基于OQPSK調(diào)制的FSO系統(tǒng)性能探究

宮玉琳

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春132022）

基于OQPSK調(diào)制的FSO系統(tǒng)性能探究

宮玉琳

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春132022）

在Q PSK調(diào)制和解調(diào)的基礎(chǔ)上，研究和分析了O Q PSK(偏移正交相移鍵控)格式調(diào)制和解調(diào)原理，深入研究了基于O Q PSK格式的自由空間光通信（FSO）系統(tǒng)性能，采用馬赫增德?tīng)栒{(diào)制器(M ZM)實(shí)現(xiàn)光O Q PSK調(diào)制和相干解調(diào)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在新型光學(xué)軟件平臺(tái)上，搭建光O Q PSK的光通信系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真。由仿真結(jié)果可以看出：O Q PSK光通信系統(tǒng)性能優(yōu)于Q PSK光通信系統(tǒng)，更適合長(zhǎng)距離傳輸?shù)囊蟆?/p>

正交相位偏移鍵控；偏移正交相移鍵控；自由空間光通信；調(diào)制；解調(diào)

0　引言

隨著信息時(shí)代的到來(lái)，自由空間光通信（FSO）由于其高速、安全及容量大等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。由于光通信易受到大氣擾動(dòng)等影響，因此實(shí)現(xiàn)高速、高靈敏度仍然是光通信的關(guān)鍵技術(shù)。近幾年，基于新型調(diào)制格式的相位調(diào)制由于其可以滿足大容量、長(zhǎng)距離傳輸和交換的要求備受關(guān)注。本文在總結(jié)正交相位偏移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)調(diào)制和解調(diào)的基礎(chǔ)上，提出偏移正交相移鍵控（Offset Quadrature Phase Shift Keying,OQPSK）調(diào)制和解調(diào)方法，并將其應(yīng)用于自有空間光通信系統(tǒng)中。在新型光學(xué)仿真軟件(Optisystem)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真分析，仿真驗(yàn)證其可行性。

1　OQPSK調(diào)制/解調(diào)原理分析

1.1QPSK調(diào)制/解調(diào)原理

QPSK也叫做四進(jìn)制相位偏移鍵控，采用4個(gè)相異的載波相位來(lái)傳輸離散數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方法[1]。由通信原理可知，QPSK正交調(diào)制信號(hào)的表達(dá)式為：

QPSK調(diào)制后的信號(hào)可由兩正交載波的二進(jìn)制相移鍵控 (Binary Phase Shift Keying,BPSK)線性疊加而得，經(jīng)串并轉(zhuǎn)換后I路和Q路可以看做傳輸比特速率為Rb/ 2的BPSK，則QPSK的比特速度為Rb。QPSK調(diào)制結(jié)構(gòu)有串聯(lián)和并聯(lián)兩種方式，由于其并聯(lián)方式結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單[2]，設(shè)計(jì)中采用兩個(gè)MZM并聯(lián)的方式設(shè)計(jì)QPSK調(diào)制結(jié)構(gòu)，解調(diào)采用相干探測(cè)結(jié)構(gòu)，光電轉(zhuǎn)換管采用雪崩光敏二極管（APD）實(shí)現(xiàn)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。QPSK信號(hào)調(diào)制/解調(diào)框圖如圖1所示。

圖1　QPSK信號(hào)調(diào)制/解調(diào)框圖

1.2OQPSK調(diào)制/解調(diào)原理

OQPSK是一種恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)，由于其頻譜特性好，頻譜利用率和功率利用率高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于光纖通信中。OQPSK是在QPSK的基礎(chǔ)上改進(jìn)的高級(jí)調(diào)制格式，OQPSK信號(hào)可以看作是時(shí)延的QPSK信號(hào)。雖然該調(diào)制方式與QPSK調(diào)制方式一樣，將碼元分成同相和正交兩路，但是QPSK信號(hào)的兩路正交信號(hào)的碼元是同步的，而OQPSK的兩路碼元在時(shí)間上錯(cuò)開(kāi)半個(gè)碼元周期，OQPSK信號(hào)形式一般表示為[3～6]。

OQPSK信號(hào)是在QPSK信號(hào)的Q支路上延遲Ts/2個(gè)周期，因此OQPSK信號(hào)每次只有一個(gè)支路可能發(fā)生極性翻轉(zhuǎn)，因而不會(huì)出兩個(gè)支路碼元極性同時(shí)翻轉(zhuǎn)，這樣就避免了QPSK格式上的π相位跳變。OQPSK信號(hào)跳變的相位只有0°和90°兩種可能。OQPSK信號(hào)的比特率是QPSK的兩倍。OQPSK調(diào)制/解調(diào)結(jié)構(gòu)可以采用QPSK調(diào)制解調(diào)結(jié)構(gòu)，但在調(diào)制和解調(diào)時(shí)，均是在QPSK的Q支路上加上一個(gè)Ts/ 2(半個(gè)周期)的延時(shí)?；贠QPSK的相干光通信系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2　基于OQPSK的光通信系統(tǒng)框圖

