CN114499696A - 水下蓝绿光高速全双工动中通系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水下蓝绿光高速全双工动中通系统及方法，解决现有水下无线通信存在延时大、通信速率低、载体机动性差、采用半双工通讯方式问题。系统包括相通信的两个通信装置；每个通信装置包括发射机和接收机；发射机包括主控与信息交互单元、调制与驱动单元、光信号发射阵列和匀化镜；主控与信息交互单元对业务数据处理输出方波信号；调制与驱动单元根据方波信号输出N路激发信号；光信号发射阵列包括并联N个激光二极管；接收机包括波长选择单元、偏置电压单元、分集接收和选通单元、可变增益放大器单元和ADC电路单元；其中一个通信装置的发射机输出信号蓝光，同时另一通信装置的发射机输出信号绿光，两个通信装置的接收机接收对方输出的信号。

Description

水下蓝绿光高速全双工动中通系统及方法

技术领域

本发明属于光通信领域，涉及水下无线通信技术，具体涉及一种水下蓝绿光高速全双工动中通系统及方法。

背景技术

近年来，人类越来越重视对海洋的探索，水下探测装备技术也正在成为海洋科技竞争的焦点。随着海洋装备的迅速发展，一方面大尺度、超分辨率的海量的海洋观测数据需要准实时回传，才能被有效利用；另一方面水下潜器/航行器/着陆器/蛙人间需要相互通信和远距离操控，这些需求对水下通信设备提出了低延时、高速率、全双工、动中通的要求。

而现有水下无线通信存在以下问题：

(1)延迟大、速率低目前水中无线通信的手段主要是水声通信，但由于声波传播速度慢、频率低、传输过程中存在多路径效应，其速率通常在为几Kbps量级，通信延迟较大，这极大的限制了通信的实时性。

(2)半双工

水声信道中，复杂的多途效应可引入强烈的码间干扰，而随机起伏的时-空-频变使得水声通信信号的解调变得异常困难。此外，水下严重受限的可用带宽、难以实现的精确时间同步，使得基于频分和时分的全双工通信技术途径很难在水声物理层实现，因此，目前水下无线通信一般为半双工通信方式，该通信方式为分时占用信道，传输数据的实时性不好，当本端设备占用信道时候，对端无法进行通信，无法满足水下机器人作业、远程遥控等需实时控制场景的应用。同时半双工通信方式的信道利用率较全双工方式低，使得通信速率相应降低，这进一步限制了大尺度、超分辨率水下观测数据的高速、实时传输。

(3)静中通

目前，水下高速无线通信系统多数为静中通系统，载体机动性差,需要载体运动到指定区域，将收发天线对准特定区域才能进行通信，这大大的降低了水下载体的效能。相对而言，动中通则灵活方便的多，它可以在运动中与目标端进行通信。动中通显著的特征是信号动态范围大，这是由链路距离的明显变化引起的号功率的变化大导致的。

为了提高水下通信系统的机动性，如公开号为CN106452585A，申请号为201610886508.5，专利名称为一种基于蓝绿光源的高速水下通信系统的中国专利，其说明书第[0008]段记载“所述的光电传感器和步进电机组成自动对准系统，用于控制光电探测器正对发射光源，其中，步进电机控制光电探测器在垂直方向上和水平方向上的转动，实现自动对准”，从中看出，该通信系统是通过光电传感器和步进电机组成的自动对准系统(机械跟瞄系统)实现自动对准。但与空间激光通信系统可借助星历表以获知对端位置不同，在广袤的海洋是不具备这样的条件的。加之洋流的扰动、水下强大的水压，均会对机械跟瞄系统的精度、水密封产生严重影响，进而影响通信系统的正常通信。因此，该自动瞄准技术方案的应用受到了很大的限制。

发明内容

为了解决现有水下无线通信存在延时大、通信速率低、载体机动性差，以及采用半双工通讯方式导致大容量数据的高速实时传输难的技术问题，本发明提供了一种水下蓝绿光高速全双工动中通系统及方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种水下蓝绿光高速全双工动中通系统，其特殊之处在于：包括相通信的两个通信装置；

