周仲謀，陳智凱

（國網(wǎng)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(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

周仲謀，陳智凱

（國網(wǎng)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(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)構(gòu)成基礎(chǔ)上，對(duì)其中的原理和參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要的描述，并且選出最符合分集接收系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的器件和結(jié)構(gòu)，搭建了關(guān)于MIMO無線光通信的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，而且在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試和優(yōu)化處理，得出了結(jié)論，即陣列光天線可以改善無線光通信系統(tǒng)中的通信效果與質(zhì)量，且可以增大信號(hào)的信噪比。通過實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合的方式得出結(jié)論：光纖光柵作為濾波器可以有效的改善大氣通信系統(tǒng)的性能。

無線光通信；分集接收系統(tǒng)；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(bǔ)償技術(shù)叫做MIMO技術(shù)[1],一般,這種技術(shù)需要至少兩個(gè)收發(fā)天線作為實(shí)現(xiàn)基本通信需求的基礎(chǔ),在通常的信號(hào)傳輸過程中,大氣中的各種不可避免因素都會(huì)對(duì)信號(hào)的傳輸質(zhì)量造成一定的影響,而利用MIMO分集技術(shù)可以有效地減少信道衰落深度和衰落時(shí)間,其有效的結(jié)合了光纖通信和微波MIMO技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn),保密性好,可以充分運(yùn)用到軍事通信領(lǐng)域。在實(shí)際通信實(shí)踐中,MIMO技術(shù)主要有兩項(xiàng)改進(jìn),一個(gè)是通過時(shí)空的編碼實(shí)現(xiàn)增加通信系統(tǒng)信道容量的目的,另一個(gè)是通過多天線的分集接收技術(shù)可以有效的提高抗信道衰減的能力,從而緩解因?yàn)榇髿馔牧髟斐傻男盘?hào)衰減。在文中,主要是對(duì)MIMO分集接收系統(tǒng)進(jìn)行必要的實(shí)驗(yàn)研究[2],搭建實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)和選擇符合實(shí)驗(yàn)要求的器件和構(gòu)造,從而達(dá)到檢驗(yàn)MIMO分集接收系統(tǒng)應(yīng)用于無限光通信系統(tǒng)的可操作性和對(duì)有可能出現(xiàn)的現(xiàn)實(shí)問題進(jìn)行思考和討論,在本文的實(shí)驗(yàn)中,環(huán)境參數(shù)等設(shè)置盡可能簡(jiǎn)化。

1 分集接收實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建

基于MIMO技術(shù)的在無線光系統(tǒng)原理的相關(guān)理論和本實(shí)驗(yàn)實(shí)際需要[3],設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 MIMO無線光分集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 MIMO wireless optical diversity experimental system architecture diagram

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要求和需要,模式方面采用MISO模式以便于后續(xù)處理,考慮到本實(shí)驗(yàn)對(duì)于發(fā)射信號(hào)并沒有特別要求,所以在實(shí)驗(yàn)中發(fā)光信號(hào)器采用1 550 nm的收發(fā)器并且默認(rèn)60 MHz的方波。

1.1 發(fā)射天線的處理與選擇

由于在實(shí)驗(yàn)中采用MISO系統(tǒng)的模式,只有一個(gè)天線用于發(fā)射信號(hào)[4],而在光收發(fā)器的激光器采用的是1 550 nm的半導(dǎo)體相關(guān)激光器,光波的發(fā)散角相對(duì)較大,所以對(duì)激光器發(fā)出的信號(hào)光進(jìn)行準(zhǔn)直和校正顯得尤為必要。

在對(duì)輸出光進(jìn)行準(zhǔn)直和校正的過程中主要有兩個(gè)問題,一個(gè)是輸出光在垂直于出射平面方向上的發(fā)散角很大,對(duì)光

束收集操作較為困難,另一個(gè)困難是輸出光的光斑比較分散,而且不均勻。解決第一個(gè)問題主要是用到光纖準(zhǔn)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(duì)光纖中傳輸?shù)墓馐M(jìn)行準(zhǔn)直校正,從而便于后續(xù)的自由空間光處理。光纖準(zhǔn)直器中的準(zhǔn)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(jù)原理,在元器件光纖準(zhǔn)直器中,在自聚焦透鏡的焦點(diǎn)位置一光纖端面,那么輸出光經(jīng)過這個(gè)元器件后就成為了平行光線。經(jīng)過上述的步驟,基本上可以將輸出光轉(zhuǎn)變?yōu)榻叫泄?。光纖準(zhǔn)直器可以大幅改善發(fā)散角[5],對(duì)于耀斑并沒有什么明顯的改進(jìn)和放大作用,所以在實(shí)驗(yàn)中還要考慮對(duì)輸出光進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)束處理。在實(shí)驗(yàn)中,對(duì)于這一問題的解決主要是用雙透鏡的組合進(jìn)行,典型的雙透鏡準(zhǔn)直擴(kuò)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(kuò)束組合結(jié)構(gòu)原理圖Fig.3 Dual beam expander lens confocal composite structure diagram

