应用于水下无线光通信系统的基于串联发光二极管阵列的探测带宽提升方法技术方案

本发明专利技术属于水下无线光通信技术领域，公开了一种应用于水下无线光通信系统的基于串联发光二极管(LED)阵列的探测器的带宽提升方法，对采用LED作为发射和接收端的水下无线光通信系统的带宽限制性因素进行了分析。对LED阵列用作水下无线光通信系统的探测器时串联方式对系统的归一化带宽的提升作用进行了理论分析和仿真。在接收端采用LED阵列增大探测面积的基础上，采用串联的连接方式有效提升了系统带宽，从而降低了基于LED探测的水下无线光通信系统的对准难度，并提升了系统的数据速率。本发明专利技术可以有效提升目前采用LED作为收发端的水下无线光通信系统的系统容量，并通过实验验证了其性能，具有复用现有照明系统进行光信号收发的实际意义。信号收发的实际意义。信号收发的实际意义。

【技术实现步骤摘要】
应用于水下无线光通信系统的基于串联发光二极管阵列的探测带宽提升方法


[0001]本专利技术涉及水下无线光通信
，更具体的，涉及一种应用于水下无线光通信系统的基于串联发光二极管阵列的探测器的带宽提升方法。

技术介绍

[0002]随着人们对海洋资源开发手段的丰富以及对水下环境监测需求的提升，水下无线通信技术正面临多样化的需求。由于趋肤效应，电磁波在水中传播的衰减极大，传统的高速射频通信在水下的传输距离极短。目前水声通信是应用最广泛的水下通信技术，但其往往受到速率低、延迟高、信道复杂等缺点的限制。拥有大容量，低时延和高保密性等优势的水下无线光通信(UWOC)可以很好地作为传统的水声通信的补充，以满足水下设备在相对较长的距离范围内以较高速率传输数据的要求，因此近年来得到了广泛而深入的研究。
[0003]相比广泛用于长距离水下无线光通信系统但对准要求比较严格的激光二极管(LD)，发光二极管(LED)具有发散角大，对准简单且兼具照明功能的优点，使其有潜力应用于各种大视场角通信场景，比如大规模水下机器人集群通信，并为水下图像采集系统提供照明。得益于LED加工技术和数字信号处理技术的进步，基于LED的水下无线光通信系统在数据速率和传输距离方面已经有了很大的进步。然而，大多数基于LED的水下无线光通信系统均采用传统的光电探测器比如雪崩光电二极管(APD)作为接收端，部署时的成本和复杂度较高。而LED作为半导体器件，其构造与光电二极管较为类似，也可以工作在光伏模式下作为探测器使用。基于这个特性，可以在不使用额外的探测器的条件下只用LED作为发射和接收端，组成一个无线光通信系统，从而赋予LED作为通信系统的收发端和作为照明光源的多种功能。此外，LED用作探测时利用了半导体的本征吸收现象，即只有波长小于截止波长的光入射LED才能产生本征吸收。因此当LED用作探测时，其吸收光波长应小于发射光波长。基于已经广泛部署的LED作为收发端的的水下无线光通信系统可以降低系统复杂度和开支，同时照明兼容性也让这种方案相比传统的基于PD的方案更具吸引力。然而采用LED作为收发端的水下无线光通信系统也面临着带宽严重不足的问题。目前有多种方法补偿系统频响的高频衰减，从而提升系统可用带宽，从技术路线上主要分为硬件补偿和软件补偿。其中硬件补偿主要是通过设计具有高通特性的二端网络，适当衰减系统频响的低频分量，从而提升归一化带宽。而LED阵列作为探测器时在特定的连接方式下其便能表现出这种高通特性，这与光电二极管的等效电路模型有关。因此，充分利用LED的该特点，提出一种提升基于LED作为探测器的水下无线光通信系统的带宽的方法，能够有效利用现有照明设备，降低提升系统带宽的复杂度和成本，是非常有意义的。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对目前基于LED作为探测器的水下无线光通信系统的带宽不足的问题，提出了在接收端采用串联的LED组成的阵列作为探测器的方法，用以有效补偿系统
频响的高频衰减，从而提升系统的归一化带宽，提高系统容量，降低误码率。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的具体方案如下：
[0006]一种应用于水下无线光通信系统的基于串联LED阵列的探测带宽提升方法，所应用的系统包含发射端信号处理模块、发射端电模块、绿光LED阵列模块、光学天线模块、红光LED阵列模块、接收端电模块、接收端信号处理模块；
[0007]所述的发射端信号处理模块将原始数据转换为数字信号；所述的发射端电模块将数字信号转换为电信号；所述的绿光LED阵列将电信号转换为光信号；所述的光学天线模块将光信号会聚到接收端探测面上；
[0008]所述的红光LED阵列将光信号转换为光电流信号；所述的接收端电模块将光电流信号转换为经过处理的数字信号；所述的接收端信号处理模块从接收到的数字信号恢复出原始数据。
