深空光通信系統(tǒng)性能研究

蔡超

摘要：本文簡單介紹了深空光通信系統(tǒng)中三種調(diào)制格式BPSK、DPSK和DQPSK的調(diào)制原理和調(diào)制格式，并通過光學(xué)仿真軟件Optisystem完成三種光調(diào)制系統(tǒng)模型的搭建以及在線仿真。仿真結(jié)果表明，在三種調(diào)制方式中，光BPSK調(diào)制實(shí)現(xiàn)起來最為簡單，光DQPSK調(diào)制的性能最穩(wěn)定，但實(shí)現(xiàn)起來也最為復(fù)雜。

關(guān)鍵詞：深空光通信 光調(diào)制 Optisystem 光功率譜

中圖分類號：TN927 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）11-0019-02

近年來，空間激光通信因其通信容量大、傳輸速率高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、安全保密性好等優(yōu)點(diǎn)受到了各國研究人員的廣泛關(guān)注。深空光通信指利用激光束作為信息傳輸?shù)妮d體，以大氣為傳輸媒介在空間中直接進(jìn)行語言、數(shù)據(jù)、圖像等信息傳輸?shù)耐ㄐ欧绞剑悄壳巴ㄐ蓬I(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和前沿[1]。深空光通信系統(tǒng)主要由發(fā)射端、信道和接收端組成，發(fā)射端的作用是將要傳輸?shù)男畔⒄{(diào)制到光波上并發(fā)射到信道中，因此采用的調(diào)制方式不同對深空光通信系統(tǒng)的性能影響很大。本文對深空光通信系統(tǒng)中的三種光調(diào)制格式BPSK、DPSK和DQPSK進(jìn)行分析比較，且在新型光學(xué)仿真軟件Optisystem平臺下搭建了基于光BPSK、DPSK和DQPSK的自由空間光通信系統(tǒng)模型，并完成相應(yīng)的仿真分析。

1 原理

1.1 光BPSK調(diào)制

二進(jìn)制絕對移相鍵控（BPSK）是利用已調(diào)信號中載波的不同相位直接來表示數(shù)字基帶信號。規(guī)定數(shù)字基帶信號為”1”碼時，已調(diào)信號與未調(diào)載波同相；數(shù)字基帶信號為”0”碼時，已調(diào)信號與未調(diào)載波反相[2]。數(shù)學(xué)式可寫成（假設(shè)未調(diào)載波幅度為1，初相位為0）：

1.2 光DPSK調(diào)制

相對移相鍵控（DPSK），又稱為差分相移鍵控。它是利用前后相鄰碼元之間已調(diào)信號中載波相位的相對變化來表示數(shù)字基帶信號的，調(diào)制后的數(shù)字信息”1”代表前后碼間相位不變，數(shù)字信息”0”代表前后碼間相位差為[3]。若前后碼元的相位差為，則調(diào)制后數(shù)字信息與相位差之間的關(guān)系式如下：

1.3 光DQPSK調(diào)制

四相相移鍵控（DQPSK） ，是四相位調(diào)制格式，輸入信號先通過4個可能的相位變化（相鄰碼元間的相變）中的一個來編碼，每個碼元包含著一個相位信息，然后再對差分后的相位進(jìn)行傳輸，是結(jié)合差分編碼的QPSK編碼方式[4]。

2 光調(diào)制系統(tǒng)

2.1 BPSK光調(diào)制系統(tǒng)

光BPSK調(diào)制是結(jié)構(gòu)最簡單的調(diào)相編碼調(diào)制方式，BPSK光調(diào)制系統(tǒng)主要由半導(dǎo)體激光器、LiNbO3馬赫-曾德爾電光相位調(diào)制器、光功率放大器等組成。首先單極性信號經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換到合適電平后，變成雙極性信號，經(jīng)過電光調(diào)制器調(diào)制載波信號的相位，使載波信號的相位在0和180°之間變化，輸出BPSK信號[6]。

2.2 DPSK光調(diào)制系統(tǒng)

DPSK光調(diào)制系統(tǒng)由半導(dǎo)體激光器、LiNbO3馬赫-曾德爾電光相位調(diào)制器、差分編碼器、射頻驅(qū)動放大器、光功率放大器等組成。光DPSK調(diào)制是先把要傳輸?shù)脑夹畔⑿蛄校ń^對碼）進(jìn)行差分編碼，編碼后的信號即為相對碼，編碼信號經(jīng)過驅(qū)動器的放大處理，加到調(diào)制器上，調(diào)制器將經(jīng)過差分編碼后的信源信號調(diào)制到光載波信號中，再經(jīng)過光功率放大器送入信道。

