MIMO無線光通信分集接收系統的實驗研究

周仲謀，陳智凱

（國網江西省電力公司贛西供電分公司 江西 新余 338025）

MIMO無線光通信分集接收系統的實驗研究

周仲謀，陳智凱

（國網江西省電力公司贛西供電分公司 江西 新余 338025）

文中在分析了MIMO無限光通信系統的組織結構和系統構成基礎上，對其中的原理和參數進行簡要的描述，并且選出最符合分集接收系統實驗的器件和結構，搭建了關于MIMO無線光通信的實驗平臺，而且在此基礎上進行實驗測試和優化處理，得出了結論，即陣列光天線可以改善無線光通信系統中的通信效果與質量，且可以增大信號的信噪比。通過實驗與理論相結合的方式得出結論：光纖光柵作為濾波器可以有效的改善大氣通信系統的性能。

無線光通信；分集接收系統；大氣通信；信噪比

一種基于多輸出和多輸入的信道衰落的補償技術叫做MIMO技術[1],一般,這種技術需要至少兩個收發天線作為實現基本通信需求的基礎,在通常的信號傳輸過程中,大氣中的各種不可避免因素都會對信號的傳輸質量造成一定的影響,而利用MIMO分集技術可以有效地減少信道衰落深度和衰落時間,其有效的結合了光纖通信和微波MIMO技術的諸多優點,保密性好,可以充分運用到軍事通信領域。在實際通信實踐中,MIMO技術主要有兩項改進,一個是通過時空的編碼實現增加通信系統信道容量的目的,另一個是通過多天線的分集接收技術可以有效的提高抗信道衰減的能力,從而緩解因為大氣湍流造成的信號衰減。在文中,主要是對MIMO分集接收系統進行必要的實驗研究[2],搭建實驗結構和選擇符合實驗要求的器件和構造,從而達到檢驗MIMO分集接收系統應用于無限光通信系統的可操作性和對有可能出現的現實問題進行思考和討論,在本文的實驗中,環境參數等設置盡可能簡化。

1 分集接收實驗系統的搭建

基于MIMO技術的在無線光系統原理的相關理論和本實驗實際需要[3],設計的實驗系統地結構圖如圖1所示。

圖1 MIMO無線光分集實驗系統結構圖Fig.1 MIMO wireless optical diversity experimental system architecture diagram

根據本實驗的設計要求和需要,模式方面采用MISO模式以便于后續處理,考慮到本實驗對于發射信號并沒有特別要求,所以在實驗中發光信號器采用1 550 nm的收發器并且默認60 MHz的方波。

1.1 發射天線的處理與選擇

由于在實驗中采用MISO系統的模式,只有一個天線用于發射信號[4],而在光收發器的激光器采用的是1 550 nm的半導體相關激光器,光波的發散角相對較大,所以對激光器發出的信號光進行準直和校正顯得尤為必要。

在對輸出光進行準直和校正的過程中主要有兩個問題,一個是輸出光在垂直于出射平面方向上的發散角很大,對光

束收集操作較為困難,另一個困難是輸出光的光斑比較分散,而且不均勻。解決第一個問題主要是用到光纖準直器元件,這種元器件是在光纖通信中常用的元器件,作用是對光纖中傳輸的光束進行準直校正,從而便于后續的自由空間光處理。光纖準直器中的準直透鏡一般選用自聚焦透鏡,光束在其中的傳播原理和軌跡如圖2所示。

圖2 自聚焦透鏡傳播軌跡原理圖Fig.2 GRIN propagation trajectory schematics

根據原理,在元器件光纖準直器中,在自聚焦透鏡的焦點位置一光纖端面,那么輸出光經過這個元器件后就成為了平行光線。經過上述的步驟,基本上可以將輸出光轉變為近平行光。光纖準直器可以大幅改善發散角[5],對于耀斑并沒有什么明顯的改進和放大作用,所以在實驗中還要考慮對輸出光進行相應的擴束處理。在實驗中,對于這一問題的解決主要是用雙透鏡的組合進行,典型的雙透鏡準直擴束組合為雙透鏡共焦耦合,原理如圖3所示。

圖3 雙透鏡的共焦擴束組合結構原理圖Fig.3 Dual beam expander lens confocal composite structure diagram

通過改造,提出的兩個問題已經得到了很好地解決,經過處理之后,從半導體激光器發出的光轉變為了具有一定光束直徑近似平行的符合標準的高斯光束輸出[6]。

1.2 接收天線中合并方式的選擇

在實驗中,因為使用的是帶有尾纖的自聚焦透鏡作為接收天線的單元,所以考慮自聚焦透鏡對于光纖的耦合顯得尤其重要。

自聚焦透鏡的折射率在徑向的分布滿足以下規律：

其中,n0是折射率,r為徑向距離,A表示聚焦常數,焦距為：

我們知道,在無限光通信系統中,存在著菲涅爾區,而這些菲涅爾區的單元直徑被稱為菲涅爾尺寸[7]。

為了能保證接收陣列天線之間在接收時候互不相關,它們之間必須滿足一定的關系式,即：

在本文的實驗中,由于取定λ=1 550 nm,L=5 nm,所以根據公式推導和簡單的理論分析,就可以得出,只要r≥2 mm就可以滿足實驗要求的各個子天線信道之間互相獨立。本實驗選取4個子天線,各個子天線之間互不影響,排列如圖4所示。

