直流提取技術(shù)對OOK調(diào)制的自由空間光通信系統(tǒng)的性能改進(jìn)

張明清

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

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直流提取技術(shù)對OOK調(diào)制的自由空間光通信系統(tǒng)的性能改進(jìn)

張明清

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

摘要：自由空間光通信技術(shù)因優(yōu)點(diǎn)顯著目前已經(jīng)獲得了極大的發(fā)展，其具有免頻譜許可證、安全傳輸、大容量和低部署成本的特點(diǎn)。然而，光信號在經(jīng)歷大氣信道的傳輸過程中會(huì)受到大氣湍流效應(yīng)的影響而發(fā)生衰減和波動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為閃爍效應(yīng)，會(huì)大大降低系統(tǒng)的傳輸性能。研究了提取信號中直流分量作為連續(xù)波參考光的技術(shù)，并將其應(yīng)用到自由空間光通信系統(tǒng)中。得出了在信道為對數(shù)正態(tài)分布模型下的誤碼率模擬結(jié)果，并詳細(xì)分析了通過提取直流信號作為參考波后的性能改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：自由空間光通信；大氣湍流效應(yīng)；直流提?。贿B續(xù)波參考光

引用格式：張明清. 直流提取技術(shù)對OOK調(diào)制的自由空間光通信系統(tǒng)的性能改進(jìn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(13)：67-70.

0引言

自由空間光通信結(jié)合了光纖通信與微波通信的優(yōu)點(diǎn)，既具有大通信容量、高速傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，又不需要鋪設(shè)光纖，因此各技術(shù)強(qiáng)國紛紛在空間激光通信領(lǐng)域投入大量人力物力，并取得了很大進(jìn)展。大氣傳輸激光通信系統(tǒng)是由兩臺(tái)激光通信機(jī)構(gòu)成的通信系統(tǒng)，它們相互向?qū)Ψ桨l(fā)射被調(diào)制的激光脈沖信號(聲音或數(shù)據(jù))，接收并解調(diào)來自對方的激光脈沖信號，實(shí)現(xiàn)雙工通信。自由空間光(Free Space Optical，F(xiàn)SO)通信預(yù)期在未來電信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用。它被視作解決最后一公里的最佳方案之一，也可以解決無線通信不能提供足夠帶寬的問題。 FSO通信的優(yōu)點(diǎn)包括高容量、高安全性、免費(fèi)的頻譜許可證，并易于安裝和卸除。由于大氣中的分子如氧氣、二氧化碳和水蒸汽的尺寸與光的波長相似，光波通過大氣傳播會(huì)引起光強(qiáng)的波動(dòng)，這種波動(dòng)被稱為閃爍，這會(huì)嚴(yán)重惡化FSO的傳輸性能。因此如何減輕閃爍效應(yīng)與合理的成本控制成為一個(gè)熱門的研究課題。

采用動(dòng)態(tài)判決門限，比傳統(tǒng)固定判決門限性能有了較大提高[1]。而實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明當(dāng)兩束光波通過相同的大氣湍流信道共同傳播時(shí)，會(huì)經(jīng)歷幾乎相同的閃爍過程。參考文獻(xiàn)[2]中使用了額外的一個(gè)激光器發(fā)射不攜帶任何信息的直流信號作為參考光，對收到的兩束信號進(jìn)行除法處理，大大提高了系統(tǒng)性能。然而，這額外的激光器大大提高了系統(tǒng)成本。本文提出了提取接收端接收到的信號中的直流分量作為參考波的方法，分析了其誤碼性能。結(jié)果顯示，與采用連續(xù)光參考波(Reference Continuous Wave Light，RCWL)技術(shù)相比，在誤碼率為10-3的情況下，當(dāng)相關(guān)系數(shù)為0.85時(shí)，直流提取技術(shù)較RCWL技術(shù)有5.6 dBm的功率補(bǔ)償。而當(dāng)相關(guān)系數(shù)為0.99時(shí)，直流提取技術(shù)較RCWL技術(shù)有2.7 dBm的功率損失，但是直流提取技術(shù)在發(fā)射端省去了一個(gè)激光器，節(jié)約了系統(tǒng)鋪設(shè)成本。

1系統(tǒng)模型

1.1對數(shù)正態(tài)分布

當(dāng)光波通過大氣湍流信道時(shí)，它的強(qiáng)度會(huì)因?yàn)殚W爍效應(yīng)而發(fā)生變代。用于描述大氣湍流信道的一些模型已經(jīng)被提出。其中，對數(shù)正態(tài)(Lognormal，LN)分布模型被廣泛用于研究微弱和溫和大氣湍流條件下的閃爍效應(yīng)[3]。假設(shè)Is為歸一化光強(qiáng)度，LN分布信道模型的概率密度函數(shù)可表示為：

(1)

(2)

1.2連續(xù)波輔助檢測技術(shù)

