基于MDPCM調(diào)制技術(shù)的水下LED光通信系統(tǒng)研究

陳嬌嬌，李鴻林

哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技的高速發(fā)展和進(jìn)步，人類在水下探索活動(dòng)逐漸增多。在水下機(jī)器人和蛙人作業(yè)、無人潛航器(UUV)移動(dòng)觀測(cè)、軍用潛艇通信、沉船打撈和飛機(jī)失事搜索以及水下傳感網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域，對(duì)高速大容量實(shí)時(shí)安全的數(shù)據(jù)傳輸需求日益增加。由于海水在450～550 nm的藍(lán)綠光波段是海水的“透光窗口”，因此藍(lán)綠光波段在海水中的穿透能力較強(qiáng)，損耗最低。與傳統(tǒng)的水聲通信相比，水下無線光通信(underwater wireless optical communication，UWOC)具有安全性高、可靠性強(qiáng)、頻帶寬、傳輸速率快、低延時(shí)和低功耗以及低成本等優(yōu)勢(shì)，具有很大的發(fā)展前景[1]。相比于激光二極管(LD)，發(fā)光二極管(LED)光具有發(fā)散的性質(zhì)，通信系統(tǒng)無需精確對(duì)準(zhǔn)；LED的熱阻較低，因此可以發(fā)出較高的光功率；而且LED更便宜。因此基于LED的UWOC具有小型化、短距離數(shù)據(jù)傳輸和廣泛應(yīng)用的潛力，成為了目前水下通信領(lǐng)域的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[2-4]。

目前水下無線光通信(FSO)領(lǐng)域中常見的強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)(IM/DD)的調(diào)制方式有：開關(guān)鍵控(OOK)、脈沖位置調(diào)制(PPM)和數(shù)字脈沖間隔調(diào)制(DPIM)等。OOK帶寬利用率高且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是功率利用率較低；雖然PPM提高了功率利用率，但是接收端需要嚴(yán)格的位同步和幀同步才能實(shí)現(xiàn)解調(diào)，這增加了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難度，而在光通信中的多徑效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致脈沖展寬，找不到幀頭；相比于OOK和PPM而言，DPIM提高了功率利用率，解調(diào)也不需要同步，但是該調(diào)制技術(shù)對(duì)帶寬的要求同樣很高[5-6]。

綜合考慮帶寬利用率、功率利用率和數(shù)據(jù)傳輸速率等方面，本文提出了一種在帶寬受限情況下更適合水下傳輸?shù)亩噙M(jìn)制數(shù)字脈沖周期調(diào)制(M-ary digital pulse cycle modulation, MDPCM)，該技術(shù)具有較強(qiáng)的抗碼間干擾的能力，有效地解決了多徑問題，保護(hù)了時(shí)隙，接收端通過高速時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)解調(diào)，不需要進(jìn)行同步，實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單[7-9]。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一款基于藍(lán)光LED的水下無線光通信系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行水下性能測(cè)試。

1 水下可見光通信系統(tǒng)

該水下無線光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，主要包括發(fā)射機(jī)、水下無線信道和接收機(jī)這3部分，系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。發(fā)射端主要包含通信接口模塊、現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(field programmable gate array，F(xiàn)PGA)模塊、電源模塊、LED驅(qū)動(dòng)電路以及LED光源陣列；接收端主要包含電源模塊、光電探測(cè)和信號(hào)處理模塊、FPGA模塊和接口模塊。其中，信號(hào)處理模塊由流壓轉(zhuǎn)換電路、放大電路和帶通濾波電路以及整形電路組成。

圖1 水下無線光通信系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

為了降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率，首先將上位機(jī)通過通信接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在FPGA上進(jìn)行里德所羅門(RS)編碼，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾以及糾錯(cuò)的能力；然后再將編碼后的數(shù)據(jù)打包加上幀頭，進(jìn)行調(diào)制，將調(diào)制后的輸出脈沖信號(hào)送入LED陣列驅(qū)動(dòng)電路；通過光源驅(qū)動(dòng)電路將調(diào)制后的脈沖信號(hào)放大到能夠驅(qū)動(dòng)發(fā)射光源，通過控制光源的亮滅來傳輸信息；最后光信號(hào)通過聚光透鏡準(zhǔn)直，轉(zhuǎn)換為發(fā)射角極小的光束發(fā)射出去。光束通過水下無線信道后，抵達(dá)接收端系統(tǒng)。

