基于差分相位調(diào)制編碼抑制大氣光通信擾動(dòng)

鄭 健，李 莎，蔣經(jīng)農(nóng)

(1.遵義醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系，貴州 遵義 563000;2.海南大學(xué) 信息與科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海口 570228)

由于自由空間光通信(free-space optics communication，F(xiàn)SO)具有寬帶接入能力，因此自由空間光通信能提供小區(qū)內(nèi)、小區(qū)與小區(qū)以及衛(wèi)星和地面站之間的高速數(shù)據(jù)交換［1］。但是光通信系統(tǒng)的性能受環(huán)境因素影響較大，例如大氣閃爍、相位起伏、光束漂移、光束擴(kuò)展、象點(diǎn)抖動(dòng)等［2］，于是抑制大氣擾動(dòng)對(duì)通信的影響成為歷屆國際會(huì)議的熱門話題。先進(jìn)調(diào)制碼型有抑制大氣通信中擾動(dòng)的效果，該碼型在有線光通信中獲得了成功，本文將其運(yùn)用到無線光通信中。

1 大氣信道分析

在自由空間光通信中，通信信道是隨機(jī)的自由空間，這為通信的分析帶來了一定的難度。在看似雜亂無章的信道中，也能找到分析方法，可以通過解決大氣湍流、大氣衰減、光束漂移和接收機(jī)對(duì)準(zhǔn)問題把握信道［2］。

大氣湍流(圖1)的存在使平面波的波正面不再平整，而是隨機(jī)波動(dòng)。通常所講光的大氣湍流效應(yīng)實(shí)際上就是指折射率隨機(jī)場(chǎng)上的效應(yīng)。

圖1 大氣湍流信道示意圖

為了在接收端接收到足夠的光強(qiáng)，需克服大氣分子對(duì)激光能量的損耗。

大氣會(huì)對(duì)光束造成另外的影響，當(dāng)激光束在大氣層中傳輸一定距離后，大氣湍流會(huì)對(duì)光束形成干擾，在接收機(jī)接收平面上表現(xiàn)為光束的中心位置在垂直其傳輸方向平面內(nèi)隨機(jī)變化，該現(xiàn)象稱為光束漂移。光束漂移描述了湍流效應(yīng)。當(dāng)大氣渦流大于光束直徑時(shí)，光束的傳輸方向會(huì)隨機(jī)偏振。在數(shù)學(xué)上可以用光束位移的統(tǒng)計(jì)方差來描述該湍流效應(yīng)。對(duì)光信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，光束漂移效應(yīng)是不能忽略不計(jì)的，特別是在激光測(cè)距、激光通信和激光雷達(dá)等通信系統(tǒng)的研究和運(yùn)用中。

為了確保正常通信，即保證發(fā)送端的光束能被接收端的探測(cè)器接收到，這就要考慮兩端對(duì)準(zhǔn)問題。在發(fā)送端必須將發(fā)送機(jī)瞄準(zhǔn)到一個(gè)恰當(dāng)?shù)姆较?，以便光束?jīng)過自由空間后能被接收機(jī)探測(cè)，同時(shí)接收方的探測(cè)器也應(yīng)根據(jù)發(fā)送光場(chǎng)的到達(dá)角度作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

光波的原始波陣面在經(jīng)過大氣信道后，由于介質(zhì)折射率的差異導(dǎo)致光程的不同，從而致使光波的波陣面由平面波動(dòng)改變成了隨機(jī)波動(dòng)［2］。

2 基于相位調(diào)制的新型調(diào)制格式

通過二級(jí)馬赫-曾德爾調(diào)制器的電光效應(yīng)將信號(hào)調(diào)制到光載波相位上，從而減少了隨機(jī)加性高斯白噪聲的影響，提高容忍度。光功率在相位調(diào)制中服從平均分布，并且可有效避免碼間串?dāng)_(ICI)。在光通信系統(tǒng)中，光載波可以表示為

本研究使用新型調(diào)制編碼DPSK調(diào)制的優(yōu)點(diǎn):①不需要在本地接收端產(chǎn)生相干光進(jìn)行解調(diào)，簡(jiǎn)化了接收機(jī)，降低了誤碼率;② DPSK采用平衡檢測(cè)，判決門限電平為零，與輸入信號(hào)功率無關(guān);③由于DPSK編碼的信息隱藏在相位中，包絡(luò)恒定，可用于長(zhǎng)距離傳輸。與大氣光通信傳統(tǒng)采用的OOK調(diào)制格式比較，DPSK最大的優(yōu)勢(shì)是在相同的誤碼率條件下，它的碼間距離是OOK的倍，對(duì)輸入信噪比要求降低了3 dB。

占空比為33%的RZ-DPSK信號(hào)輸出的調(diào)制信號(hào)為

調(diào)制信號(hào)的光強(qiáng)為

占空比為50%的RZ-DPSK信號(hào)輸出的調(diào)制信號(hào)為

調(diào)制信號(hào)的光強(qiáng)為

當(dāng)MZ2偏置置于Vπ處，得到載波抑制歸零調(diào)制差分相位碼(CSRZ-DPSK信號(hào)，占空比66%)，其調(diào)制信號(hào)為

該調(diào)制信號(hào)的光強(qiáng)為

3 DPSK信號(hào)解調(diào)

利用平衡接收機(jī)對(duì)DPSK信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。典型的平衡接收機(jī)包括光濾波器、馬赫-曾德爾延遲干涉儀、光電平衡檢測(cè)器和電濾波器。最后經(jīng)過平衡檢測(cè)器的差分電流將接收機(jī)的抽樣判決器判決電平設(shè)置為零，可根據(jù)差分電流的正負(fù)判斷是0或1。而DPSK信號(hào)的接收機(jī)采用平衡接收，進(jìn)一步降低了誤碼率，更能準(zhǔn)確恢復(fù)原始信息。

4 實(shí)驗(yàn)

在仿真驗(yàn)證系統(tǒng)中，考慮了大氣湍流效應(yīng)、光束漂移效應(yīng)以及大氣衰減，該數(shù)學(xué)模型不依賴任何輸入碼型，所以可以將傳統(tǒng)的OOK用DPSK取代［5-8］。圖2～4為不用占空比的DPSK信號(hào)的輸入波形。為了更好地與有線光纖融合，取激光的中心波長(zhǎng)λ=1 550 nm，輸入功率P=10 mW，探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換效率R=0。

圖2 DPSK信號(hào)(占空比33%)

將不同占空比的DPSK信號(hào)輸入系統(tǒng)中，在接收端觀察各信號(hào)的誤碼率與Rytov方差之間的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 誤碼率與Rytov方差的關(guān)系

從仿真結(jié)果可以得到如下結(jié)論:對(duì)于不同占空比的DPSK信號(hào)，占空比越小誤碼率也就越小。該誤碼率遠(yuǎn)低于OOK調(diào)制，這是因?yàn)镈PSK的信息隱藏在相位中，信道噪聲疊加在振幅上，而系統(tǒng)的接收機(jī)采用平衡檢測(cè)，又進(jìn)一步降低了誤碼率，故將DPSK信號(hào)用于大氣光通信中能起到抑制擾動(dòng)的作用。

雖然本研究仿真驗(yàn)證了新型調(diào)制編碼能夠大大降低誤碼率，起到抑制大氣擾動(dòng)的作用，但是該編碼還需要進(jìn)一步優(yōu)化。

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