CN114172589A - 一种深海全双工实时通信装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深海全双工实时通信装置及方法。所述深海全双工实时通信装置包括：舱体、前端盖、蓝宝石玻璃、后端盖、水密连接器以及设置在舱体中的全双工实时通信电路；全双工实时通信电路包括收发电路、调制解调电路以及SOC处理器；收发电路设置在蓝宝石玻璃内侧，接收光信号透过蓝宝石玻璃由收发电路接收，收发电路的发射光信号透过蓝宝石玻璃进行发送；调制解调电路的一端与收发电路连接，调制解调电路的另一端与SOC处理器连接；SOC处理器通过以太网与舱外对接设备进行数据传输。本发明提供的深海全双工实时通信装置及方法，能够完成深海探测设备之间的短距离高速全双工通信，同时具备一定的抗偏移与距离适应能力。

Description

一种深海全双工实时通信装置及方法

技术领域

本发明涉及深海探测技术领域，特别是涉及一种深海全双工实时通信装置及方法。

背景技术

无线信息传输系统是深海探测设备的关键组成系统，且关系着能源传输系统的可靠性。无线信息传输系统的设计是深海探测领域的重要研究课题方向之一。在深海通信研究领域中，主要有水声通信、电磁波通信与光通信三种方式。由于海水特定的传导性质，只有440nm-560nm波段内的光通信可以实现高速、实时的近距离高带宽水下无线通信。无人探测器需要频繁的外出探测，每次均会带回较大容量的多媒体数据上传至基站，且探测器与基站之间需要进行频繁的指令与状态信息传输，同时，深海探测设备集成度高、电磁环境复杂，且无人探测器与基站之间存在一定的距离和角度偏差，给光通信系统设计带来了较大的困难。因此，如何在深海探测设备之间实现全双工通信，同时适应探测器与基站之间的距离和角度偏差，是本领域亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种深海全双工实时通信装置及方法，以完成深海探测设备之间的短距离高速全双工通信，同时具备一定的抗偏移与距离适应能力。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种深海全双工实时通信装置，包括：舱体、前端盖、蓝宝石玻璃、后端盖、水密连接器以及设置在所述舱体中的全双工实时通信电路；所述前端盖和所述后端盖分别固定于所述舱体的前端和后端；所述蓝宝石玻璃设置于所述前端盖的中央位置；所述水密连接器设置在所述后端盖处；所述全双工实时通信电路位于所述前端盖、所述后端盖以及所述舱体形成的密闭空间中；

所述全双工实时通信电路包括收发电路、调制解调电路以及SOC处理器；所述收发电路设置在所述蓝宝石玻璃内侧，接收光信号透过所述蓝宝石玻璃由所述收发电路接收，所述收发电路的发射光信号透过所述蓝宝石玻璃进行发送；所述调制解调电路的一端与所述收发电路连接，所述调制解调电路的另一端与所述SOC处理器连接；所述SOC处理器通过以太网与舱外对接设备进行数据传输。

可选地，所述收发电路包括环氧树脂基PCB、设置在所述环氧树脂基PCB上的PIN光电二极管和滤光片、铝基PCB以及设置在所述铝基PCB上的LED；所述铝基PCB通过螺栓和螺孔安装在所述环氧树脂基PCB上。

可选地，所述调制解调电路包括跨阻放大器、单端转差分放大器、带通滤波器、模数转换器、数模转换器、电压转换电流电路以及Bias-Tee电路；

所述跨阻放大器的一端连接所述PIN光电二极管；所述跨阻放大器的另一端连接所述单端转差分放大器的一端；所述单端转差分放大器的另一端连接所述带通滤波器的一端；所述带通滤波器的另一端连接所述模数转换器的一端；所述模数转换器的另一端连接所述SOC处理器；

所述数模转换器的一端连接所述SOC处理器；所述数模转换器的另一端连接所述带通滤波器的一端；所述带通滤波器的另一端连接所述电压转换电流电路的一端；所述电压转换电流电路的另一端连接所述Bias-Tee电路的一端；所述Bias-Tee电路的另一端连接所述LED。

可选地，所述SOC处理器包括硬核处理器系统HPS和现场可编程逻辑门阵列FPGA；

所述FPGA分别与所述模数转换器和所述数模转换器连接；所述FPGA与所述HPS通过内部高速AXI总线进行交互；所述HPS通过以太网与所述舱外对接设备进行数据传输。

