基于擴頻技術的水下無線光通信系統

呂偉超，徐 敬,2

(1.浙江大學 海洋學院光通信實驗室，浙江 舟山 316021;2.海洋感知技術與裝備教育部工程研究中心，浙江 舟山 316021)

0 引言

隨著社會的發展，人們對開發利用海洋資源和進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也顯得愈發重要。傳統的水聲通信數據傳輸速率較低，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，嚴重限制了其在水下通信中的應用[1-2]。水下無線光通信(Underwater Wireless Optical Communication,UWOC)技術以光為載波，具有帶寬大、速率高、延時低、安全性高、體積小等優點，這些優點使其在一些需要以數據、圖像或視頻為傳輸信號且速率要求極高的應用中非常具有吸引力[3]。

由于藍綠光在多數海水中的吸收系數最小，目前一般使用藍綠波段的光作為載波進行水下無線光通信。而隨著科技的不斷進步，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UWOC研究使用的光源和探測器的帶寬均已達到GHz水平，如文獻[5]使用的探測器3 dB帶寬可達7 GHz，而文獻[6]使用的激光器帶寬甚至達到了26 GHz，在此基礎上構建的UWOC系統通信速率最高可達到幾十Gbit/s級別，遠遠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用需求。這些研究為了實現高速數據傳輸，通常采用頻譜效率較高的信號調制格式，如正交頻分復用(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：一是提高發射端的光源功率，但激光器功率達到瓦級別后，進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)及多像素光子計數器(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，已被用來實現較長距離的UWOC；三是選用合適的信號調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化器件，在保證UWOC的數據速率在Mbit/s級別滿足大多數水下應用的前提下，進一步延長通信距離，非常具有研究意義。

擴頻通信是現代通信系統中一種通信方式，它使用比信號帶寬寬很多的頻帶來傳輸信息，具有較強的抗干擾、抗衰落和抗多徑性能，且可實現碼分多址，這在移動通信、衛星通信等領域都得到了越來越廣泛的應用[13-16]。根據香農公式：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，這就是擴頻通信的基本思想和理論依據。對于UWOC系統來說，假設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，而本文的出發點也正是基于此。正如前文描述的用于UWOC的器件帶寬已達GHz級別，完全可以通過擴頻技術交換信號帶寬來提高接收端靈敏度，實現更長距離的UWOC[17]。相較于文獻[17]，本文重點比較了基于PIN擴頻系統的實驗結果與仿真結果，并證實了其一致性；此外基于前期的結果，本文首次提出對于一些數據速率要求更低的UWOC應用場景，如水下物聯網，使用靈敏度更高且熱噪聲極低的單光子探測器結合擴頻技術來進一步提高UWOC系統的接收靈敏度及抗噪聲性能。

本文首先簡要介紹了擴頻技術，并使用Matlab對擴頻技術的基本性能進行了仿真；然后搭建了基于擴頻通信的UWOC系統，實驗驗證了擴頻技術確實可用于提升UWOC的接收靈敏度，進而延長UWOC的傳輸距離，且實驗結果與仿真結果比較吻合；最后提出擴頻技術可進一步應用于更靈敏的單光子探測器，并對其性能進行了仿真，初步驗證了其可行性。

1 擴頻技術簡介

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

(a) 直接序列擴頻系統

為簡化流程，只對加性高斯白噪聲信道條件下的直序擴頻性能進行了仿真，結果如圖2所示。可以看出，隨著擴頻序列的長度(即擴頻增益G)從3增加到10，以dB為單位的擴頻增益則從4.77 dB增至10 dB，擴頻通信系統在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，這與擴頻增益的增大數值基本吻合。甚至當擴頻增益足夠大時，系統可以工作在負信噪比條件下。考慮到直擴技術和軟擴頻技術的相似性，也為了在水下光通信系統中更加靈活地控制擴頻增益與數據速率之間的關系，后續實驗將主要采用軟擴頻信號。

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

2 實驗系統與實驗結果

通過實驗來驗證軟擴頻技術在提升系統UWOC接收靈敏度的可行性，實驗裝置如圖3所示。OOK信號與TSS信號利用Matlab離線產生，并加載到任意波形發生器(AWG)產生電信號，經過放大器(AMP)和衰減器(ATT)調整信號幅度后，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。該激光經準直后進入一個長為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，其產生的電信號經過放大后被一臺高速示波器(MSO)采樣，然后送到電腦端進行離線處理，可調光衰減器(VOA)則用來改變進入探測器的光功率。

圖3 實驗裝置示意圖Fig.3 Block diagram of the experimental setup

考慮到系統帶寬的限制，為了驗證擴頻技術的有效性，初步設置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)，而設置擴頻增益為5的(15,3)軟擴頻信號的采樣率為100 MSa/s(有效通信速率為20 Mbit/s)。通過計算得到了接收信號的信噪比，其與誤碼率的關系如圖4所示。可以看出，對于OOK信號和擴頻信號在指定誤碼率條件下所需要的信噪比，實驗結果與仿真結果是基本一致的。而且相較于OOK通信系統，5倍擴頻增益(約7 dB)的軟擴頻通信系統的信噪比需求降低了約7.7 dB，這也反映了軟擴頻的編碼增益。

