全雙工逆向調(diào)制自由空間激光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

李長(zhǎng)盈，楊國(guó)偉，畢美華，李 晶，李 娜，耿虎軍

(1.杭州電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司航天信息應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081)

0 引言

近年來，由于自由空間光通信(FSO)技術(shù)具有可實(shí)時(shí)傳輸高分辨率視頻和連續(xù)圖像的優(yōu)點(diǎn)[1]，而被廣泛研究，特別是在最后一公里接入系統(tǒng)中能夠較好地解決帶寬瓶頸問題[2-3]。傳統(tǒng)的FSO鏈路兩端需要裝載激光發(fā)射/接收系統(tǒng)和復(fù)雜跟蹤捕獲(ATP)系統(tǒng)[4-6]，傳統(tǒng)FSO系統(tǒng)的重量、體積和功耗等是限制FSO技術(shù)發(fā)展的重要因素[7-8]。將傳統(tǒng)FSO系統(tǒng)的一個(gè)終端替換成MRR端而構(gòu)成的一個(gè)非對(duì)稱FSO系統(tǒng)，免去FSO鏈路中一個(gè)終端激光發(fā)射器和ATP系統(tǒng)[9]，MRR FSO系統(tǒng)充分利用MRR的逆向反射特性，使得MRR端具有無需激光器和復(fù)雜的ATP系統(tǒng)、尺寸小、功耗低以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[1]。除此之外，學(xué)者們還提出了使用角立方反射器(CCR)陣列作為FSO系統(tǒng)的無源發(fā)射器，將光信號(hào)反射回激光源的方案[10]，具有尺寸小、低功耗和優(yōu)異對(duì)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)。

早在1996年，美國(guó)猶他州州立大學(xué)便通過對(duì)31 km的地對(duì)空通信鏈路進(jìn)行通信鏈路預(yù)算以及從MRR端返回的調(diào)制信號(hào)波形[11]驗(yàn)證了地對(duì)空MRR FSO通信鏈路的可行性。之后，由美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室(NRL)分別在2005年和2006年進(jìn)行了角反射器和貓眼反射器的MRR岸到船激光通信實(shí)驗(yàn)[12-13]，并在2007年實(shí)現(xiàn)了傳輸速率2 Mbps、距離16.2 km的半雙工岸到岸通信鏈路，期間進(jìn)行了無人飛行器與地面之間的MRR FSO通信實(shí)驗(yàn)，充分證明了MRR FSO系統(tǒng)應(yīng)用在無人機(jī)、小衛(wèi)星和浮標(biāo)等對(duì)體積、載重和功耗有嚴(yán)格限制的小平臺(tái)的可能性。此外，NRL同時(shí)將不同的調(diào)制方式應(yīng)用在MRR FSO系統(tǒng)中，成功地將調(diào)頻(FM)的音視頻信號(hào)加載到MRR FSO光載波上進(jìn)行通信演示，還采用正交幅度調(diào)制(QAM)來提高M(jìn)RR FSO鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率[14]。近年來，國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)不斷加大對(duì)MRR FSO通信系統(tǒng)的研究，西安理工大學(xué)在理論上分析了在Log-normal信道下的平均接收光強(qiáng)[15]，大連大學(xué)丁元明等給出了水下的MRR FSO鏈路性能分析[16]，長(zhǎng)春理工大學(xué)提出了基于光纖環(huán)形器的雙波長(zhǎng)全雙工MRR FSO系統(tǒng)[17]。到目前為止的大量工作驗(yàn)證了MRR FSO系統(tǒng)在多種應(yīng)用環(huán)境中的可行性和穩(wěn)定性，更加明確了MRR FSO系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用前景。

