刘杰徽，何 英，胡 锋，甘若宏，甘智宇

(重庆前卫科技集团有限公司，重庆 401121)

0 引 言

随着国家对海洋权益保护的日益重视，与海洋作业相关的活动迅速增多，如石油等资源的开采、海底生物的研究和国家安全防卫等。水下高速无线通信技术对于水下活动具有重要的研究意义。可见光通信(Visible Light Communication, VLC)是一种新型宽带通信技术,其通过高性能的发光二极管(Light Emitting Diode，LED)发出高速闪烁信号，由接收端的光敏元件传输信息，具有通信速率高、安全性好和体积小等优势[1-3]。VLC可以补充无线电频率通信，并改善无线网络性能，实现新的移动无线设备使用案例[4]。

近年来，空间调制(Spatial Modulation, SM)技术作为一种有效的功率和带宽调制技术，在VLC领域受到越来越多的关注。2018年，Wang J Y[5]等研究了基于SM的具有任意发射机数量的VLC，提出了一种信道自适应位映射方案，并验证了该方案的有效性；同年，Hessien S[6]等针对水下VLC系统(Underwater Visible Light Communication，UVLC)，实现了一种自适应的长期演进帧结构，在考虑信道估计和同步的情况下，对采用非均匀限幅光正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)调制技术的UVLC系统的性能进行了实际测试，研究了OFDM参数的变化对系统信噪比和误码率性能的影响，但该系统测试的水下信道距离仅为1 m(衰减系数为0.071 m-1)；2019年，Chen M等[7]开发了一种基于现场可编程门阵列芯片的实时离散多音(Discrete Multi-Tone ,DMT)收发器，该收发器在一个硅衬底蓝色LED的UVLC系统中进行了实验验证，DMT信号的总比特率达到2.34 Gbit/s，误码率为3.5×10-3，该系统水下链路距离为1.2 m。

水下信道模型中应用最广泛的是比尔定律(Beer Law)，Beer Law认为水下光束能量衰减特性是与介质的吸收特性和散射特性相关的指数衰减特性[8-9]，且光子发生散射效应后，将离开主光轴中视场角接收范围，因此，Beer Law在相对简单的纯水环境及短距离通信中有效。现阶段无法针对LED水下通信进行光衰减系数的直接测试。因此，本文提出了一种水下光衰减系数测试方法，通过对样本水质衰减度进行拟合，并对UVLC的信道模型进行估计，设计并搭建了UVLC，实现了不同距离下的语音通信。本文还分析了不同距离下信号幅度的影响因素，验证了该模型和测试方法的正确性。

1 水下通信距离信道模型估计

在水下短距离条件下，仍然采用Beer Law信道模型来描述水下光束能量衰减特性。水的吸收特性与水中所含的物质成分密切相关，如各种无机物、有色溶解有机物和浮游植物，而水的散射与水中颗粒物的种类、直径大小和分布有关[10]。依据能量守恒定律，入射光束减少的能量应该等于被水吸收的和散射出的光束总量即衰减总功率[11]。通过发射、吸收和散射功率得出散射度和吸光度，最后对水体厚度求极限得到水体的吸收和散射系数[12]。光在水中的衰减主要来自吸收和散射的影响，所以水下光通信首先要考虑到的就是水对光的吸收与散射效应，其决定着信道模型中的吸收与散射系数[13]。

由于该信道模型为指数衰减模型，在特定的水文与深度条件下，定义水下信道能量衰减模型[14]为

式中：I为光通过介质后的光强度；I0为初始光强度；z为光通过介质的距离；c为介质衰减系数；a为介质对光的吸收系数；b为散射系数。

根据现有模型，在室温和环境光照度为0的条件下，选择额定功率为1 W、波长为465 nm的蓝光LED作为光源，取少量目标海域海水作为通信水质样本，在容器壁厚5 mm，长宽高分别为25 cm×25 cm×50 cm的玻璃容器中进行衰减系数试验，图1所示为衰减系数试验测试图。

图1 衰减系数试验测试图

应用照度计(MT-4617LED)测量蓝光入射水质样本前的初始照度，然后在玻璃容器中加入适量水质样本，再次测量穿过既定高度水质样本的光照度。第一次测试完成后，继续加入水质样本，每次水质样本高度增加0.05 m，每加入一次水质样本，测量一次光的出水照度，连续进行6组不同深度的水质样本出水照度测量，每组测量5次，并对5次数据取平均。得到经过水质样本的照度数据结果并拟合，图2所示为样本水质衰减系数拟合曲线图。

图2 样本水质衰减系数拟合曲线图

试验测试结果函数拟合方程为

式中：x为光通过介质的距离；y为照度计在不同距离的照度测量值。对照Beer Law信道模型，0.206 7为拟合介质衰减系数，式中照度系数与初始照度值一致，如果令光入水前初始照度值为L0，则

由于照度L=φ/S为单位面积上的光通量，S为照度计的光探测接收面积，φ为通过该接收面积的光通量，可以得出以下推算，

令φy=y×S，φ0=L0×S，则可得

式中：W为辐射到接收面积S上的光功率；n为转换效率。

由此可知，在既定水质条件下的通信距离与发射光功率和接收光功率有关，根据样本水质测试结果，即在光源和接收端灵敏度确定的前提下，可以根据最远接收光功率的大小，应用以上表达式，估算出在该水质条件下的水下通信距离。

若针对波长为λ的LED光源测试或采用光功率设备进行测试时，即可将上式改为

式中，c(λ)为波长为λ的光在该水质中的衰减系数。

2 UVLC系统

2.1 系统模型

UVLC系统框图如图3所示。发送端和接收端主要包括信号处理部分和光学模块部分。首先，信源发送信号，由信号处理部分对信号进行编码、调制和转换后进入光学模块部分，通过光源发送信号至水下光信道。信号经过水下信道传输后，接收端由光学模块中的高灵敏度光电探测器对光信号进行检测，转换为电信号后再进入信号处理部分解调，从而恢复原始信息。

图3 UVLC系统框图

由于可见光在信道传输过程中会有能量损耗，光电探测器检测输出的电流信号幅值较小，在收发端光学模块电路中分别设计了一个功率放大器和增益控制器，对电压信号进行放大，接收电路将光电探测器检测后产生的微弱电流信号转变为电压信号后，方便进行后续的信号处理。

2.2 发射端

图4所示为发射端示意图，本系统的发射端主要包括发射灯头与发射模块电路，发射灯头采用的是可调焦距的商用饵灯灯头，发射模块电路包括音频信号处理模块、功放模块和发射驱动电路。

图4 发射端示意图

为了VLC的便捷和节能，光源器件选用体积小和功耗低的LED作为发光器件。LED是电流驱动的单向导通器件，其亮度与正向电流成正比，而LED本身的伏安特性并不是严格的线性，为保证LED的正常通信功能，在进行发射电路设计时必须把电流控制在线性区域内，本次测试选用1 W商用科锐(CREE)蓝色灯珠，型号为XPE-2-R4，图5所示为所测LED传输特性曲线。

图5 LED伏安特性曲线图

根据LED传输特性，选取LED光源的工作电压为4.5 V，使其工作在线性区内。由于系统传输业务为音频信号，要设计合适的频率响应特性的直流偏置电路，系统带宽的上限截止频率(增益下降-3 dB处)控制在2 kHz以上，保证0～2 kHz信号有良好的幅频特性。图6所示为直流偏置电路原理图。

图6 直流偏置电路原理图

可计算得出该电路的频率响应，公式如下：

式中：j为傅里叶变换后虚数单位；ω为角频率。设计直流偏置电路的关键在于将ω调节到信号的3 dB带宽处，根据以上计算，并对器件进行适当选型，令C1=330 μF，L1=10 μH，R1=30 Ω，Vcc=4.5 V，在Multisim软件中对信号响应进行仿真，仿真结果如图7所示，图中，Channel_A为输入信号通道，输入信号为2 kHz的交流信号，Channel_B为输出信号通道。由图可知，该电路实现了输出信号的无失真偏置，且在2 kHz以内有良好的幅频响应。

图7 直流偏置电路仿真结果

2.3 接收端

图8所示为接收端示意图。在接收端准直光学系统中，选择圆形光学玻璃凸透镜作为光学镜片进行接收。该透镜为耐高温高硼硅材质，内外圆直径为38～48 mm，透光率高达99%，焦距范围为42 mm+20 mm。同时，为了便于焦距调节和光信号的对准，光电二极管(Photodiode，PD)设计在光电转换电路的中心，在旋转圆筒的条件下，使接收光斑与PD的位置重叠。

图8 接收端示意图

系统的光电探测器采用的是HAMAMATSU公司的型号为S6968的硅本征半导体(Positive Intrinsic Negative，PIN) PD。S6968是一款高速响应和高灵敏度的PD，光谱响应范围为320～1 060 nm，光电管响应度为0.10～0.63 A/W，在波长为465 nm时，探测响应度为0.30 A/W，并满足全波段可见光探测。探测器感光面为15 mm2，能较大面积接收光信号。

3 水下通信试验

3.1 试验系统搭建

为验证全双工通信性能，采用两套设备同时通信，发射端采用型号(XPE-2-R4)和额定功率(1W)相同的CREE灯珠，其中一个发射端安装白色LED光源，另一个发射端安装465 nm蓝色LED光源，各接收端连接扬声器，可随时接收发送端音频信号。

在各发送端，将录制的单音音频信号存储在安全数码(Secure Digital，SD)卡中，并将SD卡插入发送端卡槽中，信号处理模块自动读取音频信号，并进行连续发送。调节各发送端设备直流偏置电路加载信号功率基本保持一致，发送端供电电压均为12 V，稳态工作电流调节在250 mA左右。

选取两套相同的可见光发射端与接收端设备安装在两个工装上，每个工装上装有一个发送端和一个接收端，发送端与接收端的中心间距80 mm，将安装好设备的两个工装分别固定在两个箱体内，并将箱体安装在实验车上，可沿滑轨滑动，试验装置和环境如图9所示。

图9 通信平台与测试图

3.2 测试结果与信号谱估计

在当前水质条件下(由函数拟合得到衰减系数为0.206 7 m-1)，蓝光音频信号水下通信距离略低于白光音频信号的水下通信距离，蓝光音频水下通信最远距离为5.05 m，白光的水下音频通信最远距离为5.30 m，在各通信距离范围内，接收端扬声器均能发出单音音频信号，信号中有微弱噪声。

由于两种波长的光源水下通信距离相差不大，因此选择水下通信距离分别为1、2、3、4和5 m，用RIGOL DS1204B示波器对接收端输出信号进行采样。由于本次全双工通信实验的信道特性一致，本次选用蓝色光源进行发送和接收信号的波形采集，得到的波形数据如图10所示。

图10 发送波形与不同距离接收波形采集图

由图可知，接收信号幅度随着通信距离的增加逐渐降低。为了对接收信号的完整性进行评估和信号衰减规律验证，本次采用自回归(Auto Regressive，AR)模型估计方法对发送的语音数据和接收的语音数据进行功率谱分析，并对分析结果进行抽样对比，如图11所示。

图11 功率谱分析图

由于接收端使用了电压增益控制，输出信号幅度峰值大于发射端输出信号幅度峰值。由图11可知，接收和发送信号的变化趋势和频谱的幅度趋势保持一致，说明信号基本被完整接收。发送的音频信号功率主要集中在100 Hz以内。因此，选择功率谱密度峰值进行统计，如表1所示，并将统计值进行拟合。分析结果可知，被拟合的功率谱密度峰值呈线性衰减变化，由于功率与信号幅度为对数函数关系，因此，信号在水下传输过程中，信号幅度呈指数衰减趋势变化，与前文对水质样本衰减系数测试模型估计是一致的。

表1 功率谱峰值表

3.3 信噪比分析

应用RIGOL RSA5032频谱分析仪对水下通信距离分别为1、2、3、4和5 m的接收信号进行采样。采样方法为，在关闭发送端情况下，将接收输出信号端连接至频谱分析仪，得到噪声信号强度测试值，分别采样5次，每次测5组数据并求得平均值，即为环境噪声强度。在打开发送端情况下，用同样的方法采样得到信号强度测试值，并求得均值，即为信号强度，将不同距离的采样信号功率与环境噪声功率作差值运算，得到的信噪比数据如图12所示，本次测试忽略发送端引入的热噪声。

图12 不同距离的信噪比

由图可知，接收端输出信号随着通信距离的增加，信噪比逐渐降低，通过函数拟合发现，基本呈线性衰减变化。由于水下信道对光的吸收和散射作用，使得光信号幅度成指数衰减，在通信距离为5 m时，信噪比为11.28 dB，接收到的音量最小。

实验发现，接收端的扬声器均能听到音频，并且随着水下小车滑动距离的增加，音量逐渐降低，同时在接收音频中出现了微弱杂音，从示波器测试波形上观察，接收音频信号基本保持完整，同时也出现了少量毛刺，即引入了一定噪声。通过对测试结果分析，噪声来源主要有两个方面，一方面发送端信号自身引入了高斯白噪声，另一方面由于本次设计没有在通信设备接收端添加光学滤波片，无法对另一发送信号引起的接收串扰进行相互隔离，同时也无法对环境噪声进行滤波处理，使得接收端音频出现了微弱杂音，由于S6968的硅PIN PD的光谱响应范围为320～1 060 nm，使得白色光源比蓝色光源的探测响应范围宽，在一定程度上增加了白色光源的探测响应度，因此，蓝光音频信号水下通信距离略低于白光音频信号的水下通信距离。

目前，国内对可见光音频通信系统的研究以室内通信为主。因此，为了说明本文研究的UVLC音频系统优势，以现有某个典型的UVLC音频系统[15]为例，进行性能对比分析，如表2所示。

表2 水下通信性能对比表

由表可知，采用蓝色商用LED光源，本文研究的音频通信系统在发射额定光功率较小的情况下，最远通信距离为5.05 m，通信距离有很大提升。在不同通信距离点(现有水下音频通信系统以通信距离为1.5 m的数据为准)，对接收信号峰峰值与发射信号(发送频率f为0～2 kHz)峰峰值的比值取对数，即信号平均增益，本系统的信号平均增益大，通过功率谱分析，接收信号完整性较好。另外，本文研究的音频通信系统为双向通信，且对接收信号进行了信噪比分析，相比现有水下音频通信系统，本系统对通信性能的验证和研究更加充分，从以上对比可知，本文研究的音频通信系统的性能具有一定优势。

4 结束语

本文进行了基于PIN的UVLC双向语音通信系统试验，通过对接收端和发送端的音频信号进行采集和测试，并进行对比分析，同步进行了语音全双工通信测试实验，试验证明，在发送端功耗基本一致的情况下，接收端应用S6968的硅PIN光电探测器，白色光源水下通信距离高于蓝色光源水下通信距离，且两种光源的水下通信距离均超过了5 m；通过对接收端与发送端音频信号的频谱估计对比分析，频谱基本保持一致，验证了当前实验条件下，信号接收完整性良好。对接收端的信噪比进行统计分析，接收端输出信号随着通信距离的增加，信噪比逐渐降低，通过函数拟合发现，基本呈线性衰减变化，验证了水下近距离光通信水质衰减系数测试方法的正确性。