一种深海全双工实时通信方法，所述深海全双工实时通信方法基于所述深海全双工实时通信装置，所述深海全双工实时通信方法包括：

SOC处理器通过以太网接收舱外对接设备发送的数据；

所述SOC处理器对所述数据进行预处理以及数据编码与调制处理，生成编码调制后信号；

调制解调电路对所述编码调制后信号进行发送信号调制，并将调制信号加载至收发电路的LED进行发送；

接收光信号透过蓝宝石玻璃由收发电路的PIN光电二极管接收；

所述PIN光电二极管将所述接收光信号转换为接收电流信号；

调制解调电路对所述接收电流信号进行接收信号调制，生成待解调信号；

所述SOC处理器对所述待解调信号进行数据解调与解码处理，生成解码后数据；

所述SOC处理器将所述解码后数据通过以太网传输至所述舱外对接设备。

可选地，所述SOC处理器对所述数据进行预处理以及数据编码与调制处理，生成编码调制后信号，具体包括：

所述SOC处理器中的HPS对所述数据进行预处理，生成预处理后信号；

所述SOC处理器中的FPGA将所述预处理后信号添加预设的字长后依次进行CRC8校验、RS编码以及32bit并行扰码，生成帧数据；

将所述帧数据添加帧头帧尾后转为4bit串行数据送入16QAM调制器，生成所述编码调制后信号。

可选地，所述调制解调电路对所述编码调制后信号进行发送信号调制，并将调制信号加载至收发电路的LED进行发送，具体包括：

所述调制解调电路中的数模转换器将所述编码调制后信号转换为发送电压信号；

所述发送电压信号通过带通滤波器滤除噪声后，由所述电压转换电流电路将滤波后的发送电压信号转换为电流调制信号；

通过BiasTee电路将所述电流调制信号加载至所述LED，并透过所述蓝宝石玻璃进行发送。

可选地，所述调制解调电路对所述接收电流信号进行接收信号调制，生成待解调信号，具体包括：

所述调制解调电路中的跨阻放大器将所述接收电流信号转换为电压单端信号；

单端转差分放大器将所述单端信号转换为差分信号，并通过带通滤波器滤除噪声；

滤波后的差分信号经过差分放大器放大后接入模数转换器，输出所述待解调信号。

可选地，所述SOC处理器对所述待解调信号进行数据解调与解码处理，生成解码后数据，具体包括：

将所述待解调信号经过数字自适应放大器放缩至预设幅度的接收信号；

所述接收信号由所述SOC处理器中的FPGA完成QAM信号解调，生成4bit串行数据；

将所述4bit串行数据依次载入FIFO队列，检测到帧头帧尾完整后，将提取到的数据再依次进行32bit并行解扰、RS解码以及CRC8校验，生成所述解码后数据。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种深海全双工实时通信装置及方法，所述深海全双工实时通信装置包括：舱体、前端盖、蓝宝石玻璃、后端盖、水密连接器以及设置在所述舱体中的全双工实时通信电路；所述前端盖和所述后端盖分别固定于所述舱体的前端和后端；所述蓝宝石玻璃设置于所述前端盖的中央位置；所述水密连接器设置在所述后端盖处；所述全双工实时通信电路位于所述前端盖、所述后端盖以及所述舱体形成的密闭空间中；所述全双工实时通信电路包括收发电路、调制解调电路以及SOC处理器；所述收发电路设置在所述蓝宝石玻璃内侧，接收光信号透过所述蓝宝石玻璃由所述收发电路接收，所述收发电路的发射光信号透过所述蓝宝石玻璃进行发送；所述调制解调电路的一端与所述收发电路连接，所述调制解调电路的另一端与所述SOC处理器连接；所述SOC处理器通过以太网与舱外对接设备进行数据传输。本发明提供的深海全双工实时通信装置及方法，能够完成深海探测设备之间的短距离高速全双工通信，同时具备一定的抗偏移与距离适应能力。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，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深海全双工实时通信装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的深海全双工实时通信装置的外观示意图；

图3为本发明实施例提供的全双工实时通信电路以及舱外对接设备的示意图；

图4为本发明实施例提供的收发电路的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的单端转差分放大器的电路原理图；

图6为本发明实施例提供的带通滤波器的电路原理图；

图7为本发明实施例提供的电压转换电流电路以及Bias-Tee电路的电路原理图；

图8为本发明实施例提供的数据编码与调制过程示意图；

图9为本发明实施例提供的数据解调与解码过程示意图；

图10为本发明实施例提供的自适应放大器的原理示意图；

图11为本发明实施例提供的位同步控制原理示意图；

图12为本发明实施例提供的AXI总线挂载FPGA模块示意图；

符号说明：

1舱体、2前端盖、3蓝宝石玻璃、4后端盖、5水密连接器、6收发电路、7调制解调电路、8SOC处理器、601环氧树脂基PCB、602PIN光电二极管、603铝基PCB、604LED、605螺孔、606连接线。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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做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。