每个通信装置包括发射机和接收机；

所述发射机包括主控与信息交互单元、调制与驱动单元、光信号发射阵列和匀化镜；

所述主控与信息交互单元包括信号传输模组、信号处理器、存储器和电源变换模组；

所述信号传输模组用于接收外部的业务数据并传输给信号处理器；

所述信号处理器对业务数据在电域内进行组帧、编码和解码，输出2组信号，分别为PWM方波信号和编码数据信号；

所述存储器用于对信号处理器输出数据的本地保存；

所述电源变换模组与信号处理器相连，信号处理器用于调节电源变换模组的输出电压；

所述调制与驱动单元包括功率驱动电路和开关调制电路；

所述功率驱动电路接收PWM方波信号，并根据该方波信号的占空比，输出不同电流的驱动信号给开关调制电路；

所述开关调制电路接收编码数据信号，并利用编码数据信号对功率驱动电路输出的驱动信号进行内调制，输出N路激发信号；

所述光信号发射阵列包括并联的N个激光二极管或N个LED，N为大于等于1的整数；N个激光二极管或N个LED分别根据N路激发信号输出N路信号光；

所述匀化镜用于对N路信号光的光束进行整形；

所述接收机包括波长选择单元、偏置电压单元、分集接收和选通单元、可变增益放大器单元和ADC电路单元；

所述波长选择单元包括拨片电机和滤光片模组，拨片电机用于切换滤光片模组不同类型的滤光片，实现对蓝光或绿光的选择性通过；

所述分集接收和选通单元用于接收经滤光片模组滤光片滤除后的信号光，并进行光电转换后输出电信号；

所述可变增益放大单元包括第一可变增益放大器和第二可变增益放大器，第一可变增益放大器用于对分集接收和选通单元输出的电信号初步放大，第二可变增益放大器用于对第一可变增益放大器初步放大后的电信号进行二次放大；

所述ADC电路单元用于采集第一可变增益放大器和第二可变增益放大器输出的放大电信号，并传输给信号处理器，第二可变增益放大器的动作通过信号处理器控制；

所述偏置电压单元根据电源变换模组的输出电压，使偏置电压单元输出不同偏置电压，调节分集接收和选通单元中光电探测器的灵敏度；

定义两个通信装置分别为A通信装置和B通信装置；

A通信装置的发射机中光信号发射阵列输出信号蓝光，同时B通信装置的发射机中光信号发射阵列输出信号绿光；

A通信装置的接收机中波长选择单元接收B通信装置输出的信号绿光，同时B通信装置的接收机中波长选择单元接收A通信装置输出信号蓝光。

进一步地，所述分集接收和选通单元包括M个光电探测器和自动选通电路，所述M个光电探测器用于接收经滤光片模组滤除背景噪声、后向反射光等的信号光，并进行光电转换后的电信号传输给自动选通电路，自动选通电路选择输出一路信号最强的电信号，其中M为大于等于1的整数。

进一步地，所述M为6，相邻两个光电探测器的光轴夹角为30°，6个光电探测器呈半球形布置，在半球空间内形成了120°接收视场。

进一步地，所述调制与驱动单元还包括与开关调制电路相连的RCD关断缓冲电路，用于给开关调制电路输出的每一路激发光信号提供泄放回路。

进一步地，所述信号传输模组包括数据接口芯片模组和音频编解码芯片模组。

同时，本发明还提供了一种利用上述水下蓝绿光高速全双工动中通系统在运动平台上进行水下高速全双工动中通的方法，其特殊在于，包括以下步骤：

1)对两个通信装置的主控与信息交互单元进行配置；

2)两个通信装置的信号处理器分别产生伪随机码数据，按照默认光功率和通信速率，将伪随机码数据在电域内进行组帧、编码，输送给调制与驱动单元，以驱动光信号发射阵列的发光和关闭，实现电域数据到光域数据的调制；调制后的光信号通过匀化镜将光束整形成大发散角光束；实现了伪随机码数据的发送；

其中，一个通信装置的光信号发射阵列输出信号绿光，另一个通信装置的光信号发射阵列输出信号蓝光；

3)两个通信装置的波长选择单元分别接收对方通信装置输出的信号光，并进行光电转换后，第一可变增益放大器输出的信号由ADC电路单元采集后作为第二可变增益放大器的控制信号；信号处理器对第一可变增益放大器、第二可变增益放大器中信号进行采集，并控制第二可变增益放大器的增益倍数；信号处理器对第二可变增益放大器放大电路中的信号进行数据恢复、纠错和解码，实现了伪随机码数据的接收；

