CN113132016A - 一种双波长的水下无线光通信方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水下无线光通信领域,涉及双波长的水下无线光通信方法及系统。该方法包括:控制发射系统对两束不同波长的光进行光束合成,形成光信号A;将光信号A变换为具有发散角θ的光信号B,并通过信道发送至接收端;控制接收系统将接收到的光信号B分成两束,一束光信号经过滤波、光电转换处理成电信号C1,另一束光信号经过滤波、光电转换、平滑滤波处理成电信号C2,通过数据处理模块对电信号C1、C2进行光强补偿处理以输出电信号out;对电信号out进行解调、译码处理,最后得到原始信号。与现有的空间分集技术相比,该系统使用同一光学接收模块接收光强,且仅由两路光电探测电路组成,体积小、成本低,整体结构更加紧凑。
Description
技术领域
本发明属于无线光通信技术领域,涉及一种双波长的水下无线光通信方法及系统。
背景技术
水下无线信息传输在军事活动、污染检测、石油控制、气候变化监测以及海洋学研究等领域发挥着重要作用,受到军事、工业和科学界的广泛关注。与传统的水声通信相比,水下无线光通信具有高带宽、低功耗、抗干扰等优点,所以逐渐受到人们的重视。
海洋湍流是影响水下无线光通信系统传输性能的主要因素之一。由于海水受到温度和盐度梯度变化引起的折射率随机波动的影响,进而形成海洋湍流。光信号经过海洋湍流信道后,会导致接收端光强度闪烁,引起接收功率动态时变效应,从而使水下无线光通信系统通信质量恶化。针对上述问题,研究人员提出空间分集技术来缓解海洋湍流对水下无线光通信系统的影响,而空间分集技术则是通过采用具有一定空间间隔的多个接收机来缓解海洋湍流对水下无线光通信性能的影响,但其成本较高,体积庞大。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点,提供一种双波长的水下无线光通信方法及系统,以克服海洋湍流对水下无线光通信性能的影响。
为实现上述目的,本发明提供了如下技术方案:
一方面,本发明提供了一种双波长的水下无线光通信方法,应用于水下无线光通信系统,所述水下无线光通信系统包括依次连接的发射系统、信道和接收系统,所述双波长的水下无线光通信方法包括以下步骤:
1)控制所述发射系统对两束不同波长的光进行光束合成,形成光信号A;
2)将所述光信号A变换为具有发散角θ的光信号B,并通过所述信道发送至接收端;
3)控制所述接收系统将接收到的光信号B分成两束,一束光信号经过滤波、光电转换处理成电信号C1,另一束光信号经过滤波、光电转换、平滑滤波处理成电信号C2,通过数据处理模块对所述电信号C1、C2进行光强补偿处理以输出电信号out;
4)对所述电信号out进行解调、译码处理。
进一步,所述步骤2)中光信号A通过发射光学模块变换为具有发散角θ的光信号B,所述发散角θ小于180度。
进一步,所述步骤1)中两束不同波长的光包括:第一波长光源,为携带传输信息的光信号;第二波长光源,为不携带任何信息的直流光信号。
进一步,所述步骤3)中通过数据处理模块对所述电信号C1、C2进行光强补偿处理以输出电信号out,具体包括:
3.1)定义携带传输信息的第一波长光源的输出光功率为PT1(t),经滤波、光电转换处理后的电信号C1的输出功率为PR1(t),定义不携带任何信息的第二波长光源的输出光功率为PT2(t),经滤波、光电转换处理后的电信号C2的输出功率PR2(t),t为时间;
3.2)对所述输出功率PR2(t)进行平滑滤波处理,得到平滑处理后的输出信号C2’,其功率记作smooth[PR2(t)];
3.3)对平滑滤波处理后的电信号C2′进行归一化处理,得到补偿闪烁效应的参考信号的输出功率smooth[pR2(t)]/max{smooth[pR2(t)]};