本发明的目的是提供一种深海全双工实时通信装置及方法，以完成深海探测设备之间的短距离高速全双工通信，同时具备一定的抗偏移与距离适应能力。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例提供的深海全双工实时通信装置的整体结构示意图，图2为本发明实施例提供的深海全双工实时通信装置的的外观示意图。参见图1和图2，所述深海全双工实时通信装置包括：舱体1、前端盖2、蓝宝石玻璃3、后端盖4、水密连接器5以及设置在所述舱体中的全双工实时通信电路。所述前端盖2和所述后端盖4分别固定于所述舱体1的前端和后端。所述蓝宝石玻璃3设置于所述前端盖2的中央位置。所述水密连接器5设置在所述后端盖4处。所述全双工实时通信电路位于所述前端盖2、所述后端盖4以及所述舱体1形成的密闭空间中。

在实际应用中，所述蓝宝石玻璃3也可采用透镜来代替。所述舱体1采用金属钛耐压仓。实施全双工实时通信电路通过金属钛耐压仓封闭，电路结构放置在舱体1中段，光发射源(LED)与光接收源(PIN光电二极管)放置于端盖平面中心，由蓝宝石玻璃3覆盖，蓝宝石玻璃3通过橡胶密封圈和耐压仓组合，以实现光路在水下的的正常传输以及对电路结构的保护。

图3为本发明实施例提供的全双工实时通信电路以及舱外对接设备的示意图。参见图3，所述全双工实时通信电路包括收发电路6、调制解调电路7以及SOC处理器8。所述收发电路6设置在所述蓝宝石玻璃3内侧。在进行信号接收时，接收光信号透过所述蓝宝石玻璃3由所述收发电路6接收。在进行信号发送时，所述收发电路6的发射光信号透过所述蓝宝石玻璃3进行发送。所述调制解调电路7的一端与所述收发电路6连接，所述调制解调电路7的另一端与所述SOC处理器8连接。所述SOC处理器8通过以太网与舱外对接设备9进行数据传输。

图4为本发明实施例提供的收发电路的结构示意图。参见图4，所述收发电路6包括环氧树脂基PCB601、设置在所述环氧树脂基PCB601上的PIN光电二极管602和滤光片、铝基PCB603以及设置在所述铝基PCB603上的LED604；所述铝基PCB603通过螺栓和螺孔605安装在所述环氧树脂基PCB601上。

螺孔605可采用M1螺孔。所述LED604为蓝绿光LED。通过对两种不同波长的蓝色和绿色可见光源进行调制解调，实现双方以相同速率通信的目的。

在实际应用中，所述收发电路6还包括连接线606。所述连接线606布置在环氧树脂基PCB601上，用于与电源连接进行供电，或与其他电路连接进行信号传输。

参见图3，所述调制解调电路7包括跨阻放大器、单端转差分放大器、带通滤波器、模数转换器ADC、数模转换器DAC、电压转换电流电路以及Bias-Tee电路。

所述跨阻放大器的一端连接所述PIN光电二极管602；所述跨阻放大器的另一端连接所述单端转差分放大器的一端；所述单端转差分放大器的另一端连接所述带通滤波器的一端；所述带通滤波器的另一端连接所述模数转换器的一端；所述模数转换器的另一端连接所述SOC处理器8。

图5为本发明实施例提供的单端转差分放大器的电路原理图。图5中R1、R3和R2、R3决定信号的放大系数，R5、R6对电源电压分压，给电路提供共模电压。

所述数模转换器的一端连接所述SOC处理器8；所述数模转换器的另一端连接所述带通滤波器的一端；所述带通滤波器的另一端连接所述电压转换电流电路的一端；所述电压转换电流电路的另一端连接所述Bias-Tee电路的一端；所述Bias-Tee电路的另一端连接所述LED。

图6为本发明实施例提供的带通滤波器的电路原理图。参见图6，所述带通滤波器采用二阶带通滤波器。图6中，R1、R4、C2、C3构成高通滤波器，R2、R3、C1、C4构成低通滤波器。

图7为本发明实施例提供的电压转换电流电路以及Bias-Tee电路的电路原理图。由于可见光通信只能通过光强反映调制信号的变换，而光强的变换通过控制LED的电流实现，因此需要在LED的直流偏置电流中叠加调制的交流电流信号，图7所示为电压-电流转换电路以及BiasTee电路，通过R3调节输出的交流电流幅值，CILED为LED直流电流源。

参见图3，所述SOC处理器8包括硬核处理器系统HPS和现场可编程逻辑门阵列FPGA。本发明SOC处理器8采用异构型FPGA芯片，由ARM Cortex A53处理器(即HPS)和Cyclone V FPGA组成，数据通过以太网络与CortexA53处理器(即HPS处理器)交互，由HPS处理器对数据进行处理，调制解调器由FPGA完成设计。HPS处理器与FPGA通过内部AXI处理器进行高速数据传输。

具体地，所述FPGA分别与所述模数转换器和所述数模转换器连接；所述FPGA与所述HPS通过内部高速AXI总线进行交互；所述HPS通过以太网与所述舱外对接设备进行数据传输。

