个绿色发光二极管与所述接收端的光电倍增管以及多个雪崩光电二极管能够形成多输入多输出的通信方式；
通过检测所述光电倍增管外围设置的多个雪崩光电二极管的接收光强，估计所述光电倍增管接收光的入射角；
通过检测所述光电倍增管外围设置的多个雪崩光电二极管的接收光强，评估发送端与接收端的对准情况，若多个雪崩光电二极管的接收光强中两两差值均小于或等于预设阈值，则确定发送端和接收端的对准情况符合预设要求；若多个雪崩光电二极管的接收光强中两两差值存在大于预设阈值的情况，则确定发送端和接收端的对准情况不符合预设要求；
其中，当确定发送端和接收端的对准情况不符合预设要求时，通过机械装置调整发送端与接收端的相对位置，使得发送端和接收端的对准情况符合预设要求。
进一步地，所述蓝色发光二极管的个数为6-8个，所述绿色发光二极管的个数为6-8个。
进一步地，所述雪崩光电二极管的个数为4个。
进一步地，所述接收端还包括：自动增益控制模块，用于对所述音视频信号进行自适应的增益放大调节；
所述自动增益控制模块包括：单片机、数字电位器、全波整流单元以及可变增益放大器；
所述可变增益放大器用于接收输入的音视频信号，经所述全波整流单元检测出所述音视频信号的平均幅值大小，将所述平均幅值大小与标准值比较，由所述单片机控制所述数字电位器输出，调整所述可变增益放大器的增益。
进一步地，所述发送端还包括：放大滤波模块，用于对所述音视频信号进行放大和/或滤波处理
本发明实施例提供的水下无线光通信系统，发送端的光源阵列为至少两个蓝色发光二极管以及至少两个绿色发光二极管在空间分布形成的阵列，蓝色发光二极管与绿色发光二极管的发光频段不同，接收端的光电检测模块包括至少两个光电二极管，形成多输入多输出的信号传输方式，可实现空间分集、频率分集和时间分集多种分集的通信方式，能显著提升了系统的抗水下信道衰落与通信性能，显著提高了系统的通信性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的水下无线光通信系统的结构框图；
图2为水下无线光通信系统的另一种具体实施方式的结构示意图；
图3为本发明水下无线光通信系统的发送端示意图；
图4为本发明水下无线光通信系统的接收端示意图；
图5为本发明自动增益控制模块的结构框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的水下无线光通信系统的结构框图如图1所示，本系统包括发送端1和接收端2，所述发送端1包括：音视频信号输入模块11、信号调理电路12以及光源阵列13；所述信号调理电路12用于接收经所述音视频信号输入模块11输入的音视频信号，对所述音视频信号进行数字调制，并将数字调制后的信号驱动所述光源阵列13发出光强调制信号；
所述接收端2包括：光电检测模块21、解调模块22以及音视频信号输出模块23；所述光电检测模块21用于将接收到的可见光信号转换为电信号，并由所述解调模块22进行解调后，经所述音视频信号输出模块23输出音视频；
其中，所述光源阵列13为多个蓝色发光二极管以及多个绿色发光二极管在空间分布形成的阵列，以形成发送端空间分集，所述蓝色发光二极管与所述绿色发光二极管在时域上交替发送光信号，以形成时间分集，所述蓝色发光二极管与所述绿色发光二极管的发光频段不同，以实现频率分集；所述光电检测模块21包括光电倍增管以及多个雪崩光电二极管；其中，多个雪崩光电二极管均匀设置在所述光电倍增管的外围；
其中，所述发送端的多个蓝色发光二极管和多个绿色发光二极管与接收端的光电倍增管形成了多输入单输出的通信方式，所述发送端的多个蓝色发光二极管和多个绿色发光二极管与所述接收端的光电倍增管以及多个雪崩光电二极管形成了多输入多输出的通信方式；
通过检测所述光电倍增管外围设置的多个雪崩光电二极管的接收光强，估计所述光电倍增管接收光的入射角；
