ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2025. №8

УДК: 654.026

оптический модуль бимодальной системы
подводной беспроводной связи

Широков И.Б., Головин В.В., Редькина Е.А., Сердюк И.В., Овчаров П.П.

Севастопольский государственный университет,
299053, Севастополь, ул. Университетская, 33

Статья поступила в редакцию 13 мая 2025 г.

Аннотация. В статье представлены результаты разработки прототипа оптического модуля подводного бимодального модема, предназначенного для организации беспроводной связи на глубинах до 100 метров. Применение подводной беспроводной оптической связи позволяет на небольших дистанциях организовать высокоскоростные беспроводные каналы связи для повышения эффективности работы беспилотных подводных аппаратов, выполняющих научно-исследовательские или инженерные задачи. Разработанный модуль состоит из трех плат – платы цифровой обработки сигналов, платы приёмника и платы передатчика. Разработано программное обеспечение для ПЛИС, обеспечивающее формирование импульсного сигнала с позиционно-импульсной модуляцией из цифровой последовательности, поступающей со стороны модема, а также обратное преобразование сигнала, поступающего в ПЛИС со стороны блока приемника. Обмен данными с модемом реализован на основе протокола RS-232. В связи с этим реализована скорость передачи данных 115200 бит в секунду при расстоянии между оптическими модулями до 5 м. Разработана герметичная конструкция прототипа приёмо-передающего оптического модуля. В бассейне проведены успешные испытания работы приёмо-передающего оптического модуля в составе бимодального модема с переключением передачи данных с акустического канала связи на оптический канал связи и обратно. В дальнейшем планируется улучшить программное обеспечения ППОМ в направлении применения помехоустойчивого кодирования и более глубокой интеграции цифровой обработки сигнала в приемном тракте ППОМ.

Ключевые слова: подводная беспроводная оптическая связь, бимодальный модем, светоизлучающий диод, фотодиод.

Автор для переписки: Головин Владислав Викторович, v_golovin@mail.ru

Литература

1. Oubei H. M. et al. 4.8 Gbit/s 16-QAM-OFDM transmission based on compact 450-nm laser for underwater wireless optical communication //Optics express. – 2015. – vol. 23. – №. 18. – P. 23302-23309.

2. Baghdady J. et al. Multi-gigabit/s underwater optical communication link using orbital angular momentum multiplexing //Optics express. – 2016. – vol. 24. – №. 9. – P. 9794-9805.

3. Shen C. et al. 20-meter underwater wireless optical communication link with 1.5 Gbps data rate //Optics express. – 2016. – vol. 24. – №. 22. – P. 25502-25509.

4. Huang Y. F. et al. Filtered multicarrier OFDM encoding on blue laser diode for 14.8-Gbps seawater transmission //Journal of Lightwave Technology. – 2017. – vol. 36. – №. 9. – P. 1739-1745.

5. Liu X. et al. 34.5 m underwater optical wireless communication with 2.70 Gbps data rate based on a green laser diode with NRZ-OOK modulation //Optics express. – 2017. – vol. 25. – №. 22. – P. 27937-27947.

6. Chen Y. et al. 26 m/5.5 Gbps air-water optical wireless communication based on an OFDM-modulated 520-nm laser diode //Optics express. – 2017. – vol. 25. – №. 13. – P. 14760-14765.

7. Liu X. et al. 34.5 m underwater optical wireless communication with 2.70 Gbps data rate based on a green laser diode with NRZ-OOK modulation //Optics express. – 2017. – vol. 25. – №. 22. – P. 27937-27947.

8. Wang J. et al. Underwater wireless optical communication system using a 16-QAM modulated 450-nm laser diode based on an FPGA //Applied Optics. – 2019. – vol. 58. – №. 16. – P. 4553-4559.

9. Li Y. et al. Design and implementation of underwater wireless optical communication system with high-speed and full-duplex using blue/green light //2018 10th International Conference on Communication Software and Networks (ICCSN). – IEEE, 2018. – P. 99-103.

10. Han X. et al. Demonstration of 12.5 Mslot/s 32-PPM Underwater Wireless Optical Communication System with 0.34 Photons/Bit Receiver Sensitivity //Photonics. – MDPI, 2023. – vol. 10. – №. 4. – P. 451.

11. Hu S. et al. 35.88 attenuation lengths and 3.32 bits/photon underwater optical wireless communication based on photon-counting receiver with 256-PPM //Optics express. – 2018. – vol. 26. – №. 17. – P. 21685-21699.

12. Wang F. et al. High speed underwater visible light communication system based on LED employing maximum ratio combination with multi-PIN reception //Optics Communications. – 2018. – vol. 425. – P. 106-112.

13. Han B. et al. Experimental demonstration of quasi-omni-directional transmitter for underwater wireless optical communication based on blue LED array and freeform lens //Optics communications. – 2019. – vol. 434. – P. 184-190.

14. Zhou Y. et al. Common-anode LED on a Si substrate for beyond 15 Gbit/s underwater visible light communication //Photonics Research. – 2019. – vol. 7. – №. 9. – P. 1019-1029.

