一种灯塔平台可见光岸海远距离通信系统设计与实现

刘婷婷，马向阳，董洁，陈萍

（中国船舶集团系统工程研究院，北京，100094）

0 引言

目前，我国海洋应急通信能力不足，需要应急补网与能力增强。我国目前的海洋通信基础设施薄弱，海上近岸通信主要依靠临海移动通信网络、短波/超短波电台网络。近年来，随着南海开发的迅速推进，一些条件较好的岛屿完善了公众移动通信网络，然而仅限于岛屿及周边较近的海上区域。在中国近海范围中，各灯塔平台主要作用包括护航照明、指导地理坐标、军事防御和宣示主权，并且各海域上各灯塔平台之间相距较远，分布较为零散，难以成体系或者规模在海上应急通信领域进行使用，无法满足海上安全风险事件防控和应急处置的需求。

本文设计了一种基于灯塔平台可见光岸海远距离通信系统，传统LED 可见光通信发散角度大，易于对准，并且输出功率可以很高，达到W 级别，能够达到远距离的通信要求。且LED 体积小、易于安装、价格低、受温度影响小，人眼安全[1]。因此，在已有成熟的LED 可见光通信的基础之上，研究一种远距离LED 可见光通信系统尤为重要。本文从LED 可见光通信系统总体设计、硬件、调制解调和软件设计研制分析，并生产配套样机进行岸海远距离拉距试验验证。一方面通过原理样机的研制，验证了以较大的波束发射角和接收视场角进行远距离通信实际能力，另一方面，验证了在无线电信号受到干扰、设备故障、船舶遇险等紧急情况下，灯光通信可提供半径15km 区域范围内安全、有效的最低限度通信手段，提高海上安全风险事件防控和应急处置能力。

1 系统整体设计

本系统为全双工通信系统，为更好的表述，仅以单向通信为例进行描述。系统各组成部分简述如下：

控制处理模块：为本系统控制核心部件，主要采用单片机STM32F407 和蓝牙模块、DDS 芯片、FPGA 组成。

发射部分：包含数模变换器（DAC）、驱动电路、LED阵列和透镜，DAC 负责将数字信号转换成模拟电波形，驱动电路负责驱动LED，完成电光转换，透镜控制光束角度，提供天线增益。

接收模块：包括汇聚透镜、滤光片、光电变换器件、前置放大器和模数变换器（ADC）。负责光路处理、光电变换和光电流的放大处理[2]。

2 系统硬件模块设计

本系统硬件模块：控制处理模块、光发射模块、光接收模块、电源模块、调制解调和滤波器。

■2.1 控制处理模块

控制处理模块包括光发送和光接收两个方向的控制处理功能[3]。

图1 系统结构框图

图2 控制处理模块-发送方向

图3 控制处理模块-接收方向

光发送方向主要功能包括：手持终端通过蓝牙接入控制处理模块，完成用户数据接入，通过DPSK 调制，对用户数据进行DPSK 调制。

光接收方向主要功能包括：对跨阻放大器的输出电压信号进行AD 采样[4]，并送到单片机内部，完成对DPSK 信号进行解调，解码后用户数据送给手持终端。

光发送：手持终端通过蓝牙信息传输下行进入FIFO，进行DPSK 调制（首先进行差分编码，然后使用DDS 电路生成250kHz 调制载波[5]，将需要发送出去的信号调制成2DPSK 信号，加载到载波上，再经过放大和控制电路通过智能灯组发送出去。

光接收：对来自光电接收模块的信号首先进行A/D 转换，进行混频以降低载频，然后进行带通滤波以降低电域噪声，再进行DPSK 解调，最终送给手持终端[6]。

■2.2 光发送模块

光电发送模块的主要功能是电光变换、光束成型。

手持终端发送的数据蓝牙接口发送到控制处理模块，首先进入DSP，在DSP 中进行链路层和物理层处理，进行纠错编码，然后使用DDS 实现2DPSK 调制，将数字格式的已调信号送给DAC，然后变成连续的物理波形，这个电信号通过驱动电路转变成电流信号驱动LED 阵列，发出光信号，光信号经过汇聚透镜控制发射光束的角度[7]。

