摘 要： 基于藍(lán)綠波段光線在水下傳播的光學(xué)特性，設(shè)計(jì)了一種水下高速激光通信系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32F407為微控制器，以AD9660為激光驅(qū)動(dòng)芯片構(gòu)成光發(fā)射機(jī)，以光電探測器、信號調(diào)理電路、自動(dòng)增益控制電路、解調(diào)電路構(gòu)成光接收機(jī)，支持10/100 M以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信。驅(qū)動(dòng)信號調(diào)制方式采用DPIM（Digital Pulse Interval Modulation）技術(shù)，光接收元件使用PIN光電二極管為光接收器，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過信號調(diào)理，通過解調(diào)電路采集解調(diào)后的數(shù)據(jù)，控制單元處理還原初始信號。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水下點(diǎn)到點(diǎn)距離50 m、1 Mb/s速率的高速低誤碼率通信，為水下設(shè)備間的數(shù)據(jù)采集與組網(wǎng)通信提供了一種新的技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞： 激光通信；激光驅(qū)動(dòng)；光電探測；水下組網(wǎng)

中圖分類號： TN929.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.170371

中文引用格式： 張軍，蔡文郁，溫端強(qiáng). 水下高速激光通信系統(tǒng)及組網(wǎng)技術(shù)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(9)：53-56，60.

英文引用格式： Zhang Jun，Cai Wenyu，Wen Duanqian. Research on technology of underwater high speed laser communication system and networking[J].Application of Electronic Technique，2017，43(9)：53-56，60.

0 引言

水聲技術(shù)是目前最為成熟的水下通信技術(shù)之一，但聲波在水中的傳輸速率極低，不及光速的二十分之一，而且功耗較大，很難搭載在水下機(jī)器人上進(jìn)行水下數(shù)據(jù)通信。光學(xué)通信技術(shù)可以克服水下聲學(xué)通信帶寬窄、受環(huán)境影響大、可適用載波頻率低和傳輸時(shí)延大等不足，因此在一些應(yīng)用場景中，水下光學(xué)通信可以替代水下聲學(xué)通信，以應(yīng)對高傳輸速率、高帶寬、中短距離通信的需求。水下光通信可分為LED光通信與激光通信，LED作為光源存在發(fā)散角度大、傳輸距離近等缺點(diǎn)^[1]，因此激光更適合作為水下光通信光源。而且，為水下傳感器組網(wǎng)提供可靠的通信方式也成為光通信的一種應(yīng)用場景。在中短距離范圍內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)，水下光通信可以為節(jié)點(diǎn)間通信提供一種高速率、低硬件開銷、高穩(wěn)定性的通信方式。水聲通信可以作為長距離范圍的節(jié)點(diǎn)間通信方式，作為節(jié)點(diǎn)間通信方式的一種補(bǔ)充，從而更好地實(shí)現(xiàn)水下多傳感器的無線組網(wǎng)^[1]。

1 系統(tǒng)工作原理

本文提出了一種基于激光通信的水下中短距離無線通信方案，總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示，主要由電源、控制單元、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)構(gòu)成。其中控制單元主要用于對外圍模塊的控制以及與外接的PC等設(shè)備進(jìn)行基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)交互；發(fā)射機(jī)主要用于將激勵(lì)信號加載至激光器產(chǎn)生對應(yīng)的光信號；接收機(jī)主要實(shí)現(xiàn)了將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并對信號進(jìn)行相應(yīng)的處理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)增益的自動(dòng)控制，降低光信號強(qiáng)弱變化對電路的影響。

針對水下傳感器組網(wǎng)的應(yīng)用場景，本文提出了一種基于激光通信的水下傳感器組網(wǎng)系統(tǒng)，如圖2所示。每一個(gè)激光通信終端與傳感器網(wǎng)絡(luò)上的各種類型傳感器通過RS-232總線相連。每一片區(qū)域所有的激光通信終端都通過POE(Power Over Ethernet)^[3]連接至次接駁盒交換機(jī)上，POE供電最大功率達(dá)到12.95 W。此外，管理多片區(qū)域的次接駁盒交換機(jī)由一個(gè)主接駁盒交換機(jī)所管控，主接駁盒交換機(jī)通過光纖模塊將網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)換為光纖信號，傳送至岸基站。除此之外，通過配備光通信系統(tǒng)的AUV在水下的運(yùn)動(dòng)過程去收集所需要區(qū)域傳感器所連接的激光通信終端設(shè)備發(fā)送來的傳感器數(shù)據(jù)。隨后，AUV通過多種通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給海面上的浮標(biāo)中轉(zhuǎn)，通過衛(wèi)星通信將數(shù)據(jù)傳送給岸基站。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)射電路設(shè)計(jì)

