CN114665960A - 一种抗干扰的水下可见光通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种抗干扰的水下可见光通信系统，属于水下可见光通信技术领域。本发明所述系统弥补了现有水下可见光通信在抗干扰能力上的缺陷，使系统在真实复杂环境下的通信能力大大增强。发明所述系统使用双信道的设计，并开发出一种针对圆偏振光的编码方式，使系统能够实现容忍收发器位移/旋转的可靠通信，能够解决水下环境中动态环境阳光干扰。本发明所述系统积累的经验和技术不仅可以为水下可见光无线通信提供产品，也为提高可见光通信的抗干扰性提供解决了方案。

Description

一种抗干扰的水下可见光通信系统
技术领域
本发明属于水下通信技术领域，特别涉及一种抗干扰水下光通信系统。
背景技术
在探索海洋的过程中，作为信息传递的纽带，水下通信系统是实现水下信号传递、指令控制与信息采集过程中极为重要的关键系统，也是组建水下传感器网络的关键一环。水下可见光通信以光波作为载波实现数据传输，与传统的水声通信和水下射频通信相比具有带宽高、抗干扰能力强、功耗低、体积小等优势，在水下无线通信领域得到了广泛地研究。目前，水下可见光通信系统已在鲁棒性、高带宽传输等领域取得了一定进展。但是，水下可见光通信仍然面临抗干扰差的问题。水下环境复杂，通信设备长时间处在水波和海浪的干扰之下，设备的旋转、位移会削弱接收模块对光线的接收能力，进而影响系统通信性能，造成较高的误码率或直接影响通信链路的连接。水下环境的阳光干扰很强，海面上的环境光更是强烈且光照强度随时间变化巨大，传统系统在强光的干扰下无法分辨出发送模块发送的有效光信息，导致误码率极高。因此，亟需一种能够应用于复杂环境下的高带宽、低延迟，且具有高抗干扰能力的水下光通信系统，实现高速信息传输。
发明内容
为满足现有技术中的上述需求，本发明提供一种抗干扰的水下光通信系统。
本发明的技术方案：
一种抗干扰的水下可见光通信系统，包括发送模块和接收模块。
所述发送模块包括编码器1、两个LED驱动电路2、两个大功率LED3、线偏振片Ⅰ4和四分之一波片Ⅰ5。可见光通信系统在信号发送时，编码器1将所要发送的二进制数据分组，然后将分组的信息进行编码，编码后的信息分别输出到两个对应的LED驱动电路2上，LED驱动电路2分别调制大功率LED3，将数字信号转化为光信号，大功率LED3发射出的全向信号光首先经过线偏振片Ⅰ4，将全向信号光转化为线偏振光。然后，线偏振光通过四分之一波片Ⅰ5转化为圆偏振光。最终，发送模块以圆偏振光的形式在水下环境信道中传播。
所述接收模块包括滤光片6、四分之一波片Ⅱ11、线偏振片Ⅱ10、接收模块PD7、I-V放大器8和差分放大器9。在进行信号接收时，经过环境信道的圆偏振光信号首先经过滤光片6，滤除蓝绿光波段外的多余光波，只剩下带有环境光干扰的圆偏振光。接着，带有环境光干扰的圆偏振光信号通过接收模块的四分之一波片Ⅱ11，将圆偏振光信号转化为带有环境光干扰的线偏振光。然后，线偏振光信号通过接收模块的线偏振片Ⅱ10，转换为两路线偏振光，并分别在两个接收模块PD7将光信号转换为电信号。两路电信号分别输入到两个I-V放大器8上，将微弱的电信号进行放大。最后，将两路信号送入差分放大器9中，滤除环境光的干扰，最终经过解码获得目标数据。
所述的可见光通信系统使用两个互不干扰的通信信道。在发送模块，所述线偏振片Ⅰ4分为两个偏振方向相互垂直的区域。在进行信号发送时，一路信号光通过线偏振片Ⅰ4左侧的水平方向偏振区域，将全向光转换为偏振方向为水平方向的线偏振光，再经过四分之一波片Ⅰ5将水平方向的线偏振光转化为逆时针的圆偏振光；类似的，另一路信号光通过线偏振片Ⅰ4右侧的垂直方向偏振区域，将全向光转换为偏振方向为垂直方向的线偏振光，再经过四分之一波片Ⅰ5将垂直方向的线偏振光转化为顺时针的圆偏振光。在接收模块，线偏振片Ⅱ10也分为两个偏振方向相互垂直的区域，且偏振方向与发送模块的线偏振片保持一致。在进行信号接收时，带信号的逆时针圆偏振光经过四分之一波片Ⅱ11将逆时针圆偏振光转化为水平方向的线偏振光；另一路带信号的顺时针圆偏振光经过四分之一波片Ⅱ11将顺时针圆偏振光转化为垂直方向的线偏振光。两路偏振方向相互垂直的线偏振光只能通过与偏振方向一致的线偏振片，而无法通过偏振方向垂直的偏振片，因此，系统得以生成两路互不干扰的通信信道。