在接收端，光電探測(cè)器將檢測(cè)到的光束信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱的電流信號(hào)，經(jīng)過流壓轉(zhuǎn)換電路將微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為更方便處理的電壓信號(hào)，再經(jīng)過主放大電路對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大，通過濾波電路濾除掉通帶外的噪聲，最后通過整形電路將放大后的交流信號(hào)整形為FPGA可識(shí)別的信號(hào)；整形后的信號(hào)在FPGA內(nèi)部進(jìn)行軟件濾波、同步解調(diào)和解碼；最后將信息通過通信接口傳回PC機(jī)。

2 MDPCM調(diào)制體制

2.1 MDPCM調(diào)制結(jié)構(gòu)

MDPCM調(diào)制的實(shí)現(xiàn)是通過改變信息中各符號(hào)所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制脈沖的周期，將多進(jìn)制數(shù)映射為周期不同的二進(jìn)制脈沖；每一個(gè)數(shù)據(jù)都是以高電平開始，通過高速時(shí)鐘對(duì)兩個(gè)相脈沖之間的時(shí)隙進(jìn)行計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)解調(diào)。將輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)按每個(gè)符號(hào)bbit進(jìn)行分組，構(gòu)建一個(gè)M=2b(b>1 &b∈N+)的M進(jìn)制系統(tǒng)。假設(shè)第i(i=1,2,…,M)個(gè)符號(hào)是mi， 相應(yīng)MDPCM調(diào)制波形的周期是Ti，則對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式為[7-8]：

式中，n是M進(jìn)制系統(tǒng)數(shù)據(jù)中的碼元，n=1,2,…,M-1；ts是2個(gè)相鄰碼元的MDPCM調(diào)制波形之間的時(shí)間分辨間隔；tb是MDPCM調(diào)制的基本波形持續(xù)時(shí)間，由高電平持續(xù)時(shí)間tH和低電平續(xù)時(shí)間tL組成，即tb=tH+tL。

由圖2可知符號(hào)mi對(duì)應(yīng)的MDPCM調(diào)制表達(dá)式：

式中參數(shù)需要滿足以下關(guān)系：tH≥1/1.1B；tL≥1/1.1B；ts>2T IE且ts=α·T0/2M，其中B=Rb/2是帶寬，TIE是時(shí)間間隔誤差[9]，T0是基本信號(hào)周期，α是與進(jìn)制數(shù)M和時(shí)鐘有關(guān)的調(diào)制因子，一般情況下α不大于0.01。由于TIE很小，所以ts也很小，這就提高了MDPCM調(diào)制的頻帶利用率。由于MDPCM調(diào)制中tL存在，有保護(hù)時(shí)隙的功能，減弱了ISI的影響。因不同的通信環(huán)境和需求，參數(shù)tH、tL和ts需要適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，這些參數(shù)的取值將決定MDPCM調(diào)制的數(shù)據(jù)傳輸效率和帶寬利用率。

圖2 mi 對(duì)應(yīng)的MDPCM調(diào)制波形示意

將數(shù)據(jù)流“00011011”按每個(gè)符號(hào)2 bit可分為以下4組：00、01、10、11；當(dāng)符號(hào)與n之間是自然二進(jìn)制映射時(shí)，這4個(gè)符號(hào)經(jīng)過OOK、PPM、MDPIM和MDPCM這4種調(diào)制方式后的映射關(guān)系和結(jié)構(gòu)示意圖分別如表1所示[10]，表中的Δ代表的是MDPCM調(diào)制中的ts。

表1 OOK、PPM、MDPIM和MDPCM調(diào)制的映射關(guān)系

假設(shè)M進(jìn)制數(shù)據(jù)出現(xiàn)概率是一樣，周期為Ts的碼元能量為W0。M-OOK調(diào)制的平均發(fā)送功率為PM-OOK=W0/2Ts，則M-DPCM調(diào)制的平均發(fā)送功率為

