一種燈塔平臺可見光岸海遠距離通信系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

劉婷婷，馬向陽，董潔，陳萍

（中國船舶集團系統(tǒng)工程研究院，北京，100094）

0 引言

目前，我國海洋應(yīng)急通信能力不足，需要應(yīng)急補網(wǎng)與能力增強。我國目前的海洋通信基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，海上近岸通信主要依靠臨海移動通信網(wǎng)絡(luò)、短波/超短波電臺網(wǎng)絡(luò)。近年來，隨著南海開發(fā)的迅速推進，一些條件較好的島嶼完善了公眾移動通信網(wǎng)絡(luò)，然而僅限于島嶼及周邊較近的海上區(qū)域。在中國近海范圍中，各燈塔平臺主要作用包括護航照明、指導(dǎo)地理坐標(biāo)、軍事防御和宣示主權(quán)，并且各海域上各燈塔平臺之間相距較遠，分布較為零散，難以成體系或者規(guī)模在海上應(yīng)急通信領(lǐng)域進行使用，無法滿足海上安全風(fēng)險事件防控和應(yīng)急處置的需求。

本文設(shè)計了一種基于燈塔平臺可見光岸海遠距離通信系統(tǒng)，傳統(tǒng)LED 可見光通信發(fā)散角度大，易于對準(zhǔn)，并且輸出功率可以很高，達到W 級別，能夠達到遠距離的通信要求。且LED 體積小、易于安裝、價格低、受溫度影響小，人眼安全[1]。因此，在已有成熟的LED 可見光通信的基礎(chǔ)之上，研究一種遠距離LED 可見光通信系統(tǒng)尤為重要。本文從LED 可見光通信系統(tǒng)總體設(shè)計、硬件、調(diào)制解調(diào)和軟件設(shè)計研制分析，并生產(chǎn)配套樣機進行岸海遠距離拉距試驗驗證。一方面通過原理樣機的研制，驗證了以較大的波束發(fā)射角和接收視場角進行遠距離通信實際能力，另一方面，驗證了在無線電信號受到干擾、設(shè)備故障、船舶遇險等緊急情況下，燈光通信可提供半徑15km 區(qū)域范圍內(nèi)安全、有效的最低限度通信手段，提高海上安全風(fēng)險事件防控和應(yīng)急處置能力。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本系統(tǒng)為全雙工通信系統(tǒng)，為更好的表述，僅以單向通信為例進行描述。系統(tǒng)各組成部分簡述如下：

控制處理模塊：為本系統(tǒng)控制核心部件，主要采用單片機STM32F407 和藍牙模塊、DDS 芯片、FPGA 組成。

發(fā)射部分：包含數(shù)模變換器（DAC）、驅(qū)動電路、LED陣列和透鏡，DAC 負責(zé)將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬電波形，驅(qū)動電路負責(zé)驅(qū)動LED，完成電光轉(zhuǎn)換，透鏡控制光束角度，提供天線增益。

接收模塊：包括匯聚透鏡、濾光片、光電變換器件、前置放大器和模數(shù)變換器（ADC）。負責(zé)光路處理、光電變換和光電流的放大處理[2]。

2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計

本系統(tǒng)硬件模塊：控制處理模塊、光發(fā)射模塊、光接收模塊、電源模塊、調(diào)制解調(diào)和濾波器。

■2.1 控制處理模塊

控制處理模塊包括光發(fā)送和光接收兩個方向的控制處理功能[3]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 控制處理模塊-發(fā)送方向

圖3 控制處理模塊-接收方向

光發(fā)送方向主要功能包括：手持終端通過藍牙接入控制處理模塊，完成用戶數(shù)據(jù)接入，通過DPSK 調(diào)制，對用戶數(shù)據(jù)進行DPSK 調(diào)制。

光接收方向主要功能包括：對跨阻放大器的輸出電壓信號進行AD 采樣[4]，并送到單片機內(nèi)部，完成對DPSK 信號進行解調(diào)，解碼后用戶數(shù)據(jù)送給手持終端。

光發(fā)送：手持終端通過藍牙信息傳輸下行進入FIFO，進行DPSK 調(diào)制（首先進行差分編碼，然后使用DDS 電路生成250kHz 調(diào)制載波[5]，將需要發(fā)送出去的信號調(diào)制成2DPSK 信號，加載到載波上，再經(jīng)過放大和控制電路通過智能燈組發(fā)送出去。

