光通信高速率調(diào)制系統(tǒng)設計及性能仿真測試

刁紅翔,常麗敏,唐雁峰

(1.空軍航空大學,吉林 長春 130022；2.長春理工大學電子信息工程學院,吉林 長春 130022)

1 引 言

光通信技術作為有效解決頻譜資源緊缺的一項新興通信技術,其應用前景非常廣闊,但是在對該項技術開發(fā)和使用的過程中,也暴露出了許多問題:

(1)高分辨率的戰(zhàn)場偵察、預警等任務對信息傳輸速率、實時性、保密性等提出了更高的要求；

(2)無人機飛控自主化程度不斷提高,結(jié)構(gòu)日益復雜,使得無人機的控制更加困難,對單位時間內(nèi)信息傳輸?shù)目偭亢唾|(zhì)量要求更高；

(3)激光通信易受到大氣擾動,背景光輻射、平臺振動、相對運動等較多因素的影響；而無人機的發(fā)展趨勢是高空高速,續(xù)航時間長,飛行層次廣,這會使大氣對通信的影響更加明顯[1]。

解決這些問題的有效途徑是從激光加載信息的源頭入手,努力提高光調(diào)制器的調(diào)制速率和抗干擾能力,建立更加穩(wěn)定可靠的高速率調(diào)制系統(tǒng),有效應對各種復雜氣象條件,保證信息的高質(zhì)量傳輸。

2 調(diào)制系統(tǒng)設計準則

調(diào)制系統(tǒng)的設計首先應該從目的性和實用性的角度出發(fā)。而考慮到高速率調(diào)制電路設計是為了滿足大功率和高速率光通信的需求,因此該系統(tǒng)需要具備輸出功率較高的激光器；為了增加通信距離的范圍,有效抵御信道干擾,要求激光器的功率在一定區(qū)間內(nèi)連續(xù)可調(diào)且功率上限要足夠大；另外激光器和調(diào)制器各自的信號發(fā)生及相互間的匹配問題也至關重要,這就需要選擇合適的激光器和調(diào)制器驅(qū)動電路。綜上可以得出一般調(diào)制電路的設計原則[2]，如圖1所示。

圖1 調(diào)制電路設計原則

在明確調(diào)制電路一般設計原則基礎之上,可以從電路器件本身的角度和單一器件內(nèi)部的影響因子出發(fā),去分析影響調(diào)制速率的因素,進而改善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設置和器件參數(shù)設定,完成高速率調(diào)制系統(tǒng)的搭建。

3 高速率調(diào)制系統(tǒng)設計

結(jié)合課題需求和相關資料[3-7],對高速率調(diào)制系統(tǒng)進行了如圖2、圖3所示的設計。

圖2 高速率調(diào)制系統(tǒng)整體設計

圖3 調(diào)制驅(qū)動部分細節(jié)設計

其中圖3結(jié)構(gòu)單元位于圖2的1、2端口處,是對調(diào)制驅(qū)動模塊的細化設計。就圖2中系統(tǒng)整體來說,按照由系統(tǒng)核心到周邊的順序進行器件選擇、設計和搭建。首先確定核心調(diào)制器為外調(diào)制中的EAM,在此基礎上選擇了輸出功率高、光譜窄且與電吸收調(diào)制器(Electro Absorption Modulator,EAM)集成效果良好的分布式反饋(Distributed Feedback,DFB)激光器作為主光源,并選擇摻鉺光纖放大器(Erbium-doped Fiber Amplifier,EDFA)作為調(diào)制信號的放大器?？紤]到激光器工作時容易出現(xiàn)發(fā)熱導致的輸出波長不穩(wěn)及干擾引起的輸出功率不穩(wěn)等現(xiàn)象,為激光器設計了溫控、功控以及相關驅(qū)動電路,穩(wěn)定信號光輸出,提升系統(tǒng)性能；同時引入激光器保護電路,防止激光器工作時因過熱和過流而意外損壞。此外在接收端和發(fā)射端之間加入大氣信道,用來模擬實際大氣環(huán)境中通信時信息傳輸情況。

對圖3中調(diào)制器驅(qū)動電路部分,設計目的旨在提升信號加載的穩(wěn)定性。在輸出和輸入匹配電路部分加入三級負反饋射頻放大器,有效提升系統(tǒng)帶寬、增益和穩(wěn)定性；運用靜態(tài)工作點的PID自動控制,防止電路產(chǎn)生非線性失真,保證EA調(diào)制器的線性輸出狀態(tài)；特定位置加入鎖相環(huán)來進一步提升關鍵部位信號頻率穩(wěn)定性,保證高速率調(diào)制的有效進行。

針對圖3中的EAM進行細節(jié)化設計,包括EAM的材料選擇,結(jié)合消光比表達式、該材料的微觀分子組成和粒子能量和質(zhì)量的表達式,應用控制變量法,對該材料的三維結(jié)構(gòu)二參數(shù)進行了優(yōu)化設計,提升系統(tǒng)消光比和調(diào)制速率；基于三維半矢量束傳播法對調(diào)制器的光波導結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,提升光場限制因子和器件耦合效率[8-9]。

