水下光通信多媒體數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

曹 聰，郭建中，王振亞，譚 浪，胡仁杰， 艾 勇，肖 云，袁進(jìn)剛，萬(wàn)梓傲

(1.武漢紡織大學(xué) 電子與電氣工程學(xué)院，武漢 430200；2.武漢六博光電技術(shù)有限責(zé)任公司，武漢 430072； 3.武漢船舶通信研究所，武漢 430205)

引言

水下光通信是一種通過水介質(zhì)傳輸信息的通信方式，其信息載體是光，通過脈沖數(shù)字碼進(jìn)行調(diào)制。由于海水吸收、散射強(qiáng)烈，水下光通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)會(huì)比空間光通信技術(shù)的難度大大提升[1]。一個(gè)完整的水下光通信系統(tǒng)包括大功率藍(lán)綠光LED發(fā)射模塊、高靈敏度APD接收模塊、FPGA下位機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模三大部分，由于該系統(tǒng)在水下工作，一些相關(guān)的參數(shù)與傳輸數(shù)據(jù)難以顯示和分析，于是基于該系統(tǒng)中的FPGA數(shù)據(jù)控制轉(zhuǎn)換部分與PC聯(lián)合設(shè)計(jì)了一款通信系統(tǒng)，由PC提供水下通信數(shù)據(jù)的直觀顯示，可實(shí)現(xiàn)多媒體數(shù)據(jù)傳輸及光信道性能檢測(cè)。上位機(jī)作為信源發(fā)出數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)線傳遞給FPGA，F(xiàn)PGA經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)LED發(fā)射模塊，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)發(fā)出，接收方通過高靈敏度APD將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)接收，再通過FPGA由網(wǎng)線將信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，在上位機(jī)中完成數(shù)據(jù)處理并顯示處理結(jié)果。此為完成一次單向的水下光通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。上位機(jī)主要功能是為數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)收發(fā)顯示以及發(fā)送控制命令，下位機(jī)主要功能是控制數(shù)據(jù)傳輸速率與硬件系統(tǒng)相匹配以及直接控制硬件設(shè)備。為增加數(shù)據(jù)發(fā)送方與接收方的互動(dòng)性，在上位機(jī)軟件中增加了攝像頭抓拍及循環(huán)發(fā)圖功能?？蓮膱D片等數(shù)據(jù)的接收完整性，直觀體現(xiàn)水下光通信系統(tǒng)的傳輸穩(wěn)定性。

1 原理與設(shè)計(jì)

1.1 多媒體數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理流程

上位機(jī)軟件主體部分采用C#語(yǔ)言編寫,利用Microsoft Visual Studio 2017開發(fā)工具在.NET Framework v4.6.1框架下進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)。C#是一種簡(jiǎn)單、現(xiàn)代、通用以及面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言[2]。下位機(jī)部分主要采用Verilog HDL語(yǔ)言編寫,利用QuartusⅡ17.0軟件進(jìn)行開發(fā)。Verilog HDL是一種硬件描述語(yǔ)言,邏輯電路圖、邏輯表達(dá)式以及數(shù)字邏輯系統(tǒng)所完成的邏輯功能都可以用它來(lái)表示，它將數(shù)字系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)和行為以文本的形式描述[3]。

FPGA通過網(wǎng)線與上位機(jī)連接，水下光通信設(shè)備開機(jī)后，F(xiàn)PGA處于等待狀態(tài)，通過上位機(jī)開啟服務(wù)，綁定固定端口，與下位機(jī)進(jìn)行通信。上位機(jī)通過指令，控制系統(tǒng)的運(yùn)行模式、光發(fā)射模塊與光接收模塊的開關(guān)及傳輸速率的切換等，通過光發(fā)射與光接收的硬件部分反饋的信號(hào)，F(xiàn)PGA判斷其是否正常工作并將結(jié)果返回給上位機(jī)，由開關(guān)控制區(qū)域的顏色進(jìn)行表示。FPGA端資源有限，通過建立簡(jiǎn)易的UDP通信模塊與PC端進(jìn)行通信，F(xiàn)PGA根據(jù)接收的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)電路控制[4,5]。PC端開啟UdpReciveThread()線程進(jìn)行接收，將接收的數(shù)據(jù)按照自定義的通信協(xié)議解析數(shù)據(jù)包，再進(jìn)行相應(yīng)的處理及顯示。

