摘 要： 基于藍綠波段光線在水下傳播的光學特性，設計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為激光驅動芯片構成光發(fā)射機，以光電探測器、信號調理電路、自動增益控制電路、解調電路構成光接收機，支持10/100 M以太網數(shù)據(jù)通信。驅動信號調制方式采用DPIM（Digital Pulse Interval Modulation）技術，光接收元件使用PIN光電二極管為光接收器，將光信號轉換為電信號，經過信號調理，通過解調電路采集解調后的數(shù)據(jù)，控制單元處理還原初始信號。實驗證明，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)水下點到點距離50 m、1 Mb/s速率的高速低誤碼率通信，為水下設備間的數(shù)據(jù)采集與組網通信提供了一種新的技術方案。

關鍵詞： 激光通信；激光驅動；光電探測；水下組網

中圖分類號： TN929.1

文獻標識碼： A

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.170371

中文引用格式： 張軍，蔡文郁，溫端強. 水下高速激光通信系統(tǒng)及組網技術研究[J].電子技術應用，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

水聲技術是目前最為成熟的水下通信技術之一，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，很難搭載在水下機器人上進行水下數(shù)據(jù)通信。光學通信技術可以克服水下聲學通信帶寬窄、受環(huán)境影響大、可適用載波頻率低和傳輸時延大等不足，因此在一些應用場景中，水下光學通信可以替代水下聲學通信，以應對高傳輸速率、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^[1]，因此激光更適合作為水下光通信光源。而且，為水下傳感器組網提供可靠的通信方式也成為光通信的一種應用場景。在中短距離范圍內的傳感器節(jié)點，水下光通信可以為節(jié)點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)點間通信方式，作為節(jié)點間通信方式的一種補充，從而更好地實現(xiàn)水下多傳感器的無線組網^[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，總體設計框架如圖1所示，主要由電源、控制單元、發(fā)射機、接收機構成。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等設備進行基于以太網的數(shù)據(jù)交互；發(fā)射機主要用于將激勵信號加載至激光器產生對應的光信號；接收機主要實現(xiàn)了將接收到的光信號轉換為電信號，并對信號進行相應的處理，同時實現(xiàn)增益的自動控制，降低光信號強弱變化對電路的影響。

針對水下傳感器組網的應用場景，本文提出了一種基于激光通信的水下傳感器組網系統(tǒng)，如圖2所示。每一個激光通信終端與傳感器網絡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上，POE供電最大功率達到12.95 W。此外，管理多片區(qū)域的次接駁盒交換機由一個主接駁盒交換機所管控，主接駁盒交換機通過光纖模塊將網絡信號轉換為光纖信號，傳送至岸基站。除此之外，通過配備光通信系統(tǒng)的AUV在水下的運動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)送給海面上的浮標中轉，通過衛(wèi)星通信將數(shù)據(jù)傳送給岸基站。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 發(fā)射電路設計

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致器件的安全使用甚至損壞器件。而電壓源驅動電路無法提供一個穩(wěn)定的電流，因此激光驅動電路應選用電流源驅動模式。本系統(tǒng)選用ADI公司的AD9660芯片作為激光驅動芯片。AD9660具有最大120 mA的偏置電流、180 mA的調制電流、1.5 ns/2 ns的超低上升/下降時間、最高達200 MHz的調制頻率和高效的光功率控制環(huán)等特點。AD9660驅動電路原理如圖3所示。

2.2 接收電路設計

接收電路主要包含光電轉換電路、低通濾波器電路、自動增益控制電路。光電轉換電路負責將光電二極管的微弱電流信號轉換為電壓信號，低通濾波器電路在將微弱電壓信號放大的同時將干擾噪聲過濾掉，自動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現(xiàn)。激光驅動芯片的光功率監(jiān)測可獲取光的強度，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、頻率響應優(yōu)秀等特點。本系統(tǒng)選用TI OPA657跨導放大器作為光電轉換電路的核心器件，互阻抗放大器電路如圖4所示。

2.2.2 光電轉換電路

自動增益控制電路的核心由壓控放大器VCA810、運算放大器OPA820以及單片機的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的范圍內線性變化。OPA820是一款單位增益穩(wěn)定低噪聲電壓反饋運算放大器。自動增益控制電路原理如圖5所示，通過對D/A輸出的控制，將自動增益電路的輸出控制在Vpp為1 V左右。

2.3 解調電路設計

解調電路的核心由高速并行A/D轉換芯片ADS830E與FIFO芯片IDT7204構成，其原理如圖6所示。A/D芯片的采樣時鐘由30 MHz有源晶振提供，晶振產生的波形經過74HC08構成的門電路進行整形，得到穩(wěn)定的時鐘信號。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。同時輸入信號由自動增益控制電路將峰峰值控制在1.5 V以內，以免超出安全輸入范圍，導致A/D芯片損壞。ADS830E的輸入信號即為OPA691構成的電壓跟隨器的輸出信號。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 軟件總體設計

系統(tǒng)嵌入式軟件部分包括主程序，主要實現(xiàn)系統(tǒng)初始化、LwIP協(xié)議棧、各類外設模塊初始化以及控制系統(tǒng)協(xié)調工作；激光驅動控制程序主要驅動激光驅動芯片，將調制信號加載至激光器上，實現(xiàn)電信號到光信號的轉換；自動增益控制程序主要通過反饋環(huán)路動態(tài)調節(jié)電路增益，實現(xiàn)自適應功能；解調數(shù)據(jù)讀取程序主要實現(xiàn)定時讀取FIFO緩存器IDT7204中保存的解調電路輸出的數(shù)據(jù)，同時需要保證數(shù)據(jù)不丟失不覆蓋；網絡數(shù)據(jù)傳輸程序主要實現(xiàn)以太網服務器端與水下系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互。

3.2 軟件設計

激光驅動代碼主要依賴于對微控制器I/O根據(jù)AD9660操作時序對芯片進行的控制，從而實現(xiàn)激光驅動以及自動功率控制等功能。AD9660的驅動代碼主要涉及到單片機對應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)打開并建立調制環(huán)路，即將WRITE CAL與WRITE PULSE引腳置為“1”；

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

(5)定期重新建立偏置環(huán)路；

(6)當不使用時失能AD9660，即將DISABLE引腳置為“1”。

3.3 以太網軟件設計

以太網協(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的相關配置操作。然后開啟控制器以太網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數(shù)據(jù)。在硬件驅動都配置完畢后，開始初始化LwIP內核，隨后運行應用程序的相關函數(shù)進行數(shù)據(jù)收發(fā)工作。程序流程如圖7所示。

3.4 組網協(xié)議設計

本文設計的報文類型主要包括數(shù)據(jù)報文、控制報文、狀態(tài)報文。報文主要由主節(jié)點序號、次節(jié)點序號、報文類型、數(shù)據(jù)段等字段組成。

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

4 綜合調試

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系曲線如圖9所示，其中實曲線代表陸地環(huán)境，虛曲線代表水下環(huán)境。橫向對比可以發(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；縱向對比可以發(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

本文設計并研制了一套水下高速藍綠激光通信系統(tǒng)，同時為水下傳感器觀測網提供了一種組網解決方案。提出了系統(tǒng)軟硬件設計及其實現(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)聲學通信的缺陷，為水下傳感器觀測網絡提供了一種有效的組網方式。