接收端使用的RCWL技術(shù)是曾應(yīng)用于DDT的一種輔助檢測技術(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，如果兩束光在相同的大氣湍流信道中傳輸，則它們所經(jīng)歷的閃爍過程會(huì)有高度的相似性[4]。而RCWL正是波長為λr的連續(xù)波參照光,其中λr的值與光信號波長λs相近。該技術(shù)先利用波長多路復(fù)用器將RCWL與信號光進(jìn)行混合，使其經(jīng)歷相同的大氣湍流信道從而記錄閃爍強(qiáng)度。到達(dá)接收端后再通過波分復(fù)用器將信號光與參照光分離，然后利用簡單的除法來減小光信號強(qiáng)度隨大氣湍流抖動(dòng)所產(chǎn)生的對數(shù)據(jù)的影響。其系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1　RCWL技術(shù)用于減小FSO-OOK信道的閃爍效應(yīng)

發(fā)射端信號光是中心角頻率為ωs的偏振光，對應(yīng)波長為λs，振幅為As。而連續(xù)波參照光是波長為λr幅度為Ar的連續(xù)偏振光，偏振方向與信號光一致。其中接收信號光的波長λr和本振信號的波長λl相等，即角頻率與本振光角頻率相等ωr=ωl，而初始相位和振幅均與信號光相等。用合波器將信號光與RCWL進(jìn)行混合以經(jīng)歷相同的大氣湍流信道，在接收端同時(shí)與本振光發(fā)生干涉，則可產(chǎn)生兩個(gè)中頻分量，再由分波器將所產(chǎn)生的不同分量進(jìn)行分離。

嘗試?yán)瞄W爍系數(shù)的相關(guān)性消除大氣湍流對信號的影響。Is為信號光的光強(qiáng),Ir是參照光的光強(qiáng)，用標(biāo)準(zhǔn)化后的光強(qiáng)Ip表示接收信號強(qiáng)度，則三者之間的關(guān)系為：

Ip=Is/Ir

(3)

RCWL輔助檢測技術(shù)的實(shí)質(zhì)就是對受到閃爍效應(yīng)影響而導(dǎo)致光強(qiáng)度概率密度變得分散的接收信號進(jìn)行處理，使其概率更向“1”集中，即減小光強(qiáng)度的隨機(jī)抖動(dòng)。因?yàn)镽CWL在傳輸過程中記錄了信道中的大氣湍流信息，所以如果閃爍強(qiáng)度有高度相關(guān)性就可以通過簡單的除法來消除大氣湍流效應(yīng)對光信號的影響。并且相關(guān)系數(shù)ρl越大，RCWL技術(shù)對系統(tǒng)性能的提高越好。

接收到的中頻信號再通過光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號，用R來表示探測靈敏度，其中e為電子電量，η表示量子效率，h和v分別代表普朗克常數(shù)和載波光頻率，即可得到載有傳輸信號的光電流。

(4)

將is和ir通過除法電路得到兩個(gè)電流的商D，容易得知D的公式如下：

(5)

Asr(t)表示受大氣湍流影響后As(t)與Ar(t)的聯(lián)合概率分布，公式如下：

(6)

其中ρc表示的是一個(gè)相關(guān)參數(shù)，它由Is與Ir之間的相關(guān)系數(shù)ρl、光信號經(jīng)歷的信道湍流強(qiáng)度σls以及參照光信號的信道湍流強(qiáng)度σlr三者所決定，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(7)

圖2　標(biāo)準(zhǔn)化光振幅在RCWL處理前后的概率分布比較

圖2展示了使用RCWL技術(shù)后信號波的改進(jìn)。從圖2可以看出，受到大氣湍流影響的光信號的強(qiáng)度服從LN分布，而經(jīng)過除法電路之后，光信號的歸一化強(qiáng)度逐漸向“1”靠攏，服從正態(tài)分布。

1.3考慮光的分散角度

所有的激光都有一定的發(fā)散角度，隨著傳輸距離的增加，光點(diǎn)會(huì)越來越大，而單位面積內(nèi)所接收到的光功率就會(huì)隨之減少，這種衰減稱為幾何衰減[5]。其中1°≈17 mrad， 1 mrad≈0.057 3°。

圖6　數(shù)據(jù)處理單元模塊計(jì)算示意圖

當(dāng)發(fā)散角為0.2 mrad時(shí)，則1 000 m的傳輸距離后光點(diǎn)的直徑大小約為0.2 m?？捎诠饨邮掌髑霸黾又睆綖?.1 m的凸透鏡來匯聚光信號以增加接收功率，從而減小幾何衰減，如圖3所示。此時(shí)的幾何衰減約為6 dB。

因?yàn)楣饨邮苊娣eSR僅為ST的一部分，所以式(5)可以表示為：

(8)

其中，Xs(t)、Xr(t)分別為接收到的信號強(qiáng)度以及參考波強(qiáng)度，R表示探測靈敏度，ra為幾何衰減系數(shù)，可以表示為：

(9)

圖3　使用凸透鏡增加接收信號功率示意圖

1.4直流提取技術(shù)