通過改造,提出的兩個(gè)問題已經(jīng)得到了很好地解決,經(jīng)過處理之后,從半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光轉(zhuǎn)變?yōu)榱司哂幸欢ü馐睆浇破叫械姆蠘?biāo)準(zhǔn)的高斯光束輸出[6]。

1.2 接收天線中合并方式的選擇

在實(shí)驗(yàn)中,因?yàn)槭褂玫氖菐в形怖w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(duì)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(guī)律：

其中,n0是折射率,r為徑向距離,A表示聚焦常數(shù),焦距為：

我們知道,在無限光通信系統(tǒng)中,存在著菲涅爾區(qū),而這些菲涅爾區(qū)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(shí)候互不相關(guān),它們之間必須滿足一定的關(guān)系式,即：

在本文的實(shí)驗(yàn)中,由于取定λ=1 550 nm,L=5 nm,所以根據(jù)公式推導(dǎo)和簡(jiǎn)單的理論分析,就可以得出,只要r≥2 mm就可以滿足實(shí)驗(yàn)要求的各個(gè)子天線信道之間互相獨(dú)立。本實(shí)驗(yàn)選取4個(gè)子天線,各個(gè)子天線之間互不影響,排列如圖4所示。

圖4 4單元光學(xué)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(hào)相關(guān)處理和考慮

我們知道,通常而言,對(duì)于大氣光通信系統(tǒng),大氣湍流的存在會(huì)嚴(yán)重影響到通信質(zhì)量[8],不僅如此,大氣中的背景光也會(huì)對(duì)通信質(zhì)量產(chǎn)生影響,導(dǎo)致信噪比顯著下降,在傳輸距離較遠(yuǎn)的時(shí)候,由于背景光的影響,產(chǎn)生的信號(hào)干擾甚至?xí)谏w通信所用的光信號(hào),這就使得通信質(zhì)量大大的降低甚至中斷。通常為了提高信噪比,必須對(duì)大氣背景光進(jìn)行限制。在這個(gè)問題上,通常采取的方法是信號(hào)光頻率的光學(xué)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(hào)優(yōu)化方面,主要目的是能提高信噪比,光學(xué)濾波處理所用的結(jié)構(gòu)為光環(huán)行器和光纖光柵。在本實(shí)驗(yàn)所采用的系統(tǒng)中,實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)時(shí)采用的光纖通信器件是成熟度較高的1 550 nm,經(jīng)過一定的信號(hào)處理和信噪比計(jì)算,并且通過光波濾波器進(jìn)行過濾,排除掉大氣湍流和大氣背景光的影響,調(diào)制后的帶寬變?yōu)? GHz。在系統(tǒng)中,當(dāng)濾波器為輸出信噪比為最大的匹配濾波器時(shí)候,沖擊響應(yīng)為：

根據(jù)上述分析,通過軟件編程和仿真,可以得出對(duì)于加入大氣背景光干擾的信號(hào),在經(jīng)過濾波器的過濾和加工后,信號(hào)的質(zhì)量得到了顯著的提升,大氣背景光的干擾信號(hào)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(hào)頻譜顯示出很多毛刺,信噪比較低,信號(hào)質(zhì)量不好；從圖8可以看出,當(dāng)信號(hào)經(jīng)過濾波器后,可以看出將干擾信號(hào)有效的祛除,從而接收到一個(gè)較為理想的信號(hào)頻譜。

1.4 光電轉(zhuǎn)換器的選擇

在實(shí)驗(yàn)中,還要對(duì)接收到的光信號(hào)進(jìn)行一定的處理和分析,接下來主要分析光電轉(zhuǎn)換器這個(gè)元器件在實(shí)驗(yàn)中的作用

和對(duì)其如何選用。

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

圖6 經(jīng)過濾波處理后的頻譜Fig.6 After the spectrum after the filtering process

光電轉(zhuǎn)換器實(shí)際上就是利用光電效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能,在一定頻率的光照下,物體表面會(huì)有電子溢出的效應(yīng)叫做光電效應(yīng),平時(shí)所熟知的光電管就是利用外光電效應(yīng),在光照下,物體在一定方向產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。對(duì)于光敏二極管,其基本原理跟普通的PN結(jié)二極管一樣嗎,區(qū)別只是其PN結(jié)位于接收端的頂部,可以直接收到光信號(hào)產(chǎn)生的信號(hào)輻射。光敏二極管當(dāng)其不受光照的條件下處于截止?fàn)顟B(tài),而在光照條件下則處于導(dǎo)通狀態(tài)。

在實(shí)驗(yàn)中如何正確的選擇合適的光電轉(zhuǎn)換器,需要有三點(diǎn)考慮,第一,所使用材料的響應(yīng)頻段對(duì)光照信號(hào)的影響；第二,材料的噪聲影響對(duì)于接收端信號(hào)的處理方式；第三是光電效應(yīng)產(chǎn)生的效率曲線對(duì)于輸出信號(hào)的傳輸誤差。在本文中,我們采用的是P6713型號(hào)的光電轉(zhuǎn)換器。其歸一化光譜響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖7 P6731光電轉(zhuǎn)換器歸一化的響應(yīng)曲線Fig.7 P6731 photoelectric conversion normalized response curve

