基于PPM調制的水下無線動态光通信系統研究
水下無線通信技術廣泛應用于資源勘探、異常海況監測、傳感器監測、水下成像、水下機器人、空域一體化等領域。
穿透能力好、抗幹擾性強、通信深度大、在海水中傳輸速率高等是藍色或綠色雷射的重要優勢。已成為研究熱點。
1.水下雷射通信系統設計
整個雷射通信系統由發射機和接收機組成。發射機主要由資料傳輸子產品、PPM調制器和雷射器組成。資料傳輸子產品用于輸入需要傳輸的資料，通過USB接口傳輸給PPM調制器。PPM 調制器将調制後的資料轉換為輸出信号，并驅動雷射器通過雷射器接口發射光。
雷射束以載波的形式發射信号。雷射器采用可調諧半導體藍光雷射器，中心波長470nm，最大通信速率15Mbps。
實驗中，為了模拟水下10~20m的光衰減效果，在通信路徑中加入了可變光衰減器，實作了30%、50%、80%的光衰減，分别。在實際實驗中，使用衰減器後兩個雷射通信子產品之間的距離将設定為2-4 m。
接收子產品主要由接收光路、PPM解調器和資料接收端組成。經過一定的衰減後，含有調制資訊的雷射脈沖被傳輸到接收光路。APD探測器完成光電轉換後，送入PPM解調子產品。解調後的資料可以顯示在 PPM 解調器的 LCD 面闆上。也可通過USB口将資料傳輸至電腦，完成存儲、記錄等操作。
2.小角度分析數學模型
小角度分析是研究水下雷射傳播的典型方法。通信時，雷射發射器和接收器通過伺服機構實作良好的位置對準，是以它們的發射發散角很小。數學模型從光的粒子性質出發，采用小角度近似法描述光子與懸浮粒子之間的散射過程，更符合實際測試情況。
3.PPM解調算法
PPM通信脈沖序列由若幹幀組成，每一幀分為保護段和資訊段。當一個脈沖包含在通信周期的K個時隙中時，脈沖寬度被設定為ΔT。一幀周期相當于一個光脈沖周期，也就是雷射器的重複頻率保護段與雷射器的特性有關，是雷射器再次達到門檻值條件的最小時間間隔。
以微處理器為核心的雷射發射子產品通過高速定時器實作定時輸出。通過控制定時器量來實作某一端口的可控輸出。具體過程： 首先，定時器工作在高速計時狀态，以最小分辨率時隙進行計數。
然後，當算法控制調制資訊資料對應的時間時，産生一個脈沖，脈沖的上升沿就是它的調制資訊。接下來通過PPM轉換子產品産生一個類似的上升沿來控制這個窄脈沖，完成PPM調制輸出。最後，輸出信号可以連接配接到雷射器的調制接口，以控制雷射器發射調制光脈沖序列。
PPM解調器作為接收部分的核心器件，将接收到的包含調制資訊的脈沖轉換為時隙位置并進行解調。首先利用高速定時器的比較捕捉子產品實作。
隻要接收信号經過處理後滿足觸發條件，就可以準确捕捉到脈沖跳變邊沿，實作精确計時。其次，采用高速時鐘進行定時決策，以時間計數的形式記錄每個脈沖的位置。最後通過相應的解調算法得到調制資訊。
4.實驗
系統主要結構包括發射光子產品和接收光子產品。在接收子產品中，計算機控制調制子產品完成資料的上傳和調制。在接收子產品中，計算機控制解調子產品完成資料的下載下傳和解調。
選擇 Lumileds-470 nm 型光源作為發射雷射器。在15Mbps的通信速率下，單個LED的發光功率約為200mW，發散角為120°。
整個LED陣列的輸出功率在1W以上，可以滿足系統要求。在接收子產品中，濱松公司選用的APD檢測器為C12702-12。處理部分采用ALINX的AN108 A/D子產品和FPGA開發闆協同工作。系統如圖2所示。
實驗測試前，先用測試靶标定接收子產品和發射子產品的位置，然後在通信鍊路上加衰減墊，完成水下通信衰減的模拟。發射的雷射光斑在穿過媒體後被接收端收集。通過解調處理恢複原始點信号。處理系統用于計算光斑的能量損失，進而分析系統的通信效率。
5.結論
提出了一種基于PPM調制的水下雷射通信系統。該系統主要由發射子產品和接收子產品組成。該系統将PPM調制解調技術應用于發射子產品和接收子產品。實驗中對伺服子產品中步進掃描的控制進行了測試分析，以驗證時鐘比對的穩定性。
在光斑能量分析測試中，得到了不同衰減狀态下的雷射光斑強度。對不同雷射光斑能量強度下的系統通信誤碼率進行了測試研究。該系統的可行性得到驗證，在水下雷射通信領域具有一定的應用前景。
