刁紅翔,常麗敏,唐雁峰

(1.空軍航空大學,吉林 長春 130022；2.長春理工大學電子信息工程學院,吉林 長春 130022)

1 引 言

光通信技術作為有效解決頻譜資源緊缺的一項新興通信技術,其應用前景非常廣闊,但是在對該項技術開發(fā)和使用的過程中,也暴露出了許多問題:

(1)高分辨率的戰(zhàn)場偵察、預警等任務對信息傳輸速率、實時性、保密性等提出了更高的要求；

(2)無人機飛控自主化程度不斷提高,結構日益復雜,使得無人機的控制更加困難,對單位時間內信息傳輸的總量和質量要求更高；

(3)激光通信易受到大氣擾動,背景光輻射、平臺振動、相對運動等較多因素的影響；而無人機的發(fā)展趨勢是高空高速,續(xù)航時間長,飛行層次廣,這會使大氣對通信的影響更加明顯[1]。

解決這些問題的有效途徑是從激光加載信息的源頭入手,努力提高光調制器的調制速率和抗干擾能力,建立更加穩(wěn)定可靠的高速率調制系統(tǒng),有效應對各種復雜氣象條件,保證信息的高質量傳輸。

2 調制系統(tǒng)設計準則

調制系統(tǒng)的設計首先應該從目的性和實用性的角度出發(fā)。而考慮到高速率調制電路設計是為了滿足大功率和高速率光通信的需求,因此該系統(tǒng)需要具備輸出功率較高的激光器；為了增加通信距離的范圍,有效抵御信道干擾,要求激光器的功率在一定區(qū)間內連續(xù)可調且功率上限要足夠大；另外激光器和調制器各自的信號發(fā)生及相互間的匹配問題也至關重要,這就需要選擇合適的激光器和調制器驅動電路。綜上可以得出一般調制電路的設計原則[2]，如圖1所示。

圖1 調制電路設計原則

在明確調制電路一般設計原則基礎之上,可以從電路器件本身的角度和單一器件內部的影響因子出發(fā),去分析影響調制速率的因素,進而改善系統(tǒng)結構設置和器件參數設定,完成高速率調制系統(tǒng)的搭建。

3 高速率調制系統(tǒng)設計

結合課題需求和相關資料[3-7],對高速率調制系統(tǒng)進行了如圖2、圖3所示的設計。

圖2 高速率調制系統(tǒng)整體設計

圖3 調制驅動部分細節(jié)設計

其中圖3結構單元位于圖2的1、2端口處,是對調制驅動模塊的細化設計。就圖2中系統(tǒng)整體來說,按照由系統(tǒng)核心到周邊的順序進行器件選擇、設計和搭建。首先確定核心調制器為外調制中的EAM,在此基礎上選擇了輸出功率高、光譜窄且與電吸收調制器(Electro Absorption Modulator,EAM)集成效果良好的分布式反饋(Distributed Feedback,DFB)激光器作為主光源,并選擇摻鉺光纖放大器(Erbium-doped Fiber Amplifier,EDFA)作為調制信號的放大器?？紤]到激光器工作時容易出現發(fā)熱導致的輸出波長不穩(wěn)及干擾引起的輸出功率不穩(wěn)等現象,為激光器設計了溫控、功控以及相關驅動電路,穩(wěn)定信號光輸出,提升系統(tǒng)性能；同時引入激光器保護電路,防止激光器工作時因過熱和過流而意外損壞。此外在接收端和發(fā)射端之間加入大氣信道,用來模擬實際大氣環(huán)境中通信時信息傳輸情況。

對圖3中調制器驅動電路部分,設計目的旨在提升信號加載的穩(wěn)定性。在輸出和輸入匹配電路部分加入三級負反饋射頻放大器,有效提升系統(tǒng)帶寬、增益和穩(wěn)定性；運用靜態(tài)工作點的PID自動控制,防止電路產生非線性失真,保證EA調制器的線性輸出狀態(tài)；特定位置加入鎖相環(huán)來進一步提升關鍵部位信號頻率穩(wěn)定性,保證高速率調制的有效進行。

針對圖3中的EAM進行細節(jié)化設計,包括EAM的材料選擇,結合消光比表達式、該材料的微觀分子組成和粒子能量和質量的表達式,應用控制變量法,對該材料的三維結構二參數進行了優(yōu)化設計,提升系統(tǒng)消光比和調制速率；基于三維半矢量束傳播法對調制器的光波導結構進行優(yōu)化,提升光場限制因子和器件耦合效率[8-9]。