1.2 多媒體數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)PC與FPGA檢測(cè)系統(tǒng)中的處理流程和數(shù)據(jù)的調(diào)用可分為四層：如圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，分別為界面層、處理層、通訊層和FPGA層。

圖1 多媒體數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of multimedia data transmission system

水下光通信系統(tǒng)框圖如圖2所示，下位機(jī)以UDP數(shù)據(jù)包的形式從上位機(jī)接收數(shù)據(jù)，在FPGA中通過FIFO緩沖解決PC與FPGA之間的數(shù)據(jù)傳輸速率匹配問題和FPGA內(nèi)部的跨時(shí)鐘域問題[6]，再將數(shù)據(jù)以LVTTL電平的模式傳輸給LD驅(qū)動(dòng)電路。FPGA將UDP模塊接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行RS糾錯(cuò)編碼，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，再進(jìn)行8B/10B編碼防止過多連續(xù)零和連續(xù)一的情況發(fā)生，再進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換以及幀同步后輸出的信號(hào)通過LD發(fā)射模塊發(fā)出，接收端接收后一次進(jìn)行譯碼，再有UDP模塊傳送給PC進(jìn)行處理顯示。若發(fā)送方改變了FPGA的發(fā)送速率，接收方的FPGA會(huì)對(duì)接收速率自適應(yīng)改變，并將改變后的速率通過消息形式發(fā)送給上位機(jī)顯示。

圖2 水下光通信系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flow chart of underwater optical communication system

1.3 PC與FPGA各個(gè)模塊設(shè)計(jì)

1.3.1 數(shù)據(jù)讀取模塊的設(shè)計(jì)與開發(fā)

目前實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信通常使用的方式有兩種：1)USB轉(zhuǎn)串口方式；2)以太網(wǎng)方式。本次水下光通信系統(tǒng)的通信速率范圍跨度大，傳輸速率要求高，擬達(dá)到50 Mbps，故而選用網(wǎng)線連接的方式，運(yùn)用以太網(wǎng)進(jìn)行通信。該通信系統(tǒng)工作前，需先將PC端的IP地址設(shè)置為與下位機(jī)代碼中對(duì)應(yīng)的地址。在后臺(tái)代碼中利用建立Socket建立套接字，可應(yīng)用Bind()綁定端口，與FPGA端進(jìn)行端對(duì)端的收發(fā)。其通訊準(zhǔn)備流程如圖3所示。

圖3 通訊準(zhǔn)備流程圖Fig.3 Flow chart of communication preparation

通訊準(zhǔn)備完成后，上位機(jī)需向FPGA發(fā)送相應(yīng)指令，使FPGA打開光發(fā)射與接收的硬件設(shè)備，即可進(jìn)行模式選擇，同時(shí)可收到FPGA返回的當(dāng)前信道數(shù)據(jù)的傳輸速率，點(diǎn)擊繪圖模式便可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的發(fā)送與接收速率并繪制成曲線。若發(fā)送端的速率改變后，系統(tǒng)將處于未同步狀態(tài)，接收端會(huì)自動(dòng)調(diào)整接收端的速率檔位直到設(shè)備處于同步狀態(tài)。其繪制的速率曲線圖界面如圖4所示。

