基于非理想收发器件的深海长距离无线光通信技术研究
作者单位：中国科学技术大学
学位级别：硕士
导师姓名：徐正元
授予年度：2022年
主 题：水下无线光通信 长距离 数字补偿技术 深海 脉冲计数
摘 要：海洋面积辽阔且资源丰富,挖掘海洋资源对人类社会的可持续发展意义重大,随之日益频繁的海底潜航活动对水下通信系统提出了更高的要求。水声通信传输距离远但数据速率低,传输延迟高,水下电磁波通信由于水体的趋肤效应,传输距离受限,它们都难以胜任日益增长的应用需求。与上述水下无线通信技术相比,水下无线光通信(Underwater Optical Wireless Communication,UOWC)技术能够提供长距离、高速率、低延迟的水下通信链路,是一种极具潜力的水下无线通信技术。然而,UOWC系统中发送端光源或接收端光电探测器的器件特性通常是非理想的,如何有效补偿收发器件的非理想特性就成了 UOWC相关研究中的重点问题。本课题面向深海长距离无线光通信场景,采用激光二极管(Laser Diode,LD)作为发送端光源,在接收光功率处于μW量级和nW量级时分别采用雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode,APD)和光电倍增管(Photomultiplier Tube,PMT)作为接收端光电探测器构建通信链路。本文主要研究上述收发器件非理想特性对系统性能的影响以及对应的非理想特性补偿方法,并设计UOWC实验平台对补偿方法的性能进行实验验证。本文具体的研究内容和贡献如下:(1)本文研究了基于LD-APD的UOWC系统中收发器件非理想特性对系统性能的影响,在此基础上采用适当的补偿方法提升系统性能并对补偿方法的有效性进行实验验证,最后分析预测了基于LD-APD的UOWC系统的理论性能。在长距离UOWC系统中,接收光功率随传输距离指数衰减。当接收光功率是μW量级时,本文采用APD作为接收端光电探测器,构建长距离、高速率水下通信链路。在高速UOWC系统接收端,APD器件有限的调制带宽会引入严重的符号间干扰(Inter Symbol Interference,ISI)。除此之外,发送端LD电光转换过程中通常会有一定程度的非线性失真,使接收端误码率升高,对于采用高阶调制的UOWC系统来说非线性损伤更为明显。本文使用数字后均衡和数字预均衡技术分别缓解APD调制带宽不足引入的ISI和LD非线性失真的不利影响。采用所设计的130m长距离UOWC实验平台和上述补偿技术,本文基于APD探测器实现了最高1Gbps的数据传输速率,对应的接收光功率为4.1μW。而后本文依据水下信道光功率衰减模型预测了基于LD-APD的UOWC系统的理论性能,当发送光功率为50mW时,该UOWC系统最远通信距离预测为273m。(2)本文研究了基于LD-PMT的UOWC系统中收发器件非理想特性对系统性能的影响,在此基础上提出适当的补偿方法提升系统性能并对补偿方法的有效性进行实验验证,最后分析预测了基于LD-PMT的UOWC系统的理论性能。进一步延长通信距离,接收光功率可能低于APD的探测灵敏度极限,在接收光功率处于nW量级时本文采用PMT作为接收端光电探测器。为了探测微弱的光子信号,PMT内部采用多级放大结构,其中的每一级放大过程都具有随机性,导致PMT输出脉冲的幅度各不相同,因此对PMT输出脉冲的准确计数较为困难。本文提出了基于自差分峰值搜索的脉冲计数方法,提高了脉冲计数的准确性。由于模数转换器和PMT等器件的噪声也会造成采样值起伏波动形成峰值而引起误计数,本文通过实验探究了信号脉冲峰值和噪声波动峰值的分布规律并基于该规律对接收信号进行滤波预处理,降低了噪声波动引起的误计数概率。除接收端PMT之外,发送端LD内置Bias-Tee(BT)的低频截止效应会在Mbps级通信系统中产生明显的不利影响。本文采用在发送序列比特间填充保护间隔的补偿方法,缓解BT非理想特性对系统性能的损伤。基于上述补偿方法,UOWC实验系统在接收光功率仅有0.38nW时获得了 5.7Mbps的数据传输速率,相比于上文APD探测器的接收光功率4.1μW,UOWC系统所需的接收光功率大幅度降低,实际系统可以根据接收光功率灵活选择光电探测器。最后本文依据水下信道光功率衰减模型预测了基于LD-PMT的UOWC系统的理论性能,当发送光功率为50mW时,该UOWC系统最远通信距离预测为428m。
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