圖4 系統誤碼率與信噪比的關系Fig.4 Simulated and experimental BERs versus the SNR

為了進一步研究擴頻增益與系統性能間的關系，設計并發送具有不同擴頻增益信號，包括(15,3)，(12,3)，(10,3)，(8,3)，(8,2)的擴頻信號，其擴頻增益分別為5,4,10/3,8/3,4，信號帶寬為200 MHz，則以上幾種擴頻信號對應的有效數據速率分別為40 Mbit/s,50 Mbit/s,60 Mbit/s,75 Mbit/s,50 Mbit/s。OOK信號與擴頻信號僅保持帶寬一致，即數據速率為200 Mbit/s，此時得到的實驗結果如圖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，不同的擴頻增益會帶來不同的接收靈敏度提升，且擴頻增益越高，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)擴頻的接收靈敏度可達-32.5 dBm(0.56 μW)，即提升了4.8 dB。實驗中測得水的衰減系數為0.191 6/m，則可計算得出在該實驗條件下，使用擴頻技術可將最大通信距離延長約5.8 m。從圖5(b)可以得出擴頻增益越大，需要的信噪比越低的結論。且比較(12,3)和(8,2)擴頻信號的結果可以看出，擴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。

實驗中測得進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。由于實驗場地的限制，光在7 m的水槽中反射3次后(共28 m)便很難對準。假設水槽長度足夠長，且透鏡尺寸和視場角足夠大，即所有直接到達的光能量都可以被收集到探測器，那么本系統在該速率下所支持的最大傳輸距離為41 m。為了研究此實驗系統在傳輸距離為28 m時可支持的最大傳輸速率，逐漸增大系統帶寬至700 MHz，并分別測得OOK信號和擴頻信號的誤碼率，結果如圖6所示。可以看出擴頻增益越大，可支持的信號帶寬也越大。由于接收光功率比較大，(15,3)的擴頻信號帶寬甚至可達約670 MHz。該實驗系統傳輸擴頻信號最大速率為180 Mbit/s，其為(10,3)擴頻信號在信號帶寬600 MHz處的速率。

圖6 28 m時系統誤碼率與信號帶寬的關系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、系統仿真結果和實驗結果均可以看出，擴頻技術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現更高靈敏度的接收。

3 基于單光子探測器和擴頻技術的UWOC系統

由于PIN探測器本身的熱噪聲較大，如本實驗使用的PIN探測器其噪聲等效功率為35 pW/Hz1/2，可計算200 MHz帶寬下噪聲功率為0.495 μW(約-33 dBm)，即使通過擴頻技術將系統所需的信噪比降至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，限制了擴頻技術的性能[17]。考慮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)。對于一些數據速率要求不高的UWOC應用，能否使用單光子探測器結合擴頻技術來進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，然后進入死區時間。而由于光子的分布是泊松分布，則SPAD接收到的光子數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，包含了信號與噪聲兩部分，即μ(n)=Ns+Nb；Ns和Nb分別為信號光子數與噪聲光子數。當使用SPAD陣列時，通過統計所有SPAD的輸出，便可得到此時進入探測器的光子數。簡單起見，本文忽略了多個光子同時進入一個SPAD的情況。

為了驗證擴頻技術的可行性，仿真過程中首先分別產生OOK信號和(32,5)軟擴頻信號。當保持噪聲光子數Nb為1時，改變不同的接收光子數Ns，根據泊松分布公式，便得到接收端實際計數到的光子數信息，然后對計數得到的光子數分別進行解調，計算得到誤碼率結果如圖7(a)所示。可以看出在接收光功率極小以至每比特符號只有數個光子的情況下，擴頻技術仍然有效，即在每比特具有的光子數一致的情況下，使用擴頻信號依然能有效降低系統誤碼率。

(a) OOK信號和(32,5)軟擴頻信號

為了更直觀地觀察擴頻增益與基于單光子探測器的擴頻系統性能之間的關系，本文使用更為簡單的直序擴頻信號進行了仿真，依然保持噪聲光子數Nb為1，通過改變直序擴頻序列的長度來改變擴頻增益(2～10)，得到的誤碼率結果如圖7(b)所示，可以看出在每比特信息的光子數一致的前提下隨著擴頻增益的增大，系統的誤碼率在逐漸降低。在給定系統誤碼率時，使用擴頻信號也能有效減少每比特需要的光子數，提高系統接收靈敏度，延長通信距離。

4 結論

本文提出使用擴頻技術來提高UWOC系統的接收端靈敏度，進而延長其傳輸距離，并通過仿真模擬和實驗驗證了其可行性。實驗使用5倍擴頻增益的軟擴頻系統，在信號帶寬為200 MHz條件下，將系統接收靈敏度提升至-32.5 dBm，提升了4.8 dB，相當于將傳輸距離延長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合擴頻技術來進一步提升UWOC系統的傳輸距離，仿真結果也初步表明了其可行性，且靈敏度可至數光子每比特。考慮到擴頻技術還具有抗干擾能力和可應用于碼分多址的特性，其在未來的長距離UWOC中具有很高的應用前景。