基于不同濾波操作的自由空間光通信系統(tǒng)設計

黨嬋娟，黨婷婷，郭鵬飛

（1.山西大同大學物理與電子科學學院 山西大同 037009；2.太原理工大學電子信息與光學工程學院，山西晉中 030600）

1 自由空間光通信系統(tǒng)

自由空間光通信，即信號在沒有實體傳輸介質(zhì)下進行傳播，在適當距離下的發(fā)射機和接收機之間，存在沒有遮擋的視距路徑和足夠的光發(fā)射功率而實現(xiàn)的通信方式，也稱其為無線光通信[1-3]。傳輸介質(zhì)為大氣，以激光作為光源，在輸入端，紅外光和可見光能量與傳輸數(shù)據(jù)一起進行調(diào)制，在輸出端，輻射被光電APD 探測器接收，并從紅外或可見輻射中提取能量和解調(diào)，最終的信號結(jié)果被放大后送入硬件[4-6]。

1.1 自由空間光通信系統(tǒng)組成

光源部分：由于大氣中存在一些因素對系統(tǒng)性能有影響，考慮到半導體激光器的特性及其廣泛的應用范圍以及小尺寸和長使用壽命的優(yōu)勢，并且激光器會影響通信距離、接收器件的選擇等，所以合適的激光器尤為重要，故FSO 系統(tǒng)多采用半導體激光器做為其光源[7]。

發(fā)射器和接收器：這是系統(tǒng)中最重要的部分。發(fā)射器功能是對光源進行調(diào)制，進行電光轉(zhuǎn)換，將激光信號通過天線發(fā)射出去，接收器的任務則主要是以最小的失真對接收到的信號進行放大、解調(diào)，最終完成整個通信過程，因此，光接收機的特性綜合反映了通信系統(tǒng)的性能優(yōu)劣[8-9]。

對準、捕獲、更新系統(tǒng)：FSO 系統(tǒng)要求信號要精確無誤地發(fā)送到接收機上，在傳輸過程中還要保證較高的傳輸速率，由于其大氣信道存在不穩(wěn)定性，故要求通信系統(tǒng)有更新系統(tǒng)來隨時適應條件的變化[10-11]。

1.2 自由空間光通信系統(tǒng)優(yōu)缺點

優(yōu)點：

（1）它能減少鋪設光纖時的困難，安裝簡單，可安裝在室內(nèi)或者室外；

（2）傳輸速度快，有巨大的調(diào)制帶寬，光通信允許的信息容量非常大；

（3）傳輸安全性高，定向性很好，鏈路很窄，無法輕易探測到；

（4）大氣作為其傳輸介質(zhì)，省去了一些昂貴設備花費，成本低廉[12-14]。

缺點：

（1）大氣情況不穩(wěn)定，系統(tǒng)對天氣情況非常敏感，沙塵、雨雪天氣對系統(tǒng)傳輸性能有很大的影響，在極端天氣條件下系統(tǒng)數(shù)據(jù)衰減速率會很高；

（2）傳輸距離是有限的，若距離太長，則信號很難被接收到或衰減程度很大，使傳輸效率下降；

（3）自由空間光通信系統(tǒng)要求發(fā)射器、接收器之間光信號準直穩(wěn)定，但大氣引起的漂移很容易使發(fā)送的信號漂離目標，不能很好的實現(xiàn)收發(fā)端對準，進而影響傳輸信號的質(zhì)量[15-17]。

1.3 自由空間光通信系統(tǒng)應用領(lǐng)域

（1）對于不方便鋪設光纜的地方，在一些地形復雜，比如偏遠的山區(qū)等地方不容易架設光纖時，利用自由空間光通信可以實現(xiàn)。

（2）自由空間光通信技術(shù)也運用在一些臨時的通信中，比如用于保證傳輸安全的一些情形、緊急通信或者某地區(qū)受災后之前的通信線路被破壞的情況下的通信等。

（3）可以用于遠程向控制中心播放實時高清畫面[18]。

自由空間光通信憑借其無需頻帶許可、保密性強、安裝架設靈活、通信速率高、容量大等諸多獨特優(yōu)勢受到了越來越多研究者的關(guān)注[19-22]，包括我國在內(nèi)的許多科技強國已投入大量人力對無線光通信技術(shù)展開研究，研究方向主要有與自由無線光通信系統(tǒng)所相關(guān)的調(diào)制技術(shù)、激光器性能研究、同步和檢測技術(shù)等，很多科研項目都已經(jīng)展開，通過研究使無線通信在智能系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、國防安全等領(lǐng)域得到更進一步的運用，更加方便人們的生產(chǎn)生活[23-24]。

