紫外光通信關鍵技術分析

摘 要： 紫外光通信是一種新興的無線光通信技術，可作為常規通信手段的一種補充，廣泛應用于海陸空專用的局域保密通信，其中關鍵器件和技術的制備、研究是紫外光通信發展的主要推動力。對這些關鍵器件和技術進行了分析對比，并指出了今后發展方向。

關鍵詞： 紫外光通信； 紫外光源； 日盲濾光片； 紫外探測器

中圖分類號： TN929.12?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）07?0036?05

0 引 言

軍事通信在現代戰爭中的作用舉足輕重，但是現有通信手段還存在很多不足：有線和光纖通信易被破壞，維護困難；無線和微波通信保密性差，易被干擾。為了滿足現代戰爭對通信技術的特殊要求，更新穎、更安全的紫外光通信應運而生。紫外光通信基于大氣吸收和散射，可實現非視距通信，具有保密性好、抗干擾能力強等優點，而且機動靈活，可以全方位、全天候的工作[[1]]。非常適合短距離抗干擾的復雜通信環境，在搶險救災、應急保障和軍事行動中都有巨大的發展前景。毫無疑問紫外光通信將受到各軍事強國越來越多的重視，而其中關鍵器件和技術的發展將為紫外光通信帶來巨大的變化。

1 紫外光通信的基本原理

太陽光紫外輻射通過地球大氣層時，波長在200～280 nm之間的中紫外波段（UVC）[[2]]會被大氣平流層中的臭氧強烈吸收，通常稱為紫外“日盲區”（Solar Blind）。日盲區的存在為紫外光通信提供了一個無背景噪聲的通信環境。此外，紫外光在近地面大氣中傳輸時，會受到大氣分子和懸浮粒子的吸收和散射作用。吸收作用帶來的衰減將紫外光的傳輸限定在幾千米之內，一定區域外則無法進行截獲和偵聽，保證了通信的安全性；散射作用改變了紫外光的能量傳輸方向，這為紫外光NLOS通信奠定了基礎。

紫外光通信利用大氣散射和吸收，是一種以日盲區紫外光作為傳輸介質的新型通信模式，

2 關鍵器件

紫外光通信系統的關鍵器件包括光源、濾光片和探測器。它們的選擇決定著系統的性能和工作特性。

2.1 紫外光源

光源的選擇對紫外光通信系統尤為重要。目前，應用于紫外光通信系統的光源主要有紫外氣體燈、紫外激光器和紫外光發光二極管三大類。

（1）紫外氣體燈

由于器件材料的限制，早期紫外光通信樣機多以汞弧燈、汞氙燈等作為光源。但這種紫外燈易碎、壽命短、需要高壓驅動，難以實現高速率的開關直接調制，轉換效率很低，目前已經很少采用。GTE公司于2000年為美軍研制了一種適用于多種近距離抗干擾通信環境的紫外光通信系統，以低壓汞燈作為光源[[3]]。這種光源利用低壓汞蒸氣放電，產生254 nm的高效率紫外輻射。其發射功率可達幾十至上百瓦，調制簡單易于實現，是一種容易獲得的理想光源。

可見，紫外燈功率大、成本低，是紫外光通信中普遍使用的一類光源。但由于其自身缺點，其中很多已經棄之不用。對于一些低速率的紫外光通信樣機，適宜采用紫外氣體光源，其中，低壓汞燈被廣泛采用。

（2）紫外激光器

1993年，林肯實驗室研制出一種皮秒級脈寬的被動Q開關微芯片激光器，之后以此作為光源實現了通信。這種紫外激光器堅固耐用、易于維護，具有更大的頻帶寬度和更好的方向性，傳輸速率可達幾百kHz到幾MHz，更適用于遠距離和高速率的紫外光通信系統。但成本高、效率低，而且技術尚不成熟等都限定了紫外激光器的使用場合，目前主要用于短距離NLOS系統仿真實驗和功能驗證。2007年中國科學院物理研究所報道了瓦級實用化的全固態266 nm紫外激光器的設計和應用[[4]]，這種全固態的紫外激光器代表著紫外激光器未來的發展方向。

（3）紫外光發光二極管

2002年，美國DARPA啟動了半導體紫外光源研究項目（SUVOS）[[5]]，旨在研究并制造紫外波段的LED光源。紫外LED體積小、調制載波頻率高，并且功耗低、易高速驅動，突破了傳統紫外光源的瓶頸，為紫外光通信帶來了新的生機。2005年，MIT林肯實驗室首次采用紫外LED作為光源實現了短距離紫外光通信系統[[6]]。雖然目前單個紫外LED輻射功率還比較低，相信隨著半導體材料工藝的不斷進步，紫外LED性能將更加突出，瓦級功率的深紫外LED的出現將帶動紫外光通信跨越式的發展，可實現紫外光通信大帶寬高速率的傳輸。

對比這三種紫外光源（見表1），由于各自的特點應用于不同場合：氣體放電燈輻射功率較高，可用于大功率遠距離的紫外光通信系統。而紫外激光器和LED為光源的紫外光通信系統將向著高速、便攜的方向發展，可滿足短距離保密通信的需要。隨著大功率紫外LED及其陣列的研究，其作為新型紫外光源的優勢越來越明顯，仍將是今后紫外光源的研究重點和發展趨勢。

[光源＼紫外氣體燈＼紫外激光器＼紫外LED＼ 發射功率＼幾十至上萬瓦＼可達千瓦＼毫瓦級＼平均壽命 /h＼6 000～10 000＼15 000＼60 000＼安裝維護＼不方便＼較方便＼較方便＼系統體積＼大＼較小＼小＼成本＼較低＼高＼低＼光譜穩定性＼差＼好＼好＼發光效率 /%＼50＼20＼90＼適用場合＼小型基站＼實驗測試＼高速便攜的

實用性系統＼]

2.2 日盲紫外光濾光片

紫外波傳輸過程中存在太陽背景輻射等干擾，因此接收端需要紫外濾光片濾除非日盲區紫外波段，以降低背景噪聲。目前紫外光通信中常使用的有干涉濾光片和吸收濾光片。

干涉濾光片是利用多層介質膜中光的干涉作用得到信號光的高透過和背景光的深截止。但其在很窄的波長范圍內無法做到透過率急劇下降，而且鍍制多層膜的過程存在必然的誤差，很難達到理想效果。而吸收濾光片由一系列具有特殊吸收光譜特性的有機染料、無機鹽和有色玻璃，再結合透紫外基底構成，具有更好的高透過和深截止特性。比較兩種紫外濾光片干涉濾光片只能符合短距離通信的要求，吸收濾光片則能滿足全天候、長距離通信的要求。因此，實際應用中應根據通信距離的要求選擇適當的濾光片。而對于未來距離更遠、速率更高的紫外光通信，吸收濾光片更具優越性，是主要研制方向。

干涉型和吸收型濾光片性能對比

[濾光片＼信號光

透過率＼背景光

透過率＼透過率隨

入射角變化＼價格＼穩定性＼干涉型＼26%

（254 nm）＼[10-3～10-4]＼大＼便宜＼易潮解＼吸收型＼12%

（260 nm）＼[<10-12]＼小＼貴＼不易潮解＼]

2.3 紫外探測器

探測器是接收機的核心器件，主要完成紫外光信號到電信號的轉換。非視距紫外光通信系統要求探測器具有較大的探測面積、較高的增益和帶寬、高透過率以及極低的暗電流密度。

光電倍增管（PMT）是一種靈敏度極高、響應速度極快的光電子發射型檢測器，是目前紫外光通信樣機最主要采用的探測器元件。但其功耗大、響應時間長、暗電流和內部噪聲較大，而且造價高、不易集成，不適合實用。而半導體光電二極管體積小、成本低、響應速度快，受到廣泛關注。其中雪崩光電二極管（APDs）具有較小的暗電流，是光電二極管的一個研究熱點。DARPA在SUVOS項目資助下，在德州大學建立了研制SiCAPDs探測器的項目。但是，目前利用GaN 研制的APD還很難普遍滿足紫外波段的需要。

綜合考慮器件大小、功耗和成本，半導體探測器更具優勢，目前已經成為發展趨勢。APD性能優異，極有可能代替當前主要使用的光電倍增管，仍將是紫外探測器接下來關注的重點。

3 調制解調技術

3.1 調制形式的選擇

調制形式分為內調制和外調制。內調制也稱直接調制，是指直接用電調制信號控制光源發光。外調制是光源輸出的光載波通過光調制器，光信號通過調制器實現對光載波的調制。內調制簡單、易于實現，但調制帶寬窄、響應速度慢等瓶頸問題日漸突出。而外調制具有更高的帶寬和調制速率，是紫外光通信調制系統今后的發展趨勢。

3.2 調制解調技術

無線光通信中的調制技術包括開關鍵控（OOK）、脈沖位置調制（PPM）、差分脈沖位置調制（DPPM）及脈沖間隔調制（DPIM）等。下面對這幾種調制方式的性能指標進行仿真分析。

（1）帶寬需求

用脈沖寬度的倒數近似表示信號的帶寬。在信息傳輸速率相同的情況下（假設比特率[Rb]），調制方式占空比為1，脈沖寬度為T，則[BOOK=1T=Rb]。而其他三種調制方式相對于OOK的歸一化信號帶寬分別為[[7]]：

[BPPM=2MMBOOK]，[BDPPM=2M+12MBOOK]，[BDPIM=2M+32MBOOK]

為仿真比較的結果。可以看出，PPM帶寬需求最高，OOK最低，而且隨著調制階數M的增加，PPM、DPIM和DPPM的帶寬需求的增長速度越來越快，其中PPM的增幅最大。

（2）平均發射功率

假設發送光脈沖“1”的功率為[Ps]（即峰值功率也為[Ps]），光脈沖“0”、“1”等概率出現，則OOK的平均發射功率為：[POOK=Ps2]。其他三種調制方式的平均發射功率為[[7]]：

[PPPM=Ps2M]， [PDPPM=2Ps2M+1]， [PDPIM=2Ps2M+3]

中看出OOK的平均發射功率最高，PPM、DPPM與DPIM平均功率利用率遠遠優于OOK，PPM的平均發射功率最低，并且隨著調制階數的增加，這種趨勢越來越明顯。

（3）誤時隙率

假定只有加性高斯白噪聲，即噪聲均值為0，方差為[δ2n]。抽樣判決器輸入信號峰值功率為[Pr]，不難推導出各種調制方式的誤時隙率及其最佳判決門限為[[7]]：[Pe-OOK=erfcPr2δ2n22]

最佳判決門限[b=Pr2]。

[Pe-PPM=1+erfb-Pr2δ2n+2M-1erfcb2δ2n2M+1]

其中：[b=2δ2nln（2M-1）+Pr2Pr。]

[Pe-DPPM=1+erfb-Pr2δ2n+2M-1erfcb2δ2n2M+1]

其中：[b=2δ2nln2M-1+Pr2Pr]。[Pe-DPIM=1+erfb-Pr2δ2n+2M+1erfcb2δ2n2M+3]

其中：[b=2δ2nln2M-1+12+Pr2Pr]。

在最佳門限下，各調制方式的誤時隙率所示，可以看出，信噪比一定時，PPM、DPPM與DPIM的誤時隙率隨調制階數M的增加而減小，而M一定時，PPM具有最小的誤時隙率，OOK的誤時隙率最大，DPIM優于DPPM。

（4）傳輸容量

在相同時隙寬度[τ]下，可以用比特率來衡量各種調制方式的傳輸容量，可得[COOK=1/τ]。同理，可計算出其他三種調制方式的傳輸容量為[[8]]：

[CPPM=M2Mτ]， [CDPPM=2M2M+1τ]， [CDPIM=2M2M+3τ]

各種調制方式相對于[COOK]的歸一化傳輸容量如圖5所示。可以看出OOK的傳輸容量最高，且保持不變，當[M>2] 時， DPPM 優于DPIM，PPM的傳輸容量最低。隨著[M]的增加（除OOK不變外），其他調制的傳輸容量越來越低且趨于相同。

綜上分析，并考慮紫外光通信的傳輸特點和信道特性，PPM可以進一步提高傳輸信道的抗干擾能力，降低光輻射平均功率。而且針對今后紫外LED將成為紫外光通信系統主打光源這一趨勢，PPM調制優勢將更加明顯，可滿足高速率通信的要求，是優先考慮的調制方式。

4 非視距信道建模技術

非視距信道模型是紫外光通信的關鍵問題之一。目前，大氣輻射傳輸模型Lowtran、Modtran、Fascode可以在各種復雜天氣情況下，對散射大氣的傳輸特性進行模擬和分析，但是不能直接解決非視距光傳輸時能量衰減和時間調制等問題。1990年，Leugtten等人建立了紫外光單散射信道模型，這為后續紫外光信道模型的研究奠定了基礎[[9]]；2009年加利福尼亞大學Gang Chen等建立了基于蒙特卡洛的多次散射模型，同時提出了路徑損耗和誤比特率的參數模型[[10]]。單散射模型與其他模擬方法相比，計算速度快、操作性強，能夠較好地解決非視距光傳輸時能量衰減和時間調制問題。

單散射模型對應的非視距通信鏈路如圖6所示，接收機位于焦點F1處，光源位于焦點F2處；假設發射、接收圓錐中心軸位于同一平面內，兩個圓錐交叉部分稱為有效散射區，光信號經有效散射區域散射后到達接收機，從而達成通信； [θT]、[θR]分別為發射孔徑角和接收視場角，[βT]、[βR]分別為發射仰角和接收仰角。

5 結 語

紫外光通信的特殊性能使其具有廣泛的應用前景。尤其在軍事上，具有重要的戰略意義。可以預測在未來戰爭中紫外光通信將發揮巨大的作用，也必將受到越來越多的關注。以上分析了紫外光通信系統中一些關鍵器件和技術的研究狀況，加緊對這些關鍵技術的研究和重要設備的研制，盡早實現紫外光通信系統自主研發具有重要的軍事意義。

參考文獻

[1] XU Zheng?yuan， SADLER Brian M. Ultraviolet communications： potential and state?of?the?art [J]. IEEE Communications Magazine， 2008， 46（5）： 67?73.

[2] HUFFMAN R E. Atmospheric ultraviolet remote sensing [M]. Boston：Academic Press， 1992.

[3] HE Q， SADLER B M， XU Z. Modulation and coding tradeoffs for non?line?of?sight ultraviolet communication [J]. Free?Space Laser Communications IX， 2009， 7464： 74640H?12.

[4] 陶立強，梁菁，任杰，等.紫外光通信系統光源技術發展研究[J].電子科技，2011，24（8）：124?127.

[5] SHAW G A， SIEGE A M. Extending the range and performance of non?line?of?sight ultraviolet communication links [J] Unattended Ground， Sea， and Air Sensor Technologies and Applications VIII， 2006， 4（17）： 1?12.

[6] SHAW G A， SIEGEL A M， MODEL J， et al. Recent progress in short?range ultraviolet communication [J]. Unattended Ground Sensor Technologies and Applications VII， 2005， 23（13）： 214?225.

[7] 何攀，李曉毅，侯倩，等.基于LED的紫外光通信調制方式研究[J].光通信技術，2010，34（4）：51?53.

[8] 毛昕蓉，李榮.無線光通信調制技術的性能分析[J].通信技術，2009，42（3）：54?56.

[9] MARK R L， JEFFREY H S， DAVID M R. Non?line?of?sight single?scatter propagation model [J]. Journal Optical Society of America， 1991， 8（12）： 1964?1972.

[10] GANG Chen. Path loss modeling and performance trade?off study for short?range non?line?of?sight ultraviolet communication Free?space optical communication [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 2009， 27（9）： 1535?1544.