鄭 健，李 莎，蔣經(jīng)農(nóng)

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

由于自由空間光通信(free-space optics communication，F(xiàn)SO)具有寬帶接入能力，因此自由空間光通信能提供小區(qū)內(nèi)、小區(qū)與小區(qū)以及衛(wèi)星和地面站之間的高速數(shù)據(jù)交換［1］。但是光通信系統(tǒng)的性能受環(huán)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(diào)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(xiàn)為光束的中心位置在垂直其傳輸方向平面內(nèi)隨機變化，該現(xiàn)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(shù)學上可以用光束位移的統(tǒng)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(tǒng)的研究和運用中。

為了確保正常通信，即保證發(fā)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(fā)送端必須將發(fā)送機瞄準到一個恰當?shù)姆较?，以便光束?jīng)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(jù)發(fā)送光場的到達角度作適當?shù)恼{(diào)整。

光波的原始波陣面在經(jīng)過大氣信道后，由于介質(zhì)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(diào)制的新型調(diào)制格式

通過二級馬赫-曾德爾調(diào)制器的電光效應將信號調(diào)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(diào)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(tǒng)中，光載波可以表示為

本研究使用新型調(diào)制編碼DPSK調(diào)制的優(yōu)點:①不需要在本地接收端產(chǎn)生相干光進行解調(diào)，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(guān);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(tǒng)采用的OOK調(diào)制格式比較，DPSK最大的優(yōu)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(diào)制信號為

調(diào)制信號的光強為

占空比為50%的RZ-DPSK信號輸出的調(diào)制信號為

調(diào)制信號的光強為

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

該調(diào)制信號的光強為

3 DPSK信號解調(diào)

利用平衡接收機對DPSK信號進行解調(diào)。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(jīng)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(jù)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(tǒng)中，考慮了大氣湍流效應、光束漂移效應以及大氣衰減，該數(shù)學模型不依賴任何輸入碼型，所以可以將傳統(tǒng)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(zhuǎn)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(tǒng)中，在接收端觀察各信號的誤碼率與Rytov方差之間的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 誤碼率與Rytov方差的關(guān)系

從仿真結(jié)果可以得到如下結(jié)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(diào)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(tǒng)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(diào)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(yōu)化。

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