2 不具有濾波過程的自由空間光通信系統(tǒng)

沒有添加濾波器的自由空間光通信系統(tǒng)如圖1。FSO 系統(tǒng)的組成可以分為三個部分：第一部分為發(fā)送器，包括一個連續(xù)激光器，可設置其發(fā)射功率以及頻率；偽隨機序列產(chǎn)生器發(fā)送數(shù)據(jù)速率為20 Gbps；NRZ 脈沖產(chǎn)生器用于編碼技術(shù)；馬赫-增德爾調(diào)制器將電信號加載到光載波上，實現(xiàn)了電光轉(zhuǎn)換。第二部分為FSO 信道，激光器發(fā)出的信號通過光纖放大器進行放大然后通過FSO 信道直接傳輸?shù)浇邮掌鳌鬏敽徒邮湛讖椒謩e設置為15 cm 和20 cm，光束發(fā)散度為2 mrad，衰減速度為0.43 dB/km，傳輸范圍為1 km，這些參數(shù)已在FSO 信道中進行了設置。第三部分為接收器，它利用光電ADP 探測器接收檢測光學信號。該系統(tǒng)中接收端不加入任何濾波器。

圖1 無濾波系統(tǒng)模型示意圖

3 改進系統(tǒng)的設計與分析

對原自由空間光通信系統(tǒng)進行改進，這里在接收端使用了貝塞爾濾波器、高斯濾波器、法布里-珀羅濾波器三種不同種類的濾波器以研究濾波器對系統(tǒng)性能的影響。

3.1 改進系統(tǒng)設計

3.1.1 系統(tǒng)模型

在原自由空間光通信系統(tǒng)的接收端分別加入入貝塞爾、高斯、法布里珀羅濾波器的系統(tǒng)模型如圖2(a)、(b)、(c)所示。被接收的信號首先被放大器放大，經(jīng)過FSO 信道后，被放大的信號在新加入的濾波器作用下進行濾波操作。在這里可以選擇使用不同的濾波器：貝塞爾濾波器、高斯濾波器、法布里珀羅濾波器。濾波后的信號使用光電探測器檢測，最后提供誤碼率分析儀分析。誤碼率分析儀可以計算出誤碼率、品質(zhì)因數(shù)，還可以顯示眼圖。

圖2 改進系統(tǒng)模型示意圖

3.1.2 系統(tǒng)可行性分析

這里選取使用法布里珀羅濾波器的改進系統(tǒng)進行分析，系統(tǒng)眼圖如圖3，根據(jù)眼圖可以分析出：

圖3 接收端加入法布里珀羅濾波器的系統(tǒng)眼圖

（1）如果系統(tǒng)中存在碼間串擾的時候，信號波形會發(fā)生一定程度的失真，眼圖中表現(xiàn)為“眼睛”會有小部分閉合，此時加上有噪聲的影響，會使眼圖線條變的模糊，那么“眼睛”看起來就更小了，因此，“眼睛”張開的程度代表了信號失真的程度。“眼睛”睜開最大的地方是最佳信號抽樣時刻，由圖可知最佳抽樣時間在一個周期的二分之一左右，由仿真得到最佳抽樣時刻為0.562 5 s。

（2）接收機的靈敏度可以用消光比來衡量消光比這一代表了接收機的靈敏度，消光比為全“1”碼與全“0”碼平均發(fā)送光功率的比值，由圖可以看出，0 電平線條比較細，1 電平比較粗，那么消光比較大，但此系統(tǒng)為近距離下的傳輸，故對系統(tǒng)影響不大。

（3）圖中信號上升和下降的交叉點處代表抖動，代表信號傳輸過程中出現(xiàn)的不穩(wěn)定的現(xiàn)象，故要求抖動越小越好。如果太大，就會造成系統(tǒng)誤碼率的增加。反之，產(chǎn)生誤碼的幾率越低。本圖中可以看到抖動不是很大，滿足要求。

（4）由圖可以看出，眼睛張開最大時刻系統(tǒng)誤碼率最小，故此系統(tǒng)是可行和正確的。

3.2 原系統(tǒng)模型與改進系統(tǒng)模型的性能比較

為確定改進后系統(tǒng)模型的性能如何，分別分析了光學傳輸范圍和光束發(fā)散度對系統(tǒng)性能的影響并與之前的模型進行了對比。品質(zhì)因數(shù)（Q因子）代表在最佳抽樣點處信號與噪聲的比值，它衡量系統(tǒng)傳輸信號的質(zhì)量[25]。根據(jù)誤碼率分析儀提供的系統(tǒng)Q因子曲線圖，選取最大Q值進行分析對比。這里為減少實驗誤差，通過誤碼率分析儀測出最大Q值后多次測量取均值。最終得到使用貝塞爾濾波器、高斯濾波器、法布里珀羅濾波器的系統(tǒng)最大Q值與先前模型最大Q值對比圖。

