水下高速LED光通信技术研究

发布时间：2017-08-05 21:10

  本文关键词：水下高速LED光通信技术研究

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【摘要】：由于陆地资源的逐渐匮乏,人们将不再满足于仅占地球表面积29%的陆地资源,进而转向资源更加丰富的海洋,海洋资源的开采将会是人类首要资源获取途径。因为海底的恶劣环境,水下机器人(ROV)在海底资源勘探上发挥着不可替代的作用。为了更好地发挥ROV的作用,ROV群之间的组网技术必不可少,而在海底组网技术上分为有线和无线两种方式,有线组网方式因海底复杂环境和其结构的不方便性没有能像无线组网方式那样广泛应用。从技术角度上来说,一些已在陆地上成功的通信技术,介于海水这种特殊介质,并不能直接移植到水下工作。水下的无线通信方式分为水下声通信,水下电磁波通信和水下光通信。相比于水下无线声通信、电磁波通信,水下光通信具有体积小、功耗小,尤其是带宽大速率高的优势。本文主要研究一款水下高速LED光通信系统,该系统的设计指标是无误码率的情况下速率达到100kbit/s,距离达到10米。本文从水下光通信的课题背景、研究意义、国内外发展现状以及未来的发展趋势入手,详细阐述了本课题的主要研究内容。本文主要完成以下几部分工作:详细介绍光在水下的传输衰减效应、LED编码调制技术、连接访问协议,水下LED光通信系统控制及电源模块选型设计、光发送电路设计、光接收电路设计、系统软件设计和系统调试。光在水下的传输衰减从海水的光学特性、光在水下传输的吸收与散射效应以及能量模型的角度来阐述;LED调制技术主要阐述了OOK调制技术和PPM、PWM调制技术。光通信系统控制模块选用STM32F407为微控制器,MCP2150为编解码芯片;电源模块选用TI芯片设计出正负5伏和正3.3伏电源电路。光通信发送系统模块从光源的技术角度出发,详细对比了半导体激光器和半导体发光二极管,并设计完成了LED的驱动电路。光通信接收系统模块着重阐述了光探测器的工作原理和特征参数,设计完成了电流-电压转换电路、滤波放大电路,并从误码率的原理上设计完成系统判决电路,另设计完成了接收头的聚光装置。光通信系统的软件设计因选用MCP2150芯片支持IrDA协议标准而比较简单,本文分析了主从节点的连接建立与数据传输过程,并完成数据收发和广播ID设置的软件设计。系统调试部分首先介绍了光通信系统硬件的整体层次结构,并在水下进行了光通信无误码下的距离测试,完成超过10米,速度达到100k以上的光系统通信测试,达到了预期的设计目标。在文章的最后,回顾并总结了本课题完成的工作,并指出目前尚存在的不足之处以及后期改进和完善的方向。
【关键词】：无线水下通信 LED 水下光通信 调制技术
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.1
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-15
• 1.1 课题研究的背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势11-13
• 1.3 课题研究内容13-15
• 第2章 水下光信道的传输衰减效应与光调制技术解析15-23
• 2.1 海水的光学特性15
• 2.2 海水的吸收与散射效应15
• 2.3 海水信道的能量传输模型15-17
• 2.3.1 海水衰减15-16
• 2.3.2 能量分布16-17
• 2.3.3 接收信号的总能17
• 2.3.4 水下脉冲波的时间拓宽17
• 2.4 OOK调制技术17-20
• 2.4.1 OOK通信原理17-19
• 2.4.2 OOK误码特性19-20
• 2.5 PPM和PWM调制技术20-22
• 2.6 本章小结22-23
• 第3章 水下LED光通信系统总体设计23-30
• 3.1 系统控制模块设计23-25
• 3.1.1 微控制器23-24
• 3.1.2 MCP215024-25
• 3.2 系统收发模块设计25-26
• 3.3 系统电源模块设计26-28
• 3.3.1 线性稳压器26
• 3.3.2 电感型开关电源26
• 3.3.3 电荷泵型开关电源26-28
• 3.4 系统结构封装设计28-29
• 3.5 本章小结29-30
• 第4章 光发射光接收电路设计30-54
• 4.1 光发射电路设计30-38
• 4.1.1 半导体激光器30-32
• 4.1.2 半导体发光二极管32-34
• 4.1.3 驱动器电路设计34-38
• 4.2 光接收电路设计38-53
• 4.2.1 光探测器38-41
• 4.2.2 电流-电压转换电路设计41-45
• 4.2.3 滤波放大电路设计45-47
• 4.2.4 滞回比较器设计47-52
• 4.2.5 聚光装置设计52-53
• 4.3 本章小结53-54
• 第5章 连接访问协议和软件设计54-61
• 5.1 通信协议54-56
• 5.1.1 IrDA标准的数据帧结构54
• 5.1.2 IrDA数据传输状态机54-55
• 5.1.3 IrPHY物理层标准55-56
• 5.1.4 IrLAP连接建立协议56
• 5.2 通信链路的建立56-59
• 5.2.1 正常断开模式（NDM）56-57
• 5.2.2 搜索模式57
• 5.2.3 正常连接模式（NCM）57-59
• 5.3 软件设计59-61
• 5.3.1 数据收发59-60
• 5.3.2 广播ID设置60-61
• 第6章 系统调试61-68
• 6.1 硬件层次结构61-63
• 6.2 整体数据收发调试63-64
• 6.3 结果分析64-68
• 第7章 总结与展望68-70
• 7.1 总结68
• 7.2 展望68-70
• 参考文献70-72
• 致谢72-73
• 附录73

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本文编号：626899