所述的滤光片6只能通过400～760nm波段的可见光。可见光在水下的衰减十分显著。然而，在400～760nm波段，可见光的衰减系数是最小的。为了适应水下环境，系统使用滤光片6滤除其他波段的可见光，在减小环境光干扰的同时，提升系统的通信距离。
使用圆偏振光作为光信号的信道传播形式。同线偏振光相比，圆偏振光的传播路径是所有平面，光在传播的过程中不会被限制在某一平面内，因此无需发送模块和接收模块双方的对准需求，可以解决由海流、波浪造成的收发端旋转对准问题。
所述的圆偏振光以螺旋线的方式(顺时针或逆时针)向前旋转传播，圆偏振光受非偏振的自然光影响很小。因此，圆偏振光不会受环境光干扰从一个旋转方向变为另一个方向，提高系统的抗干扰性。
所述的差分放大器9，借助于两个相距很近(小于10cm)且互不干扰的通信信道，滤除环境光对于系统通信性能的干扰。虽然圆偏振光与自然光(环境光噪声)有较大区别，但是由于接收器件的物理特性，接收模块接收到的光信号中仍然会存在噪声。但是，当两个信道在物理上相距很近(小于10cm)，可以近似的认为噪声对于两个信道的干扰是共模信号，在接收模块使用差分放大器，将两个信道的数据进行相减，获得有效光信号。该方法可以有效去除环境光干扰，实现鲁棒通信。
所述的编码器1设计并使用了应用于水下光通信的双极性编码方式。编码方案包括两个阶段：(i)初始化和(ii)位转换。在初始化阶段，使用双极性方案对二进制信息进行编码，其中第0位仍然被编码为0，第1位有两种表示：正(+1)和负(-1)。在初始化阶段，位1交替编码为+1和-1。为了解决一长串连续的0或1导致LED闪烁的问题，在位转换阶段，使用两个专门的位：V(违规位)和B(插入位)；具体过程为：第1步：检查是否有四个连续的零。如果检测到四个连续的0，则最后一个0位将被替换为V位。在此步骤之后，连续0的数量将不会在三个以上。通过将连续0的数量限制为不超过三个，避免长连续0。V的极性与前面的非零位相同。第2步：在第1步之后，如果在两个连续的V位(+V或-V)之间找到零个或偶数个1(+1或-1)，后一个V前面的三个0将被B00代替。这里，B位和后V位的极性都设置为与前一个非零位的极性相反。然后，将+V和+B(-V和-B)替换为+1(-1)，得到编码数据。使用两个大功率LED在两个信道中传输编码数据。这里，位+1表示为打开左侧LED并且关闭右侧LED；位-1表示为关闭左侧LED并且打开右侧LED；位0表示将左侧LED和右侧LED都打开。
在接收模块，应用差分放大器去除干扰后，设计双极性解码方式对数据进行解码。首先将编码数据转换为双极编码形式并检查错误，然后进一步将双极编码方式恢复到原始数据；具体过程如下：第1步：为了解码数据，从帧的开头遍历到结尾。如果两个相同的相邻非零位(两个+1或-1)之间有两个或三个零，则后面的非零位连同它前面的三个位将被四个连续的0替换。这里也可用于检查位错误：对于任何相同的相邻非零位(两个+1或-1)，如果它们之间的零个数不是两个或三个，可以得出这四个位(即后一个非零位和三个位在它前面)，至少有一点是错误的。这里只能检测错误，但不能纠正错误。第2步：继续恢复原始数据。首先处理每个位的极性。第一个非零位的极性应为+1，并且每两个相邻的非零位的极性彼此相反。通过应用此规则，第一个非零位为+1，第二个非零位为-1，第三个非零位再次为+1。继续这个过程来为所有非零位分配极性。之后，去除每个非零位的极性恢复原始数据。
所述的LED驱动电路2的调制带宽为10M。
所述的大功率LED3的输出功率为30W。
本发明的有益效果：本发明所述的可见光通信系统弥补了现有水下可见光通信在抗干扰和对准能力上的缺陷，使系统在真实复杂环境下的通信能力大大增强。本发明能够实现容忍收发器位移/旋转的可靠通信，能够解决水下环境中动态环境阳光干扰。本发明所述的可见光系统积累的经验和技术不仅可以为水下可见光无线通信提供产品，也为提高可见光通信的抗干扰性提供解决了方案。
附图说明
图1是本发明的系统流程图。
图2是本发明所述可见光通信系统的编码示意图，其中数据按行逐行操作，圆圈为顺(逆)时针圆偏振光。
图3是本发明所述可见光通信系统的解码示意图，其中数据按行逐行操作，最终获得解码数据。
