[發(fā)明專利]應(yīng)用于水下無線光通信系統(tǒng)的基于串聯(lián)發(fā)光二極管陣列的探測帶寬提升方法

在審

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• 申請日: 2021-11-26
• 公開（公告）號: CN114124219A
• 公開（公告）日: 2022-03-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 徐敬;楊興啟;童志堅
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學
• 主分類號: H04B10/116
• 分類號: H04B10/116;H04B13/02
• 代理公司: 杭州新澤知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 33311
• 代理人: 程建敏

本發(fā)明屬于水下無線光通信技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種應(yīng)用于水下無線光通信系統(tǒng)的基于串聯(lián)發(fā)光二極管(LED)陣列的探測器的帶寬提升方法，對采用LED作為發(fā)射和接收端的水下無線光通信系統(tǒng)的帶寬限制性因素進行了分析。對LED陣列用作水下無線光通信系統(tǒng)的探測器時串聯(lián)方式對系統(tǒng)的歸一化帶寬的提升作用進行了理論分析和仿真。在接收端采用LED陣列增大探測面積的基礎(chǔ)上，采用串聯(lián)的連接方式有效提升了系統(tǒng)帶寬，從而降低了基于LED探測的水下無線光通信系統(tǒng)的對準難度，并提升了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率。本發(fā)明可以有效提升目前采用LED作為收發(fā)端的水下無線光通信系統(tǒng)的系統(tǒng)容量，并通過實驗驗證了其性能，具有復用現(xiàn)有照明系統(tǒng)進行光信號收發(fā)的實際意義。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水下無線光通信技術(shù)領(lǐng)域，更具體的，涉及一種應(yīng)用于水下無線光通信系統(tǒng)的基于串聯(lián)發(fā)光二極管陣列的探測器的帶寬提升方法。

背景技術(shù)

隨著人們對海洋資源開發(fā)手段的豐富以及對水下環(huán)境監(jiān)測需求的提升，水下無線通信技術(shù)正面臨多樣化的需求。由于趨膚效應(yīng)，電磁波在水中傳播的衰減極大，傳統(tǒng)的高速射頻通信在水下的傳輸距離極短。目前水聲通信是應(yīng)用最廣泛的水下通信技術(shù)，但其往往受到速率低、延遲高、信道復雜等缺點的限制。擁有大容量，低時延和高保密性等優(yōu)勢的水下無線光通信(UWOC)可以很好地作為傳統(tǒng)的水聲通信的補充，以滿足水下設(shè)備在相對較長的距離范圍內(nèi)以較高速率傳輸數(shù)據(jù)的要求，因此近年來得到了廣泛而深入的研究。

相比廣泛用于長距離水下無線光通信系統(tǒng)但對準要求比較嚴格的激光二極管(LD)，發(fā)光二極管(LED)具有發(fā)散角大，對準簡單且兼具照明功能的優(yōu)點，使其有潛力應(yīng)用于各種大視場角通信場景，比如大規(guī)模水下機器人集群通信，并為水下圖像采集系統(tǒng)提供照明。得益于LED加工技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的進步，基于LED的水下無線光通信系統(tǒng)在數(shù)據(jù)速率和傳輸距離方面已經(jīng)有了很大的進步。然而，大多數(shù)基于LED的水下無線光通信系統(tǒng)均采用傳統(tǒng)的光電探測器比如雪崩光電二極管(APD)作為接收端，部署時的成本和復雜度較高。而LED作為半導體器件，其構(gòu)造與光電二極管較為類似，也可以工作在光伏模式下作為探測器使用?；谶@個特性，可以在不使用額外的探測器的條件下只用LED作為發(fā)射和接收端，組成一個無線光通信系統(tǒng)，從而賦予LED作為通信系統(tǒng)的收發(fā)端和作為照明光源的多種功能。此外，LED用作探測時利用了半導體的本征吸收現(xiàn)象，即只有波長小于截止波長的光入射LED才能產(chǎn)生本征吸收。因此當LED用作探測時，其吸收光波長應(yīng)小于發(fā)射光波長。基于已經(jīng)廣泛部署的LED作為收發(fā)端的的水下無線光通信系統(tǒng)可以降低系統(tǒng)復雜度和開支，同時照明兼容性也讓這種方案相比傳統(tǒng)的基于PD的方案更具吸引力。然而采用LED作為收發(fā)端的水下無線光通信系統(tǒng)也面臨著帶寬嚴重不足的問題。目前有多種方法補償系統(tǒng)頻響的高頻衰減，從而提升系統(tǒng)可用帶寬，從技術(shù)路線上主要分為硬件補償和軟件補償。其中硬件補償主要是通過設(shè)計具有高通特性的二端網(wǎng)絡(luò)，適當衰減系統(tǒng)頻響的低頻分量，從而提升歸一化帶寬。而LED陣列作為探測器時在特定的連接方式下其便能表現(xiàn)出這種高通特性，這與光電二極管的等效電路模型有關(guān)。因此，充分利用LED的該特點，提出一種提升基于LED作為探測器的水下無線光通信系統(tǒng)的帶寬的方法，能夠有效利用現(xiàn)有照明設(shè)備，降低提升系統(tǒng)帶寬的復雜度和成本，是非常有意義的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對目前基于LED作為探測器的水下無線光通信系統(tǒng)的帶寬不足的問題，提出了在接收端采用串聯(lián)的LED組成的陣列作為探測器的方法，用以有效補償系統(tǒng)頻響的高頻衰減，從而提升系統(tǒng)的歸一化帶寬，提高系統(tǒng)容量，降低誤碼率。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的具體方案如下：

一種應(yīng)用于水下無線光通信系統(tǒng)的基于串聯(lián)LED陣列的探測帶寬提升方法，所應(yīng)用的系統(tǒng)包含發(fā)射端信號處理模塊、發(fā)射端電模塊、綠光LED陣列模塊、光學天線模塊、紅光LED陣列模塊、接收端電模塊、接收端信號處理模塊；

所述的發(fā)射端信號處理模塊將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；所述的發(fā)射端電模塊將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為電信號；所述的綠光LED陣列將電信號轉(zhuǎn)換為光信號；所述的光學天線模塊將光信號會聚到接收端探測面上；