基于RZ—OOK的水下光通信系统设计与研究

摘 要：本文设计了一个基于归零码（RZ-OOK）调制技术的光通信系统，系统以半导体蓝光激光器作为信号的发射端，以DET10A光电探测器作为接收端对光信号进行光电转换，转换后的信号经过放大滤波整形成数字信号以便进行信号的解调与解码。实验室通过水槽模拟水下环境实验，实验结果证明所设计的水下激光通信系统是可行，通信速率达512kbps。

关键词：RZ-OOK；水下；通信；激光A器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.193

1 引言

地球上70%以上由海洋覆盖，海洋中有丰富且宝贵的各种资源。因为科学研究、商业以及军事方面的需要，人类越来越重视对海洋环境与资源的探索，越来越多的海下作业和海下活动就要求有一种良好的水下通信的方式为水下的人员和各种设备提供通信手段。在陆上的无线电子通信由于电磁波在海水中剧烈衰减根本无法实现传播，尽管水声通信能够成为水下通信的一种方案[1]，但其带宽有限、传输延时、设备庞大复杂等，光通信具有高带宽、实时、安全、抗干扰等诸多优点使得水下光通信技术成为这几十年来的一个研究热点。

激光水下通信的关键技术主要有高功率高稳频激光器及其调制、光电探测即解调、编解码计算法、低功耗信号处理电路设计、适应水下环境的微小型耐压水密舱制造等多方面的技术[2]，本文的重点在调制技术以及信号处理电路设计。

2 系统设计

2.1 发射端

1963年，美国S.A. Sullivan和S.Q. Duntley等人发现海水在0.45～0.55pm的蓝绿波段存在低损耗窗口[3]，因此我们实验选用了PM-B500-450蓝光连续激光器作为信号的发射端；该激光器支持TTL电频直接调制。峰值功率较小，适合于实验验证使用。

2.2 调制

调制技术要依据选用的激光器和系统的目标进行选择，比如半导体连续激光器可以直接使用OOK调制技术，而很多高功率固体脉冲激光器就只能使用脉冲调制。本文选用的是支持TTL电平调制的连续半导体激光器，这样就可直接使用OOK调制，但是直接使用OOK调制，会因为脉冲展宽的原因而使得调制频率受限，而且直接调制的平均功率利用率低。为了提高功率利用率以及适应高功率脉冲激光器的工作方式，我们应该选择采用脉冲调制的方式来驱动激光。基于脉冲的调制方式很多，比如PPM、DPPM、DPIM、DHPIM等，但是OOK方案最简单、最易于理解和实现，综合考虑，于是我们最终选择RZ-OOK调制方式。实验中RZ-OOK调制信号的产生我们用了极其简单的方案，就直接使用一个逻辑与门实现。我们一般OOK信号与合适周期脉冲波直接相与就可以得到RZ-OOK脉冲信号了。要特别说明的是，这里我们的一个逻辑电平“1”可以灵活的由一个或多个脉冲表征，这也使得操作和处理起来更加灵活。

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2.3 接收处理与解调

信号接收用THORLABS公司的DET10A型光电探测器，探测器接收的是带有噪音的小信号，需要经过放大整形滤波处理，处理之后就是RZ-OOK数字脉冲信号了。小信号脉冲的幅度不一，经过放大滤波之后再经过比较器来实现整形，比较器的比较门限电平要选合适了。

如图4所示，RZ-OOK信号最终经过单稳态触发器对脉冲进行展宽就可整形成一般的OOK信号，即可直接通过成熟的常规方式解码。单稳态触发器我们采用芯片74LS123来设计，只需要调整电阻电容的值使得脉冲展宽的时间等于前面提到的周期脉冲波形的周期即可。电路原理简单这里不赘述。

3 实验结论

本文通过具体实验，设计了一个具体水下蓝光激光通信系统的模型，实验用0.1m*0.2m*1m的水槽以及光衰减器来模拟光在海下传播的环境，我们实现了比特率高达512kbps的成功通信，进行了大量的文本传输实验，在256kbps比特率下对128kbps的高清数字音频信号进行实时传输，音质清晰。在实验中我们对于实现RZ-OOK信号的调制与解调方案中显得更加简单灵活、易于实现。实验结果也证明了我们实验方案具有良好的可行性，能够为水下通信提供一个很好的借鉴，具有良好的应用前景。

参考文献：

[1]Giles， J.W.；Bankman， I.N.，“Underwater optical communications systems. Part 2： basic design considerations，” IEEE Military Communications Conference，.Atlantic City， NJ.， USA.， pp.1700-1705. 2005

[2]李宏升，岳军等.蓝绿激光水下通信技术综述[J].《遥测遥控》，2015，36（05）：16-22.

[3]S. Q. Duntley. Light in the Sea [J]. Opt. Soc. Am.， 1963， 53（02）：214-233.

作者简介：王明波（1990-），男，福建泉州人，硕士研究生，研究方向：水下光通信。