FSO 中 PS-QPSK 調(diào) 制 系 統(tǒng) 分 析

吳 猛， 張慧穎， 陳伯權(quán)

(吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院， 吉林 吉林 132022)

FSO 中 PS-QPSK 調(diào) 制 系 統(tǒng) 分 析

吳 猛， 張慧穎， 陳伯權(quán)

(吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院， 吉林 吉林 132022)

在自由空間光通信(FSO)系統(tǒng)中，由于先進(jìn)的調(diào)制格式能大大提高頻譜效率，并可以改善系統(tǒng)的傳輸容量而備受采用。在研究QPSK(正交相移鍵控)調(diào)制的基礎(chǔ)上，對(duì)新型調(diào)制格式PS-QPSK(偏振切換正交相移鍵控)的調(diào)制和解調(diào)方案進(jìn)行研究，并在新型光學(xué)仿真軟件Optisystem平臺(tái)下完成基于PS-QPSK調(diào)制格式的系統(tǒng)仿真，實(shí)現(xiàn)FSO系統(tǒng)中PS-QPSK調(diào)制系統(tǒng)的分析。通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)可以很好地實(shí)現(xiàn)PS-QPSK的調(diào)制和解調(diào)，具有很好的傳輸性能；當(dāng)進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，系統(tǒng)的誤碼性能降低較小。因此，采用PS-QPSK調(diào)制格式的空間光通信系統(tǒng)具有可行性，適合長(zhǎng)距離傳輸。

偏振切換正交相移鍵控； 調(diào)制； 解調(diào)； 自由空間光通信

0 引 言

自由空間光通信(FSO)是光通信和無(wú)線(xiàn)通信結(jié)合的產(chǎn)物，是一種新興的寬帶接入通信技術(shù)。近年來(lái)，F(xiàn)SO系統(tǒng)由于其高帶寬、抗干擾性好、傳輸速率快而且安全性好、易于部署等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛的應(yīng)用，尤其是衛(wèi)星激光通信中的重要通信手段。但是當(dāng)光信號(hào)通過(guò)大氣信道時(shí)，容易受到大氣湍流效應(yīng)和大氣衰減等效應(yīng)影響而導(dǎo)致信號(hào)的傳輸性能下降，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的通信穩(wěn)定性。因此，如何有效地利用先進(jìn)光調(diào)制格式等關(guān)鍵技術(shù)來(lái)抵抗FSO系統(tǒng)中的干擾，以提供更好的傳輸性能是國(guó)內(nèi)外學(xué)者所面臨的重要問(wèn)題[1-4]。本文在研究QPSK的基礎(chǔ)上，對(duì)偏振切換QPSK(PS-QPSK)的新型調(diào)制和解調(diào)格式進(jìn)行研究，并在光學(xué)仿真軟件Optisystem平臺(tái)下搭建其仿真結(jié)構(gòu)并完成系統(tǒng)仿真，驗(yàn)證PS-QPSK在自由空間光通信系統(tǒng)中的可行性及性能分析。

1 PS-QPSK調(diào)制格式產(chǎn)生

C″2=±{(1,1,1,1), (1,1,-1,-1), (1,-1,-1,1), (1,-1,1,-1)}

2 PS-QPSK調(diào)制/解調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 調(diào)制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