圖4 通信速率曲線圖Fig.4 Communication rate curve

光接收模塊接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出給FPGA，F(xiàn)PGA經(jīng)過幀同步穩(wěn)定接收后，設(shè)置幀長(zhǎng)為1024字節(jié)為一幀，其中前8個(gè)字節(jié)為自定義通信協(xié)議數(shù)據(jù)包格式中的數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)接收函數(shù)一直運(yùn)行需要大量資源，會(huì)使主線程操作時(shí)卡頓，故開啟一個(gè)新的線程，進(jìn)行消息接收。為了保證軟件的穩(wěn)定性，一般使用異步調(diào)用的方式。在新線程中調(diào)用Receive()方法進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)讀取流程圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)讀取流程圖Fig.5 Data reading flow chart

1.3.2 數(shù)據(jù)解析模塊的設(shè)計(jì)與開發(fā)

上位機(jī)接收FPGA傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，通過幀頭辨別數(shù)據(jù)類型進(jìn)行相應(yīng)的處理。將接收到的數(shù)據(jù)包暫存在新建數(shù)組中，根據(jù)自定義的通信協(xié)議進(jìn)行判斷。由于從光模塊接收的數(shù)據(jù)已經(jīng)有FPGA經(jīng)過幀同步處理了，所以無(wú)需再進(jìn)行特殊判別，可直接將接收數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，若不是所需要數(shù)據(jù)可直接舍去，后續(xù)不做任何處理。數(shù)據(jù)解析流程圖如圖6所示。自定義控制命令格式如圖7所示。

圖6 數(shù)據(jù)解析流程圖Fig.6 Data analysis flow chart

首先UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)層通過添加IP首部，封裝成IP數(shù)據(jù)包的格式，然后送到以太網(wǎng)MAC層完成以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式的封裝，最后才送到物理層處理，在數(shù)據(jù)鏈路層，數(shù)據(jù)都是以數(shù)據(jù)幀的形式進(jìn)行傳輸?shù)?。以太網(wǎng)有效數(shù)據(jù)封裝成標(biāo)準(zhǔn)幀之后再進(jìn)行傳輸[7]。標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的幀格式包括幀頭標(biāo)記(前導(dǎo)碼和幀起始定界符)、目的MAC地址、源MAC地址、長(zhǎng)度/類型域、數(shù)據(jù)域、填充域和幀校驗(yàn)域等字段[8]。

圖7 自定義控制命令格式Fig.7 Custom control command format

1.3.3 數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計(jì)與開發(fā)

在通訊模式下，F(xiàn)PGA首先進(jìn)行幀同步，確認(rèn)幀同步后開始進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與傳輸，在FPGA中數(shù)據(jù)主要經(jīng)過了8B/10B編解碼，RS編解碼的處理，主要是為了降低通信誤碼率，使得數(shù)據(jù)可以進(jìn)行有效且穩(wěn)定的傳輸，數(shù)據(jù)由FPGA傳送給上位機(jī)，上位機(jī)進(jìn)行處理顯示，根據(jù)幀頭判斷多媒體數(shù)據(jù)的形式，再將以不同形式進(jìn)行展現(xiàn)；在誤碼測(cè)試模式下，F(xiàn)PGA無(wú)需進(jìn)行幀同步等處理，發(fā)送方由本原多項(xiàng)式產(chǎn)生27-1位偽隨機(jī)序列，以固定時(shí)鐘循環(huán)發(fā)送，接收方接收進(jìn)行循環(huán)比對(duì)，以接收到的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)作為總數(shù)，比對(duì)的不同個(gè)數(shù)作為誤碼個(gè)數(shù)，反饋給上位機(jī)，上位機(jī)利用BitConverter()函數(shù)轉(zhuǎn)化為浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)進(jìn)行處理顯示。數(shù)據(jù)處理流程如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.8 Data processing flow chart

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 多媒體數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)通信性能自測(cè)

首先對(duì)PC與FPGA組成的通信系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立的性能測(cè)試，只有先確保了該系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，才可加入到水下通信系統(tǒng)中進(jìn)行水下的綜合測(cè)試。上位機(jī)主頁(yè)面如圖9所示。