3.2.1 不同濾波器作用下光學傳輸范圍與最大品質(zhì)因數(shù)的關(guān)系

在保持傳輸孔徑（15 cm）和接收孔徑（20 cm）以及光束發(fā)散度（2 mrad）都不變的情況下，改變傳輸距離，使其從100 m 變化至1 000 m，以分析傳輸距離和系統(tǒng)最大品質(zhì)因數(shù)的關(guān)系。分別使用貝塞爾、高斯、法布里珀羅濾波器的系統(tǒng)與原系統(tǒng)模型最大品質(zhì)因數(shù)Q對比，結(jié)果見圖4(a)、(b)、(c)。

圖4 傳輸距離與與系統(tǒng)最大Q值的關(guān)系圖

從圖4 可以觀察到，隨著光學傳輸距離的增加，原系統(tǒng)和改進后的模型最大品質(zhì)因數(shù)都逐漸減小，說明該系統(tǒng)適用于短距離傳輸。但使用貝塞爾濾波器時最大品質(zhì)因數(shù)可達到434，使用高斯濾波器時最大品質(zhì)因數(shù)能夠達到458，使用法布里珀羅濾波器最大品質(zhì)因數(shù)值為366，而不使用濾波器的系統(tǒng)最大品質(zhì)因數(shù)才356，可以發(fā)現(xiàn)使用濾波器后的系統(tǒng)最大品質(zhì)因數(shù)值都比之前系統(tǒng)要高。特別值得注意的是，使用高斯濾波器時，在1 000 m 處其最大品質(zhì)因數(shù)為255，相比于使用其他兩種濾波器的系統(tǒng)表現(xiàn)更加良好。

3.2.2 不同濾波器作用下光束發(fā)散度與最大品質(zhì)因數(shù)的關(guān)系

在其他系統(tǒng)條件都不變的條件下，改變光束發(fā)散度的大小，使其從2 mrad 變化至10 mrad，以分析光束發(fā)散度和系統(tǒng)最大品質(zhì)因數(shù)的關(guān)系。見圖5。

圖5 光束發(fā)散度與系統(tǒng)最大Q值的關(guān)系圖

從圖5 觀察到，隨著光束發(fā)散度的增加，先前模型和修改模型的最大品質(zhì)因數(shù)都降低了，最大Q值都在光束發(fā)散度為2 mrad 的時候得到。由圖5 可以得到使用貝塞爾濾波器的系統(tǒng)隨光束發(fā)散度變化的最大Q值可以達到411，使用高斯濾波器時達到386，使用法布里珀羅濾波器達到336，不加入濾波器的模型最大Q值為316，可見改進模型比以前的模型取得了更好的結(jié)果，使用貝塞爾濾波器時系統(tǒng)呈現(xiàn)出更好的性能。說明自由空間光通信中為了保證傳輸質(zhì)量需要比較低的光束發(fā)散度。

4 結(jié)語

利用OptiSystem 仿真軟件建立FSO 系統(tǒng)模型，基于初始FSO 系統(tǒng)提出改進方法，在系統(tǒng)接收端分別并入高斯濾波器、貝塞爾濾波器、法布里珀羅濾波器三種不同種類濾波器，得到新的FSO 系統(tǒng)，并對其加以研究和驗證。由于最大品質(zhì)因數(shù)代表在最佳抽樣點處信號與噪聲的比值，它衡量系統(tǒng)傳輸信號的質(zhì)量，所以文章從傳輸距離和光束發(fā)散度的角度研究改進后系統(tǒng)最大品質(zhì)因數(shù)Q值與原系統(tǒng)對比的情況。

通過對最大品質(zhì)因數(shù)曲線對比圖的分析，得到加入濾波器之后的系統(tǒng)最大品質(zhì)因數(shù)Q相比于之前系統(tǒng)，在數(shù)值上有明顯的提升。其中，在研究傳輸距離的影響時，使用高斯濾波器的系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的性能，比原系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)高出約100。在研究光束發(fā)散度的影響時，使用貝塞爾濾波器的系統(tǒng)最大品質(zhì)因數(shù)比原系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)高出約100，對改善系統(tǒng)性能的作用更顯著。綜上所述，加入濾波器之后的系統(tǒng)各項性能都比之前有很大提高，性能得到極大改善，為未來滿足高數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設計提供新的思路。