基于准相干调制技术的水下抗湍流无线光通信系统

1.本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于准相干调制技术的水下抗湍流无线光通信系统。


背景技术：

2.光信号在水下传输时，会受到水下湍流的影响，使光信号的传输性能降低。其中水下湍流是由海水盐度和温度变化引起的折射率随机波动。光束经过水下湍流信道后会造成光强闪烁，引起接收端的光功率抖动，导致信号误码率增大。在大气信道中，采用相干通信体制抑制大气湍流引起的光功率抖动。而在水下无线光通信中，为了提高光信号的传输性能，可使用调制技术来实现这一目标。
3.参见文献：wangt,etal.15mbpsunderwaterwirelessopticalcommunications basedonacousto-opticmodulatorandnrz-ookmodulation[j].optics&laser technology,2022,150:107943.其结构如图1所示，高速率远距离水下激光通信系统示意图。具体的结构为计算机12产生伪随机二进制序列，并上传到可编程门阵列fpga5中，然后将fpga产生的数据信号加载到驱动器4上。同时激光器1发出的光束经过凸透镜2到达声光调制器6，随后光束经过透镜7、水下信道8及会聚透镜9聚焦在光电二极管pin10上，并且检测到的电信号由数字示波器11捕获，然后发送到计算机12以进行进一步处理。该系统基于使用nrz-ook调制的aom的520nm激光二极管实现了高速率近距离的激光通信。但该系统未考虑海洋湍流的影响，且所用的调制格式在海洋湍流的影响下容易出现变形，无法抑制湍流带来的接收信号强度抖动问题。


技术实现要素：

[0004]
本发明为了解决现有技术存在抗海洋湍流效应差，无法抑制湍流带来的接收信号强度抖动问题，在接收端突发情况下无法根据信号强度恢复出基带信号的问题，提出一种基于准相干调制的水下抗湍流无线光通信系统。
[0005]
基于准相干调制的水下抗湍流无线光通信系统，该通信系统包括发射单元和接收单元；
[0006]
所述发射单元包括第一模数转换器、发射端fpga、第一数模转换器、光源驱动器；
[0007]
所述接收单元包括apd光电探测器、第二模数转换器、接收端fpga和第二数模转换器；
[0008]
模拟信号源经第一模数转换器进行模数转换后传送到发射端fpga，由所述发射端fpga进行频率调制后产生的数字频率调制信号传送至第一数模转换器，所述第一数模转换器将模拟频率调制信号传送至光源驱动器，所述光源驱动器驱动光源发光，控制光源发光强度，将所述光强变正弦变化信号即为准相干调制信号；
[0009]
所述光源输出光信号经过水下信道传输后到达接收端在apd光电探测器的光敏面上，光信号由apd光电探测器完成光电转换，输出的电信号第二模数转换器进行模数转换后
传输至接收端fpga进行相干解调、滤波，解调后的数字信号由第二数模转换器进行数模转换后输出的模拟信号作为信号源发出的原始信号，实现无线数据的传输。
[0010]
本发明的有益效果：
[0011]
(1)抗湍流能力强：通过准相干调制技术可以控制光源的发光强度，即是利用信号源对基带信号用fpga进行频率调制，使光源的发光强度呈正弦变化，其频率受信号源控制，在接收端用fpga进行相干解调，根据信号频率恢复出基带信号，不受信号强度的影响。
[0012]
解决了水下湍流引起的光强闪烁带来的接收信号强度抖动问题，有效抑制了水下湍流对信号的影响，改善了水下无线光通信系统的性能。
[0013]
(2)传输距离远：利用准相干调制技术抑制了接收端信号的强度抖动，光功率损耗较慢，传输距离更远。本发明基于准相干调制技术的水下抗湍流无线光通信系统在海水信道长距离通信领域具有广泛的应用前景。
附图说明
[0014]
图1为现有高速率远距离水下激光通信系统示意图。
[0015]
图2为本发明所述的基于准相干调制的水下抗湍流无线光通信系统的示意图。
具体实施方式
[0016]
结合图2说明本实施方式，基于准相干调制的水下抗湍流无线光通信系统，包括信号源13、第一模数转换器(ad)14、发射端fpga15、第一数模转换器(da)16、光源驱动器17、光源18、准直透镜19、水下信道20、会聚透镜21、apd光电探测器22、第二模数转换器(ad)23、接收端fpga24、第二数模转换器(da)25。其中发射端fpga15的作用是通过硬件描述语言编程实现信号源数字化信号的频率调制，接收端fpga24的作用是通过硬件描述语言编程实现频率调制信号的解调与滤波功能。
[0017]
信号源13为模拟信号，用电缆连接到第一ad14的输入端完成模数转换，转换后的数字信号经第一ad14的输出端送入发射端fpga15，由发射端fpga 15实现频率调制，产生的数字频率调制信号输出至第一da16，经过第一da16转换为模拟频率调制信号传输至光源驱动器17，由光源驱动器17驱动光源18发光，从而控制光源18发光强度，光强度变化即为准相干调制信号。
[0018]
光源18输出光信号经过准直器19准直为平行光，经过水下信道20传输后到达接收端，经过会聚透镜21聚焦后光束会聚在光电探测器apd22光敏面上，光信号由光电探测器22完成光电转换，输出的电信号由第二ad23完成模数转换，再传输至接收端fpga24，由接收端fpga24进行解调、滤波，解调后的数字信号由第二da25进行数模转换，第二da25输出的模拟信号即为信号源13发出的原始信号。总体上实现电信号-光信号-电信号在水下的无线数据传输。
[0019]
本发明可以得到长距离抗湍流的水下无线光通信系统，随着各种光电元器件的不断发展，将会得到更远距离更可靠的通信系统，并且其应用也将更加广泛。
[0020]
上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0021]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。