主頁(yè)面包含有基礎(chǔ)的字符串、圖片等數(shù)據(jù)傳送功能，在主頁(yè)面的“上位機(jī)模式選擇”中包含有互動(dòng)功能，增加人機(jī)的互動(dòng)性，可手動(dòng)截圖發(fā)送，也可定時(shí)在某一時(shí)刻拍攝發(fā)送給對(duì)方，也可設(shè)置開始與結(jié)束時(shí)間在期間以某一特定時(shí)間間隔拍攝并發(fā)送給對(duì)方。該功能增強(qiáng)整體系統(tǒng)的人際互動(dòng)性。此頁(yè)面如圖10(a)所示。循環(huán)與實(shí)時(shí)功能，便于觀測(cè)連續(xù)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收情況，可從側(cè)面反映出系統(tǒng)通信性能的情況。實(shí)時(shí)功能頁(yè)面如圖10(b)所示。

圖9 上位機(jī)主頁(yè)面Fig.9 The main page of the host computer

2.1.1 丟包率測(cè)試

為便于觀測(cè)對(duì)比發(fā)送與接收的數(shù)據(jù)，有單塊FPGA與PC通過網(wǎng)線相連進(jìn)行系統(tǒng)的環(huán)回實(shí)驗(yàn)，通過Wireshark軟件在PC端進(jìn)行抓包，對(duì)所抓取的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包進(jìn)行比對(duì)。丟包率是數(shù)據(jù)通信過程中數(shù)據(jù)包丟失的數(shù)量與發(fā)送數(shù)量的比率[9]，其可以作為一項(xiàng)重要指標(biāo)來(lái)證名該系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通信丟包率部分測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

通過對(duì)通信丟包率的測(cè)試，相同數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、相同速率、不同數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)；相同數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、不同速率、相同數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)；各項(xiàng)測(cè)試中的丟包率均為0，可以得出PC與FPGA組成的通信系統(tǒng)穩(wěn)定性極好，不存在丟包情況，能夠應(yīng)用于水下光通信的測(cè)試中。

2.1.2 誤碼測(cè)試模式可用性測(cè)試

誤碼率是通信信道性能的直接體現(xiàn)，為了測(cè)試該系統(tǒng)誤碼測(cè)試的功能，使用單塊FPGA與PC進(jìn)行環(huán)回實(shí)驗(yàn)，其中有插入誤碼的功能，能夠測(cè)試該系統(tǒng)中誤碼測(cè)試功能是否良好。誤碼率的計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

式中Pe為誤碼率；Ne為傳輸中的誤碼個(gè)數(shù)；N為傳輸中的總碼數(shù)。根據(jù)以上誤碼率的計(jì)算公式計(jì)算，誤碼率測(cè)試結(jié)果如表2所示(速率是指FPGA開發(fā)板上利用SMA傳輸線模擬的光信道的傳輸速率)。

經(jīng)計(jì)算檢驗(yàn)，界面顯示的誤碼率準(zhǔn)確。通過對(duì)誤碼率測(cè)試功能的檢測(cè)，可以得出該系統(tǒng)測(cè)試誤碼率的方法可靠性高。基于不同的數(shù)據(jù)傳送速率，插入誤碼次數(shù)不同，由于SMA代替光信道，多次實(shí)驗(yàn)，誤碼率的變化符合理論規(guī)律。

表1 通信丟包率測(cè)試

表2 誤碼率測(cè)試

2.2 誤碼測(cè)試模式可靠性測(cè)試

測(cè)試場(chǎng)景如圖11所示，為同一通信信道，分別使用誤碼儀與該檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)誤碼率，其中誤碼儀型號(hào)為ET34A誤碼測(cè)試儀，該誤碼儀速率最高僅能達(dá)到34 Mbps。其中，圖11(a)、(b)為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖，圖11(c)、(d)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。由于條件有限，搭建簡(jiǎn)易的平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，根據(jù)接收端增加衰減片模擬水下不同距離的接收。