RCWL技術(shù)有其固有的缺點(diǎn)，需要一個(gè)額外的激光器發(fā)射不攜帶任何信號的直流分量作為參考波[6]，需要復(fù)用、解復(fù)用等一些過程，這對系統(tǒng)的建設(shè)成本是一個(gè)很大浪費(fèi)。而在接收端接收的信號中本身有一個(gè)直流分量，這個(gè)直流分量與信號經(jīng)歷了相同的FSO信道，因此可以作為參考波。具體的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖如圖4。

圖4　改進(jìn)的提取直流作為參考波的FSO-OOK通信系統(tǒng)框圖

將接收到的信號按順序每L個(gè)分為一組，共計(jì)M組，每組數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)處理。數(shù)據(jù)處理模塊系統(tǒng)圖如圖5。

圖5　數(shù)據(jù)處理模塊流程圖

其解復(fù)用格式為每L個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)分為一組，共計(jì)M組，每組數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)處理，如圖6。數(shù)據(jù)處理單元的作用是對每組中L個(gè)元素求和，取其平均值，此平均值相當(dāng)于直流分量，作為信號的參考波。

(10)

然后，將每個(gè)單元的信號模擬量除以當(dāng)前單元的平均值，進(jìn)而后續(xù)判決。誤碼率如下：

(11)

其中，γ(I)表示接收機(jī)的信噪比(SNR)，p(I)表示歸一化的幅度。

2仿真結(jié)果與討論

表1　系統(tǒng)仿真的關(guān)鍵參數(shù)

為了分析閃爍效應(yīng)和噪聲對系統(tǒng)性能的影響，不同信道條件下的BER度量和衰落補(bǔ)償應(yīng)予以考慮。為驗(yàn)證直流提取技術(shù)對系統(tǒng)性能的改進(jìn)，利用MATLAB中Montr-Carlo方法進(jìn)行仿真。假設(shè)傳輸距離為1 km，Rytov方差為1，取直流提取塊長度為10，處理單元數(shù)為5。其他參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖7展示了4種情況下的誤碼率：FSO-OOK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，相關(guān)系數(shù)分別為0.85與0.99的RCWL系統(tǒng)，以及提取直流作為參考波系統(tǒng)。

圖7　直流提取技術(shù)與相關(guān)系數(shù)為0.85和0.99的RCWL性能比較

通過仿真可以得出，直流提取技術(shù)能很好地改進(jìn)FSO-OOK的系統(tǒng)性能。當(dāng)誤碼率為10-3時(shí)，直接檢測的OOK系統(tǒng)需要-13.8 dBm的功率，而直流提取技術(shù)需要-25.8 dBm的功率。與傳統(tǒng)的未經(jīng)RCWL輔助技術(shù)處理的OOK系統(tǒng)相比，直流提取技術(shù)有著明顯的優(yōu)勢。與采用RCWL技術(shù)相比，在誤碼率為10-3的情況下，當(dāng)相關(guān)系數(shù)為0.85時(shí)，直流提取技術(shù)較RCWL技術(shù)有5.6 dBm的功率增益。而當(dāng)相關(guān)系數(shù)為0.99時(shí)，直流提取技術(shù)較RCWL技術(shù)有2.7 dBm的功率增益。但是，直流提取技術(shù)節(jié)約了系統(tǒng)成本。

3結(jié)論

本文提出了使用直流提取技術(shù)替代RCWL技術(shù)，改善了RCWL技術(shù)系統(tǒng)成本高的不足，大大節(jié)約了系統(tǒng)鋪設(shè)成本。與RCWL技術(shù)相比，在相關(guān)系數(shù)為0.99時(shí)，直流提取技術(shù)大約有2.7 dBm的功率優(yōu)勢；當(dāng)相關(guān)系數(shù)為0.85時(shí)，直流提取技術(shù)較RCWL輔助檢測技術(shù)有5.6 dBm的功率補(bǔ)償。因此，在自由空間光通信中，直流提取技術(shù)可以用于減小大氣湍流對系統(tǒng)性能的影響。

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中圖分類號：TN929.12; TN911.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.13.022

(收稿日期：2016-03-10)

作者簡介：

張明清(1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向：自由空間光通信。

Performance improvement of OOK free-space optical communication systems by DC extraction technique

Zhang Mingqing

(College of Telecommunications and Information Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China)

Abstract:Free-space optical (FSO) communication has many advantages including high capacity, high security, free spectrum license and easy to install and remove. However, due to the inhomogeneity of temperature and pressure fluctuations, the intensity of an optical wave will fluctuate when it propagates through the atmosphere. Such fluctuation is known as scintillation, which can deteriorate the FSO transmission performance severely. we have studied the DC extract technology, and apply it to free-space optical communications as a reference continuous wave light(RCWL). In this paper, the BER simulation results are presented, and the performance improvement by extracting the DC signal as a reference wave is analyzed in detail.

Key words:free-space optical communications; atmospheric turbulence; DC extract;reference continuous wave light