[0009]所述的发射端信号处理模块和发射端电模块以及绿光LED阵列模块相连；所述的红光LED阵列模块和接收端电模块以及接收端信号处理模块相连；
[0010]进一步地，所述的发射端电模块包含、电放大器、可调电衰减器、偏置器和直流电源；其中，信号发生器、电放大器、可调电衰减器和偏置器依次相连，直流电源为偏置器提供直流偏置；所述的绿光LED阵列由9颗小封装绿光LED串联组成阵列，与发射端电模块相连；所述的光学天线模块分别置于绿光LED阵列模块之后和红光LED阵列模块之前；
[0011]所述的红光LED阵列模块由4颗小封装红光LED串联组成阵列，与接收端电模块相连；所述的接收端电模块包含电放大器、可调电衰减器、低通滤波器、示波器；其中电放大器、可调电衰减器、低通滤波器和示波器依次相连；
[0012]所述的光学天线模块为一组凸透镜组成的同轴透镜组，用于在接收端探测面上得到高功率密度的光斑；
[0013]进一步地，所述的绿光和红光LED阵列模块采用高功率小封装LED，发射端和接收端的LED的发光波长分别为530nm和630nm；
[0014]所述的发射端在印刷电路板上将9个绿光LED串联并紧密排列组成阵列，从而增强发射端光功率并且降低阻抗失配程度，从而提升传输距离和能量传输效率；所述的接收端由4颗红色LED组成阵列用于探测，并通过调整LED阵列探测器上LED的排布方向降低光敏面之间的缝隙，从而提升探测效率；
[0015]进一步地，本专利技术建立了LED串联组成的阵列的等效电路模型，推导了串联的LED组成的阵列的频率响应。首先，根据基尔霍夫定律，单颗LED的频响可以表示为
[0016][0017][0018]其中ω表示角频率，r
D
为二极管等效电阻；C为PN结的结电容；R
SH
为分流电阻；R
S
为串联内阻；L为导线电感；C0为隔直电容；R
L
为负载阻抗；
[0019]根据叠加定理和基尔霍夫定律，可以推导出串联的LED组成的阵列的频率响应为
[0020][0021]其中
[0022][0023][0024]其中n表示阵列中LED的数量；
[0025]理论分析表明，LED阵列的归一化探测带宽随着LED数量n的增大而增大，且理论分析和软件仿真的结果完全一致，从而证实了串联的结构能提升归一化的探测带宽。该现象从物理意义上可以解释为串联的LED组成的阵列的等效阻抗显示出的高通特性抑制了系统的低频分量，从而提升了探测器的归一化带宽。因此，将LED串联组成阵列能够同时提升其作为探测器时的探测面积和带宽，从而有效提升了系统性能和实用性。
附图说明
[0026]图1为本专利技术中基于串联发光二极管阵列的探测带宽提升方法应用于水下无线光通信系统的流程图；
[0027]图2为本专利技术中红光LED串联组成的阵列用作探测器时的等效电路模型；
[0028]图3为本专利技术中发射端和接收端的印刷电路板模型；
[0029]图4(a)和(b)分别为本专利技术中理论推导和仿真分别得到的接收端红光LED阵列中采用不同数量的L本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于水下无线光通信系统的基于串联发光二极管(LED)阵列的探测的带宽提升方法，其特征在于，串联的LED组成的阵列用作探测器时的等效阻抗显示出的高通特性抑制了系统的低频分量，从而提升探测器的归一化带宽；其所应用的系统包括发射端信号处理模块、发射端电模块、绿光LED阵列模块、光学天线模块、红光LED阵列模块、接收端电模块、接收端信号处理模块；所述的发射端信号处理模块将原始数据转换为数字信号；所述的发射端电模块将数字信号转换为电信号；所述的绿光LED阵列将电信号转换为光信号；所述的光学天线模块将光信号会聚到接收端探测面上；所述的红光LED阵列将光信号转换为光电流信号；所述的接收端电模块将光电流信号转换为经过处理的数字信号；所述的接收端信号处理模块从接收到的数字信号恢复出原始数据。所述的发射端信号处理模块和发射端电模块以及绿光LED阵列模块相连；所述的红光LED阵列模块和接收端电模块以及接收端信号处理模块相连。2.根据权利要求1所述的一种应用于水下无线光通信系统的基于串联发光二极管(LED)阵列的探测的带宽提升方法，其特征在于，所述的发射端电模块包含信号发生器、电放大器、可调电衰减器、偏置器和直流电源；其中，信号发生器、电放大器、可调电衰减器和偏置器依次相连，直流电源为偏置器提供直流偏置；所述的绿光LED阵列由小封装绿光LED串联组成阵列，与发射端电模块相连；所述的光学天线模块分别置于绿光LED阵列模块之后和红光LED阵列模块之前。3.根据权利要求1所述的一种应用于水下无线光通信系统的基于串联发光...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐敬，杨兴启，童志坚，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：