通过检测所述光电倍增管外围设置的多个雪崩光电二极管的接收光强，评估发送端与接收端的对准情况，若多个雪崩光电二极管的接收光强中两两差值均小于或等于预设阈值，则确定发送端和接收端的对准情况符合预设要求；若多个雪崩光电二极管的接收光强中两两差值存在大于预设阈值的情况，则确定发送端和接收端的对准情况不符合预设要求；
其中，当确定发送端和接收端的对准情况不符合预设要求时，通过机械装置调整发送端与接收端的相对位置，使得发送端和接收端的对准情况符合预设要求。
在本实施例中，预设阈值可以根据需要进行设定，例如，水下通信距离越远时，预设阈值要设置的越小一点，以保证发送端与接收端的对准情况，进而保证水下通信的通信性能。
在本实施例中，应用场景为水下环境，由于真实水下信道较严重的衰落问题，故提出多输入单输出（MISO）或多输入多输出（MIMO）的通信方式，以达到抗水下衰落、提升通信系统性能的目的。多个蓝色LED和/或多个颗绿色LED均可与PMT可形成多输入单输出（MISO）的传输方式。同理，多个蓝色LED和/或多个颗绿色LED均可与PMT和4个APD的组合可形成多输入多输出（MIMO）的传输方式。由于PMT具有比APD更高的响应度，因此在水下远距离传输时，PMT更具有优势。
此外，在MIMO的传输方式中，通过测试PMT周围4个APD的接收光强，可评估发送端与接收端的对准情况，即若各个APD接收光强较为接近，则认为发送端与接收端对准良好，若各个APD接收光强差异较大，则认为发送端与接收端对准不好，此时通过执行机械装置调整发送端与接收端的相对位置，以达到良好对准的状态。在水下远距离光通信应用中，接收端光强信号很弱，因此发送端与接收端的良好对准对水下光通信很有必要。
本发明实施例提供的水下无线光通信系统，发送端的光源阵列为至少两个蓝色发光二极管以及至少两个绿色发光二极管在空间分布形成的阵列，蓝色发光二极管与绿色发光二极管的发光频段不同，接收端的光电检测模块包括至少两个光电二极管，形成多输入多输出的信号传输方式，可实现空间分集、频率分集和时间分集多种分集的通信方式，能显著提升了系统的抗水下信道衰落与通信性能，显著提高了系统的通信性能。
在本实施例中，所述蓝色发光二极管与所述绿色发光二极管在空间均匀分布，形成空间分集、频率分集和时间分集。由于海水对LED所发送的蓝绿光波段的衰减系数最小，所以采用蓝色和绿色发光二极管适合在水下进行无线光通信。其中，蓝色发光二极管的个数可以为6-8个，绿色发光二极管的个数可以为6-8个。
进一步地，光电检测模块包括PMT（photomultiplier tube，光电倍增管）以及多个雪崩光电二极管，所述雪崩光电二极管均匀设置在所述光电倍增管的外围。在一种实现方式中，雪崩光电二极管的个数为4个。
本发明实施例中发送端由多个蓝色发光二极管和/或多个绿色发光二极管与接收端的光电倍增管形成了MISO（多输入单输出）的通信方式，与接收端的PMT以及多个APD（Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管）形成了MIMO（多输入多输出）的通信方式。具体来说，形成了通信技术中所谓的发送端空间分集、频率分集和时间分集。空间分集是因为LED的空间位置不同，频率分集是因为蓝绿LED的发光频段不同。时间分集是因为蓝绿LED组交替时间发光。MIMO方式会显著提升通信系统性能，如误码率、能量效率等。
另外，本发明实施例中接收端采用光电倍增管替换了光电二极管，由于光电倍增管比常规的光电二极管和雪崩光电二极管具有更高的增益，因此能够显著提升系统的光通信链路距离。进一步地，在光电倍增管的四周均匀设置多个雪崩光电二极管，雪崩光电二极管也能接收信号，根据检测各个雪崩光电二极管所接收信号的强弱对比，可以估计光电倍增管与接收端的对准情况，从而为收发两端的对准提供依据，有助于链路的稳定传输，进一步提升了系统的通信性能。