图中：1编码器；2LED驱动电路；3大功率LED；4线偏振片Ⅰ；5四分之一波片Ⅰ；6滤光片；7接收模块PD；8I-V放大器；9差分放大器；10线偏振片Ⅱ；11四分之一波片Ⅱ。
具体实施方式
以下结合技术方案和说明书附图，进一步说明本发明的具体实施方式。
如图2所示在发送模块，编码方案包括两个阶段：(i)初始化和(ii)位转换。
在初始化阶段，使用双极性方案对二进制信息进行编码，其中第0位仍然被编码为0，第1位有两种表示：正(+1)和负(-1)。如图2的第2行所示，在初始化阶段，位1交替编码为+1和-1。这里的一个潜在问题是，一长串连续的0将导致LED关闭一段时间，从而可能导致闪烁。所以，在位转换阶段，引入两个专门的位：V(违规位)和B(插入位)。详细步骤描述如下：
第1步：最初，数据中有许多连续的0(图2中的第1行)。检查是否有四个连续的零。如果在第2行中检测到四个连续的0，如第2行所示，则最后一个0位将被替换为第3行中所示的V位。在此步骤之后，连续0的数量将不再为三个以上。通过将连续0的数量限制为不超过三个，避免了长连续0。V的极性与前面的非零位相同，如图2的第4行所示。
第2步：在第1步之后，第3行的每个V位前面有三个连续的0。现在，如果在两个连续的V位(+V或-V)之间找到零个或偶数个1(+1或-1)，后一个V前面的三个0将被B00代替，如第5行所示。这里，B位和后V位的极性都设置为与前一个非零位的极性相反，如图2中的第6行所示。然后，将+V和+B(-V和-B)替换为+1(-1)，得到编码数据，如图2中的第7行所示。使用两个大功率LED在两个信道中传输数据。这里，位+1表示为打开左侧LED并且关闭右侧LED；位-1表示为关闭左侧LED并且打开右侧LED；位0表示将左侧LED和右侧LED都打开。如图2中的第8行和第9行所示，还描绘了在两个链路中传输的CPL的旋转方向。
如图3所示在接收模块，应用差分放大器去除干扰后，分两步对数据进行解码。首先将编码数据转换为双极编码形式并检查错误，然后进一步将双极编码方式恢复到原始数据；具体过程如下：
第1步：为了解码数据，从帧的开头遍历到结尾。如果两个相同的相邻非零位(两个+1或-1)之间有两个或三个零，则后面的非零位连同它前面的三个位将被四个连续的0替换。这里也可用于检查位错误：对于任何相同的相邻非零位(两个+1或-1)，如果它们之间的零个数不是两个或三个，可以得出这四个位(即后一个非零位和三个位在它前面)，至少有一点是错误的。这里只能检测错误，但不能纠正错误。
第2步：继续恢复原始数据。首先处理每个位的极性。第一个非零位的极性应为+1，并且每两个相邻的非零位的极性彼此相反。通过应用此规则，第一个非零位为+1，第二个非零位为-1，第三个非零位再次为+1。继续这个过程来为所有非零位分配极性。之后，去除每个非零位的极性恢复原始数据。

Claims (10)

1.一种抗干扰的水下可见光通信系统，其特征在于，该可见光通信系统包括发送模块和接收模块；
所述发送模块包括编码器(1)、两个LED驱动电路(2)、两个大功率LED(3)、线偏振片Ⅰ(4)和四分之一波片Ⅰ(5)；可见光通信系统在信号发送时，编码器(1)将所要发送的二进制数据分组，然后将分组的信息进行编码，编码后的信息分别输出到两个对应的LED驱动电路(2)上，LED驱动电路(2)分别调制大功率LED(3)，将数字信号转化为光信号，大功率LED(3)发射出的全向信号光首先经过线偏振片Ⅰ(4)，将全向信号光转化为线偏振光；然后，线偏振光通过四分之一波片Ⅰ(5)转化为圆偏振光；最终，发送模块以圆偏振光的形式在水下环境信道中传播；
所述接收模块包括滤光片(6)、四分之一波片Ⅱ(11)、线偏振片Ⅱ(10)、接收模块PD(7)、I-V放大器(8)和差分放大器(9)；在进行信号接收时，经过环境信道的圆偏振光信号首先经过滤光片(6)，滤除蓝绿光波段外的多余光波，只剩下带有环境光干扰的圆偏振光；接着，带有环境光干扰的圆偏振光信号通过接收模块的四分之一波片Ⅱ(11)，转化为带有环境光干扰的线偏振光；然后，线偏振光信号通过接收模块的线偏振片Ⅱ(10)，转换为两路线偏振光，并分别在两个接收模块PD(7)将光信号转换为电信号；两路电信号分别输入到两个I-V放大器(8)上，将微弱的电信号进行放大；最后，将两路信号送入差分放大器(9)中，滤除环境光的干扰，最终经过解码获得目标数据。