但就目前而言，關(guān)于MRR FSO系統(tǒng)雙工通信的研究資料并不多，針對(duì)MRR FSO系統(tǒng)的主要研究還是停留在接收檢測(cè)和提升優(yōu)化MRR端調(diào)制速率和調(diào)制方式上。最早在FSO系統(tǒng)中采用全雙工通信方式的研究是2003年加州理工學(xué)院研究者在FSO系統(tǒng)兩端均采用開關(guān)鍵控(OOK)編碼[18]，但由于前向鏈路對(duì)后向鏈路信息編碼的影響，只進(jìn)行了理論工作上的研究，并未進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。之后一年，墨西哥大學(xué)的一位學(xué)者對(duì)FSO系統(tǒng)中不同的編碼方式進(jìn)行了分析[19]，為在采用單波長(zhǎng)單光束的MRR FSO系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)全雙工通信，采用圓偏振鍵控(CPK)編碼。

本文針對(duì)未來超高速信息傳輸與小型化鏈路的需求，構(gòu)造了一套新穎的MRR FSO系統(tǒng)，其中光收發(fā)機(jī)端由光源模塊、信號(hào)處理模塊、光探測(cè)器模塊和共用光學(xué)天線模塊組成。共用光學(xué)天線模塊采用較大孔徑的反射式天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。MRR端由光學(xué)天線模塊、光探測(cè)器模塊、MRR模塊和信號(hào)處理模塊組成。研究逆向調(diào)制激光通信系統(tǒng)機(jī)理及實(shí)現(xiàn)路徑，然后結(jié)合現(xiàn)有通信測(cè)控的遠(yuǎn)距離高速率的需求，對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)試，驗(yàn)證該MRR FSO系統(tǒng)的合理性和可行性，為進(jìn)一步研究做準(zhǔn)備。

1 MRR FSO系統(tǒng)構(gòu)架

MRR FSO系統(tǒng)如圖1所示。在該系統(tǒng)中，光收發(fā)機(jī)端向MRR端發(fā)射帶有調(diào)制信號(hào)的激光光束，在MRR端將一部分光束進(jìn)行解調(diào)并恢復(fù)數(shù)據(jù)信息，另一部分光束由MRR二次調(diào)制后逆向反射回收發(fā)機(jī)端，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的下行鏈路[20]。

圖1 MRR FSO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文搭建的長(zhǎng)距離MRR FSO實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，基于圖1的基本原理，該系統(tǒng)主要由光收發(fā)機(jī)端和MRR端兩部分組成。光收發(fā)機(jī)端包括信號(hào)處理模塊、光源模塊、光探測(cè)器模塊和共用光學(xué)天線模塊。MRR端由光學(xué)天線模塊、光探測(cè)器模塊、MRR模塊和信號(hào)處理模塊組成。下面就實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各部分進(jìn)行簡(jiǎn)要說明。

1.1 光收發(fā)機(jī)端

光收發(fā)機(jī)端的結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。光源模塊由激光光源與電光調(diào)制器組成，光源由2個(gè)不同波長(zhǎng)的光源組成，選用1 550 nm波長(zhǎng)的激光用作信息通信，可見光波段635 nm波長(zhǎng)的光用作標(biāo)識(shí)光，不加載調(diào)制信號(hào)。在光收發(fā)機(jī)端的信號(hào)處理模塊在整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)信息傳輸過程中起到2個(gè)作用：① 調(diào)制發(fā)射信號(hào)，產(chǎn)生控制激光器的調(diào)制信號(hào)；② 對(duì)光探測(cè)器模塊中檢測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)信號(hào)處理，還原信息中有效數(shù)據(jù)部分并進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)、誤碼率計(jì)算等處理。為了達(dá)到高速傳輸?shù)哪康模蠊庠茨K中的電光調(diào)制器和信號(hào)處理模塊具有較大的調(diào)制速率和數(shù)據(jù)采集接收、分析能力，還要對(duì)所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在傳輸前進(jìn)行編碼預(yù)處理；同時(shí)，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，要有足夠的儲(chǔ)存空間進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和信息解碼，同時(shí)要對(duì)信息進(jìn)行相關(guān)校驗(yàn)處理，降低傳輸和接收延時(shí)，進(jìn)行誤碼率計(jì)算，以達(dá)到高速率通信的目的。