PS-QPSK發(fā)射機(jī)由兩部分構(gòu)成：光源發(fā)出的光信號(hào)被分成兩路送入兩個(gè)并行的MZM調(diào)制器中，二進(jìn)制信號(hào)D1和D2驅(qū)動(dòng)IQ調(diào)制器在單一偏振方向上產(chǎn)生QPSK信號(hào)；產(chǎn)生的QPSK信號(hào)通過(guò)3dB耦合器被分成兩個(gè)支路，每個(gè)支路包含一個(gè)單驅(qū)動(dòng)的馬赫增德?tīng)栒{(diào)制器，MZM在D3作用下工作在推挽方式下時(shí)，將偏振光合束器(PBC)用在將能量在偏振方向上進(jìn)行偏振狀態(tài)切換[8-10]。利用PBC復(fù)合后在每符號(hào)位上只有一個(gè)偏振點(diǎn)上獲得非零能量。為了將使兩束光同步，要將幅度調(diào)制器和PBC之間的光纖長(zhǎng)度調(diào)整到相同長(zhǎng)度。設(shè)計(jì)時(shí)，可以經(jīng)過(guò)幾個(gè)符號(hào)延遲之后的數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)IQ調(diào)制器，也就是說(shuō)在PS-QPSK發(fā)射機(jī)的X和Y偏振方向上，數(shù)據(jù)有幾符號(hào)位的延時(shí)，這樣會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)在X和Y偏振方向上似乎是相互獨(dú)立的，PS-QPSK發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 相干接收機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于相干接收具有較高的接收靈敏度，故系統(tǒng)采用相干接收結(jié)構(gòu)。相干檢測(cè)是通過(guò)接收天線(xiàn)所接收到的光信號(hào)與本振光信號(hào)相互干涉進(jìn)行的,并具有一致的偏振方向。由于零差相干檢測(cè)必須保持接收光信號(hào)與本振光之間的相位嚴(yán)格鎖定,故在設(shè)計(jì)時(shí)采用外差相干檢測(cè)，無(wú)需光學(xué)鎖相環(huán)節(jié)，系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)。外差相干接收機(jī)由兩個(gè)90°光混頻器和兩個(gè)平衡接收器構(gòu)成。在信號(hào)進(jìn)入偏振分集90°光混頻器之前，采用一個(gè)帶寬為1.2 nm的帶通濾波器抑制來(lái)自自發(fā)輻射光源光譜外的噪聲[11-14]。偏振分集是通過(guò)偏振分束器(PBS)進(jìn)行信號(hào)的切割后并和本振激光的輸出在兩個(gè)90°光學(xué)混頻器中實(shí)現(xiàn)X和Y偏振方向上的光混合，本振激光采用帶寬是500 kHz的ECL，輸出端上采用4個(gè)PIN管進(jìn)行平衡光電探測(cè)器，將探測(cè)后的電信號(hào)進(jìn)行AD采集送入DSP中進(jìn)行后續(xù)處理。PS-QPSK接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

3 系統(tǒng)搭建及結(jié)果分析

在光學(xué)軟件Optisystem平臺(tái)上搭建PS-QPSK相干光通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。光源采用帶寬300 kHz、波長(zhǎng)為1 554 nm、發(fā)射功率為40 dBm的外腔激光器。波長(zhǎng)為λ的實(shí)驗(yàn)光源被分成兩路后直接送入兩個(gè)工作在28 Gbaud的QPSK調(diào)制器下。系統(tǒng)通信速率為112 Gb/s，發(fā)射機(jī)孔徑尺寸選取5 cm；接收機(jī)孔徑尺寸為20 cm；本振激光器波長(zhǎng)為1 554 nm，功率選取45 dBm；選取Optisystem庫(kù)自帶的FSO信道模擬大氣信道，傳輸距離為5 km，鏈路衰減為0 dBm，信道衰減為0 dBm(模擬理想信道情況)，光束發(fā)散角度2 mrad；光電管響應(yīng)率為1A/W，暗電流為10 nA[15]。基于PS-QPSK調(diào)制外差相干光通信的仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

(a) 調(diào)制后的光信號(hào)

(b) 調(diào)制后的光譜圖

(c) 解調(diào)后的信號(hào)圖

圖4 PS-QPSK調(diào)制和解調(diào)仿真圖

(a) 傳輸距離5 km (b) 傳輸距離10 km

圖5 不同傳輸距離下的眼圖

由圖4可以看出，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)完全調(diào)制解調(diào)，并且調(diào)制解調(diào)效果較好。由圖5(a)可知：傳輸距離為5 km時(shí)，通過(guò)誤碼分析儀測(cè)得的Q值為94.409，誤碼率接近0，說(shuō)明該調(diào)制方式具有很好的誤碼性能，通信效果良好。當(dāng)傳輸距離增加到10 km時(shí)，通過(guò)仿真可知，該系統(tǒng)仍然可以完成調(diào)制解調(diào)。由圖5(b)可以看出，眼圖效果有所惡化，眼線(xiàn)變粗且略微雜亂，眼睛張開(kāi)角度減小，但是，仍然可以較好張開(kāi)。這說(shuō)明當(dāng)通信距離增大時(shí)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)通信，但是誤碼性能降低。由誤碼分析儀測(cè)得，傳輸距離10 km時(shí)的Q值為17.775 8，誤碼率為4.899 5×10-71。由此可知，PS-QPSK調(diào)制格式適合長(zhǎng)距離傳輸。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了PS-QPSK碼型的產(chǎn)生及其調(diào)制解調(diào)結(jié)構(gòu)的原理，并研究了PS-QPSK的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)基于PS-QPSK調(diào)制的自由空間光通信系統(tǒng)模型的搭建。并在新型光學(xué)仿真軟件平臺(tái)下，完成基于PS-QPSK調(diào)制下自由空間光通信系統(tǒng)鏈路的仿真。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以知，系統(tǒng)可以很好的完成調(diào)制解調(diào)并實(shí)現(xiàn)正常通信，當(dāng)傳輸距離增大時(shí)，系統(tǒng)的鏈路性能降低較小，因此，PS-QPSK更適合長(zhǎng)距離傳輸，具有較好的誤碼性能，可以應(yīng)用到FSO系統(tǒng)中。為FSO系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了理論依據(jù)，具有重要的參考價(jià)值。

[1] Liu X.Free space optics optimization model for building sawy and atmospheric interference using variable wavelength[J].IEEE Trans,Common,57(2),2009,492-498.