15. Wang F. et al. 3.075 Gb/s underwater visible light communication utilizing hardware pre-equalizer with multiple feature points //Optical Engineering. – 2019. – vol. 58. – №. 5. – P. 056117-056117.

16. Li J. et al. Large-coverage underwater visible light communication system based on blue LED employing equal gain combining with integrated PIN array reception //Applied Optics. – 2019. – vol. 58. – №. 2. – P. 383-388.

17. Hu F. et al. 20.09-Gbit/s underwater WDM-VLC transmission based on a single Si/GaAs-substrate multichromatic LED array chip //2020 Optical fiber communications conference and exhibition (OFC). – IEEE, 2020. – P. 1-3.

18. Wang J. et al. Underwater wireless optical communication system using a 16-QAM modulated 450-nm laser diode based on an FPGA //Applied Optics. – 2019. – vol. 58. – №. 16. – P. 4553-4559.

19. Sait M. et al. The impact of vertical salinity gradient on non-line-of-sight underwater optical wireless communication //IEEE Photonics Journal. – 2021. – vol. 13. – №. 6. – P. 1-9.

20. Di Y., Shao Y., Chen L. K. Real-time wave mitigation for water-air OWC systems via beam tracking //IEEE Photonics Technology Letters. – 2021. – Т. 34. – №. 1. – P. 47-50.

21. Shao Y. et al. Real-time 2.2-Gb/s water-air OFDM-OWC system with low-complexity transmitter-side DSP //Journal of Lightwave Technology. – 2020. – vol. 38. – №. 20. – P. 5668-5675.

22. Wang P., Li C., Xu Z. A cost-efficient real-time 25 Mb/s system for LED-UOWC: design, channel coding, FPGA implementation, and characterization //Journal of Lightwave Technology. – 2018. – vol. 36. – №. 13. – P. 2627-2637.

23. Doniec M. et al. AquaOptical: A lightweight device for high-rate long-range underwater point-to-point communication //Marine Technology Society Journal. – 2010. – vol. 44. – №. 4. – P. 55-65.

24. Doniec M., Rus D. BiDirectional optical communication with AquaOptical II //2010 IEEE International Conference on Communication Systems. – IEEE, 2010. – P. 390-394.

25. Wei Z., Mu X., Fu H. Wearable full-duplex digital transceiver for underwater optical wireless communications //2018 Conference on lasers and electro-optics Pacific Rim (CLEO-PR). – IEEE, 2018. – P. 1-2.

26. Li J. et al. A real-time, full-duplex system for underwater wireless optical communication: hardware structure and optical link model //IEEE Access. – 2020. – vol. 8. – P. 109372-109387.

27. Li Y. et al. Design and implementation of underwater wireless optical communication system with high-speed and full-duplex using blue/green light //2018 10th International Conference on Communication Software and Networks (ICCSN). – IEEE, 2018. – P. 99-103.

28. Hardy N. D. et al. Demonstration of vehicle-to-vehicle optical pointing, acquisition, and tracking for undersea laser communications //Free-Space Laser Communications XXXI. – SPIE, 2019. – vol. 10910. – P. 205-214.

29. BlueComm® 200 UV – Optical Communications System. – Текст : электронный // Sonardyne: https://www.sonardyne.com. – URL: https://www.innova.no/wp-content/uploads//2019/02/Sonardyne_8361_BlueComm_200_UV-1.pdf (дата обращения: 25.01.2025).

30. Li J. et al. A real-time, full-duplex system for underwater wireless optical communication: hardware structure and optical link model //IEEE Access. – 2020. – Т. 8. – P. 109372-109387.

31. Kong M. et al. AquaE-lite hybrid-solar-cell receiver-modality for energy-autonomous terrestrial and underwater Internet-of-Things //IEEE Photonics Journal. – 2020. – Т. 12. – №. 4. – P. 1-13.

32. Kong M. et al. Toward automatic subsea operations using real-time underwater optical wireless sensor networks //IEEE Photonics Journal. – 2021. – vol. 14. – №. 1. – P. 1-8.

33. Kong M. et al. Real-time optical-wireless video surveillance system for high visual-fidelity underwater monitoring //IEEE Photonics Journal. – 2022. – vol. 14. – №. 2. – P. 1-9.

34. Широков И.Б., Головин В.В., Редькина Е.А., Сердюк И.В., Овчаров П.П. Практические аспекты построения систем беспроводной подводной оптической связи для телекоммуникационных приложений // Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. – 2024. – Т. 16. – № 1. – P. 31-42.

35. Широков И.Б., Головин В.В., Редькина Е.А., Сердюк И.В., Овчаров П.П. Структура и элементная база приёмо-передающего модуля для организации подводной оптической беспроводной системы передачи данных. // Журнал радиоэлектроники. – 2024. – №. 1. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.1.7

Для цитирования:

Широков И.Б., Головин В.В., Редькина Е.А., Сердюк И.В., Овчаров П.П. Оптический модуль бимодального модема для организации подводной беспроводной связи. // Журнал радиоэлектроники. – 2025. – №. 8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.8.7