本發(fā)明屬于通信
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及基于藍(lán)綠激光的水下可見光收發(fā)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：水下無線光通信是以光波作為載波實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健Ｄ壳八聼o線通信主要采用水聲通信，但是水聲通信傳輸速率低，且容易受到外界其它電磁輻射的影響而導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。研究發(fā)現(xiàn)，海水對(duì)450～550nm波段內(nèi)的藍(lán)綠光的衰減比對(duì)其他光波段的衰減要小很多，因此在海洋中亦存在一個(gè)類似于大氣中的透光窗口。藍(lán)綠激光的穿透能力強(qiáng)，工作頻率高，方向性好，傳送信息量大，抗干擾能力強(qiáng)，可高效的獲取海洋監(jiān)測信息，快速感知水下環(huán)境變化，為更精確的戰(zhàn)術(shù)偵察、水下探雷、污染監(jiān)測、石油控制與維護(hù)、近?？碧健夂蜃兓O(jiān)測、海洋學(xué)研究等提供高速靈活的信息平臺(tái)，從而對(duì)海洋突發(fā)事件作出快速處理與決策。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供基于藍(lán)綠激光的水下可見光收發(fā)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)12mhz方波，傳輸距離7米以上的收發(fā)電路，解決目前水下光通信主要面臨傳輸速率低、距離近的問題。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是光源器件通過恒流源驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的直流光信號(hào)送給激光調(diào)制電路，激光調(diào)制電路將用fpga編碼后的信號(hào)調(diào)制到激光器上，使激光器輸出的光信號(hào)為有一定速率的已調(diào)制的光信號(hào)；接收端的光電檢測器pin將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)，送入前置放大電路進(jìn)行流壓變化及低噪聲放大，然后送入主級(jí)放大電路再次對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大后送入信號(hào)整形電路，將信號(hào)恢復(fù)為標(biāo)準(zhǔn)波形。進(jìn)一步，光源器件選擇歐司朗pl-520-b1，工作電壓6v，功率120mw，波長520nm的ld，光電檢測器選擇濱松pins2386-8k，工作電壓0-5v，650nm的靈敏度是0.35ma/mw，工作波長300nm-1100nm，1mhz的結(jié)電容是0.5nf。進(jìn)一步，恒流源驅(qū)動(dòng)電路選用buck型的dc-dc制作恒流源用于驅(qū)動(dòng)ld，它內(nèi)部集成一個(gè)100毫歐電流采樣電阻，用于監(jiān)測輸出電流，并對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)，用于驅(qū)動(dòng)對(duì)電流較敏感的大電流ld，輸出電流范圍為35ma至1a連續(xù)可調(diào)，寬范圍可調(diào)開關(guān)頻率200khz至12mhz，實(shí)現(xiàn)400:1的調(diào)光范圍，從而消除常見的led調(diào)光過程中的彩色漂移。進(jìn)一步，激光調(diào)制電路設(shè)計(jì)采用ook調(diào)制，利用mos管的開關(guān)特性改變ld的電流實(shí)現(xiàn)光電數(shù)字信號(hào)調(diào)制。為提高調(diào)制速率，ook調(diào)制時(shí)的低電平“0”信號(hào)有一個(gè)小直流量，即調(diào)制信號(hào)是在一個(gè)直流偏置的基礎(chǔ)上進(jìn)行輸出高低電平的直流變化的。