HPS处理器对数据进行处理，FPGA完成数据编码解码、16QAM调制解调、以及相应的信息与文件传输逻辑。

本发明提供的基于蓝绿光LED的深海全双工实时通信装置作为深海探测系统的子设备，其传输模式包含信息传输模式、回文传输模式与文件传输模式。信息传输模式与回文传输模式用于控制指令及其数据传输。文件传输模式用于传输深海探测器工作所产生的文本、图片以及视频等多媒体文件。文件传输模式开始前首先进入回文传输模式进行通信交互以及配置传输，确认传输文件属性后进行文件传输。本发明可用于深海探测设备之间进行点对点的信息交互，可以完成设备之间的信息与文件传输。

参见图1和图2，本发明全双工实时通信电路放置于金属钛耐压仓1内，光路由前端盖2中央的蓝宝石玻璃3透过。后端盖4上的以太网络接口与SOC处理器8通信，经过FPGA调制解调以及相应的硬件电路处理，用于传输信息与文件。

在全双工实时通信过程中，所述收发电路6的端盖平面PCB结构为采用铝基板的LED电路+采用PIN光电二极管为接收源的电路，通过滤光片避免光电二极管602被自身的发送LED604干扰。接收电路使用两个光电二极管602以提高接收信号质量，通过跨阻放大器将光电二极管602的接收电流转换为电压，再通过单端转差分放大器将单端电压信号转换为差分电压信号，以提高信号传输质量。

所述调制解调电路7实现发送信号调制和接收信号调制功能。

在发送信号调制过程中，将高速DAC生成的电流转换为电压，通过带通滤波器滤除噪声，由电压转换电路电路将该处理好的电压转换为电流，再通过BiasTee电路将调制信号加载至LED发送。

在接收信号调制过程中，单端转差分放大器将接收到的单端信号转换为差分电压，通过带通滤波器滤除噪声，再经过差分放大器放大后接入高速ADC。

所述SOC处理器8中的FPGA完成数据编码解码、16QAM调制解调功能。

图8为本发明实施例提供的数据编码与调制过程示意图。参见图8，在数据编码与调制处理过程中，FPGA将数据添加必要的字长后依次进行CRC8校验以避免纠错错误、RS编码以实现数据纠错、并行扰码以提高调制信号质量。完整的帧数据添加帧头帧尾后转为4bit串行数据送入16QAM调制器进行QAM信号调制。

图9为本发明实施例提供的数据解调与解码过程示意图。参见图9，在数据解调与解码处理过程中，接收器将ADC接收信号经过数字自适应放大器将待解调信号放缩至合适幅度的信号，经过16QAM解调器完成信号解调，4bit串行数据依次载入FIFO队列，检测到帧头帧尾完整后，将提取到的数据再依次进行32bit并行解扰、RS解码、CRC8校验，解码正确的数据将被传输至HPS。

其中每帧传输数据包含信息为：第0-7位帧尾、第8-135位数据、第136-151位状态、第152-159位CRC8校验、第160-199位RS编码、第200-212位帧头。

信息传输模式为双向传输模式，信息接收方收到信息不主动向信息发送方回文。回文传输模式为主从式半双工通信，信息接收方收到信息向信息发送方发送已读回执。

文件传输模式为下，文件发送方先向文件接收方提起发送请求，HPS判断可进行传输后，发送方向接收方发送待发送文件的属性信息，接收方和发送方按属性信息配置好自己的FPGA逻辑后进行正式的文件传输。

文件传输时，每10帧文件组成传输块，文件发送方在传输每块时，不论接收方的帧接收进度，将该文件块一次性发送完成。接收方在收到每帧数据后向发送方发送接收进度，发送方在获取接收方的接收进度后，将未能接收成功的帧数据重新发送。

本发明提供的一种基于蓝绿光LED的深海全双工实时通信装置，用于完成深海探测设备之间的短距离高速全双工通信。通过本发明装置，探测器与基站可以完成多媒体文件的传输，以及关键控制数据与控制指令的上传与下发。通过进行程序与硬件设计，使得本发明装置具备一定的抗偏移与距离适应能力。

基于本发明提供的深海全双工实时通信装置，本发明还提供一种深海全双工实时通信方法。参见图1-3，本发明包含硬件电路与FPGA逻辑。硬件电路主要包含控制电路(SOC处理器8及其外围配置电路)、调制解调电路7以及发送与接收电路(收发电路6)。FPGA逻辑主要包含数据编码、数据解码、调制以及解调。全双工实时通信电路整体放置于耐压仓1内，耐压仓1机械结构示意图如图2所示，后端盖4放置水密连接器5，用于和其他设备通信，以及给全双工实时通信电路供电。前端盖2中央放置蓝宝石玻璃3，用于光通信的传输，同时由于其材料的特殊性，可在其保证透过光路的前提下，保护耐压仓结构完整以及内部电路完好。