2.根据权利要求1所述的一种抗干扰的水下可见光通信系统，其特征在于，所述的可见光通信系统使用两个互不干扰的通信信道；在发送模块，所述线偏振片Ⅰ(4)分为两个偏振方向相互垂直的区域：在进行信号发送时，一路信号光通过线偏振片Ⅰ(4)左侧的水平方向偏振区域，将全向光转换为偏振方向为水平方向的线偏振光，再经过四分之一波片Ⅰ(5)将水平方向的线偏振光转化为逆时针的圆偏振光；另一路信号光通过线偏振片Ⅰ(4)右侧的垂直方向偏振区域，将全向光转换为偏振方向为垂直方向的线偏振光，再经过四分之一波片Ⅰ(5)将垂直方向的线偏振光转化为顺时针的圆偏振光；在接收模块，线偏振片Ⅱ(10)也分为两个偏振方向相互垂直的区域，且偏振方向与发送模块的线偏振片保持一致：在进行信号接收时，带信号的逆时针圆偏振光经过四分之一波片Ⅱ(11)将逆时针圆偏振光转化为水平方向的线偏振光；另一路带信号的顺时针圆偏振光经过四分之一波片Ⅱ(11)将顺时针圆偏振光转化为垂直方向的线偏振光；两路偏振方向相互垂直的线偏振光只能通过与偏振方向一致的线偏振片，而无法通过偏振方向垂直的偏振片，因此，可见光通信系统得以生成两路互不干扰的通信信道。
3.根据权利要求1或2所述的一种抗干扰的水下可见光通信系统，其特征在于，使用圆偏振光作为光信号的信道传播形式，所述的圆偏振光以螺旋线的方式呈顺时针或逆时针向前旋转传播。
4.根据权利要求1或2所述的一种抗干扰的水下可见光通信系统，其特征在于，两个互不干扰的通信信道在物理上距离小于10cm。
5.根据权利要求3所述的一种抗干扰的水下可见光通信系统，其特征在于，两个互不干扰的通信信道在物理上距离小于10cm。
6.根据权利要求1、2或5所述的一种抗干扰的水下可见光通信系统，其特征在于，所述的滤光片(6)只能通过400～760nm波段的可见光。
7.根据权利要求1、2或5所述的一种抗干扰的水下可见光通信系统，其特征在于，所述的编码器(1)设计并使用了应用于水下光通信的双极性编码方式；编码方案包括两个阶段：(i)初始化和(ii)位转换；
在初始化阶段，使用双极性方案对二进制信息进行编码，其中第0位仍然被编码为0，第1位有两种表示：+1和-1；在初始化阶段，位1交替编码为+1和-1；为了解决一长串连续的0或1导致LED闪烁的问题，在位转换阶段，使用两个专门的位：违规位V和插入位B，具体过程为：第1步：检查是否有四个连续的零；如果检测到四个连续的0，则最后一个0位将被替换为V位，V的极性与前面的非零位相同；第2步：在第1步之后，如果在两个连续的V位之间找到零个或偶数个1，后一个V前面的三个0将被B00代替；其中，B位和后V位的极性都设置为与前一个非零位的极性相反；然后，将+V和+B替换为+1，或将-V和-B替换为-1，得到编码数据；再使用两个大功率LED在两个信道中传输编码数据；其中，位+1表示为打开左侧LED并且关闭右侧LED；位-1表示为关闭左侧LED并且打开右侧LED；位0表示将左侧LED和右侧LED都打开。
8.根据权利要求1、2或5所述的一种抗干扰的水下可见光通信系统，其特征在于，在接收模块，应用差分放大器去除干扰后，设计双极性解码方式对数据进行解码；首先将编码数据转换为双极编码形式并检查错误，然后进一步将双极编码方式恢复到原始数据；具体过程如下：
第1步：为了解码数据，从帧的开头遍历到结尾；如果两个相同的相邻非零位之间有两个或三个零，则后面的非零位连同它前面的三个位将被四个连续的0替换；
第2步：继续恢复原始数据；首先处理每个位的极性，第一个非零位的极性应为+1，并且每两个相邻的非零位的极性彼此相反；通过应用此规则，第一个非零位为+1，第二个非零位为-1，第三个非零位再次为+1；继续这个过程来为所有非零位分配极性；之后，去除每个非零位的极性恢复原始数据。
9.根据权利要求1、2或5所述的一种抗干扰的水下可见光通信系统，其特征在于，所述的LED驱动电路(2)的调制带宽为10M。
10.根据权利要求1、2或5所述的一种抗干扰的水下可见光通信系统，其特征在于，所述的大功率LED(3)的输出功率为30W。
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