光接收：對來自光電接收模塊的信號首先進行A/D 轉(zhuǎn)換，進行混頻以降低載頻，然后進行帶通濾波以降低電域噪聲，再進行DPSK 解調(diào)，最終送給手持終端[6]。

■2.2 光發(fā)送模塊

光電發(fā)送模塊的主要功能是電光變換、光束成型。

手持終端發(fā)送的數(shù)據(jù)藍牙接口發(fā)送到控制處理模塊，首先進入DSP，在DSP 中進行鏈路層和物理層處理，進行糾錯編碼，然后使用DDS 實現(xiàn)2DPSK 調(diào)制，將數(shù)字格式的已調(diào)信號送給DAC，然后變成連續(xù)的物理波形，這個電信號通過驅(qū)動電路轉(zhuǎn)變成電流信號驅(qū)動LED 陣列，發(fā)出光信號，光信號經(jīng)過匯聚透鏡控制發(fā)射光束的角度[7]。

如圖4 所示，來自核心板的已調(diào)制信號輸入到LED 驅(qū)動器，LED 驅(qū)動器驅(qū)動LED 陣列發(fā)光。光通信設(shè)備中共36個LED，每6 個LED 串聯(lián)成一串，每2 串并聯(lián)到一起，使用一個驅(qū)動電路，整個陣列共有3 個驅(qū)動電路； LED 上安裝一個光學(xué)透鏡，該透鏡將LED 的光束角壓縮到8±2°[8]。該模塊為輸入信號安排了測試點，可對輸入信號特性進行測量，光學(xué)特性在模塊外部使用光學(xué)儀表進行測量。

圖6 電源單元原理框圖

■2.3 光接收模塊

光電接收模塊的主要功能是光學(xué)匯聚、光學(xué)濾波、光電變換、跨阻放大。

由接收鏡頭將光聚焦后，經(jīng)過光學(xué)濾波片濾除帶外背景光噪聲之后，通過APD 的光電轉(zhuǎn)換將光信號轉(zhuǎn)換成電流信號，電流信號經(jīng)過跨阻放大器的放大后變?yōu)殡妷盒盘?，電壓信號送入A/D 轉(zhuǎn)換電路，將電壓數(shù)字化，數(shù)字化后的信號經(jīng)過FPGA的濾波，解調(diào)出信息數(shù)據(jù)送到主控制模塊[9]。

在光電接收模塊處，光信號首先被匯聚透鏡匯聚，然后

經(jīng)一片20nm 的帶通濾光片濾波后，進入到APD（雪崩光電二極管）。APD 將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘枺俳?jīng)跨阻放大器放大為電壓信號?？缱璺糯笃骶哂凶詣釉鲆婵刂乒δ埽蛇m應(yīng)信道衰減的大幅度變化[10]。上圖中的運算放大器A、低通濾波器LPF 和三極管Q 構(gòu)成直流抵消電路，該電路旁路掉光電流中的直流分量，可避免跨阻放大器飽和。

■2.4 電源模塊

電源模塊的主要功能是為設(shè)備提供交直流兩種供電方式，輸入電源電壓即可采用AC220V 供電，也可采用DC24V（懸浮）供電兩種電源互為備份，交直流供電能自動無縫隙切換，交流供電優(yōu)先。交流220V 50Hz 電源，通過電源濾波器濾波和整流模塊，然后經(jīng)變壓器、整流和濾波電路器將DC370V 變換成DC24V 輸出。直流輸入電源電壓DC24V 經(jīng)濾波電路變換成DC24V 輸出。

■2.5 調(diào)制解調(diào)/濾波器設(shè)計

2.5.1 調(diào)制解調(diào)方案

本系統(tǒng)采用2PSK 調(diào)制方案進行設(shè)計。

（1）2PSK 調(diào)制的實現(xiàn)

在二進制數(shù)字調(diào)制之中，當(dāng)正弦載波的相位隨著二進制數(shù)字基帶信號離散變化時，產(chǎn)生二進制移相鍵控（2PSK）信號。通常用已調(diào)信號載波的0°和180°分別表示二進制數(shù)字基帶信號的1 和0。2PSK 是用二進制數(shù)字信號控制在獲得兩個通常相隔π 弧度的相位，例如用相位0 和π 分別表示二進制中的1 和0。