装置硬件电路由三部分组成：SOC处理器8及其外围配置电路、调制解调电路7、以及收发电路6，电路组成如图3所示。舱外对接设备通过以太网与SOC处理器8进行信息交互。相应的，SOC处理器8的配置电路包含了FPGA程序配置电路，以及HPS所需要的DDR3存储器、1000/100/10M自适应PHY电路、时钟电路、电源电路、启动电路。

装置控制器采用异构型FPGA芯片，即SOC处理器8。SOC处理器8由ARM CortexA53处理器(即所述HPS)以及Cyclone V FPGA(即所述FPGA)组成，数据通过以太网络与CortexA53处理器交互，由HPS处理器对数据进行处理，数据收发与调制解调器由FPGA完成。HPS处理器与FPGA通过内部AXI处理器进行高速数据传输。

基于所述深海全双工实时通信装置，所述深海全双工实时通信方法包括：

步骤1)：SOC处理器通过以太网接收舱外对接设备发送的数据。

参见图3，SOC处理器8通过以太网接收舱外对接设备传输的数据。

步骤2)：所述SOC处理器对所述数据进行预处理以及数据编码与调制处理，生成编码调制后信号。

装置的调制解调器采用16QAM，符号速率为5Mbps，载波频率为10MHz，16QAM调制下，每个符号周期内传输4个码元，因此实际的通信速率为20Mbps。

数据传输由HPS系统发起，FPGA将数据添加必要的字长后依次进行CRC8校验以避免纠错错误、RS编码以实现数据纠错、并行扰码以提高调制信号质量。完整的帧数据添加帧头帧尾后转为4bit串行数据送入16QAM调制器。

数据编码与调制处理过程如图8所示。在帧数据编码过程中，每帧有效数据为128bit，经过逻辑状态处理后添加16bit。为防止RS解码器存在的误解码问题，对该144bit数据加入8bit的CRC8校验码。RS编码器对该152bit数据进行编码，生成40bit的监督码元。RS解码器可纠正该192bit中的20bit误码。为防止该帧数据可能存在长“0”或长“1”而导致的解调性能降低问题，对以上192bit数据进行32bit的并行扰码。最后将该帧数据添加帧头“5AF”以及帧尾“A5”，构成完整的一帧212bit数据。

获取到发送脉冲后，将一帧212bit数据分解成4bit的数据流，送入调制器。为防止出现相位模糊问题，每次调制的数据需要进行差分编码处理。编码后的数据经过16QAM星座映射分为同相与正交两路，16QAM星座图与编码映射关系表如表1所示。经过升余弦滚降滤波器滤波后，与NCO压控振荡器生成的10MHz正弦和余弦信号相乘后再相加，得到完整的编码调制后信号。对信号截取有效的12bit数据，送入数模转换芯片，模数转换器的工作频率为40MHz，发送编码调制后信号。

表1 16QAM星座图与编码映射关系表

输入数据	I支路	Q支路	输入数据	I支路	Q支路
						0000	011(3)	011(3)	1000	011(3)	101(-3)
0001	001(1)	011(3)	1001	011(3)	111(-1)
						0010	011(3)	001(1)	1010	001(1)	101(-3)
0011	001(1)	001(1)	1011	001(1)	111(-1)
						0100	101(-3)	011(3)	1100	101(-3)	101(-3)
0101	101(-3)	001(1)	1101	111(-1)	101(-3)
						0110	111(-1)	011(3)	1110	101(-3)	111(-1)
0111	111(-1)	001(1)	1111	111(-1)	111(-1)

因此，所述SOC处理器对所述数据进行预处理以及数据编码与调制处理，生成编码调制后信号，具体包括：

所述SOC处理器中的HPS对所述数据进行预处理，生成预处理后信号；

所述SOC处理器中的FPGA将所述预处理后信号添加预设的字长后依次进行CRC8校验、RS编码以及32bit并行扰码，生成帧数据；

将所述帧数据添加帧头帧尾后转为4bit串行数据送入16QAM调制器，生成所述编码调制后信号。

步骤3)：调制解调电路对所述编码调制后信号进行发送信号调制，并将调制信号加载至收发电路的LED进行发送。

所传输信息由HPS完成数据预处理，由SOC处理器8的内部高速总线，转移至FPGA，FPGA对数据进行16QAM调制解调，通过模数转换与数模转换电路与模拟电路对接，经过调制解调电路7对信号进行放大以及带通滤波。带通滤波器器采用2阶滤波器，其原理如图6所示。图6中，R1、R4、C2、C3构成高通滤波器，R2、R3、C1、C4构成低通滤波器。由于可见光通信只能通过光强反映调制信号的变换，而光强的变换通过控制LED的电流实现，因此需要在LED的直流偏置电流中叠加调制的交流电流信号，图7所示为电压-电流转换电路以及BiasTee电路，通过R3调节输出的交流电流幅值，CILED为LED直流电流源。

