基于差分相位調制編碼抑制大氣光通信擾動

鄭 健，李 莎，蔣經農

(1.遵義醫學院醫學信息工程系，貴州 遵義 563000;2.海南大學 信息與科學技術學院，?？?570228)

由于自由空間光通信(free-space optics communication，FSO)具有寬帶接入能力，因此自由空間光通信能提供小區內、小區與小區以及衛星和地面站之間的高速數據交換［1］。但是光通信系統的性能受環境因素影響較大，例如大氣閃爍、相位起伏、光束漂移、光束擴展、象點抖動等［2］，于是抑制大氣擾動對通信的影響成為歷屆國際會議的熱門話題。先進調制碼型有抑制大氣通信中擾動的效果，該碼型在有線光通信中獲得了成功，本文將其運用到無線光通信中。

1 大氣信道分析

在自由空間光通信中，通信信道是隨機的自由空間，這為通信的分析帶來了一定的難度。在看似雜亂無章的信道中，也能找到分析方法，可以通過解決大氣湍流、大氣衰減、光束漂移和接收機對準問題把握信道［2］。

大氣湍流(圖1)的存在使平面波的波正面不再平整，而是隨機波動。通常所講光的大氣湍流效應實際上就是指折射率隨機場上的效應。

圖1 大氣湍流信道示意圖

為了在接收端接收到足夠的光強，需克服大氣分子對激光能量的損耗。

大氣會對光束造成另外的影響，當激光束在大氣層中傳輸一定距離后，大氣湍流會對光束形成干擾，在接收機接收平面上表現為光束的中心位置在垂直其傳輸方向平面內隨機變化，該現象稱為光束漂移。光束漂移描述了湍流效應。當大氣渦流大于光束直徑時，光束的傳輸方向會隨機偏振。在數學上可以用光束位移的統計方差來描述該湍流效應。對光信號進行處理時，光束漂移效應是不能忽略不計的，特別是在激光測距、激光通信和激光雷達等通信系統的研究和運用中。

為了確保正常通信，即保證發送端的光束能被接收端的探測器接收到，這就要考慮兩端對準問題。在發送端必須將發送機瞄準到一個恰當的方向，以便光束經過自由空間后能被接收機探測，同時接收方的探測器也應根據發送光場的到達角度作適當的調整。

光波的原始波陣面在經過大氣信道后，由于介質折射率的差異導致光程的不同，從而致使光波的波陣面由平面波動改變成了隨機波動［2］。

2 基于相位調制的新型調制格式

通過二級馬赫-曾德爾調制器的電光效應將信號調制到光載波相位上，從而減少了隨機加性高斯白噪聲的影響，提高容忍度。光功率在相位調制中服從平均分布，并且可有效避免碼間串擾(ICI)。在光通信系統中，光載波可以表示為

本研究使用新型調制編碼DPSK調制的優點:①不需要在本地接收端產生相干光進行解調，簡化了接收機，降低了誤碼率;② DPSK采用平衡檢測，判決門限電平為零，與輸入信號功率無關;③由于DPSK編碼的信息隱藏在相位中，包絡恒定，可用于長距離傳輸。與大氣光通信傳統采用的OOK調制格式比較，DPSK最大的優勢是在相同的誤碼率條件下，它的碼間距離是OOK的倍，對輸入信噪比要求降低了3 dB。

占空比為33%的RZ-DPSK信號輸出的調制信號為

調制信號的光強為

占空比為50%的RZ-DPSK信號輸出的調制信號為

調制信號的光強為

當MZ2偏置置于Vπ處，得到載波抑制歸零調制差分相位碼(CSRZ-DPSK信號，占空比66%)，其調制信號為

該調制信號的光強為

3 DPSK信號解調

利用平衡接收機對DPSK信號進行解調。典型的平衡接收機包括光濾波器、馬赫-曾德爾延遲干涉儀、光電平衡檢測器和電濾波器。最后經過平衡檢測器的差分電流將接收機的抽樣判決器判決電平設置為零，可根據差分電流的正負判斷是0或1。而DPSK信號的接收機采用平衡接收，進一步降低了誤碼率，更能準確恢復原始信息。

4 實驗

在仿真驗證系統中，考慮了大氣湍流效應、光束漂移效應以及大氣衰減，該數學模型不依賴任何輸入碼型，所以可以將傳統的OOK用DPSK取代［5-8］。圖2～4為不用占空比的DPSK信號的輸入波形。為了更好地與有線光纖融合，取激光的中心波長λ=1 550 nm，輸入功率P=10 mW，探測器光電轉換效率R=0。

圖2 DPSK信號(占空比33%)

將不同占空比的DPSK信號輸入系統中，在接收端觀察各信號的誤碼率與Rytov方差之間的關系，如圖5所示。

圖5 誤碼率與Rytov方差的關系

從仿真結果可以得到如下結論:對于不同占空比的DPSK信號，占空比越小誤碼率也就越小。該誤碼率遠低于OOK調制，這是因為DPSK的信息隱藏在相位中，信道噪聲疊加在振幅上，而系統的接收機采用平衡檢測，又進一步降低了誤碼率，故將DPSK信號用于大氣光通信中能起到抑制擾動的作用。

雖然本研究仿真驗證了新型調制編碼能夠大大降低誤碼率，起到抑制大氣擾動的作用，但是該編碼還需要進一步優化。

［1］中國科學院安徽光機所203組.大氣湍流對激光通訊的影響［J］.激光，1977(4):27-31.

［2］吳健，楊春平，劉建斌.大氣中的光傳輸理論［M］.北京:北京郵電大學出版社，2005.

［3］Pan J，Evans M，Euler T.Free-space optical communications:opportunities and challenges，a Carrier’s Perspective［C］//Proceeding of SPIE.USA:［s.n.］，2002.

［4］Al-Habash M A，Andrews L C，Philips R L.Mathematical model for the irradiance probability density function of a laser propagating through turbulent media［J］.Opt Eng，2001，40(8):1554-1562.

［5］王巨勝，侯天晉，周鼎富，非視線大氣散射傳輸仿真研究［J］.激光雜志，2010(3):46-47.

［6］柯熙政，盧寧，魯珍.RoFSO系統QAM調制解調仿真及其性能分析［J］.激光雜志，2010(2):21-23.

［7］趙太飛，柯熙政，梁薇，等.紫外光散射通信中一種二級光學接收系統設計［J］.壓電與聲光，2011(2):310-314.

［8］肖沙里，高家利.日盲紫外光語音通信系統的設計與實現［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2010(1):51-54.