本文關鍵詞：水下高速LED光通信技術研究

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【摘要】：由于陸地資源的逐漸匱乏,人們將不再滿足于僅占地球表面積29%的陸地資源,進而轉向資源更加豐富的海洋,海洋資源的開采將會是人類首要資源獲取途徑。因為海底的惡劣環(huán)境,水下機器人(ROV)在海底資源勘探上發(fā)揮著不可替代的作用。為了更好地發(fā)揮ROV的作用,ROV群之間的組網(wǎng)技術必不可少,而在海底組網(wǎng)技術上分為有線和無線兩種方式,有線組網(wǎng)方式因海底復雜環(huán)境和其結構的不方便性沒有能像無線組網(wǎng)方式那樣廣泛應用。從技術角度上來說,一些已在陸地上成功的通信技術,介于海水這種特殊介質,并不能直接移植到水下工作。水下的無線通信方式分為水下聲通信,水下電磁波通信和水下光通信。相比于水下無線聲通信、電磁波通信,水下光通信具有體積小、功耗小,尤其是帶寬大速率高的優(yōu)勢。本文主要研究一款水下高速LED光通信系統(tǒng),該系統(tǒng)的設計指標是無誤碼率的情況下速率達到100kbit/s,距離達到10米。本文從水下光通信的課題背景、研究意義、國內外發(fā)展現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展趨勢入手,詳細闡述了本課題的主要研究內容。本文主要完成以下幾部分工作:詳細介紹光在水下的傳輸衰減效應、LED編碼調制技術、連接訪問協(xié)議,水下LED光通信系統(tǒng)控制及電源模塊選型設計、光發(fā)送電路設計、光接收電路設計、系統(tǒng)軟件設計和系統(tǒng)調試。光在水下的傳輸衰減從海水的光學特性、光在水下傳輸?shù)奈张c散射效應以及能量模型的角度來闡述;LED調制技術主要闡述了OOK調制技術和PPM、PWM調制技術。光通信系統(tǒng)控制模塊選用STM32F407為微控制器,MCP2150為編解碼芯片;電源模塊選用TI芯片設計出正負5伏和正3.3伏電源電路。光通信發(fā)送系統(tǒng)模塊從光源的技術角度出發(fā),詳細對比了半導體激光器和半導體發(fā)光二極管,并設計完成了LED的驅動電路。光通信接收系統(tǒng)模塊著重闡述了光探測器的工作原理和特征參數(shù),設計完成了電流-電壓轉換電路、濾波放大電路,并從誤碼率的原理上設計完成系統(tǒng)判決電路,另設計完成了接收頭的聚光裝置。光通信系統(tǒng)的軟件設計因選用MCP2150芯片支持IrDA協(xié)議標準而比較簡單,本文分析了主從節(jié)點的連接建立與數(shù)據(jù)傳輸過程,并完成數(shù)據(jù)收發(fā)和廣播ID設置的軟件設計。系統(tǒng)調試部分首先介紹了光通信系統(tǒng)硬件的整體層次結構,并在水下進行了光通信無誤碼下的距離測試,完成超過10米,速度達到100k以上的光系統(tǒng)通信測試,達到了預期的設計目標。在文章的最后,回顧并總結了本課題完成的工作,并指出目前尚存在的不足之處以及后期改進和完善的方向。
【關鍵詞】：無線水下通信 LED 水下光通信 調制技術
【學位授予單位】：杭州電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN929.1
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 緒論10-15
• 1.1 課題研究的背景及意義10-11
• 1.2 國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢11-13
• 1.3 課題研究內容13-15
• 第2章 水下光信道的傳輸衰減效應與光調制技術解析15-23
• 2.1 海水的光學特性15
• 2.2 海水的吸收與散射效應15
• 2.3 海水信道的能量傳輸模型15-17
• 2.3.1 海水衰減15-16
• 2.3.2 能量分布16-17
• 2.3.3 接收信號的總能17
• 2.3.4 水下脈沖波的時間拓寬17
• 2.4 OOK調制技術17-20
• 2.4.1 OOK通信原理17-19
• 2.4.2 OOK誤碼特性19-20
• 2.5 PPM和PWM調制技術20-22
• 2.6 本章小結22-23
• 第3章 水下LED光通信系統(tǒng)總體設計23-30
• 3.1 系統(tǒng)控制模塊設計23-25
• 3.1.1 微控制器23-24
• 3.1.2 MCP215024-25
• 3.2 系統(tǒng)收發(fā)模塊設計25-26
• 3.3 系統(tǒng)電源模塊設計26-28
• 3.3.1 線性穩(wěn)壓器26
• 3.3.2 電感型開關電源26
• 3.3.3 電荷泵型開關電源26-28
• 3.4 系統(tǒng)結構封裝設計28-29
• 3.5 本章小結29-30
• 第4章 光發(fā)射光接收電路設計30-54
• 4.1 光發(fā)射電路設計30-38
• 4.1.1 半導體激光器30-32
• 4.1.2 半導體發(fā)光二極管32-34
• 4.1.3 驅動器電路設計34-38
• 4.2 光接收電路設計38-53
• 4.2.1 光探測器38-41
• 4.2.2 電流-電壓轉換電路設計41-45
• 4.2.3 濾波放大電路設計45-47
• 4.2.4 滯回比較器設計47-52
• 4.2.5 聚光裝置設計52-53
• 4.3 本章小結53-54
• 第5章 連接訪問協(xié)議和軟件設計54-61
• 5.1 通信協(xié)議54-56
• 5.1.1 IrDA標準的數(shù)據(jù)幀結構54
• 5.1.2 IrDA數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)機54-55
• 5.1.3 IrPHY物理層標準55-56
• 5.1.4 IrLAP連接建立協(xié)議56
• 5.2 通信鏈路的建立56-59
• 5.2.1 正常斷開模式（NDM）56-57
• 5.2.2 搜索模式57
• 5.2.3 正常連接模式（NCM）57-59
• 5.3 軟件設計59-61
• 5.3.1 數(shù)據(jù)收發(fā)59-60
• 5.3.2 廣播ID設置60-61
• 第6章 系統(tǒng)調試61-68
• 6.1 硬件層次結構61-63
• 6.2 整體數(shù)據(jù)收發(fā)調試63-64
• 6.3 結果分析64-68
• 第7章 總結與展望68-70
• 7.1 總結68
• 7.2 展望68-70
• 參考文獻70-72
• 致謝72-73
• 附錄73

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