另一方面,本发明还提供了一种双波长的水下无线光通信系统,利用如上述部分或全部所述的双波长的水下无线光通信方法进行通信,所述通信系统包括依次连接的发射系统、信道和接收系统;
所述发射系统包括,
依次连接的信源模块、编码模块、调制模块、第一驱动模块、第一波长光源、光学合束器、发射光学模块;所述光学合束器还连接有第二波长光源,所述第二波长光源与第一波长光源的波长不同,所述第二波长光源由第二驱动模块驱动,能够发射不携带任何信息的直流光信号;
所述接收系统包括,
接收光学模块,所述接收光学模块的一端通过信道与发射光学模块连接,另一端与光学分束器连接;
所述光学分束器,用于将接收到的光束进行1:1分束:一束光经第一波长滤波片滤除第一波长光源之外的光,再经第一光电探测器转换后传送至数据处理模块;另一束光经第二波长滤波片滤除第二波长光源之外的光,再经第二光电探测器转换、平滑滤波器处理后传送至数据处理模块;
所述数据处理模块,用于根据第二波长光源的接收光功率推导第一波长光源的发射光功率在信道中随时间变化的动态衰减,以补偿光强闪烁;
所述数据处理模块与解调模块连接,所述解调模块与译码模块连接,所述译码模块与信宿模块连接;所述解调模块,用于检测当前数据的调制格式,从携带信息的已调信号中恢复消息;所述译码模块,用于检测解调后的数据采用的编码格式,对数据进行相应的检验纠错和恢复处理;所述信宿模块,用于将电信号out还原为原始信号。
进一步,所述第一波长光源由第一驱动模块驱动,能够发射携带传输信息的光信号。
进一步,所述第一波长光源的波长为520nm,第二波长光源的波长为532nm。
进一步,所述编码模块,用于在待传输的信息码元中加入冗余信息,可根据信道环境性能选择RS码、卷积码、RS-卷积级联码、LDPC码或Turbo码中的任一种编码类型。
进一步,所述调制模块,用于将电信号转换为光信号,所选择的调制方式包括PPM、DPIM、PAM或NRZ-OOK。
进一步,所述第一光电探测器、第二光电探测器均选自光电二极管PIN、雪崩二极管APD、光电倍增管PMT、硅光电倍增管MPPC中的任一种。
与现有技术相比,本发明提供的技术方案包括以下有益效果:与现有的空间分集技术相比,该系统使用同一光学接收模块接收光强,且仅由两路光电探测电路组成,整体结构更加紧凑,具有成本低、体积小的特点;此外,第二波长光源采用直流光信号,第二光电探测器输出信号能够反映海洋湍流导致的瞬时光强衰落,相当于对信道的动态衰落特性进行了测量,该信号可用于补偿光强闪烁对加载在第一波长光源的调制信号的影响,从而有效地解决了光强闪烁所导致的通信质量下降的问题。
附图说明
图1为本发明提供的一种双波长的水下无线光通信系统的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细描述:
实施例
一方面,本发明提供了一种双波长的水下无线光通信方法,应用于水下无线光通信系统,所述水下无线光通信系统包括依次连接的发射系统、信道和接收系统,所述双波长的水下无线光通信方法包括以下步骤:
1)控制所述发射系统对两束不同波长的光进行光束合成,形成光信号A;
2)将所述光信号A变换为具有发散角θ的光信号B,并通过所述信道发送至接收端;
3)控制所述接收系统将接收到的光信号B分成两束,一束光信号经过滤波、光电转换处理成电信号C1,另一束光信号经过滤波、光电转换、平滑滤波处理成电信号C2,通过数据处理模块对所述电信号C1、C2进行光强补偿处理以输出电信号out;
4)对所述电信号out进行解调、译码处理。
进一步,所述步骤2)中光信号A通过发射光学模块变换为具有5度发散角的光信号B。
进一步,所述步骤1)中两束不同波长的光包括:第一波长光源,为携带传输信息的光信号;第二波长光源,为不携带任何信息的直流光信号。
进一步,所述步骤3)中通过数据处理模块对所述电信号C1、C2进行光强补偿处理以输出电信号out,具体包括:
3.1)定义携带传输信息的第一波长光源的输出光功率为PT1(t),经滤波、光电转换处理后的电信号C1的输出功率为PR1(t),定义不携带任何信息的第二波长光源的输出光功率为PT2(t),经滤波、光电转换处理后的电信号C2的输出功率PR2(t),t为时间;
3.2)对所述输出功率PR2(t)进行平滑滤波处理,得到平滑处理后的输出信号C2′,其功率记作smooth[PR2(t)];
3.3)对平滑滤波处理后的电信号C2′进行归一化处理,得到补偿闪烁效应的参考信号的输出功率smooth[pR2(t)]/max{smooth[pR2(t)]};
上述双波长的水下无线光通信方法,第二波长光源采用直流光信号,通过第二光电探测器的转换输出信号能够反映海洋湍流导致的瞬时光强衰落,相当于对信道的动态衰落特性进行了测量,该信号可用于补偿光强闪烁对加载在第一波长光源的调制信号的影响,从而有效地解决光强闪烁所导致的通信质量下降的问题。
由于海洋湍流会导致光强闪烁现象,两束不同波长的光在达到光电探测器时都会出现闪烁不定的情况。定义加载调制信号的第一波长光源的输出光功率为PT1(t),t为时间,第一光电探测器输出的信号为PR1(t),由恒流驱动模块(第二驱动模块)驱动的第二波长光源的输出光功率为PT2(t)为恒定值。无海洋湍流时,海水信道对传输的光信号的衰减是不随时间变化的,因此第二光电探测器输出的信号PR2(t)应该为常数值。由于海洋湍流导致光强闪烁,第二光电探测器输出信号PR2(t)将随时间变化。为消除噪声影响,将第二光电探测器输出信号PR2(t)进行平滑滤波处理,得到smooth[PR2(t)];将平滑滤波处理后的第二光电探测器输出信号归一化,即smooth[pR2(t)]/max{smooth[pR2(t)]},作为补偿闪烁效应的参考信号,则输出电信号out的功率最后,对输出信号进行解调和译码,根据双波长发射系统中选择的调制方式和编码方式对信号进行相应的检验和恢复处理,最终得到发射的原始信号。
为确保长距离下可以探测到低信噪比下的光信号,第一光电探测器、第二光电探测器选择具有高灵敏度、高增益、高信噪比等优点的雪崩二极管(APD)或硅光电倍增管(MPPC)。
另一方面,本发明还提供了一种双波长的水下无线光通信系统,利用如上部分或全部所述的双波长的水下无线光通信方法进行通信,所述通信系统包括依次连接的发射系统、信道和接收系统;
所述发射系统包括,依次连接的信源模块、编码模块、调制模块、第一驱动模块、第一波长光源、光学合束器、发射光学模块;所述光学合束器还连接有第二波长光源,所述第二波长光源与第一波长光源的波长不同,所述第二波长光源由第二驱动模块驱动,能够发射不携带任何信息的直流光信号;其中,
信源模块,用于将原始信号转化为电信号输出;
编码模块,便于通信系统按照特定的算法在待传输的信息码元中加入冗余信息,增强通信系统抵抗噪声干扰的能力。
调制模块,将电信号转换为光信号,使光源发出的光信号与电信号具有一样的变化规律,实现将待传输的信息加载到光信号上;
第一驱动模块,具有电流驱动能力,驱动LD光源工作;
第一波长光源,由第一驱动模块驱动,能够发射携带传输信息的光信号;
第二驱动模块,具有恒定电流驱动能力,驱动LD光源工作;
第二波长光源,由第二驱动模块恒流驱动,能够发射不携带任何信息的直流光信号;
光学合束器,实现第一波长光源与第二波长光源光束合束,所述第一波长光源和第二波长光源为两束不同波长的LD光源;
发射光学模块,控制发射光束的发散角θ;
所述接收系统包括,
接收光学模块,汇集到达接收系统的光束,所述接收光学模块的一端通过信道与发射光学模块连接,另一端与光学分束器连接;