因此，所述调制解调电路对所述编码调制后信号进行发送信号调制，并将调制信号加载至收发电路的LED进行发送，具体包括：

所述调制解调电路中的数模转换器将所述编码调制后信号转换为发送电压信号；

所述发送电压信号通过带通滤波器滤除噪声后，由所述电压转换电流电路将滤波后的发送电压信号转换为电流调制信号；

通过BiasTee电路将所述电流调制信号加载至所述LED，并透过所述蓝宝石玻璃进行发送。

步骤4)：接收光信号透过蓝宝石玻璃由收发电路的PIN光电二极管接收。

收发电路6位于端盖中央蓝宝石玻璃3下，电路结构如图4所示。其中接收电路采用负压偏置的PIN光电二极管602作为光接收源，光电二极管602上覆盖滤光片，绿光发射板上光电管覆盖蓝色滤光片，蓝光发射板上光电管覆盖绿色滤光片，以避免光电二极管被同一系统的LED干扰。

步骤5)：所述PIN光电二极管将所述接收光信号转换为接收电流信号。

PIN光电二极管602将所述接收光信号转换为接收电流信号。光电管602产生的电流通过TIA放大器(即跨阻放大器)将接收电流转为电压信号。为提高接收质量，在收发电路6左、右两侧均放置接收电路(即放置两个光电管602)，对两个接收电压求取均值后，通过单端转差分放大器将单端信号转换为差分信号，以提高信号的信噪比。图5为单端转差分电路，R1、R3和R2、R3决定信号的放大系数，R5、R6对电源电压分压，给电路提供共模电压。

步骤6)：调制解调电路对所述接收电流信号进行接收信号调制，生成待解调信号。

在接收信号调制过程中，单端转差分放大器将接收到的单端信号转换为差分电压，通过带通滤波器滤除噪声，再经过差分放大器放大后接入高速ADC。

因此，所述调制解调电路对所述接收电流信号进行接收信号调制，生成待解调信号，具体包括：

所述调制解调电路中的跨阻放大器将所述接收电流信号转换为电压单端信号；

单端转差分放大器将所述单端信号转换为差分信号，并通过带通滤波器滤除噪声；

滤波后的差分信号经过差分放大器放大后接入模数转换器，输出所述待解调信号。

步骤7)：所述SOC处理器对所述待解调信号进行数据解调与解码处理，生成解码后数据。

ADC接收信号经过数字自适应放大器将待解调信号放缩至合适幅度的信号，经过16QAM解调器完成信号解调，4bit串行数据依次载入FIFO队列，检测到帧头帧尾完整后，将提取到的数据再依次进行32bit并行解扰、RS解码、CRC8校验，解码正确的数据将被传输至HPS。

数据解调与解码处理过程如图9所示。接收信号由模数转换器转换为数字信号，模数转换器的工作频率为40MHz。由于QAM调制策略为相位+赋值的混合调制策略，因此对于QAM解调器来说需要判决阈值，因而需要接收信号有稳定的信号幅度。

为保证接收信号有比较稳定的信号幅度，对接收信号做数字自适应放大处理，AGC(Automatic Generation Control)的处理框图如图10所示。本发明N取1024，对AGC输出信号求取平方，并设置深度为1024的FIFO滑动窗，求取1024个平方和，并进行32次平均，与给定值做差比较经过环路滤波器，滤除其高频噪声，经过积分器得到放大系数。

接下来接收信号可以做相干解调，由于接收端和发送端的时钟存在偏移现象，接收信号需要做载波同步，具体的方法为：接收信号与压控振荡器生成的正弦信号和余弦信号进行相乘，得到的信号经过根升余弦滚降滤波器，得到基带信号，由于载波还未同步，该基带信号是不正确的信号，经过判决器后由环路滤波器滤波，可得到压控振荡器的频率偏移值，经过一定时间的同步纠偏后，得到同步的载波，此时得到正确的基带信号。由于解调器的初始频偏较大，本发明采用混合的判决器，具体为：初始频偏较大时采用极性判决器，加快环路稳定，在频偏稍小一些的时候，采用面向判决器，提高输出的频偏精度。

载波同步完成后，基带信号需要完成定时提取，即位同步，本发明的位同步控制框图如图11所示。

参见图9，得到位同步信号后，对基带信号做门限判决，经过16QAM星座解映射以及差分解码，得到解调数据，解调数据滑动存入帧缓存器，检测到正确的帧头帧尾信号后，向解码器发送解码脉冲，接下来通过32bit并行解扰、RS解码、CRC8校验后提取到每帧的有效数据与状态控制字。

