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1引言
在現今高速發展的社會，信息對于人們的生活極其重要。而傳播信息的方式就成了各個研究所大力研究的問題。自然空氣中的通信技術逐漸飽和，水下無線通信系統成為一大熱點。目前光通信因為其在速率以及可靠等特點成為了通信界的熱門。復雜的水下環境成了很多科研人員的一大挑戰，專家學者都為水下通信想了很多的辦法。本文就描述一種水下通信系統的設計。
2概述
本系統設計的整體方案包括LED發射電路的設計、接收電路的設計、信號協議的處理等。從功能實現到工程實現、需要的準備描述了一整套的方案。
3系統結構
兩臺樣機在水下通信的演示系統。每臺樣機內部有發射LED和接收探測器，這里LED使用商用高性能LED，接收探測器使用PIN或者APD（雪崩光電二極管），這里先用PIN表示。光電前端包含了LED的驅動電路和光電二極管接收放大電路。信號處理板用于對發射和接收的光信號做分析處理，包含了串口信號的處理模塊和網絡信號處理模塊。電源部分主要對信號處理板和光電前端進行供電以及接受外部供電。對外接口使用防水航空插座，電源接口可以使用兩芯航空插座，信號接口可使用6芯航空插座，4根網絡信號線和2根串口信號線。
4發射部分
考慮到集成芯片的調制速率和帶寬問題，要使LED發射機在滿足照明需求的同時，具有大調制電流、可調的輸出功率、靈敏的電流反饋控制以及足夠高的響應帶寬。從而使該LED發射機能夠適應于高速可見光通信系統。光信號發射端的框圖如圖2所示，該方案初步使用OFDM作為高速信號類型，因此設計為模擬調制，這套方案可實現寬帶大信號對LED進行驅動，既可以傳輸發射低頻的串口信號，也能傳輸發射高速OFDM信號。信號由前級的信號處理板輸出，是串口信號或者OFDM信號，為了減輕驅動電路對前級信號的負擔，先使用緩沖器對降低信號輸入級的輸出電流，由于商用LED的調制帶寬很小，因此使用硬件預均衡電路對系統通信帶寬進行補償，硬件預均衡電路在設計時選擇與后端功率放大器輸入阻抗相同的輸出阻抗，提高信號完整性。功率放大電路使用寬帶功率放大電路，增益根據實際需求來選擇，使用功率放大電路是為了提高對LED的調制深度，從而在接收端能獲得更大的有用信號。由于LED的交流阻抗很小，因此使用阻抗匹配電路對LED的交流阻抗進行阻抗變換，這能保證信號完整性。LED驅動電路可以使用偏置樹電路也可以使用大功率MOS驅動電路，考慮到系統線性度的問題，初步方案定位使用偏置樹電路驅動LED。均衡電路和功率放大電路的實際參數設計需要根據實際測量LED的響應特性來決定。
5接收部分
PIN接收方案先使用透鏡在前端聚光，聚光后使用TIA即跨阻放大器作為第一級放大，將PIN的電流信號轉換成電壓信號，第一級放大使用差分對輸出的方式進入后端，下一級分別使用兩個增益可控的低噪放大器放大之后進行差分轉單端的變化，之后進入AGC電路調控LNA的增益盡量避免輸出信號發生失真。
6信號處理部分
串口信號處理使用stm32作為主控制器，串口傳輸在硬件上使用奇校驗或者偶校驗的方式防止比特出錯。我們使用幀發送的方式進行串口傳輸，并對每一幀加上幀頭幀尾以及CRC防止出現錯誤傳輸現象，由于本設計將串口傳輸與高速傳輸公用LED發射，因此中間需要切換，即串口發送時單獨切換發射信號通路，使LED上只加載串口信號，接收端同時接收兩種信號分別進行處理。
7結束語
水下LED可見光系統包括發射電路設計、接收電路設計、信號轉換設計三個主要部分。設備完成功能要求的情況下還需要進行水下防水外殼的設計。水下外殼在后期的研究中需要將水下的耐壓以及防水性能，內部的散熱等等工程性的問題進行考慮。
參考文獻：
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作者：張子瑜 單位：蘇州健雄職業技術學院電子信息學院