在發(fā)送端采用了DDS 的方法實現(xiàn)2PSK 的調(diào)制。對于常見的DDS 芯片，如AD9852，需要在頻率控制字(FTW)中寫入載波頻率，并在兩個相位調(diào)整寄存器(Phase Adjust Register)中寫入相位控制字，再將數(shù)據(jù)源接到輸入管腳。當(dāng)準(zhǔn)備就緒后，激活I(lǐng)/O update clock 管腳，系統(tǒng)就能開始工作，實現(xiàn)2PSK 調(diào)制。芯片在2PSK 模式下時序如圖7所示。

圖7 DDS 芯片在2PSK 模式下時序

（2）2PSK 解調(diào)的實現(xiàn)

2PSK 信號通常采用帶通匹配濾波器或相關(guān)解調(diào)器進行解調(diào)，并進行最佳檢測?？紤]到使用帶通匹配濾波器進行解調(diào)時，判決點需要較精確的在波形開始后的Tb 時刻，判決點采樣時刻的細微偏差會對判決結(jié)果造成較大的誤差，所以在此采用相關(guān)解調(diào)。具體的解調(diào)原理如圖8 所示。

圖8 2PSK 解調(diào)方案

圖9 等波紋濾波器設(shè)計方案

在接收端采用了數(shù)字解調(diào)的方法。光信號在進入接收端時，先經(jīng)過光電探測器，實現(xiàn)了光電變換變?yōu)榱穗娏餍盘?，然后光電流?jīng)過前置放大器由電流信號放大并變?yōu)殡妷盒盘枺瑢Υ穗妷盒盘栠M行采樣，完成了模擬信號向數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。在對采樣信號進行帶通濾波之后，得到的數(shù)據(jù)將在接收端的單片機中進行解調(diào)[11]。

2.5.2 濾波器設(shè)計

濾波器設(shè)計考慮的相關(guān)問題如表1 所示。

表1 濾波器設(shè)計考慮相關(guān)問題

經(jīng)過大量仿真實驗驗證，本系統(tǒng)選擇等波紋Equirripple 濾波器設(shè)計方案，其特點是：在相同情況下最大逼近誤差最小，即通帶最大衰減最小，阻帶最小衰減最大；波紋比較穩(wěn)定；設(shè)計容易實現(xiàn)；通帶比較寬；旁瓣變化比較陡。主要設(shè)計參數(shù)：階數(shù)120，Ast=60dB。

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)可見光通信設(shè)備的通信采取手持終端（三防手機）的形式，以APP 方式實現(xiàn)，并可實現(xiàn)雙向語音通信[12]。其APP 軟件總體按功能劃分可分為以下幾個模塊：照明、通信業(yè)務(wù)、參數(shù)設(shè)置。

其系統(tǒng)軟件工作流程圖如圖10 所示。

圖10 軟件總體工作流程圖

4 平臺的測試與分析

本系統(tǒng)對燈塔遠距離可見光通信平臺進行了測試和評估，包括莫爾斯報文傳輸功能、傳輸速率以及遠距離通信距離功能測試?？梢姽馔ㄐ牌脚_分為燈塔端平臺和船載端兩部分，燈塔端燈光通信設(shè)備固定在燈塔平臺上，船載端燈光設(shè)備固定在船載上，兩端分別接收和發(fā)送可見光進行通信測試，光源類型為紅光LED，波長860nm，光功率216W。測試場景如圖11 所示。

圖11 可見光通信測試場景圖

試驗連接示意圖如圖12 所示。

圖12 可見光（紅外光）通信試驗連接示意圖

（1）莫爾斯報文傳輸功能測試

可見光通信平臺按圖12 進行連接后，燈塔端燈光通信設(shè)備和船載端燈光設(shè)備互發(fā)報文完成對準(zhǔn)后，燈塔端燈光設(shè)備向船載端通信設(shè)備發(fā)送莫爾斯報文“thank you”，接收端手持終端可以正確接收并顯示“thank you”；按相反流程，船載端燈光設(shè)備向燈塔端通信設(shè)備發(fā)送莫爾斯報文，接收端手持終端正確接收并顯示“thank you”，即可完成傳輸功能測試驗證。