圖4 4單元光學陣列天線的排列方式Fig.4 The optical arrangement of four cell array antennas

1.3 耦合光信號相關處理和考慮

我們知道,通常而言,對于大氣光通信系統,大氣湍流的存在會嚴重影響到通信質量[8],不僅如此,大氣中的背景光也會對通信質量產生影響,導致信噪比顯著下降,在傳輸距離較遠的時候,由于背景光的影響,產生的信號干擾甚至會掩蓋通信所用的光信號,這就使得通信質量大大的降低甚至中斷。通常為了提高信噪比,必須對大氣背景光進行限制。在這個問題上,通常采取的方法是信號光頻率的光學濾波器采用通頻帶。這種做法可以大大降低背景光。

在接收到的信號優化方面,主要目的是能提高信噪比,光學濾波處理所用的結構為光環行器和光纖光柵。在本實驗所采用的系統中,實驗在設計時采用的光纖通信器件是成熟度較高的1 550 nm,經過一定的信號處理和信噪比計算,并且通過光波濾波器進行過濾,排除掉大氣湍流和大氣背景光的影響,調制后的帶寬變為2 GHz。在系統中,當濾波器為輸出信噪比為最大的匹配濾波器時候,沖擊響應為：

根據上述分析,通過軟件編程和仿真,可以得出對于加入大氣背景光干擾的信號,在經過濾波器的過濾和加工后,信號的質量得到了顯著的提升,大氣背景光的干擾信號得到有效的抑制,信噪比得到了大幅度的改善,如圖5和圖6所示。

從圖7可以看出,在加入含有噪聲的1 550 nm波段的信號頻譜顯示出很多毛刺,信噪比較低,信號質量不好；從圖8可以看出,當信號經過濾波器后,可以看出將干擾信號有效的祛除,從而接收到一個較為理想的信號頻譜。

1.4 光電轉換器的選擇

在實驗中,還要對接收到的光信號進行一定的處理和分析,接下來主要分析光電轉換器這個元器件在實驗中的作用

和對其如何選用。

圖5 加入噪聲后的信號頻譜圖Fig.5 Signal spectrum after adding noise

圖6 經過濾波處理后的頻譜Fig.6 After the spectrum after the filtering process

光電轉換器實際上就是利用光電效應將光能轉換為電能,在一定頻率的光照下,物體表面會有電子溢出的效應叫做光電效應,平時所熟知的光電管就是利用外光電效應,在光照下,物體在一定方向產生電動勢的現象叫做光生伏特效應。對于光敏二極管,其基本原理跟普通的PN結二極管一樣嗎,區別只是其PN結位于接收端的頂部,可以直接收到光信號產生的信號輻射。光敏二極管當其不受光照的條件下處于截止狀態,而在光照條件下則處于導通狀態。

在實驗中如何正確的選擇合適的光電轉換器,需要有三點考慮,第一,所使用材料的響應頻段對光照信號的影響；第二,材料的噪聲影響對于接收端信號的處理方式；第三是光電效應產生的效率曲線對于輸出信號的傳輸誤差。在本文中,我們采用的是P6713型號的光電轉換器。其歸一化光譜響應曲線如圖7所示。

圖7 P6731光電轉換器歸一化的響應曲線Fig.7 P6731 photoelectric conversion normalized response curve

此型號的主要光學、電學參數如表1所示。

本實驗中通信所用的光波為61 MHz的1 550 nm方波,歸一化響應系數為1.21,這可以滿足將光信號轉換成電信號的需求。

表1 光電轉化器相關參數要求說明Tab.1 The photoelectric conversion parameters asked for clarification

2 實驗結果的測試和分析

根據前文實驗系統的搭建方面考量,按照圖10所示搭建系統平臺。在MIMO無線光通信的實驗測試中,根據光波信號的波長進行光電轉換器的選擇和測試,光學陣列天線起到輸出和接收信號的主要作用,理論分析得出所選波長和器件均可以很好符合實驗要求和目標。現將其結果進行相應的反饋和實驗。

由于本實驗所產生的光信號均是通過器件光電轉換器在示波器上的波形顯示來反映,光電轉化器對于光功率有嚴格限制,輸出的光信號是通過光衰減之后效果進行考量,在溫度這方面因為光電轉換器在工作時候的溫度相當高,所在在顯示的時候會出現略微的松動跡象,這對光電輸出是一個極大的考驗,根據實驗實測,得出如圖8的(a)、(b)兩幅圖。