4)当步骤3)的全双工通信链路未建立或者出现断链情况，主控与信息交互单元按序调节光电探测器增益和可变增益放大单元增益，若仍未建立通信链接且不满足通信建链的要求，则继续分别调节光信号发射阵列和发射光功率以及通信速率，在动态变化链路导致的信号变化动态范围大的前提下，完成了相关参数自适应设置；至此两个通信装置在运动中实现了伪随机码数据的全双工收发；

5)当通信装置按照上述步骤完成参数设置和自适应控制后，大动态链路建立完成；然后两个通信装置的主控与信息交互单元分别从信号传输模组中接收业务数据，将业务数据在电域内进行组帧、编码，输送给调制与驱动单元，以驱动光信号发射阵列的发光和关闭，实现电域数据到光域数据的调制；调制后的光信号通过匀化镜将光束整形成大发散角光束；实现了业务数据的发送；

6)两个通信装置的波长选择单元分别接收对方通信装置输出的信号光，并进行光电转换和放大；信号处理器对第二可变增益放大器放大电路中的信号进行数据恢复、纠错和解码，完成了业务数据接收；至此两个通信装置在运动中实现了业务数据的全双工收发。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明将业务数据调制到光信号发射阵列上，光信号整形后经过水体信道远距离传输后，由接收端波长选择单元滤光后进入探测器接收以及后端放大和数据恢复。通过光信号发射阵列、光束整形、信号滤波和放大、速率和光功率以及增益自动调整技术，实现了通信双方高速全双工动中通。本发明可以解决水下无线通信延时大、半双工、载体机动性差、通信速率低的难题，实现运动中的水下航行器载体间双向同时通信，水下观测网、传感网和水下基站间低延迟高速通信。本方法和装置结构简单、适应性好，易于推广。

2、本发明采用光信号收发物理空间结构分离，基于窄线宽蓝光和绿色的较窄波长范围和不同的波段，配合波长选择单元完成了发射和接收信号的同时双向传输，实现了全双工通信，解决了目前水下/海水中无线通信系统半双工通信的难题。

3、本发明基于光功率自适应、通信速率自适应、信号增益自适应、发光阵列可调节技术，采用匀化片、大角度接收等，解决了光信号按需发射和信号大动态接收难题，在复杂的时-空-频变的水中/海信道中实现了动中通通信，为水下/海水中航行器、载人潜器、着陆器、蛙人间等通信提供了一种运动中通信的有效的手段。

4、本发明基于带宽利用率通信码型，采用高带宽信号光和高速调制电路以及开关缓冲电路，完成信号的产生和高速调制，解决了目前水下长/较长距离的水中/海水中无线通信系统速率低、传输时间长难题。为水下大尺度、超分辨率的海量的海洋观测数据提供了有效的准实时、高速回传手段。

5、本发明可适应复杂多变各种水体信道、不同通信距离，具有体积小、结构简单、成本低特点，易于推广；可广泛应用在水下航行器、蛙人、水下基站、水下观测网等领域的动中通、高速、全双工通信。