圖11 檢測(cè)系統(tǒng)誤碼率準(zhǔn)確率測(cè)試Fig.11 Testing the accuracy of the bit error rate of the detection system

圖12 測(cè)試場(chǎng)景圖Fig.12 Test scene diagram

根據(jù)多次的實(shí)驗(yàn)，該檢測(cè)系統(tǒng)的誤碼率與同一條件誤碼儀檢測(cè)的誤碼率一致，故此系統(tǒng)可用于測(cè)試實(shí)際水下光通信信道的誤碼率檢測(cè)，從而獲取水下光通信信道的性能指標(biāo)與關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

2.3 水下通信系統(tǒng)整體測(cè)試

通信測(cè)試時(shí)間為下午至夜晚，地點(diǎn)為泳池內(nèi)，泳池兩邊分別放置2個(gè)設(shè)備，里面分別有藍(lán)綠LED和藍(lán)綠LD發(fā)射模塊及APD、PMT接收模塊。其中藍(lán)綠光波長(zhǎng)分別為450 nm和520 nm，藍(lán)綠光LED陣列發(fā)光功率均為36.6 W，藍(lán)色激光發(fā)光功率均為80 mW，綠色激光發(fā)光功率均為130 mW，APD探測(cè)器接收靈敏度約為-31dBm，PMT探測(cè)器靈敏度約為-55 dBm。測(cè)試場(chǎng)景圖如圖12所示，其中(a)、(b)為空間測(cè)試場(chǎng)景圖，(c)、(d)為水下測(cè)試場(chǎng)景圖。

下午在空間上對(duì)該套設(shè)備的性能進(jìn)行了測(cè)試，速率為3 Mbps，通信距離為50 m時(shí)，測(cè)得誤碼率為10-8。實(shí)驗(yàn)截圖如圖13所示。

圖13 空間光通信信道誤碼測(cè)試結(jié)果圖Fig.13 Error test result of space optical communication channel

晚上在水下對(duì)該套設(shè)備的性能進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)射端由藍(lán)光發(fā)射光源，接收端由大面積APD進(jìn)行光接收，測(cè)試的誤碼率情況如圖14所示。

經(jīng)過多次測(cè)試得到結(jié)論，最佳情況為：空間中測(cè)試，綠光LED發(fā)射，PMT接收，通信距離50 m，通信速率3 Mbps可達(dá)到0誤碼；空間中藍(lán)光LED發(fā)射，APD接收，則誤碼率為10-8，此時(shí)可雙向發(fā)送接收近乎完整的多媒體數(shù)據(jù)；水下環(huán)境測(cè)試，藍(lán)光LD發(fā)射，APD接收，通信距離15 m，通信速率50 Mbps可達(dá)到0誤碼，可接收完整數(shù)據(jù)；水下環(huán)境測(cè)試，綠光LD發(fā)射，PMT接收，通信距離40 m，通信速率3M，誤碼率為10-5，接收數(shù)據(jù)不完整。

圖14 水下光通信信道誤碼測(cè)試結(jié)果圖Fig.14 Error test results of underwater optical communication channel

3 結(jié)論

綜上所述，本文中PC與FPGA所組成的多媒體數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)具有穩(wěn)定性與可靠性，且能夠加入到水下光通信系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并在不同傳輸速率下能夠測(cè)得光通信信道的誤碼率，得到光通信系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)。還能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)回傳，當(dāng)前通信速率以繪圖形式呈現(xiàn)出來(lái)，非常直觀；當(dāng)前誤碼率也是實(shí)時(shí)在界面刷新，并且可停止在某一時(shí)刻獲取當(dāng)前時(shí)刻得誤碼率值。在誤碼率良好的情況下可進(jìn)行多媒體數(shù)據(jù)的傳輸。該系統(tǒng)在水下光通信中十分具有應(yīng)用意義，并具有穩(wěn)定可靠性，用于水下光通信中。