常見調(diào)制方式的歸一化發(fā)射功率如圖3所示。

圖3 不同調(diào)制方式的歸一化帶寬利用

由圖3可知，這4種調(diào)制方式中OOK和DPCM所需的發(fā)射功率都比較高且隨著比特?cái)?shù)b的增加基本保持不變；PPM和DPIM的發(fā)射功率雖然隨著比特?cái)?shù)的增加而降低了，但是其他相應(yīng)性能也隨功率的降低而降低了。雖然MDPCM需要的發(fā)射功率較大，我們可以使用LED陣列實(shí)現(xiàn)大功率傳輸信息。

帶寬利用率r就是某種調(diào)制體制所傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)R與對(duì)應(yīng)的帶寬B之比。則MDPCM調(diào)制的帶寬利用率表達(dá)式為

式中 α=ts/(tH+tL)， 一般情況下tH=tL。常見調(diào)制方式的歸一化帶寬利用率如圖4所示。

圖4 不同調(diào)制方式的歸一化帶寬利用

由圖4可知，存在一個(gè)最大進(jìn)制數(shù)M，當(dāng)大于這個(gè)進(jìn)制數(shù)時(shí)，MDPCM的帶寬利用率僅低于OOK調(diào)制，MDPCM的帶寬利用率隨進(jìn)制數(shù)M的增大而降低；使得小于該進(jìn)制數(shù)M時(shí)，MDPCM的帶寬利用率比其他3種調(diào)制方式的要高很多，因此MDPCM調(diào)制方式的最大數(shù)據(jù)傳輸速率明顯高于其他3種調(diào)制，且在一定范圍內(nèi)隨著M的增大而增大。但是MDPCM調(diào)制的最大傳輸速率還與α有關(guān)，即與時(shí)間分辨間隔ts的 寬窄有關(guān)，ts越窄，則該調(diào)制的最大傳輸速率就越大。

由于FSO系統(tǒng)的帶寬受限于光源的響應(yīng)速度W0，因此該系統(tǒng)的最大傳輸速率可等效于光源的響應(yīng)速度W0與采用的各個(gè)調(diào)制體制帶寬利用率的乘積。通過分析可知，在帶寬受限的系統(tǒng)中，可通過MDPCM調(diào)制提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率；在固定帶寬的系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)傳輸速率一定時(shí)，相比于其他3種調(diào)制方式，MDPCM調(diào)制對(duì)光源的響應(yīng)速度的要求更低一些。

2.2 MDPCM調(diào)制的FPGA實(shí)現(xiàn)

MDPCM調(diào)制是MDPIM的一種衍生，通過改變各符號(hào)所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制脈沖的周期實(shí)現(xiàn)調(diào)制。為了能在接收端找到每幀數(shù)據(jù)的起始位置，在發(fā)送端固定數(shù)量數(shù)據(jù)幀前插入同步幀頭，插入的幀頭盡量避開所傳輸?shù)男畔ⅰ１疚脑诿?5個(gè)數(shù)據(jù)幀前集中插入一個(gè)97FD的幀頭，構(gòu)成一個(gè)超幀，然后再調(diào)制。

假設(shè)需要調(diào)制的信息以二進(jìn)制比特流輸入FPGA，首先需要將比特流串并轉(zhuǎn)換為M進(jìn)制的數(shù)據(jù)，在15個(gè)數(shù)據(jù)幀前插入同步幀頭構(gòu)成超幀，再通過MDPCM調(diào)制的將超幀映射成周期不同的二進(jìn)制脈沖，每一個(gè)數(shù)據(jù)起始都是高電平，每幀數(shù)據(jù)調(diào)制完成后加上一個(gè)高脈沖作為停止位。由于MDPCM調(diào)制后的長(zhǎng)度不固定，所以調(diào)制每幀數(shù)據(jù)的時(shí)間也不相同；如果采用時(shí)鐘控制調(diào)制，即每幀數(shù)據(jù)采用相同的時(shí)間實(shí)現(xiàn)調(diào)制，就會(huì)導(dǎo)致漏碼。可以通過RAM或者FIFO等的緩存來解決周期不固定導(dǎo)致的問題，而本系統(tǒng)采用了FIFO緩存待調(diào)制數(shù)據(jù)來解決漏碼的問題。MDPCM的調(diào)制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 MDPCM調(diào)制結(jié)構(gòu)圖