附图说明

图1本发明水下蓝绿光高速全双工动中通系统的结构示意图；

图2本发明水下蓝绿光高速全双工动中通系统中发射机的结构示意图；

图3本发明水下蓝绿光高速全双工动中通系统中接收机的结构示意图；

图4本发明水下蓝绿光高速全双工动中通系统中分集接收和选通单元的结构示意图；

图5本发明水下蓝绿光高速全双工动中通方法的流程图；

其中，附图标记如下：

01-通信装置；

1-发射机A，2-接收机A，3-接收机B，4-发射机B；

11-主控与信息交互单元，12-调制与驱动单元，13-光信号发射阵列，14-匀化镜；

110-信号传输模组，111-数据接口芯片模组，112-音频编解码芯片模组，113-信号处理器，114-存储器，115-电源变换模组；

121-功率驱动电路，122-开关调制电路，123-RCD关断缓冲电路；

21-波长选择单元，22-偏置电压单元，23-分集接收和选通单元，24-可变增益放大器单元，25-ADC电路单元；

241-第一可变增益放大器，242-第二可变增益放大器；

231-光电探测器，232-自动选通电路。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

由于波长为450nm-550nm蓝绿光处于海水透明窗口，作为载波使用。激光光源(LD)调制响应时间小(ns级别)，调制带宽高(GHz)，光信号传输速度快，可极大降低传输延时，提高通信速率。水下无线光通信常用四种调制方式：OOK(二进制开关键控)、PPM(脉冲位置调制)、DPPM(差分脉冲位置调制)以及DPIM(脉冲间隔调制)。OOK调制所需的带宽最小，相同带宽下传输容量最大，PPM调制所需的带宽最大，相同带宽下传输容量最小。针对带宽有限的水下信道，OOK调制实现简单，不需要符号同步，是最佳调制方式。因此，本发明采用蓝绿激光作为载波的OOK调制方式，易于实现低延时、高速率、大容量通信。

如图1所示，本发明一种水下蓝绿光高速全双工动中通系统，包括相通信的两个通信装置01，每个通信装置包括发射机和接收机，发射机和接收机在物理空间上分离，两者通过电缆进行连接，分别完成本端信号发射和对端信号接收。该系统可应用于水下航行器载体间双向同时通信，水下观测网、传感网和水下基站间低延迟高速通信。

本实施例以湖水中高速全双工无线蓝绿光通信为例，两个通信装置分别定义为A通信装置(A端)和B通信装置(B端)，A通信装置的发射机和接收机分别为发射机A 1和接收机A 2，发射机A对业务数据(网口数据、语音数据等)进行组帧、编码并调制到光信号发射阵列13上，通过匀化镜14发射。A端接收机对微弱光信号进行光学滤波和信号放大并通过电缆送入发射机进行解码和纠错以及业务数据恢复，B通信装置的发射机和接收机分别为发射机B 4和接收机B 3，B通信装置的发射机B4和接收机B与A通信装置相同。

如图2所示，发射机包括主控与信息交互单元11、调制与驱动单元12、光信号发射阵列13和匀化镜14。

主控与信息交互单元11包括信号传输模组110、信号处理器113、存储器114和电源变换模组115；

信号传输模组110包括数据接口芯片模组111和音频编解码芯片模组112，数据接口芯片模组111可通过网口、USB接口、雷电接口、RS422、RS485实现与外部设备实现业务数据、遥测数据和遥控指令的收发。音频编解码芯片模组112实现对语音数据的高保真采样、音频播放设备的驱动；

信号处理器113用于接收数据接口芯片模组111和音频编解码芯片模组112中的业务数据，并对业务数据在电域内进行组帧、编码和解码，输出2组信号，分别为PWM方波信号和编码数据信号，用于功率驱动电路121、开关调制电路122的控制，信号处理器113还对接收机的偏置电压单元22、第二可变增益放大器242、ADC电路单元25等的控制。

信号处理器113选择XILINX公司的ZYNQ7020，其实现对接收机中光电探测器231的增益、放大器的增益控制和数字信号处理、对发射机中音频编解码芯片控制和采用、发射光功率控制和信号调制、误码率自测、数据纠错等，在信号处理器113的控制下，音频编解码芯片112完成语音信号的采样和转换成数字量，并通过I2S接口送入信号处理器113。数据接口芯片模组111可选Marvell公司88E1116PHY芯片，该芯片兼容1000M/100M速率，MAC部分由信号处理器113内核完成，数据接口芯片模组111通过MII与MACL连接，实现网络数据收发。

存储器114用于存储信号处理器113输出的业务数据和语音数据，实现数据的本地保存。电源变换模组115用于主控与信息交互单元11所需的各路电压的变换，以及电源变换模组115与信号处理器113相连，信号处理器113用于调节电源变换模组115的输出电压。

调制与驱动单元12包括功率驱动电路121、开关调制电路122和RCD关断缓冲电路123；调制与驱动单元12通过功率驱动和开关缓冲，分别驱动N路光信号发射阵列13，实现高速开关调制。其中，功率驱动电路121是恒流源电路，该电流是光信号发射阵列13的驱动源，实现不同的光功率发射，功率驱动电路121用于接收信号处理器113输出的PWM方波信号，进行输出功率变换，并根据该方波信号的不同占空比和电压值，输出对应不同电流的驱动信号(驱动功率)给开关调制电路122；开关调制电路122接收编码数据信号，并利用编码数据信号以内调制的方式对光信号发射阵列13进行调制，实现了信号从电域到光域的转移，输出N路激发信号；RCD关断缓冲电路123由电阻、电容和二极管构成，可形成多路阵列方式与光信号发射阵列13并联，分别对每一路光信号发射阵列13在关断期间的残余电量提供泄放回路，用于提高光信号发射阵列13的开关速度，同时避免了电应力损伤。