所述光学分束器,用于将接收到的光束进行1:1分束:一束光经第一波长滤波片滤除第一波长光源之外的光,再经第一光电探测器转换后传送至数据处理模块;另一束光经第二波长滤波片滤除第二波长光源之外的光,再经第二光电探测器转换、平滑滤波器处理后传送至数据处理模块;其中,第一光电探测器,将经过第一波长滤波片的光信号转化为电信号,第二光电探测器,将经过第二波长滤波片的光信号转化为电信号;
所述数据处理模块,用于根据第二波长光源的接收光功率推导第一波长光源的发射光功率在信道中随时间变化的动态衰减,以补偿光强闪烁;
所述数据处理模块与解调模块连接,所述解调模块与译码模块连接,所述译码模块与信宿模块连接;所述解调模块,用于检测当前数据的调制格式,从携带信息的已调信号中恢复消息,所述解调方式与发射系统中调制模块的调制格式相对应;所述译码模块,用于检测解调后的数据采用的编码格式,对数据进行相应的检验纠错和恢复处理,所述译码方式与发射系统中编码模块的编码格式相对应;所述信宿模块,用于将电信号out还原为原始信号。
优选地,所述第一波长光源的波长为520nm,第二波长光源的波长为532nm。
进一步,所述编码模块,用于在待传输的信息码元中加入冗余信息,可根据信道环境性能选择RS码、卷积码、RS-卷积级联码、LDPC码或Turbo码中的任一种编码类型。
进一步,所述调制模块,用于将电信号转换为光信号,所选择的调制方式包括PPM、DPIM、PAM或NRZ-OOK。
进一步,所述第一光电探测器、第二光电探测器均选自光电二极管PIN、雪崩二极管APD、光电倍增管PMT、硅光电倍增管MPPC中的任一种。
综上,本发明提供的这种双波长的水下无线光通信系统,在实际应用中,通过控制发射系统对两束不同波长的光进行光束合成,形成光信号A;将光信号A变换为具有发散角θ的光信号B,并通过信道发送至接收端;控制接收系统将接收到的光信号B分成两束,一束光信号经过滤波、光电转换处理成电信号C1,另一束光信号经过滤波、光电转换、平滑滤波处理成电信号C2,通过数据处理模块对电信号C1、C2进行光强补偿处理以输出电信号out;对电信号out进行解调、译码处理,根据发射系统中的级联码编码方式对数据进行相应的检验和恢复处理,最终得到原始信号。
而现有的空间分集技术需要具有一定空间间隔的多个接收机,依靠多个接收机光强闪烁的独立性,合并多路接收信号以减缓海洋湍流导致的光强闪烁问题。对于分集数为M的接收系统,由M个接收机组成,系统总的闪烁指数将为单路接收系统闪烁指数的1/M。与现有的空间分集技术相比,该系统使用同一接收光学接收模块接收光强,且仅由两路光电探测组成,整体结构更加紧凑,具有成本低、体积小的特点;此外,第二波长光源采用直流光信号,第二光电探测器输出信号能够反映海洋湍流导致的瞬时光强衰落,相当于对信道的动态衰落特性进行了测量,该信号能够用于补偿光强闪烁对加载在第一波长光源的调制信号的影响,从而有效地解决了光强闪烁所导致的通信质量下降的问题。
以上所述内容仅是本发明的具体实施方式,使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对上述实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。
应当理解的是,本发明并不局限于上述已经描述的内容,并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种双波长的水下无线光通信方法,应用于水下无线光通信系统,所述水下无线光通信系统包括依次连接的发射系统、信道和接收系统,其特征在于,所述双波长的水下无线光通信方法包括以下步骤:
1)控制所述发射系统对两束不同波长的光进行光束合成,形成光信号A;
2)将所述光信号A变换为具有发散角θ的光信号B,并通过所述信道发送至接收端;
3)控制所述接收系统将接收到的光信号B分成两束,一束光信号经过滤波、光电转换处理成电信号C1,另一束光信号经过滤波、光电转换、平滑滤波处理成电信号C2,通过数据处理模块对所述电信号C1、C2进行光强补偿处理以输出电信号out;