進(jìn)一步，前置放大電路實(shí)現(xiàn)光電流到電壓的變換，選用ti公司90mhz的opa380單電源互阻放大芯片，反饋電阻r6位1kω，c6為補(bǔ)償電容，大小為2pf，可在電路中產(chǎn)生一個(gè)極點(diǎn)，增加電路的穩(wěn)定性，提高響應(yīng)速度，它的大小直接影響放大電路的帶寬。進(jìn)一步，主級(jí)放大電路采用具有關(guān)斷功能的電壓反饋性opa690作為主級(jí)放大芯片，其增益帶寬積是500m，且可單電源供電，反饋電阻r1選取為510ω，r5為47ω的電阻實(shí)現(xiàn)。進(jìn)一步，信號(hào)整形電路采用ti公司的tlv3501，通過調(diào)節(jié)r8電阻可改變比較器的零點(diǎn)，r8電阻的阻值范圍為10kω，前后增加r7和r9可提高電壓調(diào)節(jié)精度。本發(fā)明的有益效果是傳輸速率高、成本低。附圖說明圖1是恒流源驅(qū)動(dòng)電路圖；圖2是激光調(diào)制電路；圖3是前置放大電路；圖4是主級(jí)放大電路；圖5是信號(hào)整形電路設(shè)計(jì)。具體實(shí)施方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明系統(tǒng)采用恒流源驅(qū)動(dòng)藍(lán)綠光激光器發(fā)直流光，光源器件通過恒流源驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的直流光信號(hào)送給激光調(diào)制電路，激光調(diào)制電路將用fpga編碼后的信號(hào)調(diào)制到激光器上，使激光器輸出的光信號(hào)為有一定速率的已調(diào)制的光信號(hào)。接收端的光電檢測器pin將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)，送入前置放大電路進(jìn)行流壓變化及低噪聲放大，然后送入主級(jí)放大電路再次對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大后送入信號(hào)整形電路，將信號(hào)恢復(fù)為標(biāo)準(zhǔn)波形。光源器件選擇歐司朗pl-520-b1，工作電壓6v，功率120mw，波長520nm的ld。光電檢測器選擇濱松pins2386-8k，工作電壓0-5v，650nm的靈敏度是0.35ma/mw，工作波長300nm-1100nm，1mhz的結(jié)電容是0.5nf。恒流源驅(qū)動(dòng)電路：選用buck型的dc-dc(lt3474)制作恒流源用于驅(qū)動(dòng)ld，它內(nèi)部集成一個(gè)100毫歐電流采樣電阻，用于監(jiān)測輸出電流，并對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)高精度的電流輸出，用于驅(qū)動(dòng)對(duì)電流較敏感的大電流ld。其輸出電流范圍為35ma至1a連續(xù)可調(diào)?？蓪?shí)現(xiàn)400:1的調(diào)光范圍，從而消除常見的led調(diào)光過程中的彩色漂移。寬范圍可調(diào)開關(guān)頻率200khz至12mhz。圖1是恒流源驅(qū)動(dòng)電路，用lt3474設(shè)計(jì)的dc-dc驅(qū)動(dòng)電路需要設(shè)計(jì)開關(guān)頻率，及相關(guān)頻率下的回路補(bǔ)償和lc濾波。根據(jù)芯片資料，當(dāng)電路中的開關(guān)頻率為2mhz時(shí)，電阻rt為10kω，電感l(wèi)1為3.3uh，電容c8為0.22uf。其中ref管腳為芯片內(nèi)部產(chǎn)生的穩(wěn)定輸出1.25v的參考電壓。led的輸出電流iled由vadj管腳的電壓控制，設(shè)置關(guān)系如下：vadj管腳的電壓可由兩個(gè)電阻r4和r5分壓產(chǎn)生，為了使ref管腳的輸出電流小于250ua，選取r4和r5的阻值時(shí)，串聯(lián)阻值大于5.11kω，并聯(lián)阻值小于4kω的規(guī)則選取r4，而r5可由以下公式可得，最后選擇r4為15kω，r5為3.3kω。