状态控制字的详细信息如表2所示。其中第128-129bit表示目前的传输模式，当发送方处于要求回文发送与文件发送状态时，接收方应处于接收模式下；当发送方处于信息发送模式时，接收方可同时处于信息发送状态。第130为预留字。第131-143bit用于文件传输控制字。文件传输模式下，每次发送方先发送文件属性配置信息，由HPS侧处理后对FPGA侧进行配置，配置完成后发送正式的文件内容，文件属性与文件内容的区分由第132bit指示。文件内容中，每10帧组成1块，发送方在首次发送每块时，不论接收方的接收进度，一次性发送该块的10帧，通过第134-137位指示。接收方每接收到一帧，会将该帧表示的位置位置1，接收方的134-143bit指示接收进度。例如，接收方目前完整接收了该块的第1、2、4、6、7、8、9帧数据，回文时第134-143bit应为10’b0111101011。发送方首次发送完该块后检视接收方的接收进度，检视到第3、5、10帧接收方还未接收成功，将3、5、10帧重新发送。每发送完成一块后，发送方将第131bit翻转，接收方通过该位跳变区分块的写入与接收。

表2状态控制字的详细信息

FPGA与HPS通过内部高速并行总线进行交互，本发明采用虚拟地址映射的方式，接收和发送控制状态、信息发送模式的数据、带回文发送的数据、以及文件发送模式的属性数据。采用Anole的IP核，挂载在HPS的内部高速总线，通过DMA方式传输文件流。虚拟地址映射数据的详细信息如表3所示。

内部高速AXI总线挂载如图12所示，FPGA可配置AXI总线，AXI总线内部其中的H2F、F2H可用于高速传输最长128bit的数据。H2F通道中，HPS作为主机，控制FPGA的数据读写。F2H通道中，FPGA作为主机，可对HPS的数据与外设进行读写和控制，而不打断HPS的正常运行。因此本发明利用H2F通道控制FPGA的运行以及数据发送读取，而文件传输时，数据吞吐量大，为不打断HPS的正常运行，利用F2H通道高速的读取或写入文件。

表3虚拟地址映射数据的详细信息

因此，所述SOC处理器对所述待解调信号进行数据解调与解码处理，生成解码后数据，具体包括：

将所述待解调信号经过数字自适应放大器放缩至预设幅度的接收信号；

所述接收信号由所述SOC处理器中的FPGA完成QAM信号解调，生成4bit串行数据；

将所述4bit串行数据依次载入FIFO队列，检测到帧头帧尾完整后，将提取到的数据再依次进行32bit并行解扰、RS解码以及CRC8校验，生成所述解码后数据。

步骤8)：所述SOC处理器将所述解码后数据通过以太网传输至所述舱外对接设备。

每帧传输中包含信息为：0-7位帧尾、8-135位数据、136-151位状态、152-159位CRC8校验、160-199位RS编码、200-212位帧头。

信息传输模式为双向传输模式，信息接收方收到信息不主动向信息发送方回文。回文传输模式为主从式半双工通信，信息接收方收到信息向信息发送方发送已读回执。

文件传输模式为下，文件发送方先向文件接收方提起发送请求，HPS判断可进行传输后，发送方向接收方发送待发送文件的属性信息，接收方和发送方按属性信息配置好自己的FPGA逻辑后进行正式的文件传输。

文件传输时，每10帧文件组成传输块，文件发送方在传输每块时，不论接收方的帧接收进度，将该文件块一次性发送完成，接收方在收到每帧数据后向发送方发送接收进度，发送方在获取接收方的接收进度后，将未能接收成功的帧数据重新发送。

本发明一种深海全双工实时通信装置及方法的有益效果包括：

1、电路系统可靠稳定，基于蓝绿光发光二极管实现短距双色光同速通信，可作为其他重要设备的子设备集成于耐压仓中。

2、基于异构型SOC处理，大幅简化控制系统结构与整体功耗，利用片内高速总线，提高了处理器与FPGA之间的通信效率与速率。

3、基于RS编码、CRC8校验、并行扰码方式，提高了光通信的传输效率与可靠性。

4、提出了一种简单的信息传输协议与流程，提高了信息传输的场合适应性、文件传输的效率与总体速率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种深海全双工实时通信装置，其特征在于，包括：舱体、前端盖、蓝宝石玻璃、后端盖、水密连接器以及设置在所述舱体中的全双工实时通信电路；所述前端盖和所述后端盖分别固定于所述舱体的前端和后端；所述蓝宝石玻璃设置于所述前端盖的中央位置；所述水密连接器设置在所述后端盖处；所述全双工实时通信电路位于所述前端盖、所述后端盖以及所述舱体形成的密闭空间中；

所述全双工实时通信电路包括收发电路、调制解调电路以及SOC处理器；所述收发电路设置在所述蓝宝石玻璃内侧，接收光信号透过所述蓝宝石玻璃由所述收发电路接收，所述收发电路的发射光信号透过所述蓝宝石玻璃进行发送；所述调制解调电路的一端与所述收发电路连接，所述调制解调电路的另一端与所述SOC处理器连接；所述SOC处理器通过以太网与舱外对接设备进行数据传输。