[2] Letzepis N, Holland I, Cowely W.The Guassion free space optical MIMO channel with Q-ary pulse position modulation[J].IEEE Trans,Common,7(5),2008,1744-1753.

[3] 姜會(huì)林.空間激光通信技術(shù)與系統(tǒng)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2010.

[4] 樊昌信.通信原理[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2006.

[5] 王 芳, 張 霞. PM-QPSK相干系統(tǒng)中改進(jìn)的OSNR監(jiān)測(cè)方法[J]. 光通信研究, 2014(4):24-27.

[6] 徐 蕾. 光通信系統(tǒng)中大氣信道及信號(hào)調(diào)制格式的仿真與研究[D].北京:北京郵電大學(xué)，2013.

[7] Renaudier J, Bertran-Pardo O, Mardoyan H,etal.Experimental comparison of 28 G baud polarization switched- and polarization division multiplexed- QPSK inWDM long-haul transmission system[C]∥ECOC Technical Digest,2011, OSA.

[8] Sj?din M,etal.Comparison of polarization-switched QPSK and polarization-multiplexed QPSK at 30 Gbit/s[J].Optis Express, 19(8), 2011, 7839 -7846.

[9] Poggiolini P,Bosco G,Carena A,etal.Performance evaluation of coherent WDM PS-QPSK (HEXA) accounting for non-linear fiber propagation effects.[J]. Optics Express, 18 (11), 2010, 11360-11371.

[10] Serena P, Vannucci A, Bononi A. The performance of polarization switched-QPSK (PS-QPSK) in dispersion managed WDM transmissions[C]∥Optical Communication (ECOC), 36th European Conference and Exhibition on,2010,1-3.

[11] Behrens C, Lavery D, Millar D S,etal. Ultra-long-haul transmission of 7×42.9Gbit/s PS-QPSK and PM-BPSK[C]∥European Conference and Exhibition on Optical Communication IEEE, 2011:1-3.

[12] N?lle M, Fischer J K, Molle L,etal. Comparison of 8 × 112 Gb/s PS-QPSK and PDM-QPSK signals over transoceanic distances[J]. Optics Express, 2011, 19(24):24370-24375.

[13] 徐 蕾,張陽(yáng)安,張錦南,等.基于新型調(diào)制方案的PS-RZ-QPSK信號(hào)在高速光傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國(guó)激光,2012,39(s2).

[14] 徐宇俊.PM-QPSK相干光通信系統(tǒng)恒模算法研究[D].天津：天津理工大學(xué)，2015.

[15] 訊技光電科技(上海)有限公司.Optisystem學(xué)習(xí)手冊(cè)[DB].2008.

Performance Analysis of PS-QPSK Modulation System in FSO

WUMeng,ZHANGHuiying,CHENBaiquan

(College of Information and Control Engineering, Jilin Institute of Chemical Technology, Jilin 132022, Jilin, China)

Because the advanced modulation formats can greatly improve the spectral efficiency and improve the transmission capacity of system, the free space optical communication (FSO) system has been widely adopted. In this paper, the new modulation format PS-QPSK modulation and demodulation scheme was studied, and system simulation was completed under the new opti-system optical simulation software platform based on PS-QPSK modulation format, and performance of the system was analyzed. From the simulation results, it could be seen that the system could well implement PS-QPSK modulation and demodulation, and it had better transmission performance. For long distance transmission, the BER performance of system was reduced. As a result, the PS - QPSK modulation format of space optical communication system is feasible, and is more suitable for long distance transmission.

PS - QPSK; modulation; demodulation; free space optical (FSO) communication

2016-06-30

吉林省教育廳項(xiàng)目(2016134)

吳 猛(1974-),男，吉林吉林人，博士，副教授，主要研究方向：信息光通信及測(cè)控技術(shù)等方面的研究。

Tel.:13843236338； E-mail：wu_meng@126.com.

TN 929.1

A

1006-7167(2017)04-0146-03