4 系統(tǒng)仿真模型搭建

4.1 Optisystem軟件簡介

實驗采用Optisystem軟件對光通信系統(tǒng)進行仿真測試和性能分析。該軟件是OPTIWAVE公司設計的一款集設計和測試功能于一體的光通信用仿真平臺[10]。其功能全面,具有完備的器件庫和優(yōu)化的操作界面,且以其逼真的仿真模擬環(huán)境和便利的交互性能而被廣泛使用,可以滿足現有條件下的各類光學系統(tǒng)的設計分析和仿真測試[11-12]。其平臺檢測結果和指標對于實際光通信系統(tǒng)的設計具有很強的參考價值和指導意義,能夠幫助我們更好的發(fā)現問題,改進設計。

4.2 參數設置和模型搭建

在使用Optisystem進行仿真前,首先進行器件的選取和參數的設置。首先選擇具有連續(xù)波長特性的DFB激光器作為光源,然后依次選擇EAM、EDFA等主體元件構成系統(tǒng)的信號產生和調制發(fā)射部分；在信號接收端,同樣選擇EDFA對衰落信號進行一級放大,并用雪崩光電二極管(Avalanche Photodiode,APD)進行光信號的接收和轉化,之后利用貝塞爾低通濾波器進行雜波濾除和信號恢復；調制發(fā)射部分和信號接收部分經由模擬大氣信道連接；在信號調制傳輸的關鍵部位設置信號測量器件,檢測在整個過程中信號的變化[13-14]。

實驗中,設置DFB激光器的發(fā)射波長為光通信最常用波段1550 nm,功率大小為2 W,帶寬為10MHz；EAM的驅動源選擇可以人為設置的模塊,以便對不同調制速率下該系統(tǒng)的性能進行評價和測試；發(fā)射和接收端EDFA的長度均為5 m；APD光電探測器的增益系數為3,接收靈敏度為-31 dBm；貝塞爾低通濾波器的截止頻率設置為0.75 Bits/Hz；結合課題通信距離要求和相關技術指標,將模擬大氣信道長度設置為150 km,衰減系數設置為一般氣象條件下的5 dB/km，同時BER要優(yōu)于10-7,其他器件按其通用參數進行設置。另外激光器和調制器本身及其驅動部分的輔助電路是為了保持激光器和調制器在工作過程中的穩(wěn)定性,更好地應對各種復雜情況,因此在模擬仿真的條件下不需要考慮[15]。在此基礎上按照圖4設計框圖進行器件組合連接,搭建調制電路仿真模型。

圖4 調制電路仿真模型

將以上模型在Optisystem仿真平臺上進行運行測試。

5 系統(tǒng)性能測試

在該課題的前期理論研究部分,得到了現階段一般條件下高速率調制的臨界速率指標下限為1.12 Gbps,只有系統(tǒng)的調制速率不小于該理論指標,才能滿足高速調制的要求。此外結合課題實驗及實際需求,將對系統(tǒng)仿真測試的調制速率設置為三個梯度水平:①臨界速率:1.12 Gbps；②高速:5 Gbps；③超高速:10 Gbps；依次測試,以檢驗該設計的調制速率水平和性能。

5.1 臨界1.12 Gbits調制速率測試

首先讓EAM加載高速調制的理論下限調制速率1.12 Gbps,運行觀察系統(tǒng)工作情況。

首先觀察了DFB激光器的輸出,發(fā)現激光器輸出光功率穩(wěn)定在2 W左右,且輸出波長很窄,由此可以看出DFB激光器工作性能穩(wěn)定,適合進行一般大氣條件下的光通信，如圖5所示。

圖5 DFB激光器輸出情況

調出EAM后的光時域觀察儀和經大氣信道衰減后的光時域觀察儀測試結果,如圖6所示。

圖6 調制后及大氣衰減后光時域觀察儀測試結果

由結果可以發(fā)現:經過調制后激光信號隨調制信號發(fā)生變化,功率保持在2 W,且方波信號平穩(wěn),說明調制器工作穩(wěn)定,狀態(tài)良好；經過大氣信道傳輸衰減后,調制信號未發(fā)生形變,僅在方波頂部出現輕微的毛刺凸起,但這并不影響后續(xù)的信號接收；時域波形信號位置范圍保持不變(起始位置:-6.3992×10-10s,中間位置:6.3992×10-9s,結束位置:1.3438×10-8s)；功率發(fā)生衰減,峰值功率變?yōu)?.6636×10-5W(大于接收靈敏度S=-31 dBm=7.94×10-7W),處于APD的可探測范圍內。四處光功率計的顯示結果如圖7所示。

