空間光DPSK發(fā)射與自相干接收系統(tǒng)實驗

張慧穎,陳玲玲,丁旭輝,于海越

(吉林化工學院信息與控制工程學院,吉林 吉林 132022)

1 引 言

自由空間光通信(Free Space Optical Communication,FSO)利用激光器發(fā)出的光波在大氣中進行通信。與傳統(tǒng)通信方式相比,FSO的通信介質(zhì)無需光纖或電纜,通信速率可達Gbps及以上,傳輸距離可從幾十米到幾萬公里,而且具有通信容量大、光束方向性好、無頻率限制、保密性強等優(yōu)點,成為當今光通信領(lǐng)域的研究熱點之一[1-3]。由于激光束在大氣信道中傳輸時,受到衰減效應(yīng)和相位波動影響導(dǎo)致FSO系統(tǒng)性能下降,基于相位調(diào)制/相干檢測的相干光通信系統(tǒng)具有優(yōu)秀的抑制背景噪聲能力,可減輕湍流信道的損傷且頻譜效率得到提高。2002年,美國貝爾實驗室[4]采用差分相移鍵控(Differential Phase Shift Keying,DPSK)調(diào)制方式實現(xiàn)了40 Gbps的密集波分復(fù)用信號傳輸,通信距離可達4000公里；2005年,日本東京大學研究組實現(xiàn)了光相干接收對正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)信號的接收,采用數(shù)字信號處理技術(shù)完成了信息的采樣恢復(fù),相干接收技術(shù)重新回到研究熱點；2006年,美國推出了2.5G和10G的外差相干光接收機,通信誤碼率可達10-9[5-7]。因此,基于DPSK調(diào)制/相干光通信系統(tǒng)得到學者們的關(guān)注。本文完成通信速率為10Gbps的光DPSK調(diào)制發(fā)射、自相干接收單元實驗測試平臺搭建,為抑制相位漂移現(xiàn)象,發(fā)射單元采用帶有自適應(yīng)增益控制單元和交叉點自適應(yīng)控制單元結(jié)構(gòu),在實驗條件下完成相關(guān)單元功能測試,為光DPSK相干光通信系統(tǒng)實用化研究提供參考價值。

2 實驗平臺設(shè)計

光DPSK調(diào)制/自相干接收系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵如下:(1)鈮酸鋰相位調(diào)制器受外界環(huán)境影響、輸入射頻信號不穩(wěn)定及半波電壓隨溫度變化等因素,導(dǎo)致調(diào)制后的信號發(fā)生相位漂移。因此,增益點電壓和眼圖交叉點電壓實時控制是發(fā)射端的關(guān)鍵技術(shù)。(2)系統(tǒng)受相位噪聲影響較大,而激光器線寬直接決定相位噪聲大小,光源超窄帶寬技術(shù)也是發(fā)射端的關(guān)鍵技術(shù)。(3)相比于零差探測和外差探測技術(shù),自相干探測無需本地載波和鎖相環(huán)同步等問題,解調(diào)結(jié)構(gòu)簡單[7]。如何實現(xiàn)自相干延遲探測是接收端的關(guān)鍵技術(shù)。基于以上分析,設(shè)計時采用激光器發(fā)出的信號作為載波,輸入的偽隨機碼經(jīng)過差分編碼后和射頻放大后加載到相位調(diào)制器上,通過改變調(diào)制器的控制電壓實現(xiàn)光DPSK信號調(diào)制。調(diào)制后的信號經(jīng)過光學天線完成信號的發(fā)送。接收端,采用差分自相干解調(diào)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)相位信息到強度信息的轉(zhuǎn)換,利用PIN管完成光電轉(zhuǎn)換后進行信號處理,解調(diào)出原始信號[8-10]。為了穩(wěn)定調(diào)制后的信號,增加射頻放大器增益點電壓控制單元和眼圖交叉點電壓控制單元。實驗室條件下,未考慮光信號在傳輸過程中的損耗及光纖損耗,10 Gbps光DPSK發(fā)射/接收系統(tǒng)實驗測試平臺如圖1所示。

