直流提取技術對OOK調制的自由空間光通信系統的性能改進

張明清

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003)

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直流提取技術對OOK調制的自由空間光通信系統的性能改進

張明清

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003)

摘要：自由空間光通信技術因優點顯著目前已經獲得了極大的發展，其具有免頻譜許可證、安全傳輸、大容量和低部署成本的特點。然而，光信號在經歷大氣信道的傳輸過程中會受到大氣湍流效應的影響而發生衰減和波動，這種現象稱為閃爍效應，會大大降低系統的傳輸性能。研究了提取信號中直流分量作為連續波參考光的技術，并將其應用到自由空間光通信系統中。得出了在信道為對數正態分布模型下的誤碼率模擬結果，并詳細分析了通過提取直流信號作為參考波后的性能改進。

關鍵詞：自由空間光通信；大氣湍流效應；直流提取；連續波參考光

引用格式：張明清. 直流提取技術對OOK調制的自由空間光通信系統的性能改進[J].微型機與應用，2016,35(13)：67-70.

0引言

自由空間光通信結合了光纖通信與微波通信的優點，既具有大通信容量、高速傳輸的優點，又不需要鋪設光纖，因此各技術強國紛紛在空間激光通信領域投入大量人力物力，并取得了很大進展。大氣傳輸激光通信系統是由兩臺激光通信機構成的通信系統，它們相互向對方發射被調制的激光脈沖信號(聲音或數據)，接收并解調來自對方的激光脈沖信號，實現雙工通信。自由空間光(Free Space Optical，FSO)通信預期在未來電信網絡中發揮重要作用。它被視作解決最后一公里的最佳方案之一，也可以解決無線通信不能提供足夠帶寬的問題。 FSO通信的優點包括高容量、高安全性、免費的頻譜許可證，并易于安裝和卸除。由于大氣中的分子如氧氣、二氧化碳和水蒸汽的尺寸與光的波長相似，光波通過大氣傳播會引起光強的波動，這種波動被稱為閃爍，這會嚴重惡化FSO的傳輸性能。因此如何減輕閃爍效應與合理的成本控制成為一個熱門的研究課題。

采用動態判決門限，比傳統固定判決門限性能有了較大提高[1]。而實驗已經證明當兩束光波通過相同的大氣湍流信道共同傳播時，會經歷幾乎相同的閃爍過程。參考文獻[2]中使用了額外的一個激光器發射不攜帶任何信息的直流信號作為參考光，對收到的兩束信號進行除法處理，大大提高了系統性能。然而，這額外的激光器大大提高了系統成本。本文提出了提取接收端接收到的信號中的直流分量作為參考波的方法，分析了其誤碼性能。結果顯示，與采用連續光參考波(Reference Continuous Wave Light，RCWL)技術相比，在誤碼率為10-3的情況下，當相關系數為0.85時，直流提取技術較RCWL技術有5.6 dBm的功率補償。而當相關系數為0.99時，直流提取技術較RCWL技術有2.7 dBm的功率損失，但是直流提取技術在發射端省去了一個激光器，節約了系統鋪設成本。

1系統模型

1.1對數正態分布

當光波通過大氣湍流信道時，它的強度會因為閃爍效應而發生變代。用于描述大氣湍流信道的一些模型已經被提出。其中，對數正態(Lognormal，LN)分布模型被廣泛用于研究微弱和溫和大氣湍流條件下的閃爍效應[3]。假設Is為歸一化光強度，LN分布信道模型的概率密度函數可表示為：

(1)

(2)

1.2連續波輔助檢測技術

接收端使用的RCWL技術是曾應用于DDT的一種輔助檢測技術。實驗表明，如果兩束光在相同的大氣湍流信道中傳輸，則它們所經歷的閃爍過程會有高度的相似性[4]。而RCWL正是波長為λr的連續波參照光,其中λr的值與光信號波長λs相近。該技術先利用波長多路復用器將RCWL與信號光進行混合，使其經歷相同的大氣湍流信道從而記錄閃爍強度。到達接收端后再通過波分復用器將信號光與參照光分離，然后利用簡單的除法來減小光信號強度隨大氣湍流抖動所產生的對數據的影響。其系統圖如圖1所示。

圖1　RCWL技術用于減小FSO-OOK信道的閃爍效應

發射端信號光是中心角頻率為ωs的偏振光，對應波長為λs，振幅為As。而連續波參照光是波長為λr幅度為Ar的連續偏振光，偏振方向與信號光一致。其中接收信號光的波長λr和本振信號的波長λl相等，即角頻率與本振光角頻率相等ωr=ωl，而初始相位和振幅均與信號光相等。用合波器將信號光與RCWL進行混合以經歷相同的大氣湍流信道，在接收端同時與本振光發生干涉，則可產生兩個中頻分量，再由分波器將所產生的不同分量進行分離。

嘗試利用閃爍系數的相關性消除大氣湍流對信號的影響。Is為信號光的光強,Ir是參照光的光強，用標準化后的光強Ip表示接收信號強度，則三者之間的關系為：

Ip=Is/Ir

(3)

RCWL輔助檢測技術的實質就是對受到閃爍效應影響而導致光強度概率密度變得分散的接收信號進行處理，使其概率更向“1”集中，即減小光強度的隨機抖動。因為RCWL在傳輸過程中記錄了信道中的大氣湍流信息，所以如果閃爍強度有高度相關性就可以通過簡單的除法來消除大氣湍流效應對光信號的影響。并且相關系數ρl越大，RCWL技術對系統性能的提高越好。

接收到的中頻信號再通過光電探測器轉換為電信號，用R來表示探測靈敏度，其中e為電子電量，η表示量子效率，h和v分別代表普朗克常數和載波光頻率，即可得到載有傳輸信號的光電流。