参照图2水下无线光通信系统的另一种具体实施方式的结构示意图，本发明实施例以蓝色发光二极管的个数为6个，绿色发光二极管的个数为6个，光电倍增管的个数为1个，雪崩光电二极管的个数为4个为例，对水下无线光通信系统进行进一步详细阐述。
发送端由6个蓝色发光二极管（LED）和6个绿色发光二极管（LED），共12个蓝绿双色LED组合成为光源阵列。接收端由1个光电倍增管（PMT）及4个雪崩光电二极管（APD）组合成为接收端。
音视频信号经信号调理电路处理后，以数字调制的方式驱动LED阵列发出光强随音视频呈近似线性变化的光强调制信号。所有蓝色LED为一组与接收端PMT形成了多输入多输出的传输方式，所有蓝、绿色LED为一组与接收端PMT也形成了多输入多输出的传输方式。蓝色与绿色LED组交替发光，只要每组发送信号的时间足够大，则每组发送的信号所出现的衰落是独立的，即实现的发送端的时间分集。即，同一个信号在不同的时间区间多次重发，可提升系统的抗干扰性及抑制信道湍流等作用。输出光信号经信道传输后，由接收端PMT检测光信号并进行光电转换、信号处理及解调等环节，最终还原发送音视频信号。
另外，通过检测PMT外围设置的4个APD的接收光强可估计出PMT接收光的入射角，这为接收与发送端的二次对准提供了依据。例如：4个APD检测到的光强相同，说明接收端与发送端完美对准，如果，检测到的光强差异很大，说明对准很不理想，需要调整接收或发送端的位置。
如图2所示，发送端音视频信号采集可来源于以太网数据。FPGA可以进行信道编码与解码、信号的调制与解调、信号的滤波处理等操作。再经音视频小信号放大器、低通滤波器和功率放大器后，驱动由6个并联的蓝光LED和6个并联的绿光LED组成的阵列。接收端的PMT将光强信号转换为光电流后，经跨阻放大器TIA转换为电压信号，再经信号处理及解调等环节，最终还原发送音视频信号。进一步地，本发明提供的水下无线光通信系统还增加了自动增益控制模块，使得较微弱或较强音视频信号都能得到合理的放大增益，达到了使系统同时适用于较远或较近距离的信息传输的目的。该自动增益控制模块采用了以单片机（MCU）、数字电位器和可变增益放大器为核心的闭环控制方式。
如图3水下无线光通信系统的发送端示意图所示，由6个蓝色发光二极管（LED）和6个绿色发光二极管（LED），共12个蓝绿双色LED组合成为光源阵列。发送端与接收端可形成MIMO传输方式。如图4为水下无线光通信系统的接收端示意图，由1个光电倍增管PMT及4个雪崩光电二极管APD组成。PMT为光接收器件，由4个APD的相对检测光强，可估计PMT入射光角度。
进一步地，本发明提供的水下无线光通信系统的接收端还可以包括：自动增益控制模块，用于对所述音视频信号进行增益放大。其中，如图5自动增益控制模块的结构框图所示，本发明实施例自动增益控制模块具体包括：单片机、数字电位器、全波整流单元以及可变增益放大器；所述可变增益放大器用于接收输入的音视频信号，经所述全波整流单元检测出所述音视频信号的平均幅值大小，将所述平均幅值大小与标准值比较，由所述单片机控制所述数字电位器输出，调整所述可变增益放大器的增益。通过自动增益控制模块的设置，能够使系统可对不同强弱的光信号进行合理的放大，可以应对不同传输距离的情况。例如，如果距离太近导致接收端接收光太强，会导致放大电路或功率放大电路的失真。此时的实现策略是：若接收光信号比较小，就放大一点。若接收光信号过大，就放大小一点，以此达到保持良好的信号放大状态。
此外，本发明实施例还提供了一种水下无线光通信系统的发送端，包括：音视频信号输入模块、信号调理电路以及光源阵列；所述信号调理电路用于接收经所述音视频信号输入模块输入的音视频信号，对所述音视频信号进行数字调制，并将数字调制后的信号驱动所述光源阵列发出光强调制信号；
其中，所述光源阵列为至少两个蓝色发光二极管以及至少两个绿色发光二极管在空间分布形成的阵列，所述蓝色发光二极管与所述绿色发光二极管的发光频段不同。