本实施例功率驱动电路121为BUCK型电源变换电路，该电路由MOSFET和其驱动器构成，MOSFET为SI4405、驱动器为ADP3624。信号处理器113输出的PWM信号进入ADP3624，从而调节SI4405的导通和关闭的占空比，其调谐范围为(1％～99％)，不同占空比对应输出不同的驱动电流，不同的驱动电流引起了不同的光功率变化，实现载体运动中光信号的按需变化；开关调制电路122采用IRF5N5210作为开关器件，信号处理器113对业务数据进行编码并输出，该数据将作为开关调制电路122的控制信号。

光信号发射阵列13由6颗最大光功率2W的窄线宽LD组成，本实施例A端和B端可分别选择460nm和520nm，每颗LD都可由调制与驱动单元12，通过不同的组合，可实现2w-12w的光功率发射。

6个(N≥1)激光二极管(LD)或LED并联组成，可分别通过控制电流实现不同光功率输出；N个激光二极管(LD)或N个LED分别根据N路激发信号输出N路信号光；

匀化镜14是一种工程散射体，可以认为是多个聚焦镜紧密排列在一起构成，利用光学折射原理可对多个波长的光进行匀化，无需每个波长配置专门的匀化镜14。匀化镜14选择海纳光学公司EDF-L1器件，其对长轴发散角和短轴发散角不一致的N路信号光的光束进行整形，整形后发散角≥±20°；

如图3所示，接收机包括波长选择单元21、偏置电压单元22、分集接收和选通单元23、可变增益放大器单元24和ADC电路单元25；

波长选择单元21包括拨片电机和滤光片模组，波长选择单元21的中心波长为蓝光和绿光的中心波长，其带宽为10nm，可在信号处理器113控制下按需切换不同类型的滤光片，实现对蓝光或绿光的选择性通过，滤光片的3dB带宽≤1/3通信波长间隔，可滤除所需波长以外的杂光干扰，包括自然光和本地后向散射光，提高了装置的环境适应性和稳定性；

分集接收和选通单元23包括M路光电探测器231(M≥1)和自动选通电路232，本实施例M路光电探测器231组合成“全向接收阵列”构型。本实施例光电探测器231可以是PIND、APD或PMT，其接收视场角≥20°，以方便建立链路和维持链路。光电探测器231的增益可通过偏置电压单元22输出的电压控制，实现10dB动态范围的信号接收；M路光电探测器231输出的光信号经过跨组放大器送入自动选通电路232后，输出一路信号最强的电信号。

可变增益放大单元由两级可变增益放大器和外围电路构成，两级可变增益放大器包括第一可变增益放大器241和第二可变增益放大器242，分别采用TI公司的LTC6912芯片级联，两级级联最大可实现80dB的增益。第一可变增益放大器241对自动选通电路232输出的电信号初步放大，

第二可变增益放大器242用于对第一可变增益放大器241初步放大后的电信号进行二次放大；ADC电路单元25用于采集第一可变增益放大器241和第二可变增益放大器242输出的放大电信号，并传输给信号处理器113，第二可变增益放大器242的动作通过信号处理器113控制；

第一可变增益放大器241用于对自动选通电路232输出的微弱光电信号初步放大，该信号通过ADC电路单元25采样后，用作本地接收信号增益控制，也作为第二可变增益放大器242的调节输入，第二级放大电路输出的信号作为业务数据的电信号，由ADC电路单元25采样并恢复出业务数据。第二可变增益放大器242的增益调节根据第一可变增益放大器241的输出电压幅值进行自动控制。这两级可变增益放大器的输出可分别由多通道ADC电路单元25采集并传输给信号处理器113做数据恢复。可变增益放大单元24具有限幅放大和增益范围大特点，可实现大动态范围的信号放大并整形输出。

偏置电压单元22根据电源变换模组115的输出电压，使偏置电压单元22输出不同偏置电压，用于对光电探测器231的偏置电压提供基准电压，不同的基准电压使得光电探测器231的灵敏度不同。输出的偏置电压的幅值调节由软件根据阈值自行调节，该阈值可以是接收信号幅值和误码率。