技术特征：
1.基于准相干调制的水下抗湍流无线光通信系统，其特征在于：该通信系统包括发射单元和接收单元；所述发射单元包括第一模数转换器、发射端fpga、第一数模转换器和光源驱动器；所述接收单元包括apd光电探测器、第二模数转换器、接收端fpga和第二数模转换器；模拟信号源经第一模数转换器进行模数转换后传送到发射端fpga，由所述发射端fpga进行频率调制后产生的数字频率调制信号传送至第一数模转换器，所述第一数模转换器将模拟频率调制信号传送至光源驱动器，所述光源驱动器驱动光源发光，控制光源发光强度，将所述光强变正弦变化信号即为准相干调制信号；所述光源输出光信号经过水下信道传输后到达接收端在apd光电探测器的光敏面上，光信号由apd光电探测器完成光电转换，输出的电信号第二模数转换器进行模数转换后传输至接收端fpga进行相干解调、滤波，解调后的数字信号由第二数模转换器进行数模转换后输出的模拟信号作为信号源发出的原始信号，实现无线数据的传输。2.根据权利要求1所述基于准相干调制的水下抗湍流无线光通信系统，其特征在于：所述发射单元还包括准直透镜，所述光源输出光信号经准直透镜准直为平行光，经过水下信道传输后到达接收端。3.根据权利要求1所述基于准相干调制的水下抗湍流无线光通信系统，其特征在于：所述接收单元还包括会聚透镜，所述光信号经过会聚透镜聚焦后光束会聚在apd光电探测器的光敏面上。

技术总结
基于准相干调制技术的水下抗湍流无线光通信系统，涉及无线通信技术领域，解决现有技术存在抗海洋湍流效应差，无法抑制湍流带来的接收信号强度抖动问题，在接收端突发情况下无法根据信号强度恢复出基带信号的问题，发射单元和接收单元；发射单元包括第一模数转换器、发射端FPGA、第一数模转换器、光源驱动器；接收单元包括APD光电探测器、第二模数转换器、接收端FPGA和第二数模转换器；本发明通过准相干调制技术可以控制光源的发光强度，即是利用信号源对基带信号用FPGA进行频率调制，使光源的发光强度呈正弦变化，其频率受信号源控制，在接收端用FPGA进行相干解调，根据信号频率恢复出基带信号，不受信号强度的影响。不受信号强度的影响。不受信号强度的影响。


技术研发人员：王大帅 张林 佟首峰 张鹏 杨柯琛 王乐
受保护的技术使用者：长春理工大学
技术研发日：2023.07.03
技术公布日：2023/9/23