2　系統(tǒng)仿真及分析

根據(jù)上一節(jié)的理論分析，在新型光學(xué)仿真軟件Optisystem仿真平臺(tái)上搭建QPSK和OQPSK的FSO調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)。仿真參數(shù)選取波長(zhǎng)為1500nm的連續(xù)光源，Optisystem庫(kù)選取自帶的大氣信道，頻率為193.1THz，線寬為10MHz，調(diào)制速率為2.5Gb/s，偽隨機(jī)碼序列的頻率為2.5GHz，APD光電管的增益為10，暗電流為10nA，響應(yīng)率為1A/W，激光器發(fā)射功率為40dB，傳輸距離 5km，信道衰減為5dB/km，發(fā)射和接收損耗均設(shè)為 5dB，發(fā)射孔徑 5cm，而接收孔徑為20cm，本振激光與信號(hào)激光器頻率相同，并且設(shè)兩個(gè)光源的相位差為30°，軟件模擬鎖相環(huán)節(jié)滿足零差 探測(cè)[7,8]?；赒PSK調(diào)制的光通信調(diào)制、解調(diào)和眼圖如圖3和4所示。

圖3　QPSK信號(hào)調(diào)制和解調(diào)波形圖

圖4　調(diào)制后的光譜圖和眼圖

由圖3可以看出，該系統(tǒng)可以完成對(duì)QPSK的調(diào)制解調(diào)且解調(diào)效果良好，說(shuō)明該系統(tǒng)在FSO信道下可以實(shí)現(xiàn)完好的調(diào)制和解調(diào)功能。由接收端的眼圖4可以看出，在傳輸距離5km且信道中伴隨著衰減的情況下，系統(tǒng)仍能實(shí)現(xiàn)很好的通信效果，眼圖張開(kāi)角度很大，而且眼線平滑，說(shuō)明基于QPSK調(diào)制的光通信系統(tǒng)具有較好的通信性能。仿真結(jié)果如表1所示。保持上述仿真參數(shù)不變，按照?qǐng)D2所示搭建基于OQPSK的光通信系統(tǒng),仿真結(jié)果如圖5所示。調(diào)制后的光譜圖如圖6所示。

表1　QPSK光通信系統(tǒng)仿真結(jié)果

圖5　I路和Q路的解調(diào)后的波形圖

圖6　調(diào)制后的光譜圖

由圖5和圖6可以看出，該系統(tǒng)能很好地實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)功能。對(duì)比QPSK 調(diào)制和OQPSK的光譜圖可知，OQPSK的光功率比QPSK 有所提高，約提升了10dBm，這說(shuō)明OQPSK調(diào)制的光通信系統(tǒng)性能更加優(yōu)越。

由仿真結(jié)果圖7可以看出，在相同弱湍流信道下，當(dāng)發(fā)射功率為45dB，傳輸距離20km時(shí)的眼圖張開(kāi)角度仍然很大，系統(tǒng)誤碼性能良好，而且此時(shí)眼圖形狀與發(fā)射功率40dB，傳輸距離5km時(shí)的眼圖幾乎一樣，眼圖分析儀測(cè)試的結(jié)果如表2所示。

對(duì)比表1和表2可知，兩種不同調(diào)制方式的Q值和最小誤碼率近似相等。這說(shuō)明在相同信道條件下，OQPSK可以傳輸更遠(yuǎn)的距離，而且通信質(zhì)量良好。因此，基于OQPSK的光通信系統(tǒng)其傳輸性能要優(yōu)于采用QPSK調(diào)制方式的傳輸性能。

圖7　發(fā)射功率45dB，L=20km時(shí)的OQPSK眼圖

表2　OQPSK光通信系統(tǒng)仿真結(jié)果

3　結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究了QPSK和OQPSK的調(diào)制和解調(diào)原理，并采用該調(diào)制方式構(gòu)建FSO系統(tǒng)。利用optisystem光學(xué)仿真軟件，搭建了FSO傳輸系統(tǒng)仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了兩種調(diào)制方式的光通信系統(tǒng)仿真。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，基于QPSK和OQPSK的光通信系統(tǒng)均具有良好的通信性能，而且OQPSK光通信系統(tǒng)性能優(yōu)于QPSK光通信系統(tǒng)，更適合長(zhǎng)距離傳輸，進(jìn)一步驗(yàn)證了高級(jí)調(diào)制格式的FSO通信系統(tǒng)的正確性。

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Performance of FSO system based on OQPSK modulation

GONG Yu-lin
Changchun University of Sience and Technology, Electronic Information Engineering College,Changchun 132022,China)

In the paper,the modulation and demodulation principle of OQPSK(offset positive photograph shift keying)format has studies and analyzes based on the QPSK modulation.And the free space optical communication(FSO)system performance based on OQPSK format has depthly studied.And the structural of optical OQPSK modulation has desigened using MZM and coherent demodulation.On the new type of optical software platform,the optical OQPSK communication system has designed and the system simulation has realized.As can be seen from the simulation results,OQPSK optical communication system performance is better than that of QPSK communication system,it is more suitable for long distance transport requirements. Therefore,OQPSK format can be applied and FSO system.

QPSK,OQPSK,FSO,modulation,demodulation

TN929.11

A

1002-5561（2016）05-0029-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.05.009

2015-12-16。

宮玉琳（1983-），男，博士，講師，主要從事激光通信技術(shù)方面的研究。