本实施例通过偏置电压单元22调节探测器增益以及信号处理器113通过ADC电路单元25控制第二可变增益放大器242增益，可实现90dB的大动态范围的信号接收，大大增强了动中通的能力。

本实施例系统在工作时，A通信装置的发射机A中光信号发射阵列13输出信号蓝光，同时B通信装置的发射机B中光信号发射阵列13输出信号绿光；相应的，A通信装置的接收机A中波长选择单元21接收B通信装置输出的信号绿光，同时B通信装置的接收机B中波长选择单元21接收A通信装置输出信号蓝光。

如图4所示，分集接收和选通结构示意图。在时域、频域和空域变化较大的海水动中通场景中，为了保证接收效果，在半球型空间上，采取了6个光电探测器231组成阵列。两两探测器间的光轴夹角为30°，形成了120°的大视场接收范围。每个光电探测器231输出的电信号经过跨组放大后进入自动选通电路232，该自动选通电路232对6个光电探测器231的电信号实时比较，找出电压值最大的信道，并通过硬件电路将信号通道的输出自动切换为该最大信号，实现了在120°范围内的光信号的自动接收和最强信号选通。

由于现有水下常用的无线通信载波无论是声波还是LED光源波长带宽都较大，带宽间隔较小，意味着收发两端不经过特殊处理的信号存在波长干涉，都无法实现全双工。而本发明中采用的蓝绿激光光源波长线宽小的多(1-5nm)，收发两端可以在蓝绿光带宽内同时进行信号的发射和接收。同时，发射机和接收机物理分离方式，大大抑制了本段后向散射光和背景光的对接收端的影响。窄波长和收发分离结构易于实现全双工通信方式。

由于现有蓝绿激光发散角较小，在无自动跟瞄系统前提下，无法可靠的实现建链和通信。本发明在发射端采用光束整形和扩束技术形成大角度发射，在接收端采用宽视场接收技术，可以形成较大的通信角度和方位，在动中通系统实现链路的快速建立。采用增益自动调整、发光面积、光功率和通信速率自适应技术实现链路的稳定保持。通过上述措施达到链路的快速建立和稳定保持目的，实现了水下载体运动中通信

本实施例系统系统通信体制为IM/DD(强度调制直接探测)，光功率2W蓝光和绿光激光二极管(LD)组成的阵列式光源作为光信号发射源，高速信号被调制成OOK信号(二进制振幅键控)，并通过串并转换芯片后加载到发射光功率可调的阵列光源发出的光信号上。后端探测电路采用光电探测器231和可调增益放大器，可根据通信距离和速率调制增益，在III类水质中实现50米范围内的动中通，最大通信速率为30Mbps，

利用上述水下蓝绿光高速全双工动中通系统进行在运动平台上进行水下高速全双工动中通的方法，如图5所示，包括如下步骤：

1)单机上电后，通过USB口或者网口与上位机建立连接，通信速率、光信号发射阵列13个数、光功率、增益、通信模式(网络业务通信模式、语音通信模式)等配置信息，将通过上位机完成对对两个通信装置01的主控与信息交互单元11进行的配置。此后发射机和接收机将初步具备应用条件；

2)两个通信装置01的信号处理器113分别产生伪随机码数据，按照默认光功率和通信速率，将伪随机码数据在电域内进行组帧、编码，输送给调制与驱动单元12，以驱动光信号发射阵列13的发光和关闭，实现电域数据到光域数据的调制；调制后的光信号通过匀化镜14将光束整形成大发散角光束；实现了伪随机码数据的发送；

其中，一个通信装置01的光信号发射阵列13输出信号绿光，另一个通信装置01的光信号发射阵列13输出信号蓝光；

3)两个通信装置01的波长选择单元21分别接收对方通信装置01输出的信号光，并进行光电转换后，第一可变增益放大器241输出的信号由ADC电路单元25采集后作为第二可变增益放大器242的控制信号；信号处理器113对第一可变增益放大器241、第二可变增益放大器242中信号进行采集，并控制第二可变增益放大器242的增益倍数；信号处理器113对第二可变增益放大器242放大电路中的信号进行数据恢复、纠错和解码，实现了伪随机码数据的接收；