如图4 所示，来自核心板的已调制信号输入到LED 驱动器，LED 驱动器驱动LED 阵列发光。光通信设备中共36个LED，每6 个LED 串联成一串，每2 串并联到一起，使用一个驱动电路，整个阵列共有3 个驱动电路； LED 上安装一个光学透镜，该透镜将LED 的光束角压缩到8±2°[8]。该模块为输入信号安排了测试点，可对输入信号特性进行测量，光学特性在模块外部使用光学仪表进行测量。

图6 电源单元原理框图

■2.3 光接收模块

光电接收模块的主要功能是光学汇聚、光学滤波、光电变换、跨阻放大。

由接收镜头将光聚焦后，经过光学滤波片滤除带外背景光噪声之后，通过APD 的光电转换将光信号转换成电流信号，电流信号经过跨阻放大器的放大后变为电压信号，电压信号送入A/D 转换电路，将电压数字化，数字化后的信号经过FPGA的滤波，解调出信息数据送到主控制模块[9]。

在光电接收模块处，光信号首先被汇聚透镜汇聚，然后

经一片20nm 的带通滤光片滤波后，进入到APD（雪崩光电二极管）。APD 将光信号转变为电流信号，再经跨阻放大器放大为电压信号。跨阻放大器具有自动增益控制功能，可适应信道衰减的大幅度变化[10]。上图中的运算放大器A、低通滤波器LPF 和三极管Q 构成直流抵消电路，该电路旁路掉光电流中的直流分量，可避免跨阻放大器饱和。

■2.4 电源模块

电源模块的主要功能是为设备提供交直流两种供电方式，输入电源电压即可采用AC220V 供电，也可采用DC24V（悬浮）供电两种电源互为备份，交直流供电能自动无缝隙切换，交流供电优先。交流220V 50Hz 电源，通过电源滤波器滤波和整流模块，然后经变压器、整流和滤波电路器将DC370V 变换成DC24V 输出。直流输入电源电压DC24V 经滤波电路变换成DC24V 输出。

■2.5 调制解调/滤波器设计

2.5.1 调制解调方案

本系统采用2PSK 调制方案进行设计。

（1）2PSK 调制的实现

在二进制数字调制之中，当正弦载波的相位随着二进制数字基带信号离散变化时，产生二进制移相键控（2PSK）信号。通常用已调信号载波的0°和180°分别表示二进制数字基带信号的1 和0。2PSK 是用二进制数字信号控制在获得两个通常相隔π 弧度的相位，例如用相位0 和π 分别表示二进制中的1 和0。

在发送端采用了DDS 的方法实现2PSK 的调制。对于常见的DDS 芯片，如AD9852，需要在频率控制字(FTW)中写入载波频率，并在两个相位调整寄存器(Phase Adjust Register)中写入相位控制字，再将数据源接到输入管脚。当准备就绪后，激活I/O update clock 管脚，系统就能开始工作，实现2PSK 调制。芯片在2PSK 模式下时序如图7所示。

图7 DDS 芯片在2PSK 模式下时序

（2）2PSK 解调的实现

2PSK 信号通常采用带通匹配滤波器或相关解调器进行解调，并进行最佳检测。考虑到使用带通匹配滤波器进行解调时，判决点需要较精确的在波形开始后的Tb 时刻，判决点采样时刻的细微偏差会对判决结果造成较大的误差，所以在此采用相关解调。具体的解调原理如图8 所示。

图8 2PSK 解调方案

图9 等波纹滤波器设计方案

在接收端采用了数字解调的方法。光信号在进入接收端时，先经过光电探测器，实现了光电变换变为了电流信号，然后光电流经过前置放大器由电流信号放大并变为电压信号，对此电压信号进行采样，完成了模拟信号向数字信号的转换。在对采样信号进行带通滤波之后，得到的数据将在接收端的单片机中进行解调[11]。

2.5.2 滤波器设计

滤波器设计考虑的相关问题如表1 所示。

表1 滤波器设计考虑相关问题

经过大量仿真实验验证，本系统选择等波纹Equirripple 滤波器设计方案，其特点是：在相同情况下最大逼近误差最小，即通带最大衰减最小，阻带最小衰减最大；波纹比较稳定；设计容易实现；通带比较宽；旁瓣变化比较陡。主要设计参数：阶数120，Ast=60dB。

3 软件设计

本系统可见光通信设备的通信采取手持终端（三防手机）的形式，以APP 方式实现，并可实现双向语音通信[12]。其APP 软件总体按功能划分可分为以下几个模块：照明、通信业务、参数设置。

