水下无线蓝绿激光通信系统设计

水下无线蓝绿激光通信系统设计

刘雪辰

海军装备部

摘 要：传统的水下通信一般采用声学通信和电磁波通信。由于激光的特殊性能，采用水下激光通信具有高保密性、高传输速率和高抗干扰等优点。本文利用蓝绿光在水中的低衰减系数的特性，通过研究蓝绿光激光器LD和光电探测器PIN的特性，分别设计了输出电流可调的恒流源电路、高速内调制电路、光电转换电路以及弱信号检测电路，最终实现水下蓝绿光通信。

关键词：蓝绿光激光；内调制；水下通信

0引言

水下光通信是以光波作为载波实现数据传输的通信方式[1]。相比于其它通信方式，水下无线光通信具有以下特点：光波的频率很高,故其承载信息的能力很强,能够传输的信息容量很大,可使用的通信带宽很宽；光波具有很高的传输速度；若使用激光作为光源,水下光通信系统对各种干扰的抵抗能力非常强；激光的发散性小、光束窄、传播的方向性好,从而增加了通信系统的保密性[2]。其应用在商业领域，可对海洋的能源、地形、气候等进行探测；在军事领域中，可借助它对敌军进行突然袭击，切具有很好的隐蔽性以及和外界通信。所以水下光通信是具有很好地发展前景。

1通信总系统设计

本文基于蓝绿光在水中吸收特性和激光的准直性优点实现水下通信，其主要研究的内容包括：信号调制、恒流源（驱动蓝绿光激光器）、光电检测器件（光电二极管PIN）、互阻放大电路路、主级放大电路以及判决电路的设计。系统具体框图如图1所示。

图1系统框图

从图1可知本系统主要分为光发送模块和光接收模块。光发送主要完成的任务是将数字的电信号转移到光上。光接收的作用是将光信号转化成电信号，并将电信号恢复成可处理的数字信号。

2通信系统光发送机

2.1光源驱动电路设计

激光二极管一般均采用恒流的方式驱动，恒流源的制作方法较多，如线性稳压芯片LDO、开关电源DC-DC、三极管或者MOS管（威尔逊电流源）等。其中线性稳压芯片工作效率较低，所以选用BUCK型的DC-DC（LT3474）制作恒流源用于驱动LD。绿光激光器可选用的功率为120mW、波长520nm、驱动电流240mA。设计电路如图2所示。

图2激光驱动电路

影响DC-DC的另一重要因素就是PCB的布局布线，一个良好的布局可以使器件发挥到最高的性能[3]，信号通过寄生电感（L）时，短时间内高的电流变化会产生电压尖峰噪声；通过寄生电容（C）时，快速变化的电压会耦合到临近的信号线上即串扰；通过寄生电阻（R）时，共用GND的信号会互相干扰，即共阻干扰。

2.2光调制电路设计

通过利用MOS管的开关特性改变LD的电流实现数字信号调制。选用MOS管时主要关注导通电阻Rds、阈值电压V_GS、开启时间T_(d（on）)、关断时间T_(d（off）)、输入电容Ciss等参数。

鉴于现今微处理器的输出电压基本都是5V或者3.3V，所以微处理器如FPGA的输出信号首先因先通过电压反馈运算放大器芯片OPA690对其进行适当的放大。整体调制电路如图3所示。

图3 调制电路

图中C12和C14是电源滤波电容，一般选取一大一小，分别滤除低频和高频杂波。影响调制速率的主要是激光二极管和MOS管本身的开关特性，可以利用上图所示加直流偏置的方法增大调制速率。

3通信系统光接收机

3.1I-V转换电路设计

光通信中常见的前置放大电路有低阻抗前置放大、高阻抗前置放大、跨阻抗前置放大，其对比关系如下表1所示：

表格 1三种前置放大电路的比较

前置放大电路主要实现低噪声放大，对信号的放大倍数要求不高。由表中对比可知，要实现高速通信，前置放大需采用夸阻抗放大电路。此处选用TI公司的OPA380作为前置放大芯片。具体电路设计如图4所示。

