1.3 水下可见光通信系统结构

水下可见光通信系统的基本架构是点对点系统[18]，近些年随着通信容量的需求增大，可见光多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）系统[19]在逐步发展中。目前的点对点可见光通信系统主要由发射和接收两部分构成[20]，如图1-4所示。

发射部分分为电学部分与光学部分。电学部分主要包括信号处理电路与发射机驱动电路，光学部分则包括发射机光学芯片以及光学天线。两部分之间的光电子器件就是可见光通信系统的发射机，目前主要是LED与LD[21-22]。首先，信号经过处理电路完成编码和调制之后，再通过电子放大器进行信号放大，驱动LED/LD实现对LED/LD的强度调制，从而将电信号转换为光信号。光学天线主要实现对发射光的光束整形，使光线能精确地向接收系统发射。

接收部分同样包括光学部分和电学部分。光学部分主要包括接收光学天线和探测器芯片。目前主流探测器芯片为PIN光电二极管、雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode，APD）以及光电倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）。PIN光电二极管带来的主要噪声是热噪声。APD能带来很高的电流增益，限制它性能的主要是散粒噪声和其复杂的驱动电路。对于某些复杂的水下环境，需要用到灵敏度极高的PMT，但是驱动PMT工作需要高达上百伏的电压，这对于PMT的运用环境有很苛刻的要求。另外，PMT非常容易受到冲击与震动的影响，如果PMT暴露在室外背景光中工作，极易受到损坏。接收光学天线把尽可能多的光学信息聚焦到探测器芯片表面。电学部分主要是信号处理模块，光电探测器将接收到的光信号转换为电信号，对信号进行解调制、解码等处理之后，恢复出原始的发送信号。

虽然可见光理论上有超大的通信容量，但是受限于现有发射接收机的材料器件、光学系统、数字信号处理算法等，进一步提升可见光通信系统的传输速率依旧充满挑战。