圖2 光收發(fā)機(jī)端的結(jié)構(gòu)框架

如圖2所示，光收發(fā)機(jī)端共用光學(xué)天線模塊由濾光片、二向色鏡和較大孔徑的反射式天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)組成。其中，濾光片(Thorlabs FBH1550-12)的主要作用是濾除635 nm附近波段以外的光，只允許相應(yīng)中心波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光通過(透過率在中心波長(zhǎng)處可達(dá)97%)。而二向色鏡(ThorlabsDMLP950)的主要作用是將2束不同波長(zhǎng)的光束進(jìn)行分束或合并，圖3展示了通過二向色鏡將不同波長(zhǎng)光束進(jìn)行合并或分束[21]。本文選用的二向色鏡(Thorlabs DMLP950)透射波段的中心波長(zhǎng)是1 550 nm，反射波段的中心波長(zhǎng)是635 nm(相應(yīng)中心波長(zhǎng)處透過率和反射率接近100%)。

圖3 二向色鏡的應(yīng)用

反射式天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的基本原理如圖4所示，采用拋物面反射鏡作為主反射鏡，一個(gè)與主鏡成45°角的反射鏡作為第二反射鏡，使經(jīng)主鏡反射后的光匯聚至成像平面，在成像平面與第二反射鏡之間加相應(yīng)焦距的目鏡可以實(shí)現(xiàn)平行光出射[22]。

圖4 反射式天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)

1.2 MRR端模塊

MRR端結(jié)構(gòu)如圖5所示，由接收天線、光探測(cè)器模塊、信號(hào)處理模塊以及MRR模塊4部分構(gòu)成。其中，MRR模塊采用可調(diào)制液晶光閥和角錐棱鏡(Corner-Cubereflector，CCR)組成，其目的是將入射光束加載調(diào)制信號(hào)進(jìn)行原路返回。信號(hào)處理模塊與收發(fā)機(jī)端相一致，進(jìn)行編碼預(yù)處理以及信號(hào)后處理。

圖5 MRR端的結(jié)構(gòu)框架

1.3 MRR FSO系統(tǒng)光路過程

收發(fā)機(jī)端激光出射的過程如下：首先攜帶數(shù)據(jù)信息的1 550 nm的光束從電光調(diào)制器中出射，同時(shí)與通過帶孔反射鏡中央小孔，對(duì)1 550 nm的光束近乎完全透射的濾光片和完全反射的二向色鏡出射的635 nm光束合束(在上行鏈路635 nm光束主要用作標(biāo)識(shí)光)，合束后的光束經(jīng)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)出射，在經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的拋物面反射鏡時(shí)光束會(huì)擴(kuò)大，相當(dāng)于擴(kuò)束鏡的作用，使出射光斑變大，同時(shí)反射式望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)還有減小出射光束發(fā)散角的作用。

激光從望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中出射，在大氣環(huán)境中傳播一段距離后到達(dá)MRR端，實(shí)現(xiàn)上行鏈路的傳輸，其中部分光被1 550 nm波段光探測(cè)器檢測(cè)，輸出電信號(hào)經(jīng)過濾波放大后輸入信號(hào)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼和誤碼率測(cè)試；另一部分混合光束通過MRR，實(shí)現(xiàn)二次調(diào)制，從MRR端反射回收發(fā)機(jī)端，其中由于液晶光閥對(duì)1 550 nm光束不起作用，即經(jīng)過MRR端調(diào)制的是可見光。望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)收集通過MRR端反射回來的光信號(hào)，通過二向色鏡將從目鏡中出射的光束進(jìn)行分束，將經(jīng)MRR端調(diào)制的635 nm光束反射至光探測(cè)器模塊，輸出電信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)還原和誤碼率測(cè)試，從而實(shí)現(xiàn)下行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸。