將PC機(jī)上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽PGA電路板上，首先在FPGA上進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，將8位二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為4位二進(jìn)制數(shù)；再將十六進(jìn)制字符進(jìn)行RS(15，5)編碼，RS(15，5)在短碼和中等碼長(zhǎng)中的糾錯(cuò)性能最好；然后在編碼后的15個(gè)字符前加上同步幀頭，構(gòu)成超幀；最后將其進(jìn)行MDPCM調(diào)制；調(diào)制后的脈沖信號(hào)輸出到LED陣列的驅(qū)動(dòng)電路上，通過控制LED燈的亮滅實(shí)現(xiàn)信息的傳輸。當(dāng)調(diào)制頻率設(shè)置為200 kHz時(shí)，其對(duì)應(yīng)的SignalTap輸出結(jié)果如圖6所示。

圖6 發(fā)射端的SignalTap輸出結(jié)果

圖6中的data_in是通過串口輸入FPGA的數(shù)據(jù)波形；rsin是待編碼的數(shù)據(jù)；rsout是RS編碼的結(jié)果；mdpcm_out是MDPCM調(diào)制的結(jié)果。圖6中的第一組字符放大后如圖7所示。

圖7 發(fā)射端的輸出結(jié)果部分放大

2.3 MDPCM解調(diào)的FPGA實(shí)現(xiàn)

解調(diào)就是將接收端光電探測(cè)器檢測(cè)到的信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理電路后送入FPGA進(jìn)行調(diào)制的逆過程，恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。

通過幀同步可獲得每幀數(shù)據(jù)的使能信號(hào)wrreq和每個(gè)數(shù)據(jù)幀的起始位置qd，通過高速時(shí)鐘對(duì)信號(hào)qd的周期進(jìn)行采樣計(jì)數(shù)，根據(jù)最大似然概率準(zhǔn)則對(duì)計(jì)數(shù)值所在的區(qū)域進(jìn)行判決，從而獲得解調(diào)后的數(shù)據(jù)，恢復(fù)出基帶信號(hào)。最大似然概率判決準(zhǔn)則表達(dá)式為。最大似然判決準(zhǔn)則區(qū)域圖形表示如圖8。由圖8可獲得具體的數(shù)學(xué)判決表達(dá)式：

圖8 判決準(zhǔn)則

解調(diào)出的數(shù)據(jù)mi可表示為

該系統(tǒng)采用高速時(shí)鐘計(jì)數(shù)解調(diào)，每個(gè)解調(diào)出的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘數(shù)目是一個(gè)范圍，而不是一個(gè)固定的數(shù)，即使相差幾個(gè)時(shí)鐘，計(jì)數(shù)值仍在這個(gè)范圍內(nèi)，對(duì)解調(diào)沒有影響。若采用與發(fā)射端頻率相同的時(shí)鐘解調(diào)的，即便相差一個(gè)時(shí)鐘都會(huì)導(dǎo)致解調(diào)錯(cuò)誤。采用高速時(shí)鐘解調(diào)確保了解調(diào)的準(zhǔn)確性。根據(jù)MDPCM的解調(diào)原理，可畫出MDPCM解調(diào)的流程圖如圖9所示。

圖9 MDPCM解調(diào)流程

當(dāng)MDPCM的調(diào)制頻率為200 kHz時(shí)，數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)制后的MOS管柵極處的信號(hào)波形(示波器通道1)與整形電路的輸出信號(hào)波形(示波器通道2)如圖10所示。由圖可知，收發(fā)兩端信號(hào)波形相差了180°，為了處理數(shù)據(jù)方便，輸入FPGA的信號(hào)首先進(jìn)行一個(gè)反相處理。

圖10 整形電路的輸出信號(hào)波形

將整形后的信號(hào)送入FPGA，在FPGA內(nèi)首先進(jìn)行軟件濾波器濾除掉較小的尖峰脈沖，其次通過同步找到每幀數(shù)據(jù)的起始位，然后進(jìn)行MDPCM解調(diào)和RS解碼，恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)，最后傳回PC機(jī)。接收端FPGA頂層模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)后，其對(duì)應(yīng)的SignalTap輸出結(jié)果如圖11所示。

