采用高級(jí)調(diào)制格式相干接收的FSO系統(tǒng)性能研究

陳雨露　楊鵬鯤　蔡世君　郭曉冰（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南　鄭州　450000）

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采用高級(jí)調(diào)制格式相干接收的FSO系統(tǒng)性能研究

陳雨露楊鵬鯤蔡世君郭曉冰
（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南鄭州450000）

基于描述FSO系統(tǒng)接收端光強(qiáng)分布的Gamma-Gamma信道模型，研究大氣湍流強(qiáng)度和信號(hào)傳輸距離對(duì)高級(jí)調(diào)制格式-相干接收系統(tǒng)的影響。在分析Gamma-Gamma信道下，采用MPSK（M=2，4，8）和MQAM（M= 8，16，32）調(diào)制-相干接收FSO系統(tǒng)的誤符率與湍流強(qiáng)度、傳輸距離之間的關(guān)系，利用特殊函數(shù)代換推導(dǎo)其閉合表達(dá)式。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，仿真研究M值、湍流強(qiáng)度和傳輸距離等因素對(duì)誤符率的影響。

FSO湍流信道；M階調(diào)制；相干接收；誤符率

自由空間光（Free Space Optical，F(xiàn)SO）通信是一種以激光為載體，通過(guò)真空或大氣傳遞信息的光通信方式，因其具有T-Hz無(wú)需頻譜許可的超大可用帶寬、傳輸鏈路保密性好、通信協(xié)議透明、設(shè)備廉價(jià)以及運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本低等優(yōu)勢(shì)，已成為射頻無(wú)線通信的強(qiáng)有力補(bǔ)充［1-3］。對(duì)于FSO系統(tǒng)來(lái)講，室外大氣湍流是制約其系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。當(dāng)激光束在大氣中傳輸時(shí)，大氣湍流效應(yīng)使激光束在傳播過(guò)程中隨機(jī)改變其波束特性，導(dǎo)致光波的強(qiáng)度、相位和頻率在時(shí)間和空間上呈現(xiàn)隨機(jī)起伏，從而引起光束強(qiáng)度起伏（大氣閃爍）、光束彎曲和漂移、光束彌散畸變以及空間相干性退化等現(xiàn)象，降低激光的光束質(zhì)量，嚴(yán)重影響激光通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性［3］。零差/外差檢測(cè)-高級(jí)調(diào)制格式（如MPSK/MQAM/PDM）的相干系統(tǒng)具有良好的抗湍流干擾性，能夠帶來(lái)優(yōu)良的系統(tǒng)性能，是近年來(lái)人們關(guān)注的熱點(diǎn)。為此，該文基于描述FSO系統(tǒng)接收端光強(qiáng)分布的Gamma-Gamma信道模型，研究了大氣湍流強(qiáng)度和信號(hào)傳輸距離對(duì)高級(jí)調(diào)制格式-相干接收系統(tǒng)的影響。

1　數(shù)學(xué)分析與計(jì)算

研究表明，F(xiàn)SO系統(tǒng)中接收端光強(qiáng)分布的概率密度函數(shù)符合Gamma-Gamma分布，可表示如下［4］：

式（1）中，Γ（Z）代表Gamma函數(shù)，Kn（x）代表第二類的n階修正貝塞爾函數(shù)；α、β分別表示大尺度和小尺度光波強(qiáng)度波動(dòng)，其表達(dá)式如下：

假設(shè)發(fā)射端發(fā)送第m個(gè)碼元，入射到光電探測(cè)器上的光功率可以表示如下［5］：

式（3）中，αm和φ分別表示所發(fā)符號(hào)的幅度與相位，表示瞬時(shí)入射光功率，PLO表示本振光功率，ωIF表示載波頻率ω0和本振頻率ωLO之差，ωIF=ω0-ωLO。

光電探測(cè)器輸出的光電流可表示如下：

式（4）中，η表示光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換效率，idc（t）和iac（t）分別表示接收機(jī)的直流和交流分量，n（t）表示散粒噪聲過(guò)程引入的加性高斯白噪聲。

對(duì)于第m個(gè)符號(hào)，系統(tǒng)的信噪比SNR可表示如下：

M階調(diào)制信號(hào)在大氣湍流信道中傳輸?shù)钠骄`符率為：

將MPSK和MQAM各自的條件誤符率分別代至式（7），同時(shí)將表達(dá)式中的特殊函數(shù)均采用MeijerG函數(shù)表示，即可得到閉合表達(dá)式如下：

