基于LED的水下双向无线光通信系统设计
摘要
目前，随着我国建设“海洋强国”政策的推进，越来越多的专家、学者投身于海洋
事业的研究与探索之中。发展海洋事业，实现水下设备相互之间的数据传输、信息共享
等都离不开水下通信技术。水下无线光通信具有高可靠性、高带宽、高保密性以及低成
本、低功耗等优势，近年来已广泛应用于对潜通信、水下传感装置、蛙人作业等领域。
本文主要针对水下无人潜艇器在对接回收过程中的通信需求，在保证一定光强度进
行导引的前提下，研究设计了一套小型化、低功耗的水下双向无线光通信系统。发射光
源采用多个蓝或绿光LED组成阵列既提高了发射功率又增大了发射视角，接收探测器
选用高灵敏度的光电倍增管（PMT）提高接收增益，系统以FPGA为核心完成通信数据
的调制解调、编解码处理，结合外围硬件电路设计可实现水下数据的双向传输。
本课题主要的研究工作包含以下几个方面：
（1）从海水的光学特性出发分析光在水下传输过程中受到的影响，海水的吸收、
散射特性导致光功率的衰减和多径效应的产生，在此基础上建立水下可见光直视链路信
道模型，分析光在水下不同距离处的功率损耗情况，采用蒙特卡洛方法模拟光子在水下
的传输过程，分析信道的脉冲响应以及多径效应引起的脉宽拓展问题。从系统的角度出
发建立水下双向无线光通信模型，分析光通信系统的性能并对光源的发射功率进行估算。
（2）对比光通信系统几种常用调制解调方式的性能，结合本文设计的需求提出了
MOOK调制解调体系，通过加入8B/10B编码解决OOK调制中的均衡失调问题，加入
保护时隙增加抗多径能力，重点阐述FPGA的实现过程。通过对比几种常用的编解码方
式，结合水下通信环境，选择RS编译码实现信道纠错。
（3）研究系统总体硬件架构，重点分析光源和探测器的选型过程，详细论述了LED
阵列模块、光源驱动模块、FPGA主控模块、PMT探测模块、信号调理模块、电源模块、
网络通信模块等部分的电路设计并实现电路系统。
（4）进行系统软硬件联调，验证系统的基本功能，结果表明，本课题设计的光通
信系统可实现通信速率为10Mbps的半双工通信；搭建水下实验平台，在不同的传输速
率和通信距离情况下测试系统的误码率，实验结果表明，系统可实现水下通信距离50m、
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传输速率为100kbps的数据通信，误码率低于10。
关键词：水下无线光通信；MOOK调制；双向通信；LED阵列
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基于LED的水下双向无线光通信系统设计
Abstract
Presently,withthepromotionofthenationalpolicyofbuildingastrongoceancountry,
moreandmoreprofessionalsandresearchersareinvolvedintheinvestigationandexploration
oftheoceanindustry.Thedevelopmentofadvancedmarinebusiness,datatransmissionand
informationsharingbetweenunderwaterdevicesareinseparablefromunderwater
communicationtechnology.Theunderwaterwirelessopticalcommunicationhasthebenefits
ofhighreliability,highbandwidth,highconfidentialityaswellaslowcost,lowpower
consumption,andhasbeenwid