2.根据权利要求1所述的深海全双工实时通信装置，其特征在于，所述收发电路包括环氧树脂基PCB、设置在所述环氧树脂基PCB上的PIN光电二极管和滤光片、铝基PCB以及设置在所述铝基PCB上的LED；所述铝基PCB通过螺栓和螺孔安装在所述环氧树脂基PCB上。

3.根据权利要求2所述的深海全双工实时通信装置，其特征在于，所述调制解调电路包括跨阻放大器、单端转差分放大器、带通滤波器、模数转换器、数模转换器、电压转换电流电路以及Bias-Tee电路；

所述跨阻放大器的一端连接所述PIN光电二极管；所述跨阻放大器的另一端连接所述单端转差分放大器的一端；所述单端转差分放大器的另一端连接所述带通滤波器的一端；所述带通滤波器的另一端连接所述模数转换器的一端；所述模数转换器的另一端连接所述SOC处理器；

所述数模转换器的一端连接所述SOC处理器；所述数模转换器的另一端连接所述带通滤波器的一端；所述带通滤波器的另一端连接所述电压转换电流电路的一端；所述电压转换电流电路的另一端连接所述Bias-Tee电路的一端；所述Bias-Tee电路的另一端连接所述LED。

4.根据权利要求3所述的深海全双工实时通信装置，其特征在于，所述SOC处理器包括硬核处理器系统HPS和现场可编程逻辑门阵列FPGA；

所述FPGA分别与所述模数转换器和所述数模转换器连接；所述FPGA与所述HPS通过内部高速AXI总线进行交互；所述HPS通过以太网与所述舱外对接设备进行数据传输。

5.一种深海全双工实时通信方法，所述深海全双工实时通信方法基于权利要求1所述的深海全双工实时通信装置，其特征在于，所述深海全双工实时通信方法包括：

SOC处理器通过以太网接收舱外对接设备发送的数据；

所述SOC处理器对所述数据进行预处理以及数据编码与调制处理，生成编码调制后信号；

调制解调电路对所述编码调制后信号进行发送信号调制，并将调制信号加载至收发电路的LED进行发送；

接收光信号透过蓝宝石玻璃由收发电路的PIN光电二极管接收；

所述PIN光电二极管将所述接收光信号转换为接收电流信号；

调制解调电路对所述接收电流信号进行接收信号调制，生成待解调信号；

所述SOC处理器对所述待解调信号进行数据解调与解码处理，生成解码后数据；

所述SOC处理器将所述解码后数据通过以太网传输至所述舱外对接设备。

6.根据权利要求5所述的深海全双工实时通信方法，其特征在于，所述SOC处理器对所述数据进行预处理以及数据编码与调制处理，生成编码调制后信号，具体包括：

所述SOC处理器中的HPS对所述数据进行预处理，生成预处理后信号；

所述SOC处理器中的FPGA将所述预处理后信号添加预设的字长后依次进行CRC8校验、RS编码以及32bit并行扰码，生成帧数据；

将所述帧数据添加帧头帧尾后转为4bit串行数据送入16QAM调制器，生成所述编码调制后信号。

7.根据权利要求6所述的深海全双工实时通信方法，其特征在于，所述调制解调电路对所述编码调制后信号进行发送信号调制，并将调制信号加载至收发电路的LED进行发送，具体包括：

所述调制解调电路中的数模转换器将所述编码调制后信号转换为发送电压信号；

所述发送电压信号通过带通滤波器滤除噪声后，由所述电压转换电流电路将滤波后的发送电压信号转换为电流调制信号；

通过BiasTee电路将所述电流调制信号加载至所述LED，并透过所述蓝宝石玻璃进行发送。

8.根据权利要求5所述的深海全双工实时通信方法，其特征在于，所述调制解调电路对所述接收电流信号进行接收信号调制，生成待解调信号，具体包括：

所述调制解调电路中的跨阻放大器将所述接收电流信号转换为电压单端信号；

单端转差分放大器将所述单端信号转换为差分信号，并通过带通滤波器滤除噪声；

滤波后的差分信号经过差分放大器放大后接入模数转换器，输出所述待解调信号。

9.根据权利要求8所述的深海全双工实时通信方法，其特征在于，所述SOC处理器对所述待解调信号进行数据解调与解码处理，生成解码后数据，具体包括：

将所述待解调信号经过数字自适应放大器放缩至预设幅度的接收信号；

所述接收信号由所述SOC处理器中的FPGA完成QAM信号解调，生成4bit串行数据；

将所述4bit串行数据依次载入FIFO队列，检测到帧头帧尾完整后，将提取到的数据再依次进行32bit并行解扰、RS解码以及CRC8校验，生成所述解码后数据。

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