其系统软件工作流程图如图10 所示。

图10 软件总体工作流程图

4 平台的测试与分析

本系统对灯塔远距离可见光通信平台进行了测试和评估，包括莫尔斯报文传输功能、传输速率以及远距离通信距离功能测试。可见光通信平台分为灯塔端平台和船载端两部分，灯塔端灯光通信设备固定在灯塔平台上，船载端灯光设备固定在船载上，两端分别接收和发送可见光进行通信测试，光源类型为红光LED，波长860nm，光功率216W。测试场景如图11 所示。

图11 可见光通信测试场景图

试验连接示意图如图12 所示。

图12 可见光（红外光）通信试验连接示意图

（1）莫尔斯报文传输功能测试

可见光通信平台按图12 进行连接后，灯塔端灯光通信设备和船载端灯光设备互发报文完成对准后，灯塔端灯光设备向船载端通信设备发送莫尔斯报文“thank you”，接收端手持终端可以正确接收并显示“thank you”；按相反流程，船载端灯光设备向灯塔端通信设备发送莫尔斯报文，接收端手持终端正确接收并显示“thank you”，即可完成传输功能测试验证。

（2）通信传输速率测试

可见光通信平台按图12 进行连接后，灯塔端灯光通信设备和船载端灯光设备互发报文完成对准后，灯塔端灯光设备向船载端通信设备发送不少于10000 个数字报文，接收端手持终端可以正确接收并显示；按相反流程，船载端灯光设备向灯塔端通信设备发送不少于10000 个数字报文，接收端手持终端正确接收并显示，两端根据报文数据量和时间计算通信速率，即可完成传输速率测试验证。

（3）远距离通信距离测试

可见光通信平台按图13 进行连接后，当船载端行驶至7.5km 处时，灯塔端灯光通信设备和船载端灯光设备互发报文完成对准后，灯塔端灯光设备向船载端通信设备发送一组数据报文，船载端手持终端可以正确接收并显示，记录接收数据报文的流畅性和准确性，重复3 次报文收发；按相反流程，船载端灯光设备向灯塔端通信设备发送一组数据报文，灯塔端手持终端可以正确接收并显示，记录接收数据报文的流畅性和准确性，重复3 次报文收发。当船载端行驶至15km 时，重复上述过程进行验证。

图13 船载端行驶轨迹图

5 平台性能测试与分析

我们在红光LED、波长频率860nm、光功率216W、接收端灵敏度小于-57dBm 的固定条件，大气透射率0.8T、背景光强度200cd/m2（随天气变化）的测试条件下，对可见光通信平台进行了莫尔斯报文传输功能、传输速率以及远距离通信距离功能测试，通过灯塔端和船载端灯光设备手持终端对接收到的数据进行记录，测试结果如表2 所示。

表2 功能测试记录

测试结果表明，在进行莫尔斯码业务报文测试时，当灯塔端发送莫尔斯码时，船载端建链正常，接收莫尔斯码正常；当船载端发送莫尔斯码时，灯塔端建链正常，接收莫尔斯码正常。在进行传输速率测试时，灯塔端发送数据传输速率5.5kbps，船载端发送数据传输速率5.32kbps；在进行通信距离测试时，灯塔端与船载端分别相距7.5km和15km时，建链正常，通信情况良好，可实现无误码数据传输。因此，本文系统设计方法可以满足岸海远距离通信，实际通信范围可覆盖15 公里，语音和数据通信正常，在接收端经过滤波器后的信号波形检测相对稳定，因此本系统设计合理，具有实际使用价值。

6 结束语

本文介绍了一种基于灯塔平台可见光岸海远距离系统设计、实现与验证，结合岸海LED 可见光通信系统的特点，重点介绍了LED 可见光远距离通信系统样机设计方案，结果表明：本系统提供了近岸常态应急保障手段，搭建了在既有灯塔站点上配置响应的体系架构，实现灯塔站点周围附近海域的常态化应急通信保障。在我国近岸、岛礁周边发生灾害和突发事件时，通过在东海沿岸、岛礁、以及重点海区布设的灯塔平台上部署灯塔应急通信系统，利用平台支持能力强、网络节点地理位置相对固定的特点，实现近岸海域/岛礁周边15 公里左右范围内海域的全天时、全天候多功能应急通信接入流程，可支持海上用户SOS 呼救，能够满足海上应急通信保障的具体需求，并灵活机动地调整服务区域范围，对国内可见光通信系统设计提供重要参考意义。