圖11 接收端的SignalTap輸出結(jié)果

圖11中的mdpcm_in是信號(hào)送入FPGA后經(jīng)過反相處理后的輸出結(jié)果；tong是幀同步后找到的每幀數(shù)據(jù)的起始位置；dedpcm_out是解調(diào)后的結(jié)果；sink_out是RS解碼的輸入數(shù)據(jù)；num_err_sym是用來標(biāo)識(shí)待解碼碼字中的符號(hào)錯(cuò)誤個(gè)數(shù)；rsout是RS解碼后的結(jié)果；將信息位從rsout中提取出來，通過串口傳回PC機(jī)，rs232_tx是向串口發(fā)送的數(shù)據(jù)。將圖10中黑色框中的部分放大，如圖12所示。

圖12 接收端的輸出結(jié)果的部分放大

3 實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

將預(yù)先設(shè)計(jì)好的水下藍(lán)光LED通信系統(tǒng)硬件平臺(tái)搭建好，在長(zhǎng)×寬×高為1.55 m×0.4 m×0.6 m的實(shí)驗(yàn)水箱中注入0.2 m深的自來水，向這0.124 m3的水中逐漸添加一定質(zhì)量的氫氧化鋁和氫氧化鎂[11]的混合物并攪拌均勻，增加水體的渾濁度，模擬水中的懸浮顆粒。將發(fā)射端光源置于水箱的一側(cè)，接收端置于水箱的另一側(cè)，實(shí)際通信距離約1.5 m。不同渾濁度的水質(zhì)和不同調(diào)制頻率情況下的誤碼率測(cè)試結(jié)果表2所示。

表2 不同渾濁度和調(diào)制頻率的誤碼率

由表2可知，當(dāng)調(diào)制頻率小于等于200 kHz的時(shí)候，水質(zhì)的渾濁度的增加到40.32 g/m3時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)無誤碼的通信。調(diào)制頻率大于300 kHz的時(shí)候，當(dāng)調(diào)制頻率一定時(shí)，隨著水質(zhì)渾濁度的增加，誤碼率越來越大；當(dāng)水質(zhì)的渾濁度一定時(shí)，隨著調(diào)制頻率的增大，誤碼率也越來越大；甚至出現(xiàn)丟幀的情況，這是主要是由于懸浮顆粒的散射導(dǎo)致的部分相鄰脈沖的周期發(fā)生改變，導(dǎo)致最終解調(diào)出錯(cuò)。

4 結(jié)論

本文介紹了MDPCM調(diào)制體制的結(jié)構(gòu)，通過對(duì)OOK、PPM、DPIM和MDPCM這幾種調(diào)制方式發(fā)射功率、帶寬利用率和傳輸速率等方面性能的研究可知，在帶寬受限系統(tǒng)中，MDPCM調(diào)制以犧牲功率為代價(jià)，提高了帶寬利用率，但是MDPCM調(diào)制的功率利用率高于OOK的；而且在相同帶寬下能大量的提高數(shù)據(jù)傳輸速率。在接收端采用高速時(shí)鐘對(duì)MDPCM進(jìn)行解調(diào)，每個(gè)解調(diào)出的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘數(shù)目是一個(gè)范圍，而不是一個(gè)固定的數(shù)，有效的解決了多徑引發(fā)的脈沖展寬問題，保護(hù)了時(shí)隙，不需要進(jìn)行同步，實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單。通過搭建了水下藍(lán)光LED的通信系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)水下性能進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明調(diào)制頻率和水質(zhì)的渾濁度都會(huì)影響通信的誤碼率，隨著調(diào)制頻率和渾濁度的增大，誤碼率也越來越大。采用該MDPCM調(diào)制技術(shù)的水下藍(lán)光LED通信系統(tǒng)具有可行性，且調(diào)制系統(tǒng)比較穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單。由于傳輸速率越大，誤碼率越高，因此在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，我們需要權(quán)衡一下發(fā)射功率、帶寬利用率、傳輸速率和誤碼率等，選擇在某種環(huán)境下最適合通信的調(diào)制方式和調(diào)制頻率。