(4)

將is和ir通過除法電路得到兩個電流的商D，容易得知D的公式如下：

(5)

Asr(t)表示受大氣湍流影響后As(t)與Ar(t)的聯合概率分布，公式如下：

(6)

其中ρc表示的是一個相關參數，它由Is與Ir之間的相關系數ρl、光信號經歷的信道湍流強度σls以及參照光信號的信道湍流強度σlr三者所決定，數學表達式如下：

(7)

圖2　標準化光振幅在RCWL處理前后的概率分布比較

圖2展示了使用RCWL技術后信號波的改進。從圖2可以看出，受到大氣湍流影響的光信號的強度服從LN分布，而經過除法電路之后，光信號的歸一化強度逐漸向“1”靠攏，服從正態分布。

1.3考慮光的分散角度

所有的激光都有一定的發散角度，隨著傳輸距離的增加，光點會越來越大，而單位面積內所接收到的光功率就會隨之減少，這種衰減稱為幾何衰減[5]。其中1°≈17 mrad， 1 mrad≈0.057 3°。

圖6　數據處理單元模塊計算示意圖

當發散角為0.2 mrad時，則1 000 m的傳輸距離后光點的直徑大小約為0.2 m。可于光接收器前增加直徑為0.1 m的凸透鏡來匯聚光信號以增加接收功率，從而減小幾何衰減，如圖3所示。此時的幾何衰減約為6 dB。

因為光接受面積SR僅為ST的一部分，所以式(5)可以表示為：

(8)

其中，Xs(t)、Xr(t)分別為接收到的信號強度以及參考波強度，R表示探測靈敏度，ra為幾何衰減系數，可以表示為：

(9)

圖3　使用凸透鏡增加接收信號功率示意圖

1.4直流提取技術

RCWL技術有其固有的缺點，需要一個額外的激光器發射不攜帶任何信號的直流分量作為參考波[6]，需要復用、解復用等一些過程，這對系統的建設成本是一個很大浪費。而在接收端接收的信號中本身有一個直流分量，這個直流分量與信號經歷了相同的FSO信道，因此可以作為參考波。具體的系統實現框圖如圖4。

圖4　改進的提取直流作為參考波的FSO-OOK通信系統框圖

將接收到的信號按順序每L個分為一組，共計M組，每組數據進行單獨處理。數據處理模塊系統圖如圖5。

圖5　數據處理模塊流程圖

其解復用格式為每L個連續的數據分為一組，共計M組，每組數據進行單獨處理，如圖6。數據處理單元的作用是對每組中L個元素求和，取其平均值，此平均值相當于直流分量，作為信號的參考波。

(10)

然后，將每個單元的信號模擬量除以當前單元的平均值，進而后續判決。誤碼率如下：

(11)

其中，γ(I)表示接收機的信噪比(SNR)，p(I)表示歸一化的幅度。

2仿真結果與討論

表1　系統仿真的關鍵參數

為了分析閃爍效應和噪聲對系統性能的影響，不同信道條件下的BER度量和衰落補償應予以考慮。為驗證直流提取技術對系統性能的改進，利用MATLAB中Montr-Carlo方法進行仿真。假設傳輸距離為1 km，Rytov方差為1，取直流提取塊長度為10，處理單元數為5。其他參數設置如表1所示。

圖7展示了4種情況下的誤碼率：FSO-OOK調制解調系統，相關系數分別為0.85與0.99的RCWL系統，以及提取直流作為參考波系統。

圖7　直流提取技術與相關系數為0.85和0.99的RCWL性能比較

通過仿真可以得出，直流提取技術能很好地改進FSO-OOK的系統性能。當誤碼率為10-3時，直接檢測的OOK系統需要-13.8 dBm的功率，而直流提取技術需要-25.8 dBm的功率。與傳統的未經RCWL輔助技術處理的OOK系統相比，直流提取技術有著明顯的優勢。與采用RCWL技術相比，在誤碼率為10-3的情況下，當相關系數為0.85時，直流提取技術較RCWL技術有5.6 dBm的功率增益。而當相關系數為0.99時，直流提取技術較RCWL技術有2.7 dBm的功率增益。但是，直流提取技術節約了系統成本。

3結論

本文提出了使用直流提取技術替代RCWL技術，改善了RCWL技術系統成本高的不足，大大節約了系統鋪設成本。與RCWL技術相比，在相關系數為0.99時，直流提取技術大約有2.7 dBm的功率優勢；當相關系數為0.85時，直流提取技術較RCWL輔助檢測技術有5.6 dBm的功率補償。因此，在自由空間光通信中，直流提取技術可以用于減小大氣湍流對系統性能的影響。

參考文獻

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中圖分類號：TN929.12; TN911.7

文獻標識碼：A

DOI：10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.13.022

(收稿日期：2016-03-10)

作者簡介：

張明清(1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向：自由空間光通信。

Performance improvement of OOK free-space optical communication systems by DC extraction technique

Zhang Mingqing

(College of Telecommunications and Information Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China)

Abstract:Free-space optical (FSO) communication has many advantages including high capacity, high security, free spectrum license and easy to install and remove. However, due to the inhomogeneity of temperature and pressure fluctuations, the intensity of an optical wave will fluctuate when it propagates through the atmosphere. Such fluctuation is known as scintillation, which can deteriorate the FSO transmission performance severely. we have studied the DC extract technology, and apply it to free-space optical communications as a reference continuous wave light(RCWL). In this paper, the BER simulation results are presented, and the performance improvement by extracting the DC signal as a reference wave is analyzed in detail.

Key words:free-space optical communications; atmospheric turbulence; DC extract;reference continuous wave light