2.3 DQPSK光調(diào)制系統(tǒng)

DQPSK是四相相移鍵控，它將信息編碼于連續(xù)的光比特的差分相位中，DQPSK光調(diào)制系統(tǒng)由半導(dǎo)體激光器、LiNbO3馬赫-曾德爾電光相位調(diào)制器、差分預(yù)編碼器、驅(qū)動器、光功率放大器等組成。DQPSK信號的相位可以是中的任意一個。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)編碼后產(chǎn)生I和Q兩路信號，它們將分別作為兩個MZM的驅(qū)動信號，激光器產(chǎn)生的激光通過3dB光功率分離器后分別進(jìn)入到兩個MZM調(diào)制器進(jìn)行相位調(diào)制，其中一個支路調(diào)制后的光信號要進(jìn)行的相移，然后通過光功率耦合器與另一支路的光信號耦合，即通過并聯(lián)MZM的方法實(shí)現(xiàn)了光DQPSK調(diào)制[5]。

3 Optisystem仿真分析

本文使用Optisystem仿真軟件對三種不同調(diào)制方式的光調(diào)制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。其中偽隨機(jī)序列的頻率為10GHz，激光器光波長為1550nm，功率為45dBm。仿真結(jié)果如下：對于BPSK信號，調(diào)制后信號光功率譜如圖1；對于DPSK信號，調(diào)制后信號光功率譜如圖2；對于DQPSK信號，調(diào)制后信號光功率譜如圖3。

在對BPSK光調(diào)制系統(tǒng)的搭建過程中發(fā)現(xiàn)BPSK光調(diào)制系統(tǒng)的搭建較為簡單，但從光功率譜圖可以看出，用BPSK調(diào)制方式調(diào)制的信號對于光功率譜的利用率不是很好；通過對DPSK光調(diào)制系統(tǒng)的搭建過程中可以看出DPSK光調(diào)制系統(tǒng)的搭建比BPSK復(fù)雜，但從光功率譜圖可以看出，經(jīng)過DPSK調(diào)制方式調(diào)制的信號功率譜利用率比光BPSK調(diào)制高，性能較平穩(wěn)；在對DQPSK光調(diào)制系統(tǒng)的搭建過程中發(fā)現(xiàn)DQPSK光調(diào)制系統(tǒng)搭建的仿真平臺最為復(fù)雜，因而實(shí)現(xiàn)起來也是很困難的，但在三種調(diào)制方式中，光DQPSK調(diào)制方式調(diào)制的信號功率譜特性最好，因而，基于DQPSK的相位調(diào)制方式性能是最佳的。

4 結(jié)語

本文研究和分析了由光BPSK、DPSK和DQPSK調(diào)制方案構(gòu)成的深空光通信調(diào)制系統(tǒng)，并且在新型光學(xué)仿真軟件 Optisystem上完成了對系統(tǒng)的仿真。通過仿真結(jié)果以及系統(tǒng)搭建過程中的復(fù)雜程度的對比，發(fā)現(xiàn)光BPSK調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)起來最為簡單；光DPSK調(diào)制實(shí)現(xiàn)起來比光BPSK調(diào)制方式復(fù)雜，但調(diào)制性能比光BPSK調(diào)制方式穩(wěn)定，功率譜特性也比BPSK調(diào)制好；光DQPSK調(diào)制方式性能最優(yōu)，功率譜特性最好，傳輸性能最平穩(wěn)，但是搭建的仿真平臺也最為復(fù)雜，因而實(shí)現(xiàn)起來也是最困難的。

參考文獻(xiàn)

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[3]吳剛.DWDM網(wǎng)絡(luò)中DPSK調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京郵電大學(xué)，2013.

[4]張慧穎.自由空間光通信中DPSK和DQPSK研究和比較[J].光通信技術(shù)，2015，39（12）.

[5]劉慧洋，張曉光，許瑋等.光DQPSK調(diào)制格式原理及仿真[J].光通信研究，2008（05）：1-3.

[6]顧畹儀.光纖通信系統(tǒng)[M].北京郵電大學(xué)出版社，1999.