此型號(hào)的主要光學(xué)、電學(xué)參數(shù)如表1所示。

本實(shí)驗(yàn)中通信所用的光波為61 MHz的1 550 nm方波,歸一化響應(yīng)系數(shù)為1.21,這可以滿足將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的需求。

表1 光電轉(zhuǎn)化器相關(guān)參數(shù)要求說明Tab.1 The photoelectric conversion parameters asked for clarification

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的測(cè)試和分析

根據(jù)前文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建方面考量,按照?qǐng)D10所示搭建系統(tǒng)平臺(tái)。在MIMO無線光通信的實(shí)驗(yàn)測(cè)試中,根據(jù)光波信號(hào)的波長(zhǎng)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換器的選擇和測(cè)試,光學(xué)陣列天線起到輸出和接收信號(hào)的主要作用,理論分析得出所選波長(zhǎng)和器件均可以很好符合實(shí)驗(yàn)要求和目標(biāo)?，F(xiàn)將其結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的反饋和實(shí)驗(yàn)。

由于本實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的光信號(hào)均是通過器件光電轉(zhuǎn)換器在示波器上的波形顯示來反映,光電轉(zhuǎn)化器對(duì)于光功率有嚴(yán)格限制,輸出的光信號(hào)是通過光衰減之后效果進(jìn)行考量,在溫度這方面因?yàn)楣怆娹D(zhuǎn)換器在工作時(shí)候的溫度相當(dāng)高,所在在顯示的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)略微的松動(dòng)跡象,這對(duì)光電輸出是一個(gè)極大的考驗(yàn),根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè),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(jīng)過一段距離的傳輸與損耗,脈沖的上升時(shí)間是逐漸變長(zhǎng)的,而且方波的基本輪廓也已經(jīng)不是很清晰了,這都是由于在傳輸過程中會(huì)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(jīng)有很大程度上的改善,可以得出結(jié)論,采用四路陣列天線進(jìn)行輸出可以有效地避免因?yàn)榇髿馔牧骱痛髿獗尘肮馑斐傻挠绊?。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(duì)比通過光纖光柵構(gòu)成的光濾波器的信號(hào)改良情況。由于實(shí)驗(yàn)中采用的是反射波長(zhǎng)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(huì)變小,導(dǎo)致在示波器上觀測(cè)不到光波波形,為了改變這種情況,通過EDFA技術(shù)進(jìn)行信號(hào)功率的增強(qiáng),圖9反映了在加入EDFA技術(shù)后,通過光濾波器之前和之后的光信號(hào)質(zhì)量改變反饋圖。

圖8 單路子天線與四路信號(hào)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(hào)質(zhì)量對(duì)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(jīng)過光濾波器的波形圖,可以看出,雖然光信號(hào)的功率得到了增強(qiáng),但是同時(shí)也引入了很多噪聲信號(hào)和干擾信號(hào),使得波形質(zhì)量劣化更加嚴(yán)重,噪聲信號(hào)明顯增大。圖9(b)則反映了經(jīng)過光環(huán)行器和光纖光柵的光信號(hào)的波形,可以看出,波形質(zhì)量得到了極大的改善,通過EDFA技術(shù)放大的更明顯的噪聲干擾信號(hào)已經(jīng)有效的去除,信噪比也大幅度提升。但是同時(shí),對(duì)于EDFA技術(shù)處理過的光信號(hào)放大信號(hào)的波形確不能有效的改善,從而,要想完全還原輸入信號(hào),還需要在后續(xù)的器件改進(jìn)中得到加強(qiáng)。

3 結(jié)束語

文中主要是基于MIMO無線光通信技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),討論了無線光系統(tǒng)構(gòu)成和部分原理參數(shù)的設(shè)計(jì),選擇出最符合實(shí)驗(yàn)需求的器件和結(jié)構(gòu),將理論與實(shí)際相結(jié)合,搭建了一個(gè)有效的MIMO無線光通信的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并通過理論推導(dǎo)得出陣列天線對(duì)于改善光輸出信號(hào)的可行性研究,陣列天線在改進(jìn)信噪比方面具有很大優(yōu)勢(shì)。同時(shí),根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求,證明了光纖光柵和光環(huán)行器對(duì)于改善無限光信號(hào)方面起到的重要作用,確實(shí)可以起到改進(jìn)因?yàn)榇髿馔牧骱痛髿獗尘肮庠斐傻脑肼暩蓴_的信號(hào)質(zhì)量作用。MIMO通信技術(shù)具有很大的應(yīng)用價(jià)值,但很多現(xiàn)實(shí)問題亟待解決,距離大規(guī)模使用還有很長(zhǎng)一段路要走。

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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(hào)：201504072

周仲謀(1973—)，男，江西奉新人，高級(jí)工程師。研究方向：光通信技術(shù)。