（2）通信傳輸速率測試

可見光通信平臺按圖12 進行連接后，燈塔端燈光通信設(shè)備和船載端燈光設(shè)備互發(fā)報文完成對準(zhǔn)后，燈塔端燈光設(shè)備向船載端通信設(shè)備發(fā)送不少于10000 個數(shù)字報文，接收端手持終端可以正確接收并顯示；按相反流程，船載端燈光設(shè)備向燈塔端通信設(shè)備發(fā)送不少于10000 個數(shù)字報文，接收端手持終端正確接收并顯示，兩端根據(jù)報文數(shù)據(jù)量和時間計算通信速率，即可完成傳輸速率測試驗證。

（3）遠距離通信距離測試

可見光通信平臺按圖13 進行連接后，當(dāng)船載端行駛至7.5km 處時，燈塔端燈光通信設(shè)備和船載端燈光設(shè)備互發(fā)報文完成對準(zhǔn)后，燈塔端燈光設(shè)備向船載端通信設(shè)備發(fā)送一組數(shù)據(jù)報文，船載端手持終端可以正確接收并顯示，記錄接收數(shù)據(jù)報文的流暢性和準(zhǔn)確性，重復(fù)3 次報文收發(fā)；按相反流程，船載端燈光設(shè)備向燈塔端通信設(shè)備發(fā)送一組數(shù)據(jù)報文，燈塔端手持終端可以正確接收并顯示，記錄接收數(shù)據(jù)報文的流暢性和準(zhǔn)確性，重復(fù)3 次報文收發(fā)。當(dāng)船載端行駛至15km 時，重復(fù)上述過程進行驗證。

圖13 船載端行駛軌跡圖

5 平臺性能測試與分析

我們在紅光LED、波長頻率860nm、光功率216W、接收端靈敏度小于-57dBm 的固定條件，大氣透射率0.8T、背景光強度200cd/m2（隨天氣變化）的測試條件下，對可見光通信平臺進行了莫爾斯報文傳輸功能、傳輸速率以及遠距離通信距離功能測試，通過燈塔端和船載端燈光設(shè)備手持終端對接收到的數(shù)據(jù)進行記錄，測試結(jié)果如表2 所示。

表2 功能測試記錄

測試結(jié)果表明，在進行莫爾斯碼業(yè)務(wù)報文測試時，當(dāng)燈塔端發(fā)送莫爾斯碼時，船載端建鏈正常，接收莫爾斯碼正常；當(dāng)船載端發(fā)送莫爾斯碼時，燈塔端建鏈正常，接收莫爾斯碼正常。在進行傳輸速率測試時，燈塔端發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸速率5.5kbps，船載端發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸速率5.32kbps；在進行通信距離測試時，燈塔端與船載端分別相距7.5km和15km時，建鏈正常，通信情況良好，可實現(xiàn)無誤碼數(shù)據(jù)傳輸。因此，本文系統(tǒng)設(shè)計方法可以滿足岸海遠距離通信，實際通信范圍可覆蓋15 公里，語音和數(shù)據(jù)通信正常，在接收端經(jīng)過濾波器后的信號波形檢測相對穩(wěn)定，因此本系統(tǒng)設(shè)計合理，具有實際使用價值。

6 結(jié)束語

本文介紹了一種基于燈塔平臺可見光岸海遠距離系統(tǒng)設(shè)計、實現(xiàn)與驗證，結(jié)合岸海LED 可見光通信系統(tǒng)的特點，重點介紹了LED 可見光遠距離通信系統(tǒng)樣機設(shè)計方案，結(jié)果表明：本系統(tǒng)提供了近岸常態(tài)應(yīng)急保障手段，搭建了在既有燈塔站點上配置響應(yīng)的體系架構(gòu)，實現(xiàn)燈塔站點周圍附近海域的常態(tài)化應(yīng)急通信保障。在我國近岸、島礁周邊發(fā)生災(zāi)害和突發(fā)事件時，通過在東海沿岸、島礁、以及重點海區(qū)布設(shè)的燈塔平臺上部署燈塔應(yīng)急通信系統(tǒng)，利用平臺支持能力強、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點地理位置相對固定的特點，實現(xiàn)近岸海域/島礁周邊15 公里左右范圍內(nèi)海域的全天時、全天候多功能應(yīng)急通信接入流程，可支持海上用戶SOS 呼救，能夠滿足海上應(yīng)急通信保障的具體需求，并靈活機動地調(diào)整服務(wù)區(qū)域范圍，對國內(nèi)可見光通信系統(tǒng)設(shè)計提供重要參考意義。