水下无线激光语音通信探究

1控制模块

本系统的控制模块选用Altera公司的CycloneII系列FPGA，该系列FPGA是Altera公司推出的低成本FPGA，其在保证成本优势的前提下提供了很高的集成度和性能。选用FPGA进行控制模块的设计具有硬件结构简单，抗干扰能力强，可靠性高，功耗低等优点，并且由于FPGA具有可编程性，使得系统配置更加灵活，方便以后的系统升级，降低系统升级的成本。该控制模块主要是完成为AMBE-2000提供正常工作所需要的各种时序信号以及对输入输出语音数据流进行数据提取、去系统帧头、加系统帧头等工作。故可将控制模块分为三个主要子模块：时序产生子模块，数据发送子模块和数据接收子模块。时序产生子模块主要是通过使用VHDL语言进行编程得到分频器，将晶振的固有频率通过分频器变换为AMBE-2000所需要的频率。数据接收和发送子模块则主要采用FIFO进行数据缓存。并通过编写接收和发送有限状态机来对FIFO进行相应控制，完成对语音数据流的接收发送及处理等任务。控制模块的时序仿真图如下图3。

2调制及信号处理模块

高效、可靠、抗干扰能力强的调制技术是高传输率、低误码率通信的保证，对提高系统性能的发挥有着重要的作用。本系统所采用的激光器为半导体蓝光激光器，选用的调制模块为实验室已有的调制电路。该电路所采用的调制方式为结构简单的内调制方式，通过对光信号强度的直接调制，将语音信号加载到蓝光激光上。此调制模块结构简单，易于实现。本系统所用的信号处理模块电路原理图如下图4所示。光信号通过光电转换器转换为微弱的电信号。电信号输入至第一级低噪声放大电路，在设计该级放大电路时，考虑到所采用光电转换器在50Ω负载电阻下频率响应最好，故该放大电路采用由低噪声运算放大器构成的反相比例放大电路，这样设计既能使光电转换器工作在频率响应最好的状态，又能满足适当的前级放大。第二级为一个二阶的低通滤波器，滤除高频噪声。第三级为反向比例放大电路构成的主放大电路，该电路使信号放大到满足整流电路能够响应的电压值。最后一级为一个电压比较器构成的整流电路，该整流电路是模拟电路与数字电路的接口。

3实验结果

为了验证本系统的性能，在实验室中通过装满海水的长约1m的水槽模拟海水信道进行实验，实验装置示意图如下图5所示。图5实验装置示意图实验结果如图6所示。图6-1为5个数字语[！]音信号数据帧整体对比图。蓝色为原始数字语音信号，黄色为经过信道传输以及信号处理模块处理后的数字语音信号。图6-2为单个数字语音信号数据帧对比图。图6-3则为数字语音信号数据帧帧头的对比图。由以上三图可以看出，经传输和处理后的信号与原始信号基本一致。图6-4为原始模拟语音信号与经过传输以及语音通信系统还原后的模拟语音信号的对比图，由图中可以看出，两个信号虽然存在一些延时，信号幅值也不同但信号的包络基本相似。在实验时，通过扬声器，也能听到清晰同步的语音。

4结论

设计了一款基于FPGA的水下无线激光语音通信系统，该系统结构简单，可靠性高，功耗低，借助于FPGA的可编程性以及AMBE-2000的语音速率和前向纠错数据速率选择灵活的特点，使得该系统升级方便。光学对准模块是提高系统光功率利用率的重要光学手段，本文侧重于该系统的电路部分，故不对光学对准模块做过多介绍。系统验证实验是在较为理想的实验室环境下进行的，对于在真实海水信道下的实际效果，还需进一步的实际测量。