實驗平臺由發(fā)射單元和接收單元構(gòu)成。發(fā)射單元包括Teraxion公司的窄帶寬激光器作為光源、電光相位調(diào)制器MPZ-LN-20、差分相移鍵控編碼模塊13751DE、高性能射頻驅(qū)動放大器DR-DG-12-MO、信號發(fā)生器、ZX85-12G-S+型電平轉(zhuǎn)換模塊、交叉點和增益點控制單元等幾部分。接收單元由PIN管、Optoplex公司的Colorless DPSK解調(diào)器、LNA-150型光纖放大器、F-P濾波器幾部分構(gòu)成。待發(fā)送信息由脈沖碼型發(fā)生器(Pulse Code Generator,PPG)或任意波形發(fā)射器(Arbitrary Waveform Generator,AWG)產(chǎn)生,由于差分編碼后的信號非常微弱,因此需要射頻放大后驅(qū)動相位調(diào)制器,完成光DPSK信號調(diào)制。接收到的光信號采用摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Fiber Application Amplifier,EDFA)放大后送入馬赫增德爾延時干涉儀(Mach Zehnder Time Delay Interferometer,MZDI),完成DPSK信號1 bit延遲后與DPSK信號本身相異或相乘,然后采用平衡探測結(jié)構(gòu)完成信號解調(diào)[11-12]。

圖1 DPSK傳輸系統(tǒng)實驗測試平臺

調(diào)制后的信號由于溫度、輸入信號不穩(wěn)定及環(huán)境因素將產(chǎn)生相位漂移現(xiàn)象。通過研究鈮酸鋰相位調(diào)制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)可知,光相位變化量可以表示為:

(1)

式中,Vx和Vπ分別表示調(diào)制信號和相位調(diào)制器的半波電壓。因此,要保證射頻輸出與半波電壓相等,才能實現(xiàn)光DPSK調(diào)制。通過研究射頻增益放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)可知,放大器的增益可表示為控制電壓Vc的函數(shù),且增益與控制電壓存在線性關(guān)系。設(shè)計時,將調(diào)制后的信號采用99∶1的功分器取出1 %的信號,經(jīng)過峰值檢波器檢測出載波信號的峰值,通過無模型自適應(yīng)控制算法根據(jù)每次的測量值實時調(diào)整控制電壓Vc,從而實現(xiàn)射頻放大器的增益調(diào)整,確保輸出信號與半波電壓實時相等,完成增益點電壓實時控制。

眼圖交叉點電壓實時控制是通過改變過零點電平實現(xiàn)。采用95∶5的分光器分得出5 %的光DPSK信號,經(jīng)過MZDI、光電探測及信號處理后送入自適應(yīng)PID控制器,實現(xiàn)過零點電路中數(shù)控直流電平的控制。此時調(diào)制后的輸出信號為:

Eo=Einexp[jω0t+φ+jπGUmcos(ωmt)/Vπ]+V

(2)

式中,V表示過零點電平控制電路中的直流分量的大小。通過改變控制電壓,則可控制加入的直流分量大小,從而實現(xiàn)眼圖交叉點位置的改變。

3 發(fā)射單元性能測試

3.1 差分編碼模塊測試

信號源發(fā)出10 G的偽隨機碼作為差分編碼模塊的輸入信號,數(shù)據(jù)端輸出電壓500 mV,差分編碼模塊的時鐘和數(shù)據(jù)均由信號源產(chǎn)生,時鐘端輸出電壓幅值為400 mV,采用單端時鐘驅(qū)動。設(shè)輸入數(shù)據(jù)信號是00110100,經(jīng)過差分編碼后輸出的信號如圖2所示。

圖2 差分編碼實驗結(jié)果

由圖2看出,信號的初始碼是1碼,經(jīng)過差分編碼器后輸出結(jié)果為11011000,說明編碼結(jié)果的正確性,該設(shè)計具有可行性。但是輸出結(jié)果上大約有1 bit的延遲。