4 系統(tǒng)仿真模型搭建

4.1 Optisystem軟件簡介

實驗采用Optisystem軟件對光通信系統(tǒng)進行仿真測試和性能分析。該軟件是OPTIWAVE公司設計的一款集設計和測試功能于一體的光通信用仿真平臺[10]。其功能全面,具有完備的器件庫和優(yōu)化的操作界面,且以其逼真的仿真模擬環(huán)境和便利的交互性能而被廣泛使用,可以滿足現(xiàn)有條件下的各類光學系統(tǒng)的設計分析和仿真測試[11-12]。其平臺檢測結(jié)果和指標對于實際光通信系統(tǒng)的設計具有很強的參考價值和指導意義,能夠幫助我們更好的發(fā)現(xiàn)問題,改進設計。

4.2 參數(shù)設置和模型搭建

在使用Optisystem進行仿真前,首先進行器件的選取和參數(shù)的設置。首先選擇具有連續(xù)波長特性的DFB激光器作為光源,然后依次選擇EAM、EDFA等主體元件構(gòu)成系統(tǒng)的信號產(chǎn)生和調(diào)制發(fā)射部分；在信號接收端,同樣選擇EDFA對衰落信號進行一級放大,并用雪崩光電二極管(Avalanche Photodiode,APD)進行光信號的接收和轉(zhuǎn)化,之后利用貝塞爾低通濾波器進行雜波濾除和信號恢復；調(diào)制發(fā)射部分和信號接收部分經(jīng)由模擬大氣信道連接；在信號調(diào)制傳輸?shù)年P鍵部位設置信號測量器件,檢測在整個過程中信號的變化[13-14]。

實驗中,設置DFB激光器的發(fā)射波長為光通信最常用波段1550 nm,功率大小為2 W,帶寬為10MHz；EAM的驅(qū)動源選擇可以人為設置的模塊,以便對不同調(diào)制速率下該系統(tǒng)的性能進行評價和測試；發(fā)射和接收端EDFA的長度均為5 m；APD光電探測器的增益系數(shù)為3,接收靈敏度為-31 dBm；貝塞爾低通濾波器的截止頻率設置為0.75 Bits/Hz；結(jié)合課題通信距離要求和相關技術指標,將模擬大氣信道長度設置為150 km,衰減系數(shù)設置為一般氣象條件下的5 dB/km，同時BER要優(yōu)于10-7,其他器件按其通用參數(shù)進行設置。另外激光器和調(diào)制器本身及其驅(qū)動部分的輔助電路是為了保持激光器和調(diào)制器在工作過程中的穩(wěn)定性,更好地應對各種復雜情況,因此在模擬仿真的條件下不需要考慮[15]。在此基礎上按照圖4設計框圖進行器件組合連接,搭建調(diào)制電路仿真模型。

圖4 調(diào)制電路仿真模型

將以上模型在Optisystem仿真平臺上進行運行測試。

5 系統(tǒng)性能測試

在該課題的前期理論研究部分,得到了現(xiàn)階段一般條件下高速率調(diào)制的臨界速率指標下限為1.12 Gbps,只有系統(tǒng)的調(diào)制速率不小于該理論指標,才能滿足高速調(diào)制的要求。此外結(jié)合課題實驗及實際需求,將對系統(tǒng)仿真測試的調(diào)制速率設置為三個梯度水平:①臨界速率:1.12 Gbps；②高速:5 Gbps；③超高速:10 Gbps；依次測試,以檢驗該設計的調(diào)制速率水平和性能。

5.1 臨界1.12 Gbits調(diào)制速率測試

首先讓EAM加載高速調(diào)制的理論下限調(diào)制速率1.12 Gbps,運行觀察系統(tǒng)工作情況。

首先觀察了DFB激光器的輸出,發(fā)現(xiàn)激光器輸出光功率穩(wěn)定在2 W左右,且輸出波長很窄,由此可以看出DFB激光器工作性能穩(wěn)定,適合進行一般大氣條件下的光通信，如圖5所示。

圖5 DFB激光器輸出情況

調(diào)出EAM后的光時域觀察儀和經(jīng)大氣信道衰減后的光時域觀察儀測試結(jié)果,如圖6所示。

圖6 調(diào)制后及大氣衰減后光時域觀察儀測試結(jié)果

由結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):經(jīng)過調(diào)制后激光信號隨調(diào)制信號發(fā)生變化,功率保持在2 W,且方波信號平穩(wěn),說明調(diào)制器工作穩(wěn)定,狀態(tài)良好；經(jīng)過大氣信道傳輸衰減后,調(diào)制信號未發(fā)生形變,僅在方波頂部出現(xiàn)輕微的毛刺凸起,但這并不影響后續(xù)的信號接收；時域波形信號位置范圍保持不變(起始位置:-6.3992×10-10s,中間位置:6.3992×10-9s,結(jié)束位置:1.3438×10-8s)；功率發(fā)生衰減,峰值功率變?yōu)?.6636×10-5W(大于接收靈敏度S=-31 dBm=7.94×10-7W),處于APD的可探測范圍內(nèi)。四處光功率計的顯示結(jié)果如圖7所示。