4)当步骤3)的全双工通信链路未建立或者出现断链情况，主控与信息交互单元11按序调节光电探测器增益和可变增益放大单元增益，若仍未建立通信链接且不满足通信建链的要求，则继续分别调节光信号发射阵列13和发射光功率以及通信速率，在动态变化链路导致的信号变化动态范围大的前提下，完成了相关参数自适应设置；至此两个通信装置01在运动中实现了伪随机码数据的全双工收发；

5)当通信装置按照上述步骤完成参数设置和自适应控制后，大动态链路建立完成；然后两个通信装置01的主控与信息交互单元11分别从信号传输模组110中接收业务数据，将业务数据在电域内进行组帧、编码，输送给调制与驱动单元12，以驱动光信号发射阵列13的发光和关闭，实现电域数据到光域数据的调制；调制后的光信号通过匀化镜14将光束整形成大发散角光束；实现了业务数据的发送；

6)两个通信装置01的波长选择单元21分别接收对方通信装置01输出的信号光，并进行光电转换和放大；信号处理器113对第二可变增益放大器放大电路中的信号进行数据恢复、纠错和解码，完成了业务数据接收；至此两个通信装置01在运动中实现了业务数据的全双工收发。

本实施例方法动中通参数可调节的分别有光电探测器231增益、可变增益放大单元增益、LD工作数量、LD发功功率、通信速率。依次按照如图5所示，基于信号幅值变化情况，按顺依次调节上述各参量，直到接收信号幅值满足TTL电平规范，确保FPGA可准确采样，从而在运动的平台间可进行可靠的高速全双工通信。值得说明都是，该动中通参数优化也可基于通信的误码率变化情况实现。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (6)

1.一种水下蓝绿光高速全双工动中通系统，其特征在于：包括相通信的两个通信装置(01)；

每个通信装置(01)包括发射机和接收机；

所述发射机包括主控与信息交互单元(11)、调制与驱动单元(12)、光信号发射阵列(13)和匀化镜(14)；

所述主控与信息交互单元(11)包括信号传输模组(110)、信号处理器(113)、存储器(114)和电源变换模组(115)；

所述信号传输模组(110)用于接收外部的业务数据并传输给信号处理器(113)；

所述信号处理器(113)对业务数据在电域内进行调制、编码和解码，输出2组信号，分别为PWM方波信号和编码数据信号；

所述存储器(114)用于对信号处理器(113)输出数据的本地保存；

所述电源变换模组(115)与信号处理器(113)相连，信号处理器(113)用于调节电源变换模组(115)的输出电压；

所述调制与驱动单元(12)包括功率驱动电路(121)和开关调制电路(122)；

所述功率驱动电路(121)接收PWM方波信号，并根据该方波信号的占空比，输出不同电流的驱动信号给开关调制电路(122)；

所述开关调制电路(122)接收编码数据信号，并利用编码数据信号对驱动信号进行内调制，输出N路激发信号；

所述光信号发射阵列(13)包括并联的N个激光二极管或N个LED，N为大于等于1的整数；N个激光二极管或N个LED分别根据N路激发信号输出N路信号光；

所述匀化镜(14)用于对N路信号光的光束进行整形；

所述接收机包括波长选择单元(21)、偏置电压单元(22)、分集接收和选通单元(23)、可变增益放大器单元(24)和ADC电路单元(25)；

所述波长选择单元(21)包括拨片电机和滤光片模组，拨片电机用于切换滤光片模组不同类型的滤光片，实现对蓝光或绿光的选择性通过；

所述分集接收和选通单元(23)用于接收经滤光片模组滤光片滤除后的信号光，并进行光电转换后输出电信号；

所述可变增益放大单元包括第一可变增益放大器(241)和第二可变增益放大器(242)，第一可变增益放大器(241)用于对分集接收和选通单元(23)输出的电信号初步放大，第二可变增益放大器(242)用于对第一可变增益放大器(241)初步放大后的电信号进行二次放大；

所述ADC电路单元(25)用于采集第一可变增益放大器(241)和第二可变增益放大器(242)输出的放大电信号，并传输给信号处理器(113)，第二可变增益放大器(242)的动作通过信号处理器(113)控制；