從圖8(a)可以看出,單路子天線的最大幅值為250 mV,經過一段距離的傳輸與損耗,脈沖的上升時間是逐漸變長的,而且方波的基本輪廓也已經不是很清晰了,這都是由于在傳輸過程中會受到大氣湍流的影響和大氣背景光的影響而造成的。圖8(b)顯示的波形比起單路天線已經有很大程度上的改善,可以得出結論,采用四路陣列天線進行輸出可以有效地避免因為大氣湍流和大氣背景光所造成的影響。上升沿和下降沿都比起單路輸出有明顯的改善。

接下來通過分析對比通過光纖光柵構成的光濾波器的信號改良情況。由于實驗中采用的是反射波長為1 550 nm的光纖光柵,它的反射率不是很高,使得通過光纖光柵之后的光功率會變小,導致在示波器上觀測不到光波波形,為了改變這種情況,通過EDFA技術進行信號功率的增強,圖9反映了在加入EDFA技術后,通過光濾波器之前和之后的光信號質量改變反饋圖。

圖8 單路子天線與四路信號耦合的波形顯示效果Fig.8 Single waveform signal path coupled to the antenna and four display

圖9 通過光濾波器前后光信號質量對比圖Fig.9 By comparison chart before and after the optical signal quality optical filters

從圖9(a)可以看出,通過EDFA放大之后經過光濾波器的波形圖,可以看出,雖然光信號的功率得到了增強,但是同時也引入了很多噪聲信號和干擾信號,使得波形質量劣化更加嚴重,噪聲信號明顯增大。圖9(b)則反映了經過光環行器和光纖光柵的光信號的波形,可以看出,波形質量得到了極大的改善,通過EDFA技術放大的更明顯的噪聲干擾信號已經有效的去除,信噪比也大幅度提升。但是同時,對于EDFA技術處理過的光信號放大信號的波形確不能有效的改善,從而,要想完全還原輸入信號,還需要在后續的器件改進中得到加強。

3 結束語

文中主要是基于MIMO無線光通信技術進行實驗,討論了無線光系統構成和部分原理參數的設計,選擇出最符合實驗需求的器件和結構,將理論與實際相結合,搭建了一個有效的MIMO無線光通信的實驗平臺,并通過理論推導得出陣列天線對于改善光輸出信號的可行性研究,陣列天線在改進信噪比方面具有很大優勢。同時,根據實驗需求,證明了光纖光柵和光環行器對于改善無限光信號方面起到的重要作用,確實可以起到改進因為大氣湍流和大氣背景光造成的噪聲干擾的信號質量作用。MIMO通信技術具有很大的應用價值,但很多現實問題亟待解決,距離大規模使用還有很長一段路要走。

[1]Boucouvalas,A.C.,Challenges in optical wireless communications[J].Optics and Photonics news,2005,16(9)：36-39.

[2]Boroson D M,Bondurant R S,Scozzafava J J.Overview of high-rate deep-space laser communications options[C].in Lasers and Applications in Science and Engineering,International Society for Optics and Photonics,2004.

[3]Crane R K.Electromagnetic wave propagation through rain[M]. Wiley New York,1996.

[4]Smolyaninov I I.Long-distance 1.2 Gb/s optical wireless communication link at1550 nm [C].in International Symposium on Optical Science and Technology,International Society for Optics and Photonics,2002.

[5]IEEE Standards Coordinating Committee 22 on Power Quality,IEEE Std 1159-1995.IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality[S].1995.

[6]柯熙政,席曉莉,無線激光通信概論[M].4版.北京：北京郵電大學出版社，2004.

[7]肖杰,王平.衛星光通信技術[J].數字通信世界,2009(6)：33.

[8]艾勇,陳晶,葉德茂,等.2.3 km距離 1.25 Gb/s速率自由空間光通信實驗[J].光通信技術,2007(9)：55-57.

Experimental study of MIMO wireless optical communication diversity reception system

ZHOU Zhong-mou,CHEN Zhi-kai
(Jiangxi Electric power Corporation of the State Grid Corporation of China,Xinyu 338025,China)

This article based on the analysis of the optical communication system MIMO unlimited organizational structure and system configuration,based on the principles and parameters for which a brief description,and select the device and the structure of the most consistent with diversity reception system experiments,built on MIMO wireless optical communications the experimental platform,and on the basis of experimental testing and optimization,came to the conclusion that the light array antenna can improve wireless optical communication system communication effectiveness and quality,and can increase the signal to noise ratio.On this basis,the fiber grating obtained by a combination of experimental and theoretical approach as a filter can effectively improve the performance of air communication systems.

wireless optical communication；diversity reception system；atmosphere communications；SNR

TM933.4

：A

:1674-6236(2015)23-0145-04

2015-04-08稿件編號：201504072

周仲謀(1973—)，男，江西奉新人，高級工程師。研究方向：光通信技術。