激光器是一種敏感的光源器件，輸入電流的穩(wěn)定性直接影響激光器的工作壽命，紋波大或者毛刺大的電流將直接導(dǎo)致器件的安全使用甚至損壞器件。而電壓源驅(qū)動(dòng)電路無法提供一個(gè)穩(wěn)定的電流，因此激光驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)選用電流源驅(qū)動(dòng)模式。本系統(tǒng)選用ADI公司的AD9660芯片作為激光驅(qū)動(dòng)芯片。AD9660具有最大120 mA的偏置電流、180 mA的調(diào)制電流、1.5 ns/2 ns的超低上升/下降時(shí)間、最高達(dá)200 MHz的調(diào)制頻率和高效的光功率控制環(huán)等特點(diǎn)。AD9660驅(qū)動(dòng)電路原理如圖3所示。

2.2 接收電路設(shè)計(jì)

接收電路主要包含光電轉(zhuǎn)換電路、低通濾波器電路、自動(dòng)增益控制電路。光電轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將光電二極管的微弱電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，低通濾波器電路在將微弱電壓信號放大的同時(shí)將干擾噪聲過濾掉，自動(dòng)增益控制電路將過濾后的信號控制在可控的幅值。

2.2.1 光電轉(zhuǎn)換電路

光電二極管的輸出信號是電流信號，電流-電壓變換使用互阻抗放大器電路來實(shí)現(xiàn)。激光驅(qū)動(dòng)芯片的光功率監(jiān)測可獲取光的強(qiáng)度，因此對于互阻抗放大器的選擇要求較高，主要要求包括高輸入阻抗、帶寬大、高壓擺率、低噪聲、頻率響應(yīng)優(yōu)秀等特點(diǎn)。本系統(tǒng)選用TI OPA657跨導(dǎo)放大器作為光電轉(zhuǎn)換電路的核心器件，互阻抗放大器電路如圖4所示。

2.2.2 光電轉(zhuǎn)換電路

自動(dòng)增益控制電路的核心由壓控放大器VCA810、運(yùn)算放大器OPA820以及單片機(jī)的D/A輸出組成。VCA810是一款寬帶的壓控放大器，支持單端和差分輸入，增益控制在-40 dB～40 dB的范圍內(nèi)線性變化。OPA820是一款單位增益穩(wěn)定低噪聲電壓反饋運(yùn)算放大器。自動(dòng)增益控制電路原理如圖5所示，通過對D/A輸出的控制，將自動(dòng)增益電路的輸出控制在Vpp為1 V左右。

2.3 解調(diào)電路設(shè)計(jì)

解調(diào)電路的核心由高速并行A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS830E與FIFO芯片IDT7204構(gòu)成，其原理如圖6所示。A/D芯片的采樣時(shí)鐘由30 MHz有源晶振提供，晶振產(chǎn)生的波形經(jīng)過74HC08構(gòu)成的門電路進(jìn)行整形，得到穩(wěn)定的時(shí)鐘信號。ADS830E芯片的輸入模擬電壓范圍為1.5 V～3.5 V，因此需要將輸入的電壓偏置至2 V，由ADS830E的REFT與REFB通過電阻分壓得到。同時(shí)輸入信號由自動(dòng)增益控制電路將峰峰值控制在1.5 V以內(nèi)，以免超出安全輸入范圍，導(dǎo)致A/D芯片損壞。ADS830E的輸入信號即為OPA691構(gòu)成的電壓跟隨器的輸出信號。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)嵌入式軟件部分包括主程序，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化、LwIP協(xié)議棧、各類外設(shè)模塊初始化以及控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作；激光驅(qū)動(dòng)控制程序主要驅(qū)動(dòng)激光驅(qū)動(dòng)芯片，將調(diào)制信號加載至激光器上，實(shí)現(xiàn)電信號到光信號的轉(zhuǎn)換；自動(dòng)增益控制程序主要通過反饋環(huán)路動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電路增益，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)功能；解調(diào)數(shù)據(jù)讀取程序主要實(shí)現(xiàn)定時(shí)讀取FIFO緩存器IDT7204中保存的解調(diào)電路輸出的數(shù)據(jù)，同時(shí)需要保證數(shù)據(jù)不丟失不覆蓋；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸程序主要實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)服務(wù)器端與水下系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

