DirectDemodNet：面向偏振分集水下可见光通信的端到端神经解调器

《Photonics》：DirectDemodNet: An End-to-End Neural Demodulator for Polarization-Diverse Underwater Visible Light Communication

　　

研究人员展示了一种水下可见光通信系统，采用圆偏振520 nm激光发射器、32APSK调制和偏振分集双孔径接收器。一种端到端后均衡网络DirectDemodNet直接将双偏振接收波形映射到32APSK符号对数几率(logits)，取代了传统的最小均方(LMS)+Volterra均衡。通过结合波形差异特征、双尺度扩张时间卷积和多周期位置编码，DirectDemodNet改进了非线性补偿和支路融合。在1.2 m静态水下信道中，对7.5至13.75 Gbps的数据速率进行了广泛评估。实验表明，DirectDemodNet拓宽了前向纠错(FEC)兼容的工作范围，并在7%硬判决前向纠错(HD-FEC)阈值下，相比LMS+Volterra提供了最大4.095 Gbps的净传输速率增益。

水下可见光通信（UVLC）利用380-760 nm波长范围，是未来6G海洋和空天地一体化网络的关键技术。然而，实际链路面临严重信号衰减：水分子和悬浮颗粒引起吸收和散射，导致指数级功率衰减、波束展宽和多径时延引发的符号间干扰（ISI）；湍流动态改变折射率，破坏波前相干性，造成随机幅度抖动、光束漂移和相位抖动。针对这些损伤，研究者探索了圆偏振光和多孔径偏振分集接收方案，但传统数字信号处理（DSP）采用级联的最小均方（LMS）和Volterra均衡器，复杂度随记忆长度和非线性阶数指数增长，且无法捕获多孔径接收中时变的跨信道非线性相关性。

为克服上述局限，研究人员提出DirectDemodNet，一种端到端神经解调器，用于偏振分集UVLC系统。该系统采用圆偏振520 nm激光发射器、32APSK调制（32APSK，因幅度变化小，对功率波动和非线性具有更强容忍度）和偏振分集双孔径接收器（通过偏振分束器（PBS）将入射光分为水平偏振（X Pol.）和垂直偏振（Y Pol.）分量）。DirectDemodNet将均衡、偏振支路融合和符号判决集成于单个模型，通过在1.2 m静态水槽中7.5-13.75 Gbps速率下的实验验证，表明该网络在7%硬判决前向纠错（HD-FEC）阈值（3.8×10^-3）下，使系统误码率（BER）低于该阈值，并提供最大4.095 Gbps的净速率增益，同时显著拓宽了可用驱动电压动态范围（Vpp动态范围扩展0.44 V和0.61 V）。该方案为构建下一代高可靠高速水下光通信网络提供了高效技术路径，论文发表在《Photonics》。

关键技术方法（不超过250字）：
- 发射端：采用圆偏振520 nm激光和32APSK调制，通过线性偏振片和45°四分之一波片产生圆偏振光。
- 接收端：双孔径接收器通过PBS分离正交偏振分量，由高灵敏度雪崩光电探测器（APD）和示波器（OSC）数字化采样。
- DirectDemodNet架构：输入特征提取（原始波形加一阶和二阶差分，形成6通道特征）；前端扩张时间卷积网络（TCN）进行波形级建模（扩张因子1,2,4,8,16）；两步步长为2的卷积实现4倍下采样至符号率；后端TCN执行符号级残差补偿；多周期位置编码（16、32和64符号周期学习嵌入，维度22、21、21）融合符号率特征；分类头（两层MLP：LayerNorm-Linear(64,128)-GELU-Dropout-Linear(128,32)）输出32维logits。训练采用AdamW优化器，5000轮，交叉熵损失（标签平滑0.01），权重衰减1×10^-4，梯度裁剪范数1.0。

研究结果：

3.1 训练收敛性与稳定性：通过交叉熵损失迅速下降并饱和、梯度范数全程有界，以及验证BER演化曲线，证实DirectDemodNet稳定收敛，最终BER性能强烈依赖于物理操作条件（低信噪比、高非线性或最优条件）。

3.2 基线对比与系统优化：与级联LMS+Volterra基线（优化抽头和步长）对比，在最优偏置电流（90 mA）和驱动电压（300 mV）下，DirectDemodNet将FEC兼容的Vpp动态范围扩展至0.44 V（80 mA偏置）和0.61 V（100 mA偏置），表明其更强的非线性抑制能力。

3.3 速率性能与频谱分析：在7.5-13.75 Gbps速率范围内，DirectDemodNet始终优于基线，在HD-FEC阈值下获得4.095 Gbps速率增益。接收双偏振频谱显示RX1和RX2存在高频滚降（约0.6 GHz起）和不同的衰落深度与噪声纹理，证明偏振信道非相关性，DirectDemodNet能有效提取并自适应融合这些跨信道时频特征。

讨论部分：DirectDemodNet不限于1.2 m链路或特定速率范围，可通过调整感受野或隐藏维度适应更长信道记忆或更高符号率；但扩展到10 Gbps以上或10-50 m距离受限于光功率预算、水下衰减、器件带宽、探测器噪声和采样硬件。当前为概念验证，未来需更高带宽光电器件、信道多样化训练数据和硬件感知优化。该网络基于前馈卷积结构，适合FPGA/ASIC实时实现，后续将探索硬件加速和量化。

结论翻译：在本文中，研究人员通过用端到端DirectDemodNet取代传统的LMS+Volterra DSP框架，展示了一种UVLC系统。为对抗严重的水下散射，该系统集成了低相干性、圆偏振激光发射器以及高鲁棒性的32APSK调制方案。相应地，为双孔径接收器开发了一种端到端后均衡网络。在7.5至13.75 Gbps数据速率范围内的实验结果表明，该网络始终优于传统LMS+Volterra框架。具体而言，DirectDemodNet将系统的BER降低至7% HD-FEC阈值3.8×10^-3以下，提供了最大4.095 Gbps的传输速率增益。该方案为构建下一代高可靠性、高速水下光通信网络建立了一条高效且实用的技术路径。