图4 前置放大电路

3.2主级放大电路设计

前置放大电路的输出电压信号的幅度较小，需要后级再次放大。常见的小信号放大电路有仪表放大电路、普通运放级联电路或自动增益AGC电路。

此处采用具有关断功能的电压反馈性OPA847作为主级放大芯片，可选取反馈电阻为510和47欧姆的电阻实现。具体电路如图5所示。

图5主级放大电路

3.3信号整形电路设计

由于光电检测器PIN和前置放大电路都存在一定的杂散电容，使得放大过后的信号并不是理想的数字信号，信号要进行后期的采集电路，必须满足采集电路的信号幅度要求，所以信号整形电路是必不可少的。一般采用比较器恢复数字信号。

比较器的响应时间t_PD（一般的取值范围是从几个微秒到几个纳秒）是选择时的一个重要参数，即输出对输入端某一预定的电压阶跃的响应以及完成输出转换的50%所需要的时间。一般来说t_PD会随着输入过激励值（由器件本身确定）的增加而降低。常见的有过零比较器、窗口比较器等，选用TI公司的TLV3501。实现电路如图6所示。

图6  信号恢复电路

4系统测试

测试是整个设计的必可少的一个环节，可以从中不断的发现问题和解决问题，最终满足设计指标。

本设计考虑到激光器的使用寿命，结合使用的OOK调制方式，初步设计使输入低电平时MOS管关断激光器不工作，输入高电平时MOS打开激光器正常工作，工作方式如图7所示。但在实验中发现，此种方法调制，速率较低，最高只能在100KHz左右。

图7 激光器的工作方式

经分析，影响调制速率的主要是MOS和激光器的开启以及关断时间太长，导致最终的调制速率限制在100KHz。解决办法是为MOS管以及激光器的驱动信号加载一个直流偏置，使MOS在关断时并不完全断开，一般MOS的开启电压是2.4V左右，添加一个1.2V的偏置即可。本文采用的电路均为单电源电路，通过输入直流电压调节直接偏置（如图8所示），可通过电阻R8、R10来调节输出电压的最小值即前述的直流偏置。

图8  输出直流偏置电路

激光器工作时一般研究对象为电流。但是电流在测试过程中不方便检测，此处检测LED两端的电压（只有存在一定的电压差，激光器才能有电流通过即工作）。加载直流偏置以后LD两端静态电压的测试波形如图9所示。搭建电路进行测试，观察发现调制速率得到了明显的提高， 1MHz时两端电压的测试波形如图10所示。

      图9  加载直流偏置LD两端电压         图10  1MHz信号LD两端电压

由此可知LD在1MHz频率下工作时，可以快速的完成的暗、亮（0、1）转换。测试发现，该系统最高调制频率稳定可达12MHz。

接收端输出信号的波形由整形电路决定，在传输1Mbps的信号时比较器的输入、输出信号如图11所示。通过调节参考电压输入管脚的电压调整输出信号的占空比使其为50%，波形恢复效果较好。改变信号源的输出信号频率，图12为12MHz时接收端的波形。

图11  在1Mbps时的接收波形          图12 在12Mbps时接收波形

5结论

本文设计了一套低成本的水下蓝绿光通信系统。从分析光通信系统的工作原理和技术研究，得到了水下蓝绿光通激光器驱动电路的设计与工作机理，并重点给出了系统的具体硬件电路和设计方案。同时本文所设计的驱动电路对激光器的保护也做了充分地考虑，有效降低了半导体激光器的损耗，具有很强的实用参考价值。

参考文献：

[1]将涵涵.基于LED的高速水下无线光通信系统的设计与实现[D].山东：中国海洋大学，2013.

[2]马礼观.水下无线光通信技术研究与系统设计[D].福建：厦门大学，2013.

[3]普利斯曼,比得斯,莫瑞.开关电源设计[M].北京：电子工业出版社，2010.

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