為實(shí)現(xiàn)MRR FSO系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離傳輸，MRR端可以考慮采用MRR陣列來增大有效反射面積，降低捕獲難度。MRR陣列在通信距離較短時(shí)可以作為空間復(fù)用系統(tǒng)來提高數(shù)據(jù)傳輸率，在通信距離較遠(yuǎn)時(shí)則可以作為空間分集系統(tǒng)來提高通信鏈路穩(wěn)定性。

2 MRR FSO系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 室內(nèi)MRR FSO系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

由于室外測(cè)試的諸多不確定性和不方便因素，實(shí)驗(yàn)前期將本系統(tǒng)在室內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行搭建，進(jìn)行了簡(jiǎn)單、短距離和低速率測(cè)試，其主要目的是進(jìn)行理論驗(yàn)證。在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上搭建MRR FSO系統(tǒng)如圖6所示，其單光程長(zhǎng)為110 cm，收發(fā)機(jī)端調(diào)制速率為1 MHz，MRR端調(diào)制速率為1 kHz。

圖6 實(shí)際光路系統(tǒng)(單程長(zhǎng)110 cm)

在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。其中，圖7(a)為MRR端檢測(cè)到來自收發(fā)機(jī)端的數(shù)據(jù)信息，圖7(b)為經(jīng)MRR端調(diào)制回復(fù)反射信號(hào)。

(a) 上行鏈路1 MHz (b) MRR端調(diào)制速率1 kHz圖7 室內(nèi)MRR FSO通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.2 長(zhǎng)距離MRR FSO系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)在有限條件下進(jìn)行測(cè)試，MRR端距收發(fā)機(jī)端距離為180 m。因激光從望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)目鏡中出射，首先通過第二反射鏡反射至主反射鏡，主反射鏡中心部分又會(huì)反射回第二反射鏡，故在MRR端未加CCR時(shí)收發(fā)機(jī)端光探測(cè)器上便有一定的反射光斑。圖8(a)為未加CCR反射時(shí)的經(jīng)帶孔反射鏡返回的光斑，圖8(b)為加CCR反射時(shí)的經(jīng)帶孔反射鏡返回的光斑，經(jīng)過比較是可以明顯觀察到返回的光斑的。

(a) 未加CCR反射光斑 (b) 加CCR反射光斑圖8 長(zhǎng)距離MRR FSO系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)效果

將MRR端加載1 kHz的調(diào)制信號(hào)，收發(fā)機(jī)端探測(cè)器模塊檢測(cè)到的信號(hào)波形圖如圖9所示

圖9 經(jīng)MRR端返回的信號(hào)

3 結(jié)束語

本文研究設(shè)計(jì)的一套長(zhǎng)距離全雙工MRR FSO系統(tǒng)，將傳統(tǒng)MRR FSO系統(tǒng)收發(fā)機(jī)端用上述收發(fā)機(jī)端來代替，一方面光收發(fā)機(jī)端將通信光束和可見光波段光束有效地整合在一起，可以通過可見光波段在遠(yuǎn)端光斑位置來確定紅外光束在遠(yuǎn)端位置；另一方面采用較大孔徑的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，用來減小輸出光束發(fā)散角和增加接收孔徑，在通信距離較遠(yuǎn)時(shí)則可以作為空間分集系統(tǒng)來提高通信鏈路穩(wěn)定性，該系統(tǒng)前期將主要用于中遠(yuǎn)距離回波信號(hào)測(cè)試和鏈路預(yù)算分析。目前液晶光閥最高的調(diào)制速率只能到kHz級(jí)別，MRR端調(diào)制速率受限，同樣是限制回復(fù)反射通信速率的重要因素。未來工作會(huì)對(duì)上述問題進(jìn)行研究，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減弱相關(guān)因素的影響，為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、高速率MRR FSO通信做進(jìn)一步工作。

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