此外，本发明实施例还提供一种水下无线光通信系统的接收端，包括：光电检测模块、解调模块以及音视频信号输出模块；所述光电检测模块用于将接收到的可见光信号转换为电信号，并由所述解调模块进行解调后，经所述音视频信号输出模块输出音视频；
其中，所述光电检测模块包括至少两个光电二极管，形成多输入多输出的信号传输方式。
上述所述的发送端和接收端可以配套进行使用，形成水下无线光通信系统。水下无线光通信系统的发送端的光源阵列为至少两个蓝色发光二极管以及至少两个绿色发光二极管在空间分布形成的阵列，蓝色发光二极管与绿色发光二极管的发光频段不同，接收端的光电检测模块包括至少两个光电二极管，形成多输入多输出的信号传输方式，显著提高了系统的通信性能。水下通信是水下无线光通信的重要应用领域，尤其是近距离水下光通信比传统的水声通信传输速度更快，如水下蛙人间可应用此系统完成语音对话。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种水下无线光通信系统，包括发送端和接收端，其特征在于，所述发送端包括：音视频信号输入模块、信号调理电路以及光源阵列；所述信号调理电路用于接收经所述音视频信号输入模块输入的音视频信号，对所述音视频信号进行数字调制，并利用数字调制后的信号驱动所述光源阵列发出光强调制信号；
所述接收端包括：光电检测模块、解调模块以及音视频信号输出模块；所述光电检测模块用于将接收到的可见光信号转换为电信号，并由所述解调模块进行解调后，经所述音视频信号输出模块输出音视频；
其中，所述光源阵列为多个蓝色发光二极管以及多个绿色发光二极管在空间分布形成的阵列，以形成发送端空间分集，所述蓝色发光二极管与所述绿色发光二极管在时域上交替发送光信号，以形成时间分集，所述蓝色发光二极管与所述绿色发光二极管的发光频段不同，以实现频率分集；所述光电检测模块包括光电倍增管以及多个雪崩光电二极管；其中，多个雪崩光电二极管均匀设置在所述光电倍增管的外围；
其中，发送端的多个蓝色发光二极管和多个绿色发光二极管与接收端的光电倍增管能够形成多输入单输出的通信方式，发送端的多个蓝色发光二极管和多个绿色发光二极管与接收端的光电倍增管以及多个雪崩光电二极管能够形成多输入多输出的通信方式；
通过检测所述光电倍增管外围设置的多个雪崩光电二极管的接收光强，估计所述光电倍增管接收光的入射角；
通过检测所述光电倍增管外围设置的多个雪崩光电二极管的接收光强，评估发送端与接收端的对准情况，若多个雪崩光电二极管的接收光强中两两差值均小于或等于预设阈值，则确定发送端和接收端的对准情况符合预设要求；若多个雪崩光电二极管的接收光强中两两差值存在大于预设阈值的情况，则确定发送端和接收端的对准情况不符合预设要求；
其中，当确定发送端和接收端的对准情况不符合预设要求时，通过机械装置调整发送端与接收端的相对位置，使得发送端和接收端的对准情况符合预设要求。
2.根据权利要求1所述的水下无线光通信系统，其特征在于，所述蓝色发光二极管的个数为6-8个，所述绿色发光二极管的个数为6-8个。
3.根据权利要求1所述的水下无线光通信系统，其特征在于，所述雪崩光电二极管的个数为4个。
4.根据权利要求1或2所述的水下无线光通信系统，其特征在于，所述接收端还包括：自动增益控制模块，用于对所述音视频信号进行自适应的增益放大调节；
所述自动增益控制模块包括：单片机、数字电位器、全波整流单元以及可变增益放大器；
所述可变增益放大器用于接收输入的音视频信号，经所述全波整流单元检测出所述音视频信号的平均幅值大小，将所述平均幅值大小与标准值比较，由所述单片机控制所述数字电位器输出，调整所述可变增益放大器的增益。
5.根据权利要求1所述的水下无线光通信系统，其特征在于，所述发送端还包括：放大滤波模块，用于对所述音视频信号进行放大和/或滤波处理。
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