4)对所述电信号out进行解调、译码处理。
2.根据权利要求1所述的双波长的水下无线光通信方法,其特征在于,所述步骤2)中光信号A通过发射光学模块变换为具有发散角θ的光信号B,所述发散角θ小于180度。
3.根据权利要求1所述的双波长的水下无线光通信方法,其特征在于,所述步骤1)中两束不同波长的光包括:第一波长光源,为携带传输信息的光信号;第二波长光源,为不携带任何信息的直流光信号。
4.根据权利要求3所述的双波长的水下无线光通信方法,其特征在于,所述步骤3)中通过数据处理模块对所述电信号C1、C2进行光强补偿处理以输出电信号out,具体包括:
3.1)定义携带传输信息的第一波长光源的输出光功率为PT1(t),经滤波、光电转换处理后的电信号C1的输出功率为PR1(t),定义不携带任何信息的第二波长光源的输出光功率为PT2(t),经滤波、光电转换处理后的电信号C2的输出功率PR2(t),t为时间;
3.2)对所述输出功率PR2(t)进行平滑滤波处理,得到平滑处理后的输出信号C2’,其功率记作smooth[PR2(t)];
3.3)对平滑滤波处理后的电信号C2’进行归一化处理,得到补偿闪烁效应的参考信号的输出功率smooth[pR2(t)]/max{smooth[pR2(t)]};
5.一种双波长的水下无线光通信系统,其特征在于,利用如权利要求1-4任一项所述的双波长的水下无线光通信方法进行通信,所述通信系统包括依次连接的发射系统、信道和接收系统;
所述发射系统包括,
依次连接的信源模块、编码模块、调制模块、第一驱动模块、第一波长光源、光学合束器、发射光学模块;所述光学合束器还连接有第二波长光源,所述第二波长光源与第一波长光源的波长不同,所述第二波长光源由第二驱动模块驱动,能够发射不携带任何信息的直流光信号;
所述接收系统包括,
接收光学模块,所述接收光学模块的一端通过信道与发射光学模块连接,另一端与光学分束器连接;
所述光学分束器,用于将接收到的光束进行1:1分束:一束光经第一波长滤波片滤除第一波长光源之外的光,再经第一光电探测器转换后传送至数据处理模块;另一束光经第二波长滤波片滤除第二波长光源之外的光,再经第二光电探测器转换、平滑滤波器处理后传送至数据处理模块;
所述数据处理模块,用于根据第二波长光源的接收光功率推导第一波长光源的发射光功率在信道中随时间变化的动态衰减,以补偿光强闪烁;
所述数据处理模块与解调模块连接,所述解调模块与译码模块连接,所述译码模块与信宿模块连接;所述解调模块,用于检测当前数据的调制格式,从携带信息的已调信号中恢复消息;所述译码模块,用于检测解调后的数据采用的编码格式,对数据进行相应的检验纠错和恢复处理;所述信宿模块,用于将电信号out还原为原始信号。
6.根据权利要求5所述的双波长的水下无线光通信系统,其特征在于,所述第一波长光源由第一驱动模块驱动,能够发射携带传输信息的光信号。
7.根据权利要求6所述的双波长的水下无线光通信系统,其特征在于,所述第一波长光源的波长为520nm,第二波长光源的波长为532nm。
8.根据权利要求5所述的双波长的水下无线光通信系统,其特征在于,所述编码模块,用于在待传输的信息码元中加入冗余信息,可根据信道环境性能选择RS码、卷积码、RS-卷积级联码、LDPC码或Turbo码中的任一种编码类型。
9.根据权利要求5所述的双波长的水下无线光通信系统,其特征在于,所述调制模块,用于将电信号转换为光信号,所选择的调制方式包括PPM、DPIM、PAM或NRZ-OOK。
10.根据权利要求5所述的双波长的水下无线光通信系统,其特征在于,所述第一光电探测器、第二光电探测器均选自光电二极管PIN、雪崩二极管APD、光电倍增管PMT、硅光电倍增管MPPC中的任一种。
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