圖7 四處光功率計測試結(jié)果

由結(jié)果可知:經(jīng)過調(diào)制器調(diào)制后,激光信號衰減較大,由2 W降至0.693 W左右；之后經(jīng)過發(fā)射端EDFA放大,信號功率提升至0.753 W；經(jīng)大氣信道傳輸衰減后,信號功率再次衰減到5.482×10-6W,然后經(jīng)過EDFA的二次放大,信號功率變?yōu)?6.201×10-3W,滿足光電探測器的接收范圍,能夠被有效接收和處理,可見發(fā)射和接收端EDFA的兩次放大作用不能缺少。

經(jīng)過處理的信號眼圖、Q因子和BER指標如圖8所示。通過分析可以判斷經(jīng)過長距離傳輸后信息的質(zhì)量。這同時也是檢驗系統(tǒng)調(diào)制性能的核心環(huán)節(jié)。

圖8 1.12 Gbits調(diào)制速率下接收端眼圖、Q因子和BER

由結(jié)果可知:信號接收端眼圖張開大,內(nèi)部清晰且眼圖邊線較清楚,說明信號穩(wěn)定,質(zhì)量好；品質(zhì)因子Q最大值達到了37.4428,BER的最小值為2.70976×10-307,滿足BER小于10-7的指標要求,同時進一步說明了接受處理后信號質(zhì)量良好,可以被有效利用和分析。由此說明該調(diào)制系統(tǒng)滿足高調(diào)制速率下限1.12 Gbits的調(diào)制和傳輸要求,可以進行進一步的測試。

5.2 高速5 Gbits調(diào)制速率測試

讓EAM加載5 Gbps的調(diào)制速率,測試接收端眼圖、Q因子和誤碼率特性,結(jié)果如圖9所示。

圖9 5 Gbits調(diào)制速率下接收端眼圖、Q因子和BER

由圖可知:5 Gbits的調(diào)制速率下,眼圖依舊張開大、清晰,且相較于1.12 Gbits時邊線更加緊致；Q因子最大值達到83.4876,比1.12 Gbits條件下增加了46.0448；BER最小值為0且處于0值的范圍較寬。這說明該調(diào)制系統(tǒng)同樣滿足5 Gbits的高調(diào)制速率要求,且該調(diào)制速率下系統(tǒng)傳輸性能更加穩(wěn)定,信號傳輸質(zhì)量更佳。

5.3 超高速10 Gbits調(diào)制速率測試

讓EAM加載10 Gbps的調(diào)制速率,測試接收端眼圖、Q因子和誤碼率特性,結(jié)果如圖10所示。

圖10 10 Gbits調(diào)制速率下接收端眼圖、Q因子和BER

由圖可知:10 Gbits的調(diào)制速率下,眼圖線雜亂且范圍擴大,眼圖內(nèi)部邊界模糊；此時Q因子最大值只有4.43688,比1.12Gbits條件下減少了33.0059；BER最小值為4.4804×10-6(已經(jīng)高于10-7的指標需求),且處于最小值的時間范圍很窄,大部分時間BER都高于該水平。這說明該調(diào)制系統(tǒng)在調(diào)制速率更高的場合下效果并不理想,需要進一步的改進調(diào)制手段以滿足更高的速率需求。

綜上可知該系統(tǒng)滿足臨界速率的需求,且在高速5 Gbits下性能持續(xù)攀升,能夠勝任現(xiàn)階段一般條件下高速調(diào)制需求；但對于超高速條件,系統(tǒng)性能還不夠穩(wěn)定,這有待進一步的研究和改進。

6 結(jié) 語

未來復雜環(huán)境下進行的光通信,需要與之匹配的高速率調(diào)制系統(tǒng)單元。結(jié)合課題和實際需求,在大量研究的基礎上進行了高速率調(diào)制系統(tǒng)的設計。設計思路從系統(tǒng)整體到局部,主要進行核心器件確定和搭配,調(diào)制驅(qū)動電路的設計和穩(wěn)頻模塊的加入,再到EAM內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精確化設計；對完成的設計方案進行了Optisystem軟件仿真平臺上的測試,結(jié)合課題設定了三組測試用不同層次的調(diào)制速率指標,分別為臨界1.12 Gbits,高速5 Gbits,超高速10 Gbits。仿真結(jié)果顯示:對于1.12 Gbits和5 Gbits的調(diào)制速率,該系統(tǒng)測試性能優(yōu)異,眼圖張開清晰且擁有較高的Q因子和低的誤碼率,同時5 Gbits的測試性能要優(yōu)于1.12 Gbits,說明該系統(tǒng)滿足超過臨界速率以上的調(diào)制需求,并且以逐步攀升的性能標準到達了高速5 Gbits的需求,能夠勝任一般條件下的光通信高速率調(diào)制需求；但是對于超高速10 Gbits,該系統(tǒng)測試性能還不夠穩(wěn)定,這有待進一步對調(diào)制關鍵技術進行深入研究,以期設計出能夠適應超高速條件的光調(diào)制系統(tǒng),適應未來更加復雜多元化的通信模式。

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