激光調(diào)制電路設(shè)計(jì)：本文采用ook調(diào)制，屬于內(nèi)調(diào)制。通過利用mos管的開關(guān)特性改變ld的電流實(shí)現(xiàn)光電數(shù)字信號(hào)調(diào)制。此處選用mos管時(shí)主要關(guān)注它的導(dǎo)通電阻rds、閾值電壓v_gs、開啟時(shí)間t_(d(on))、關(guān)斷時(shí)間t_(d(off))、輸入電容ciss等參數(shù)。鑒于現(xiàn)今微處理器的輸出電壓基本都是5v或者3.3v，所以微處理器如fpga的輸出信號(hào)首先通過電壓反饋運(yùn)算放大器芯片opa690對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?。圖2是激光調(diào)制電路，激光調(diào)制電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制的步驟如下：第一步：首先設(shè)計(jì)放大電路將信號(hào)源的小信號(hào)放大；第二步：將放大的信號(hào)通過高速mos管的開光特性調(diào)制到激光器上。從fpga輸出的信號(hào)電壓為0-3.3v，需放大到4.5v以上。放大電路采用opa690，根據(jù)運(yùn)算放大器的最大輸出電壓擺幅和頻率的關(guān)系，sr＝2π×fmax×vpp，opa690的壓擺率為1800v/us，當(dāng)輸入頻率為12mhz時(shí)，輸出電壓可為25v,完全滿足信號(hào)放大3倍的要求。為減小水下系統(tǒng)的體積，opa690采用單電源供電。mos管選用csd19535kcs，輸入電容521pf，閾值電壓2.7v，開啟時(shí)間11.6ns，關(guān)斷時(shí)間6.2ns。圖1和圖4中的r7為10kω和d3可提高響應(yīng)速度。另外為了提高響應(yīng)速度，調(diào)節(jié)mos工作在可變電阻區(qū)時(shí)的電阻，即調(diào)節(jié)mos管低電平電壓，不讓mos管工作在截止區(qū)?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)圖4中的電阻r9和r12實(shí)現(xiàn)。當(dāng)r9設(shè)置為15kω，r12為4.7kω時(shí)，激光直流偏置不為0，激光輸出功率為0.15mw，求得消光比為29db。前置放大電路：前置放大電路實(shí)現(xiàn)光電流到電壓的變換，采用互阻放大電路實(shí)現(xiàn)。選用ti公司90mhz的opa380單電源互阻放大芯片，反饋電阻r6位1kω，c6為補(bǔ)償電容，大小為2pf，可在電路中產(chǎn)生一個(gè)極點(diǎn)，增加電路的穩(wěn)定性，提高響應(yīng)速度，它的大小直接影響放大電路的帶寬。圖3是前置放大電路。主級(jí)放大電路設(shè)計(jì)前置放大電路的輸出電壓信號(hào)的幅度較小，需要后級(jí)再次放大。采用具有關(guān)斷功能的電壓反饋性opa690作為主級(jí)放大芯片，其增益帶寬積是500m，且可單電源供電。通過增益計(jì)算公式，并參考數(shù)據(jù)手冊(cè)可知要實(shí)現(xiàn)放大信號(hào)到3.3v，圖4中的反饋電阻r1可選取為510ω和r5為47ω的電阻實(shí)現(xiàn)。圖4為主級(jí)放大電路。信號(hào)整形電路設(shè)計(jì)本發(fā)明采用比較器恢復(fù)數(shù)字信號(hào)。選用ti公司的tlv3501。實(shí)現(xiàn)電路如圖5。由于光電檢測器pin和前置放大電路都存在一定的電容，使得放大過后的信號(hào)并不是理想的數(shù)字信號(hào)，所以信號(hào)整形電路是必不可少的。一般采用比較器恢復(fù)數(shù)字信號(hào)。在本設(shè)計(jì)中，比較電路選用ti公司的tlv3501，通過調(diào)節(jié)圖5中的r8電阻可改變比較器的零點(diǎn)。r8電阻的阻值范圍為10kω，前后增加r7和r9可提高電壓調(diào)節(jié)精度。系統(tǒng)測試：考慮到激光器的使用壽命，結(jié)合使用的ook調(diào)制方式，使輸入低電平時(shí)mos管關(guān)斷激光器不工作，輸入高電平時(shí)mos打開激光器正常工作。