2　仿真與分析

利用MATLAB對(duì)MPSK（M=2，4，8）和MQAM（M=8，16，32）調(diào)制信號(hào)在不同湍流狀態(tài)和不同傳輸距離下的誤符率分別進(jìn)行了仿真對(duì)比。在參數(shù)選擇時(shí)，折射率結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為：，分別表示弱湍流、中等強(qiáng)度湍流和強(qiáng)湍流，傳輸距離分別為：L=500、1 000、2 000m。

圖1展示了QPSK信號(hào)在不同湍流強(qiáng)度下傳輸2 000m的誤符率。從圖1可以看出，當(dāng)湍流強(qiáng)度由弱湍流變?yōu)橹械葟?qiáng)度湍流時(shí)，達(dá)到無(wú)誤碼傳輸（誤符率=10-9）所需的發(fā)射功率迅速升高。以弱湍流為例，相同誤符率（如誤符率=10-7）下，中度湍流下所需的系統(tǒng)信噪比比弱湍流下高了近15dB。然而，當(dāng)湍流強(qiáng)度由中等強(qiáng)度變?yōu)閺?qiáng)度時(shí)，湍流強(qiáng)度的增大對(duì)誤符率并沒有明顯影響。

圖1　QPSK信號(hào)在中等湍流強(qiáng)度下傳輸不同距離的誤符率

圖2對(duì)比了QPSK和16QAM信號(hào)的傳輸性能，左圖中，傳輸距離選擇為1 000m，湍流強(qiáng)度選擇為弱湍流和強(qiáng)湍流。右圖中，選擇中等強(qiáng)度湍流強(qiáng)度，傳輸距離選擇為1 000m和3 000m。結(jié)果顯示：在兩種條件下，QPSK的性能均優(yōu)于16QAM。平均信噪比越高，QPSK的性能優(yōu)勢(shì)越明顯。

圖2　QPSK和16QAM調(diào)制傳輸性能對(duì)比

3　結(jié)語(yǔ)

本文主要研究了高級(jí)調(diào)制格式-相干接收FSO系統(tǒng)在大氣湍流信道下的傳輸性能。仿真結(jié)果顯示：對(duì)于QPSK，當(dāng)傳輸距離2 000m，湍流強(qiáng)度由弱湍流變?yōu)橹械葟?qiáng)度湍流時(shí)，達(dá)到無(wú)誤碼傳輸（誤符率=10-9）所需的發(fā)射功率迅速升高。但是，當(dāng)湍流強(qiáng)度由中等強(qiáng)度湍流變?yōu)閺?qiáng)度湍流時(shí)，湍流強(qiáng)度的增大對(duì)誤符率并沒有明顯影響。對(duì)于QPSK和16QAM，當(dāng)傳輸距離在1 000m以內(nèi)時(shí)，無(wú)論是弱湍流還是中等強(qiáng)度湍流下達(dá)到無(wú)誤碼傳輸時(shí)所需的信噪比并未明顯增加，但是能夠看到QPSK的性能明顯優(yōu)于16QAM。這一研究結(jié)果對(duì)相干FSO系統(tǒng)傳在輸距離、調(diào)制格式選等方面提供了良好的參考意義。

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［3］Tang X，Ghassemlooy Z，Rajbhandari S，et al.Freespace optical communication employing polarization shift keyingcoherentmodulationinatmosphericturbulencechannel ［J］.Communication Systems Networks and Digital Signal Processing（CSNDSP），2010：615-620.

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Performance Study of Coherent Reception FSO System Using Advanced Modulation Format

Chen YuluYang PengkunCai ShijunGuo Xiaobing
（State Intellectual Property Office Patent Office Patent Examination Cooperation Henan Center，Zhengzhou Henan 450000）

This paper studied the influence of atmospheric turbulence intensity and the signal transmission distance on the advanced modulation format coherent reception system，based on the Gamma-Gamma channel model which is based on the light intensity distribution of the receiver in the FSO system.Based on the analysis of the gamma gamma channel，the modulation of MPSK（M=2，4，8）and MQAM （M=8，16，32）coherent receiving FSO system error symbol rate and the turbulence intensity and transmission distance between relations，and the closed form expressions using special replacement function weres derived.Based on the calculation results，the effects of M value，turbulence intensity and transmission distance on the error rate were simulated and studied.

FSO turbulence channel；M order modulation；coherent reception；symbol error rate

TN929.1

A

1003-5168（2016）04-0056-03

2016-03-24

陳雨露（1989-），女，碩士，研究實(shí)習(xí)員，研究方向：光信息存儲(chǔ)方面專利審查。