圖7 四處光功率計測試結果

由結果可知:經過調制器調制后,激光信號衰減較大,由2 W降至0.693 W左右；之后經過發(fā)射端EDFA放大,信號功率提升至0.753 W；經大氣信道傳輸衰減后,信號功率再次衰減到5.482×10-6W,然后經過EDFA的二次放大,信號功率變?yōu)?6.201×10-3W,滿足光電探測器的接收范圍,能夠被有效接收和處理,可見發(fā)射和接收端EDFA的兩次放大作用不能缺少。

經過處理的信號眼圖、Q因子和BER指標如圖8所示。通過分析可以判斷經過長距離傳輸后信息的質量。這同時也是檢驗系統(tǒng)調制性能的核心環(huán)節(jié)。

圖8 1.12 Gbits調制速率下接收端眼圖、Q因子和BER

由結果可知:信號接收端眼圖張開大,內部清晰且眼圖邊線較清楚,說明信號穩(wěn)定,質量好；品質因子Q最大值達到了37.4428,BER的最小值為2.70976×10-307,滿足BER小于10-7的指標要求,同時進一步說明了接受處理后信號質量良好,可以被有效利用和分析。由此說明該調制系統(tǒng)滿足高調制速率下限1.12 Gbits的調制和傳輸要求,可以進行進一步的測試。

5.2 高速5 Gbits調制速率測試

讓EAM加載5 Gbps的調制速率,測試接收端眼圖、Q因子和誤碼率特性,結果如圖9所示。

圖9 5 Gbits調制速率下接收端眼圖、Q因子和BER

由圖可知:5 Gbits的調制速率下,眼圖依舊張開大、清晰,且相較于1.12 Gbits時邊線更加緊致；Q因子最大值達到83.4876,比1.12 Gbits條件下增加了46.0448；BER最小值為0且處于0值的范圍較寬。這說明該調制系統(tǒng)同樣滿足5 Gbits的高調制速率要求,且該調制速率下系統(tǒng)傳輸性能更加穩(wěn)定,信號傳輸質量更佳。

5.3 超高速10 Gbits調制速率測試

讓EAM加載10 Gbps的調制速率,測試接收端眼圖、Q因子和誤碼率特性,結果如圖10所示。

圖10 10 Gbits調制速率下接收端眼圖、Q因子和BER

由圖可知:10 Gbits的調制速率下,眼圖線雜亂且范圍擴大,眼圖內部邊界模糊；此時Q因子最大值只有4.43688,比1.12Gbits條件下減少了33.0059；BER最小值為4.4804×10-6(已經高于10-7的指標需求),且處于最小值的時間范圍很窄,大部分時間BER都高于該水平。這說明該調制系統(tǒng)在調制速率更高的場合下效果并不理想,需要進一步的改進調制手段以滿足更高的速率需求。

綜上可知該系統(tǒng)滿足臨界速率的需求,且在高速5 Gbits下性能持續(xù)攀升,能夠勝任現階段一般條件下高速調制需求；但對于超高速條件,系統(tǒng)性能還不夠穩(wěn)定,這有待進一步的研究和改進。

6 結 語

未來復雜環(huán)境下進行的光通信,需要與之匹配的高速率調制系統(tǒng)單元。結合課題和實際需求,在大量研究的基礎上進行了高速率調制系統(tǒng)的設計。設計思路從系統(tǒng)整體到局部,主要進行核心器件確定和搭配,調制驅動電路的設計和穩(wěn)頻模塊的加入,再到EAM內部結構的精確化設計；對完成的設計方案進行了Optisystem軟件仿真平臺上的測試,結合課題設定了三組測試用不同層次的調制速率指標,分別為臨界1.12 Gbits,高速5 Gbits,超高速10 Gbits。仿真結果顯示:對于1.12 Gbits和5 Gbits的調制速率,該系統(tǒng)測試性能優(yōu)異,眼圖張開清晰且擁有較高的Q因子和低的誤碼率,同時5 Gbits的測試性能要優(yōu)于1.12 Gbits,說明該系統(tǒng)滿足超過臨界速率以上的調制需求,并且以逐步攀升的性能標準到達了高速5 Gbits的需求,能夠勝任一般條件下的光通信高速率調制需求；但是對于超高速10 Gbits,該系統(tǒng)測試性能還不夠穩(wěn)定,這有待進一步對調制關鍵技術進行深入研究,以期設計出能夠適應超高速條件的光調制系統(tǒng),適應未來更加復雜多元化的通信模式。

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