本發(fā)明電路為提高mos管的開關(guān)頻率可通過使mos管直接工作在可變電阻區(qū)和飽和區(qū)實(shí)現(xiàn)。首先要使mos管工作在可變電阻區(qū)，即vgs電壓不能為0，但最高不能超過2.4v(開啟電壓)。提高激光器的開關(guān)速度可讓激光器在輸入為0電平時(shí)，也可發(fā)光，但需控制此發(fā)光功率，因?yàn)榇嬖谙獗鹊膯栴}，調(diào)節(jié)mos工作在可變電阻區(qū)時(shí)的電阻解決激光直流偏置的問題。見圖1，恒流源驅(qū)動(dòng)電路即直流偏置電路。此處檢測ld兩端的電壓。加載調(diào)制信號(hào)對(duì)電路進(jìn)行測試，觀察發(fā)現(xiàn)調(diào)制速率得到了明顯的提高，最高調(diào)制頻率穩(wěn)定可達(dá)12mhz。如果光對(duì)準(zhǔn)效果好的情況下達(dá)到15mhz(調(diào)試過程偶爾可以達(dá)到，但一般很難將光完全對(duì)準(zhǔn))。接收端輸出信號(hào)的波形由整形電路決定，通過調(diào)節(jié)圖5中的tlv3501管腳2的輸入管腳的參考電壓，使輸出信號(hào)的占空比為50％。由于微控制器fpga的輸出高電平一般為3.3v，后面的信號(hào)源輸出測試信號(hào)的峰峰值為3.3v、直流偏置1.65v。下面對(duì)系統(tǒng)分別在自由空間和水中進(jìn)行測試。首先信號(hào)源輸出1mhz的方波信號(hào)，調(diào)試系統(tǒng)，使接收端輸出標(biāo)準(zhǔn)的1mhz的方波，完成調(diào)試后，改變信號(hào)源的輸出信號(hào)頻率，測試主要記錄了100khz、1mhz、2mhz、5mhz、10mhz、12mhz的波形，前面信號(hào)測試整體效果較好。然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行誤碼率測試，用fpga產(chǎn)生偽隨機(jī)碼16200bit，信號(hào)速率為1mbps，首先進(jìn)行nrzi編碼，并讓系統(tǒng)產(chǎn)生10個(gè)bit的誤碼，然后改變編碼格式為擾碼+nrzi、4b5b+nrzi以及rs+nrzi的編碼測試，對(duì)測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)，測試數(shù)據(jù)如表1。最后在水中傳輸測試。依次使用信號(hào)源輸出方波和fpga輸出信號(hào)測試系統(tǒng)的性能。性能與自由空間測試結(jié)果一致。表1系統(tǒng)誤碼率測試nrzi擾碼+nrzi4b5b+nrzirs+nrzi誤碼個(gè)數(shù)101050誤碼率0.00060.00060.00030對(duì)發(fā)明系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)用性進(jìn)行了不同頻率，不同格式的數(shù)字信號(hào)傳輸測試，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。最終本發(fā)明系統(tǒng)在傳輸速率1mbps，在大氣中如果收發(fā)對(duì)準(zhǔn)，采用4b5b+nrzi編碼方式，或rs+nrzi編碼，10米以內(nèi)均無誤碼。因此水下無線激光通信在傳輸速率2mbps時(shí)，可采用此兩種編碼方式。相比傳統(tǒng)的水下通信該系統(tǒng)具有傳輸速率高、通信距離遠(yuǎn)、誤碼率低、穩(wěn)定性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)激光器的保護(hù)也做了充分地考慮，有效降低了半導(dǎo)體激光器的損耗，具有很強(qiáng)的實(shí)用參考價(jià)值。以上所述僅是對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施方式而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施方式所做的任何簡單修改，等同變化與修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁12