水下光通信系统设计发射端设计(附件)
21世纪以来世界对海洋的开发力度日益加大，越来越需要无线设备进行水下工作。相对于水下电磁波或声波的高衰减性，水下无线光通信系统，在通信质量、可靠性和系统应用的灵活性等方面，具有较大大的比较优势。本论文旨在水下复杂环境，水质，水纹，水底环境因素的干扰设计小型水下无线光通信设备。主要内容如下⑴根据水的光学特性，分析绿光（波长500 nm）的在水中的传输特性及性能指标，证明其实最优光源。考虑其在水中的衰减，设计水下光传输模型。⑵以51单片机为核心控制系统进行数据传送⑶设计具体装置，包括光源，光驱动放大电路，光发射天线（菲涅尔透镜），光电转换转置等。以使得发射端与接收端透过水进行同步信息传递，选择合适的调制方式使得使得传递效率高，且稳定。结果性能基本可以实现，光的接收端并不灵敏可靠性略有不足。关键词无线光通信，绿光，单片机，光学特性，单片机
目录
1绪论 1
1.1研究背景 1
1.2当前研究现状 1
1.3研究的困难 2
1.4研究可行性评估 2
1.5本论文研究思路简述 2
2、水下信道光学特性分析 3
2.1 水下的光学特性 3
2.2 光源参数意义 4
2.3 水中不同物质的衰减特性 4
2.4 装置自身影响 8
2.5光源波长的选择分析依据 9
3、水下通信OOK调制技术 9
3.1 OOK调制技术优势 9
3.2 OOK调制解决异步通信弱光干扰 10
3.3 OOK调制降低水下无线通信误码率 10
4、水下无线光通信发射端模型设计 11
4.1发射端的结构 11
4.2光发射单元 12
4.3光学透镜 14
4.4主控模块 15
5、实验装置 18
5.1 软件调试 18
5.2 Keil编译软件使用 19
5.3 实物展示及分析 19
5.4实验结果与分析 21
5.5 程序设计概述 23
6、总结与展望 23
6.1总结 23
6.2展 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
望。 24
致 谢 24
参考文献 25
1绪论
1.1研究背景
在陆地资源匮乏的今天，海洋资源需求越来越大，这将促使水下通信知识的发展，对成果的要求越来越高【1】。在探索过程中检测信号，控制信号，通信信道需要通过可靠的手段进行改善。现有的水下电磁波及声波受水纹和水质地形影响，信号容易被水中噪声淹没，然而光线尤其是波长500 nm的绿光（本论文第二部分详细论证光波长500 nm时光在水中衰减最小）相对于其他两种水下通信方式具有以下特点：(1)传输速率高(2)传输距离较远(3)带宽高(4)体积小、功耗低、成本低(5)保密性好，安全性高，基于上述优点水下光通信具有广阔前景。装置发射端通过OOK调制方式，直接将发送的二进制数转化成LED的亮灭，经放大电路及透镜发送光信号，同时接收端的光电二极管（AD5009）来感应，穿过水的的光信号。从而将光的亮灭转换成‘1’，‘0’数据从而实现通信。水下光通信为进一步开发利用水下资源提供支持【2,3】，所以水下光通信具有一定的前景和研究意义。
1.2当前研究现状
发展水下光通信一般可以从三个方向研究：
(寻找最优的光源：水对不同波长的光，表现出的吸收不同。在水中，红外线和紫外线吸收最多，可见光中红色，黄色，淡绿色吸收最多。而波长在462475nm的蓝偏绿的光线衰减程度最少。在光的波长确定的情况下，用何种方法产生，何种类型的光成为研究热点。因为激光具有a)方向性好b)能量集中4）相干性好的特点，激光被认为是水下通信的良好选择。同时基于氮化镓半导体产生的更是水下无线通信已经成为研究热点。
(提高光信号的能量利用率：提高利用率就是通过编码的方式使得信号源，发亮状态尽可能短，即能量尽可能的用于发亮。同时为了加强信息的可靠性，需要怎加校验码，而这些不携带信息的码则会浪费能量，因此在研究水下光通信时要兼顾可靠性和利用率。
(增加接收端的灵敏度：选择合适的材料作为光电检测装置。在发射端不改变的情况下，接收装置越灵敏，能对水中噪声中的少量有用信号产生明显反应，那么可以大大提高水下光通信的可能性及可靠性。目前雪崩二极管为常用的材料，由于电场的作用下，二极管在载流子能量不断增大，不晶体原子断相碰，共价键中的电子被激发形成的自由电，电子在移动中产生电流。
1.3研究的困难
光虽然相对于电磁波在水中的效果要好，但是同光在空气中传播比，其效果差很多，因此即使是用衰减最少的光，依然需要考虑两个方面，即光在水中衰减及光在水中散射。
吸收：光在水中传播的强度要比在空气中小，因此接收信号比较困难。
衰减：即使是蓝绿光（波长462475nm）在水中强度每米衰减约百分之四而其它颜色的光被吸收得更多，几米之外几乎完全消失了。因此在研究过程中发射端光源很难有明显的优化，此方向难以继续。
散射：在介质微粒的作用下，光线在传播中偏离离原来传播的方向。所以光经过散射后最终传到接收端的光束很少，而且散射与光强有关光强度越大，光的散射越大，所以增加发射端的光强度，并不能使接收端的光强增加。
由于在衰减特性与散射特性是无法避免的，因此可以从传播途径与接收端研究。遵循同等条件下尽可能大的功率发射光，尽可能优化编码少，减少发光时间及使灵敏度高的材料制作接收端的原则。
1.4研究可行性评估
本设计的着手点是如何提高光强和减少光的散射。目标是完成一个低成本的简单发射装置，所以编码方面要尽可能简单。只要解决了功率放大与光线汇聚设计就基本完成。为了很好的观察传递过程，以便检查出错原因，本设计先采用低速传递设计。因此一个低成本的水下光通信装置是可以制作的。
1.5本论文研究思路简述
1.5.1 光源选取
综合资料分析，考虑到绿光（波长500 nm）在水中衰减最少和激光对人体有伤害，所以使用更加安全的LED灯。
1.5.2 信号调制
比较PPM调制与OOK调制，从复杂情况，成本，有限的简单材料下能实现误码率及稳定性，全面分析最优的调制方式。最终选择方式简单的OOK调制方式。
OOK调制：开关键控调制。将所要发送的信息对应的二进制信号，直接接到光源信号的调制端对光源进行调制，通过光源的亮灭来表示所传数据的“0”、“1”。原理简单易于实现，占用带宽少，单位码元传信率高，应用广泛。
1.5.3 发射装置设计
包含发光驱动电路，发光光源，光学天线，调制模块。其中调制模块用单片机调制。
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目录
1绪论 1
1.1研究背景 1
1.2当前研究现状 1
1.3研究的困难 2
1.4研究可行性评估 2
1.5本论文研究思路简述 2
2、水下信道光学特性分析 3
2.1 水下的光学特性 3
2.2 光源参数意义 4
2.3 水中不同物质的衰减特性 4
2.4 装置自身影响 8
2.5光源波长的选择分析依据 9
3、水下通信OOK调制技术 9
3.1 OOK调制技术优势 9
3.2 OOK调制解决异步通信弱光干扰 10
3.3 OOK调制降低水下无线通信误码率 10
4、水下无线光通信发射端模型设计 11
4.1发射端的结构 11
4.2光发射单元 12
4.3光学透镜 14
4.4主控模块 15
5、实验装置 18
5.1 软件调试 18
5.2 Keil编译软件使用 19
5.3 实物展示及分析 19
5.4实验结果与分析 21
5.5 程序设计概述 23
6、总结与展望 23
6.1总结 23
6.2展 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
望。 24
致 谢 24
参考文献 25
1绪论
1.1研究背景
在陆地资源匮乏的今天，海洋资源需求越来越大，这将促使水下通信知识的发展，对成果的要求越来越高【1】。在探索过程中检测信号，控制信号，通信信道需要通过可靠的手段进行改善。现有的水下电磁波及声波受水纹和水质地形影响，信号容易被水中噪声淹没，然而光线尤其是波长500 nm的绿光（本论文第二部分详细论证光波长500 nm时光在水中衰减最小）相对于其他两种水下通信方式具有以下特点：(1)传输速率高(2)传输距离较远(3)带宽高(4)体积小、功耗低、成本低(5)保密性好，安全性高，基于上述优点水下光通信具有广阔前景。装置发射端通过OOK调制方式，直接将发送的二进制数转化成LED的亮灭，经放大电路及透镜发送光信号，同时接收端的光电二极管（AD5009）来感应，穿过水的的光信号。从而将光的亮灭转换成‘1’，‘0’数据从而实现通信。水下光通信为进一步开发利用水下资源提供支持【2,3】，所以水下光通信具有一定的前景和研究意义。
1.2当前研究现状
发展水下光通信一般可以从三个方向研究：
(寻找最优的光源：水对不同波长的光，表现出的吸收不同。在水中，红外线和紫外线吸收最多，可见光中红色，黄色，淡绿色吸收最多。而波长在462475nm的蓝偏绿的光线衰减程度最少。在光的波长确定的情况下，用何种方法产生，何种类型的光成为研究热点。因为激光具有a)方向性好b)能量集中4）相干性好的特点，激光被认为是水下通信的良好选择。同时基于氮化镓半导体产生的更是水下无线通信已经成为研究热点。
(提高光信号的能量利用率：提高利用率就是通过编码的方式使得信号源，发亮状态尽可能短，即能量尽可能的用于发亮。同时为了加强信息的可靠性，需要怎加校验码，而这些不携带信息的码则会浪费能量，因此在研究水下光通信时要兼顾可靠性和利用率。
(增加接收端的灵敏度：选择合适的材料作为光电检测装置。在发射端不改变的情况下，接收装置越灵敏，能对水中噪声中的少量有用信号产生明显反应，那么可以大大提高水下光通信的可能性及可靠性。目前雪崩二极管为常用的材料，由于电场的作用下，二极管在载流子能量不断增大，不晶体原子断相碰，共价键中的电子被激发形成的自由电，电子在移动中产生电流。
1.3研究的困难
光虽然相对于电磁波在水中的效果要好，但是同光在空气中传播比，其效果差很多，因此即使是用衰减最少的光，依然需要考虑两个方面，即光在水中衰减及光在水中散射。
吸收：光在水中传播的强度要比在空气中小，因此接收信号比较困难。
衰减：即使是蓝绿光（波长462475nm）在水中强度每米衰减约百分之四而其它颜色的光被吸收得更多，几米之外几乎完全消失了。因此在研究过程中发射端光源很难有明显的优化，此方向难以继续。
散射：在介质微粒的作用下，光线在传播中偏离离原来传播的方向。所以光经过散射后最终传到接收端的光束很少，而且散射与光强有关光强度越大，光的散射越大，所以增加发射端的光强度，并不能使接收端的光强增加。
由于在衰减特性与散射特性是无法避免的，因此可以从传播途径与接收端研究。遵循同等条件下尽可能大的功率发射光，尽可能优化编码少，减少发光时间及使灵敏度高的材料制作接收端的原则。
1.4研究可行性评估
本设计的着手点是如何提高光强和减少光的散射。目标是完成一个低成本的简单发射装置，所以编码方面要尽可能简单。只要解决了功率放大与光线汇聚设计就基本完成。为了很好的观察传递过程，以便检查出错原因，本设计先采用低速传递设计。因此一个低成本的水下光通信装置是可以制作的。
1.5本论文研究思路简述
1.5.1 光源选取
综合资料分析，考虑到绿光（波长500 nm）在水中衰减最少和激光对人体有伤害，所以使用更加安全的LED灯。
1.5.2 信号调制
比较PPM调制与OOK调制，从复杂情况，成本，有限的简单材料下能实现误码率及稳定性，全面分析最优的调制方式。最终选择方式简单的OOK调制方式。
OOK调制：开关键控调制。将所要发送的信息对应的二进制信号，直接接到光源信号的调制端对光源进行调制，通过光源的亮灭来表示所传数据的“0”、“1”。原理简单易于实现，占用带宽少，单位码元传信率高，应用广泛。
1.5.3 发射装置设计
包含发光驱动电路，发光光源，光学天线，调制模块。其中调制模块用单片机调制。
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