激光驅(qū)動(dòng)代碼主要依賴于對微控制器I/O根據(jù)AD9660操作時(shí)序?qū)π酒M(jìn)行的控制，從而實(shí)現(xiàn)激光驅(qū)動(dòng)以及自動(dòng)功率控制等功能。AD9660的驅(qū)動(dòng)代碼主要涉及到單片機(jī)對應(yīng)GPIO口的初始化、配置環(huán)路的建立、寫電流環(huán)路的建立等。

具體操作流程如下：

(1)使能AD9660芯片，即將DISABLLE引腳置為“0”；

(2)打開并建立偏置環(huán)路，即將BIAS CAL引腳置為“1”后再置為“0”；

(3)打開并建立調(diào)制環(huán)路，即將WRITE CAL與WRITE PULSE引腳置為“1”；

(4)將調(diào)制信號加載到激光二極管上，即將調(diào)制信號對應(yīng)的高低電平對應(yīng)置WRITE CAL與WRITE CAL引腳“1”或“0”；

(5)定期重新建立偏置環(huán)路；

(6)當(dāng)不使用時(shí)失能AD9660，即將DISABLE引腳置為“1”。

3.3 以太網(wǎng)軟件設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)協(xié)議LwIP協(xié)議棧^[4]針對PHY芯片的配置修改底層代碼，使其支持DP83848的相關(guān)配置操作。然后開啟控制器以太網(wǎng)DMA數(shù)據(jù)接收中斷，使得微控制器能夠保存接收到的臨時(shí)數(shù)據(jù)。在硬件驅(qū)動(dòng)都配置完畢后，開始初始化LwIP內(nèi)核，隨后運(yùn)行應(yīng)用程序的相關(guān)函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)工作。程序流程如圖7所示。

3.4 組網(wǎng)協(xié)議設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的報(bào)文類型主要包括數(shù)據(jù)報(bào)文、控制報(bào)文、狀態(tài)報(bào)文。報(bào)文主要由主節(jié)點(diǎn)序號、次節(jié)點(diǎn)序號、報(bào)文類型、數(shù)據(jù)段等字段組成。

序號主要為區(qū)分不同節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，協(xié)議為在水下的每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分配了一個(gè)唯一的節(jié)點(diǎn)號，節(jié)點(diǎn)號由主節(jié)點(diǎn)號與次節(jié)點(diǎn)號構(gòu)成。主節(jié)點(diǎn)號代表了傳感器區(qū)域，以一個(gè)次接駁盒交換機(jī)為一個(gè)區(qū)域，主節(jié)點(diǎn)序號從1開始，每增加一個(gè)次接駁盒交換機(jī)，主節(jié)點(diǎn)序號累加1。而次節(jié)點(diǎn)號代表了一個(gè)次接駁盒交換機(jī)下所連接的傳感器，次節(jié)點(diǎn)號從1開始，每增加一個(gè)傳感器，次節(jié)點(diǎn)號累加1，AUV發(fā)送至光通信終端的主次節(jié)點(diǎn)序號均為0。這種主次節(jié)點(diǎn)序號的分配方式，可以更好地對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，優(yōu)先檢索主序列號，再根據(jù)主序列號檢索次序列號。基于上述組網(wǎng)協(xié)議，AUV與傳感器節(jié)點(diǎn)所連接的光通信終端的連接流程如圖8所示。

4 綜合調(diào)試

通信測試包含陸地測試與水下測試，通信從1 m～40 m，每隔2 mm測試一次傳輸誤碼率。誤碼率與接收距離的關(guān)系曲線如圖9所示，其中實(shí)曲線代表陸地環(huán)境，虛曲線代表水下環(huán)境。橫向?qū)Ρ瓤梢园l(fā)現(xiàn)，同種環(huán)境下，隨著傳輸距離的增長，誤碼率同樣也在增加；縱向?qū)Ρ瓤梢园l(fā)現(xiàn)，不同環(huán)境相同距離下，陸地環(huán)境的誤碼率要優(yōu)于水下環(huán)境；同一環(huán)境相同距離下，隨著傳輸速率的增高，誤碼率也在增加。

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)并研制了一套水下高速藍(lán)綠激光通信系統(tǒng)，同時(shí)為水下傳感器觀測網(wǎng)提供了一種組網(wǎng)解決方案。提出了系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)方式，最終研制出一套體積較小、功耗較低、高速率的激光通信系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)聲學(xué)通信的缺陷，為水下傳感器觀測網(wǎng)絡(luò)提供了一種有效的組網(wǎng)方式。