1.3 水下可見光通信系統結構

水下可見光通信系統的基本架構是點對點系統[18]，近些年隨著通信容量的需求增大，可見光多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）系統[19]在逐步發展中。目前的點對點可見光通信系統主要由發射和接收兩部分構成[20]，如圖1-4所示。

圖1-4　水下點對點可見光通信系統的基本結構

發射部分分為電學部分與光學部分。電學部分主要包括信號處理電路與發射機驅動電路，光學部分則包括發射機光學芯片以及光學天線。兩部分之間的光電子器件就是可見光通信系統的發射機，目前主要是LED與LD[21-22]。首先，信號經過處理電路完成編碼和調制之后，再通過電子放大器進行信號放大，驅動LED/LD實現對LED/LD的強度調制，從而將電信號轉換為光信號。光學天線主要實現對發射光的光束整形，使光線能精確地向接收系統發射。

接收部分同樣包括光學部分和電學部分。光學部分主要包括接收光學天線和探測器芯片。目前主流探測器芯片為PIN光電二極管、雪崩光電二極管（Avalanche Photodiode，APD）以及光電倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）。PIN光電二極管帶來的主要噪聲是熱噪聲。APD能帶來很高的電流增益，限制它性能的主要是散粒噪聲和其復雜的驅動電路。對于某些復雜的水下環境，需要用到靈敏度極高的PMT，但是驅動PMT工作需要高達上百伏的電壓，這對于PMT的運用環境有很苛刻的要求。另外，PMT非常容易受到沖擊與震動的影響，如果PMT暴露在室外背景光中工作，極易受到損壞。接收光學天線把盡可能多的光學信息聚焦到探測器芯片表面。電學部分主要是信號處理模塊，光電探測器將接收到的光信號轉換為電信號，對信號進行解調制、解碼等處理之后，恢復出原始的發送信號。

雖然可見光理論上有超大的通信容量，但是受限于現有發射接收機的材料器件、光學系統、數字信號處理算法等，進一步提升可見光通信系統的傳輸速率依舊充滿挑戰。