呂偉超，徐 敬,2

(1.浙江大學(xué) 海洋學(xué)院光通信實(shí)驗(yàn)室，浙江 舟山 316021;2.海洋感知技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，浙江 舟山 316021)

0 引言

隨著社會的發(fā)展，人們對開發(fā)利用海洋資源和進(jìn)行海洋探測的需求逐漸增加，高速長距離的水下無線通信技術(shù)也顯得愈發(fā)重要。傳統(tǒng)的水聲通信數(shù)據(jù)傳輸速率較低，且信號傳輸時延較大，而射頻信號在水中衰減較大，且往往需要龐大的天線，嚴(yán)重限制了其在水下通信中的應(yīng)用[1-2]。水下無線光通信(Underwater Wireless Optical Communication,UWOC)技術(shù)以光為載波，具有帶寬大、速率高、延時低、安全性高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)使其在一些需要以數(shù)據(jù)、圖像或視頻為傳輸信號且速率要求極高的應(yīng)用中非常具有吸引力[3]。

由于藍(lán)綠光在多數(shù)海水中的吸收系數(shù)最小，目前一般使用藍(lán)綠波段的光作為載波進(jìn)行水下無線光通信。而隨著科技的不斷進(jìn)步，光源和探測器的制造工藝也在逐漸成熟并日臻完善。目前許多有關(guān)UWOC研究使用的光源和探測器的帶寬均已達(dá)到GHz水平，如文獻(xiàn)[5]使用的探測器3 dB帶寬可達(dá)7 GHz，而文獻(xiàn)[6]使用的激光器帶寬甚至達(dá)到了26 GHz，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建的UWOC系統(tǒng)通信速率最高可達(dá)到幾十Gbit/s級別，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前在用的水聲通信(kbit/s級別)，也足已滿足幾乎所有的水下應(yīng)用需求。這些研究為了實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，通常采用頻譜效率較高的信號調(diào)制格式，如正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)[7-9]，其需要較高的接收光功率和信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)，因此其傳輸距離往往較短，一般僅為幾十米。對于很多UWOC的應(yīng)用，如圖片和視頻傳輸，幾十Mbit/s的速率便可滿足通信需求，而傳輸距離卻逐漸成為限制UWOC應(yīng)用的一塊短板。

延長UWOC傳輸距離一般有3種途徑：一是提高發(fā)射端的光源功率，但激光器功率達(dá)到瓦級別后，進(jìn)一步提升光源功率的成本與延長的通信距離的收益不成正比；二是采用高靈敏探測器，如單光子雪崩二極管(Single Photon Avalanche Diode,SPAD)、光電倍增管(Photo Multiplier Tube,PMT)及多像素光子計(jì)數(shù)器(Multi-Pixel Photon Counter,MPPC)等[10-12]，三者均具有探測單個光子的能力，接收靈敏度可逼近探測極限，已被用來實(shí)現(xiàn)較長距離的UWOC；三是選用合適的信號調(diào)制格式并輔以信號處理來提高接收端靈敏度。那么如何利用目前已有的商業(yè)化器件，在保證UWOC的數(shù)據(jù)速率在Mbit/s級別滿足大多數(shù)水下應(yīng)用的前提下，進(jìn)一步延長通信距離，非常具有研究意義。

擴(kuò)頻通信是現(xiàn)代通信系統(tǒng)中一種通信方式，它使用比信號帶寬寬很多的頻帶來傳輸信息，具有較強(qiáng)的抗干擾、抗衰落和抗多徑性能，且可實(shí)現(xiàn)碼分多址，這在移動通信、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域都得到了越來越廣泛的應(yīng)用[13-16]。根據(jù)香農(nóng)公式：C=B×log2(1+S/N)，其中，C為信道容量，B為頻帶寬度，S為信號功率，N為噪聲功率。由公式可以看出，當(dāng)信道容量C一定時，增加信號帶寬可以降低對信噪比的要求，這就是擴(kuò)頻通信的基本思想和理論依據(jù)。對于UWOC系統(tǒng)來說，假設(shè)由于探測器等器件帶來的噪聲功率保持不變，增大信號帶寬便可降低通信需要的接收光功率，即提升了接收端的接收靈敏度，延長了通信距離，而本文的出發(fā)點(diǎn)也正是基于此。正如前文描述的用于UWOC的器件帶寬已達(dá)GHz級別，完全可以通過擴(kuò)頻技術(shù)交換信號帶寬來提高接收端靈敏度，實(shí)現(xiàn)更長距離的UWOC[17]。相較于文獻(xiàn)[17]，本文重點(diǎn)比較了基于PIN擴(kuò)頻系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果，并證實(shí)了其一致性；此外基于前期的結(jié)果，本文首次提出對于一些數(shù)據(jù)速率要求更低的UWOC應(yīng)用場景，如水下物聯(lián)網(wǎng)，使用靈敏度更高且熱噪聲極低的單光子探測器結(jié)合擴(kuò)頻技術(shù)來進(jìn)一步提高UWOC系統(tǒng)的接收靈敏度及抗噪聲性能。

本文首先簡要介紹了擴(kuò)頻技術(shù)，并使用Matlab對擴(kuò)頻技術(shù)的基本性能進(jìn)行了仿真；然后搭建了基于擴(kuò)頻通信的UWOC系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了擴(kuò)頻技術(shù)確實(shí)可用于提升UWOC的接收靈敏度，進(jìn)而延長UWOC的傳輸距離，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果比較吻合；最后提出擴(kuò)頻技術(shù)可進(jìn)一步應(yīng)用于更靈敏的單光子探測器，并對其性能進(jìn)行了仿真，初步驗(yàn)證了其可行性。

1 擴(kuò)頻技術(shù)簡介

擴(kuò)頻技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的為直接序列擴(kuò)頻(Direct-Sequence Spread Spectrum,DSSS)技術(shù)，簡稱直擴(kuò)技術(shù)。直擴(kuò)系統(tǒng)是將要發(fā)送的信息用偽隨機(jī)(Pseudo Random，PN)序列擴(kuò)展到一個很寬的頻帶上，然后在接收端采用與發(fā)射端相同的PN 碼進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，恢復(fù)出原始信息序列，原理框圖如圖1(a)所示。由于干擾信號與偽隨機(jī)序列不相關(guān)，在接收端被擴(kuò)展，使干擾信號的帶內(nèi)功率大大降低，從而提高了系統(tǒng)的信噪比，達(dá)到抗干擾并提高接收端靈敏度的目的。此外還有另一種擴(kuò)頻技術(shù)叫軟擴(kuò)頻(Tamed Spread Spectrum,TSS)技術(shù)，是一種直接序列擴(kuò)頻技術(shù)與編碼技術(shù)相結(jié)合的擴(kuò)頻技術(shù)[18-20]。軟擴(kuò)頻技術(shù)相當(dāng)于(N,k)編碼，在發(fā)射端它是將信息空間中的kbit的數(shù)據(jù)，一一映射到偽隨機(jī)編碼空間中2k個長度為N的偽隨機(jī)序列。理想情況下，偽隨機(jī)碼空間的2k個長為N的偽隨機(jī)碼是正交的，因此這種擴(kuò)頻方式又稱為正交擴(kuò)頻。相對應(yīng)的在接收機(jī)端，采用2k條長為N的偽隨機(jī)碼分別與接收信號相關(guān)，完成解調(diào)解擴(kuò)，恢復(fù)發(fā)送的k比特信息，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(b)所示。與一般直接序列擴(kuò)頻不同，其擴(kuò)頻增益G=N/k比較小，且可不為整數(shù)，可更靈活調(diào)整信號帶寬與抗干擾性能。此外采用編碼來實(shí)現(xiàn)的軟擴(kuò)頻不僅具有擴(kuò)頻增益，還具有編碼增益。

(a) 直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)

為簡化流程，只對加性高斯白噪聲信道條件下的直序擴(kuò)頻性能進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖2所示。可以看出，隨著擴(kuò)頻序列的長度(即擴(kuò)頻增益G)從3增加到10，以dB為單位的擴(kuò)頻增益則從4.77 dB增至10 dB，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)在FEC閾值條件下(誤碼率為3.8×10-3)對信噪比的需求也從約3.6 dB降至-1.6 dB，這與擴(kuò)頻增益的增大數(shù)值基本吻合。甚至當(dāng)擴(kuò)頻增益足夠大時，系統(tǒng)可以工作在負(fù)信噪比條件下?？紤]到直擴(kuò)技術(shù)和軟擴(kuò)頻技術(shù)的相似性，也為了在水下光通信系統(tǒng)中更加靈活地控制擴(kuò)頻增益與數(shù)據(jù)速率之間的關(guān)系，后續(xù)實(shí)驗(yàn)將主要采用軟擴(kuò)頻信號。

圖2 不同序列長度下的直擴(kuò)系統(tǒng)誤碼率性能Fig.2 Simulated BERs performance of the DSSS system under different sequence lengths

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證軟擴(kuò)頻技術(shù)在提升系統(tǒng)UWOC接收靈敏度的可行性，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。OOK信號與TSS信號利用Matlab離線產(chǎn)生，并加載到任意波形發(fā)生器(AWG)產(chǎn)生電信號，經(jīng)過放大器(AMP)和衰減器(ATT)調(diào)整信號幅度后，通過Bias-T與一起加載到一個波長為520 nm的綠光激光器(LD)上，輸出光功率為4.1 mW的光信號。該激光經(jīng)準(zhǔn)直后進(jìn)入一個長為7 m的亞克力水槽，在水中反射3次后，被一個帶寬為150 MHz的光電探測器(PIN)所接收，其產(chǎn)生的電信號經(jīng)過放大后被一臺高速示波器(MSO)采樣，然后送到電腦端進(jìn)行離線處理，可調(diào)光衰減器(VOA)則用來改變進(jìn)入探測器的光功率。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Block diagram of the experimental setup

考慮到系統(tǒng)帶寬的限制，為了驗(yàn)證擴(kuò)頻技術(shù)的有效性，初步設(shè)置OOK信號帶寬分別為20 MHz和100 MHz(通信速率分別為20 Mbit/s和100 Mbit/s)，而設(shè)置擴(kuò)頻增益為5的(15,3)軟擴(kuò)頻信號的采樣率為100 MSa/s(有效通信速率為20 Mbit/s)。通過計(jì)算得到了接收信號的信噪比，其與誤碼率的關(guān)系如圖4所示?？梢钥闯?，對于OOK信號和擴(kuò)頻信號在指定誤碼率條件下所需要的信噪比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果是基本一致的。而且相較于OOK通信系統(tǒng)，5倍擴(kuò)頻增益(約7 dB)的軟擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的信噪比需求降低了約7.7 dB，這也反映了軟擴(kuò)頻的編碼增益。

圖4 系統(tǒng)誤碼率與信噪比的關(guān)系Fig.4 Simulated and experimental BERs versus the SNR

為了進(jìn)一步研究擴(kuò)頻增益與系統(tǒng)性能間的關(guān)系，設(shè)計(jì)并發(fā)送具有不同擴(kuò)頻增益信號，包括(15,3)，(12,3)，(10,3)，(8,3)，(8,2)的擴(kuò)頻信號，其擴(kuò)頻增益分別為5,4,10/3,8/3,4，信號帶寬為200 MHz，則以上幾種擴(kuò)頻信號對應(yīng)的有效數(shù)據(jù)速率分別為40 Mbit/s,50 Mbit/s,60 Mbit/s,75 Mbit/s,50 Mbit/s。OOK信號與擴(kuò)頻信號僅保持帶寬一致，即數(shù)據(jù)速率為200 Mbit/s，此時得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

(a) 在不同接收光功率下的誤碼率性能

由圖5可以看出，不同的擴(kuò)頻增益會帶來不同的接收靈敏度提升，且擴(kuò)頻增益越高，靈敏度提升效果越好。相較于OOK信號(靈敏度為-27.7 dBm)，同樣信號帶寬的條件下使用(15,3)擴(kuò)頻的接收靈敏度可達(dá)-32.5 dBm(0.56 μW)，即提升了4.8 dB。實(shí)驗(yàn)中測得水的衰減系數(shù)為0.191 6/m，則可計(jì)算得出在該實(shí)驗(yàn)條件下，使用擴(kuò)頻技術(shù)可將最大通信距離延長約5.8 m。從圖5(b)可以得出擴(kuò)頻增益越大，需要的信噪比越低的結(jié)論。且比較(12,3)和(8,2)擴(kuò)頻信號的結(jié)果可以看出，擴(kuò)頻信號的編碼長度越長，信噪比要求越低，即前面提到的編碼增益。

實(shí)驗(yàn)中測得進(jìn)入光衰減器的光功率仍有7 μW (-21.5 dBm)，相較于-32.5 dBm的接收靈敏度還有11 dB的光功率額度。由于實(shí)驗(yàn)場地的限制，光在7 m的水槽中反射3次后(共28 m)便很難對準(zhǔn)。假設(shè)水槽長度足夠長，且透鏡尺寸和視場角足夠大，即所有直接到達(dá)的光能量都可以被收集到探測器，那么本系統(tǒng)在該速率下所支持的最大傳輸距離為41 m。為了研究此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在傳輸距離為28 m時可支持的最大傳輸速率，逐漸增大系統(tǒng)帶寬至700 MHz，并分別測得OOK信號和擴(kuò)頻信號的誤碼率，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯鰯U(kuò)頻增益越大，可支持的信號帶寬也越大。由于接收光功率比較大，(15,3)的擴(kuò)頻信號帶寬甚至可達(dá)約670 MHz。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)傳輸擴(kuò)頻信號最大速率為180 Mbit/s，其為(10,3)擴(kuò)頻信號在信號帶寬600 MHz處的速率。

圖6 28 m時系統(tǒng)誤碼率與信號帶寬的關(guān)系Fig.6 BER performance of different schemes versus the signal bandwidth at the transmission distance of 28 m

從以上理論分析、系統(tǒng)仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均可以看出，擴(kuò)頻技術(shù)的確能在一定程度上突破硬件的接收靈敏度限制，通過一定帶寬的代價來實(shí)現(xiàn)更高靈敏度的接收。

3 基于單光子探測器和擴(kuò)頻技術(shù)的UWOC系統(tǒng)

由于PIN探測器本身的熱噪聲較大，如本實(shí)驗(yàn)使用的PIN探測器其噪聲等效功率為35 pW/Hz1/2，可計(jì)算200 MHz帶寬下噪聲功率為0.495 μW(約-33 dBm)，即使通過擴(kuò)頻技術(shù)將系統(tǒng)所需的信噪比降至0 dB甚至以下，其靈敏度也相對較低。即使更高靈敏的雪崩光電二極管(APD)也面臨著較大的熱噪聲，限制了擴(kuò)頻技術(shù)的性能[17]?？紤]到單光子探測器具有探測單個光子的能力，靈敏度非常高，且熱噪聲極低，但帶寬一般相對較低(MHz級別)。對于一些數(shù)據(jù)速率要求不高的UWOC應(yīng)用，能否使用單光子探測器結(jié)合擴(kuò)頻技術(shù)來進(jìn)一步提高其接收靈敏度及抗噪聲性能呢？單光子探測器(SPAD)是工作在蓋革模式下的APD，當(dāng)SPAD收到一個入射光子時便開始雪崩，并輸出一個脈沖信號，然后進(jìn)入死區(qū)時間。而由于光子的分布是泊松分布，則SPAD接收到的光子數(shù)ν(n)為j的概率可表示為[21]：

其中，μ(n)為接收信號的平均光子數(shù)，包含了信號與噪聲兩部分，即μ(n)=Ns+Nb；Ns和Nb分別為信號光子數(shù)與噪聲光子數(shù)。當(dāng)使用SPAD陣列時，通過統(tǒng)計(jì)所有SPAD的輸出，便可得到此時進(jìn)入探測器的光子數(shù)。簡單起見，本文忽略了多個光子同時進(jìn)入一個SPAD的情況。

為了驗(yàn)證擴(kuò)頻技術(shù)的可行性，仿真過程中首先分別產(chǎn)生OOK信號和(32,5)軟擴(kuò)頻信號。當(dāng)保持噪聲光子數(shù)Nb為1時，改變不同的接收光子數(shù)Ns，根據(jù)泊松分布公式，便得到接收端實(shí)際計(jì)數(shù)到的光子數(shù)信息，然后對計(jì)數(shù)得到的光子數(shù)分別進(jìn)行解調(diào)，計(jì)算得到誤碼率結(jié)果如圖7(a)所示?？梢钥闯鲈诮邮展夤β蕵O小以至每比特符號只有數(shù)個光子的情況下，擴(kuò)頻技術(shù)仍然有效，即在每比特具有的光子數(shù)一致的情況下，使用擴(kuò)頻信號依然能有效降低系統(tǒng)誤碼率。

(a) OOK信號和(32,5)軟擴(kuò)頻信號

為了更直觀地觀察擴(kuò)頻增益與基于單光子探測器的擴(kuò)頻系統(tǒng)性能之間的關(guān)系，本文使用更為簡單的直序擴(kuò)頻信號進(jìn)行了仿真，依然保持噪聲光子數(shù)Nb為1，通過改變直序擴(kuò)頻序列的長度來改變擴(kuò)頻增益(2～10)，得到的誤碼率結(jié)果如圖7(b)所示，可以看出在每比特信息的光子數(shù)一致的前提下隨著擴(kuò)頻增益的增大，系統(tǒng)的誤碼率在逐漸降低。在給定系統(tǒng)誤碼率時，使用擴(kuò)頻信號也能有效減少每比特需要的光子數(shù)，提高系統(tǒng)接收靈敏度，延長通信距離。

4 結(jié)論

本文提出使用擴(kuò)頻技術(shù)來提高UWOC系統(tǒng)的接收端靈敏度，進(jìn)而延長其傳輸距離，并通過仿真模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。實(shí)驗(yàn)使用5倍擴(kuò)頻增益的軟擴(kuò)頻系統(tǒng)，在信號帶寬為200 MHz條件下，將系統(tǒng)接收靈敏度提升至-32.5 dBm，提升了4.8 dB，相當(dāng)于將傳輸距離延長5.8 m。并提出使用具有更高靈敏度、更低熱噪聲的單光子探測器結(jié)合擴(kuò)頻技術(shù)來進(jìn)一步提升UWOC系統(tǒng)的傳輸距離，仿真結(jié)果也初步表明了其可行性，且靈敏度可至數(shù)光子每比特。考慮到擴(kuò)頻技術(shù)還具有抗干擾能力和可應(yīng)用于碼分多址的特性，其在未來的長距離UWOC中具有很高的應(yīng)用前景。