所述偏置电压单元(22)根据电源变换模组(115)的输出电压，调节分集接收和选通单元(23)的灵敏度；

定义两个通信装置(01)分别为A通信装置和B通信装置；

A通信装置(01)的发射机中光信号发射阵列(13)输出信号蓝光，同时B通信装置(01)的发射机中光信号发射阵列(13)输出信号绿光；

A通信装置(01)的接收机中波长选择单元(21)接收B通信装置(01)输出的信号绿光，同时B通信装置(01)的接收机中波长选择单元(21)接收A通信装置(01)输出信号蓝光。

2.根据权利要求1所述水下蓝绿光高速全双工动中通系统，其特征在于：所述分集接收和选通单元(23)包括自动选通电路(232)和M个光电探测器(231)，所述M个光电探测器(231)用于接收经滤光片模组滤光片滤除后的信号光，并进行光电转换后传输给自动选通电路(232)，自动选通电路(232)选择输出一路信号最强的电信号，其中M为大于等于1的整数。

3.根据权利要求2所述水下蓝绿光高速全双工动中通系统，其特征在于：所述M为6，相邻两个光电探测器(231)的光轴夹角为30°，6个光电探测器(231)呈半球形布置，在半球空间内形成了120°接收视场。

4.根据权利要求1至3任一所述水下蓝绿光高速全双工动中通系统，其特征在于：所述调制与驱动单元(12)还包括与开关调制电路(122)相连的RCD关断缓冲电路(123)，用于给开关调制电路(122)输出的每一路激发光信号提供泄放回路。

5.根据权利要求4所述水下蓝绿光高速全双工动中通系统，其特征在于：所述信号传输模组(110)包括数据接口芯片模组(111)和音频编解码芯片模组(112)。

6.一种利用水下蓝绿光高速全双工动中通系统在运动平台上进行水下高速全双工动中通的方法，其特殊在于，包括步骤：

1)对两个通信装置(01)的主控与信息交互单元(11)进行配置；

2)两个通信装置(01)的信号处理器(113)分别产生伪随机码数据，按照默认光功率和通信速率，将伪随机码数据在电域内进行组帧、编码，输送给调制与驱动单元(12)，以驱动光信号发射阵列(13)的发光和关闭，实现电域数据到光域数据的调制；调制后的光信号通过匀化镜(14)将光束整形成大发散角光束；实现了伪随机码数据的发送；

其中，一个通信装置(01)的光信号发射阵列(13)输出信号绿光，另一个通信装置(01)的光信号发射阵列(13)输出信号蓝光；

3)两个通信装置(01)的波长选择单元(21)分别接收对方通信装置(01)输出的信号光，并进行光电转换后，第一可变增益放大器(241)输出的信号由ADC电路单元(25)采集后作为第二可变增益放大器(242)的控制信号；信号处理器(113)对第一可变增益放大器(241)、第二可变增益放大器(242)中信号进行采集，并控制第二可变增益放大器(242)的增益倍数；信号处理器(113)对第二可变增益放大器(242)放大电路中的信号进行数据恢复、纠错和解码，实现了伪随机码数据的接收；

4)当步骤3)的全双工通信链路未建立或者出现断链情况，主控与信息交互单元(11)按序调节光电探测器增益和可变增益放大单元增益，若仍未建立通信链接且不满足通信建链的要求，则继续分别调节光信号发射阵列(13)和发射光功率以及通信速率，在动态变化链路导致的信号变化动态范围大的前提下，完成了相关参数自适应设置；至此两个通信装置(01)在运动中实现了伪随机码数据的全双工收发；

5)当通信装置按照上述步骤完成参数设置和自适应控制后，大动态链路建立完成；然后两个通信装置(01)的主控与信息交互单元(11)分别从信号传输模组(110)中接收业务数据，将业务数据在电域内进行组帧、编码，输送给调制与驱动单元(12)，以驱动光信号发射阵列(13)的发光和关闭，实现电域数据到光域数据的调制；调制后的光信号通过匀化镜(14)将光束整形成大发散角光束；实现了业务数据的发送；

6)两个通信装置(01)的波长选择单元(21)分别接收对方通信装置(01)输出的信号光，并进行光电转换和放大；信号处理器(113)对第二可变增益放大器放大电路中的信号进行数据恢复、纠错和解码，完成了业务数据接收；至此两个通信装置(01)在运动中实现了业务数据的全双工收发。

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