3.2 調(diào)制單元性能測試

按照圖1左側(cè)部分搭建調(diào)制系統(tǒng)實驗平臺。激光器波長為1550.52 nm,考慮到通信鏈路上有3dB的插入損耗,激光器光功率設(shè)置為10 dBm,將輸出的光信號加載到相位調(diào)制器上,驅(qū)動放大器的輸出信號與射頻輸入接口相連,為了抑制調(diào)制端的相位漂移現(xiàn)象,系統(tǒng)加入增益點自適應(yīng)控制環(huán)路和眼圖交叉點調(diào)整環(huán)路,以確保輸出穩(wěn)定的光DPSK調(diào)制信號。采用光復(fù)譜分析儀和調(diào)制分析儀進行測試。

10 Gbps光DPSK調(diào)制單元測試步驟:(1)設(shè)置信號源輸出幅度為300 mV,時鐘功率為0 dBm,Clock頻率為10 Gbps。由于光復(fù)譜分析儀限制,輸出信號不能是偽隨機碼,因此,設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)為固定的8位二進制碼00011001,在進行差分編碼時,首位碼為1。(2)將驅(qū)動器設(shè)置在最佳工作點Vxp=0.9 V和Vamp=0.5 V處,輸出信號幅值約為6～7 V。

激光器輸入光功率為10 dBm,由于相位調(diào)制器存在3 dB插入損耗,調(diào)制后,測得輸出光功率為7 dBm,與理論分析一致。通過示波器上測得輸出波形為一條直線,這說明調(diào)制后的光信號在強度上無改變,符合相位調(diào)制原理。采用光譜分析儀測得調(diào)制后的DPSK光譜如圖3所示。

圖3 調(diào)制后的DPSK光譜圖

由圖3看出,中心波長為1550.5235 nm,調(diào)制后的頻譜得到展寬,載波分量雖得到抑制但效果不太理想。而且相位調(diào)制器調(diào)制深度較低,導(dǎo)致輸出有用信號功率較小,造成光譜上存在尖脈沖。測得調(diào)制后的光功率為-6.92 dBm。采用光復(fù)譜分析儀測得調(diào)制后的相位圖如圖4所示。

圖4 DPSK調(diào)制后的波形圖

圖4中,箭頭所示曲線表示調(diào)制后的相位曲線圖。由于差分編碼器的輸出信號為11101110,相位變化與理論分析結(jié)果一致,則調(diào)制單元可實現(xiàn)DPSK信號調(diào)制,調(diào)制效果較好。調(diào)制分析儀可實現(xiàn)信號簡單解調(diào),并可測出解調(diào)后的眼圖。調(diào)制后的DPSK眼圖如圖5所示。

圖5 調(diào)制后的信號眼圖

由圖5得到調(diào)制速率10 Gbps的眼圖交叉百分比的值約為49.4 %,雖然與理想眼圖交叉百分比之間存在誤差,但誤差不大,眼圖張開效果較好,說明系統(tǒng)可實現(xiàn)正常通信且通信質(zhì)量良好。器件間干擾及內(nèi)部因素影響對調(diào)制單元影響不大。

通過實驗測得DPSK光調(diào)制單元具有可行性。

4 自相干接收單元測試

按照圖1右側(cè)搭建光DPSK接收單元測試平臺。設(shè)置信號源發(fā)送長度為215-1的二進制偽隨機碼,發(fā)送速率為為10 Gbps；選取線寬為10 kHz、波長為1550 nm的窄帶激光器；射頻放大器的輸入信號為300 mV的差分編碼信號,放大后的輸出信號可達7 V,加入增益自適應(yīng)控制和交叉點自動調(diào)整環(huán)路。調(diào)制后的光信號沿著光纖進行傳輸,接收到的光信號經(jīng)過光衰減器、LNA-220型光前置放大器實現(xiàn)放大,經(jīng)由MZDI完成解調(diào),采用平衡探測完成信號的探測。經(jīng)過光前置放大但未濾波的輸出眼圖如圖6所示。

圖6 前置放大器輸出的眼圖(未濾波)

由圖6看出,輸出的眼圖較模糊,而且眼圖內(nèi)部有明顯干擾,上下眼皮張開程度也不理想,這是由于碼間串擾影響較大,為了有效減小噪聲影響,加入可調(diào)諧濾波器,測得輸出眼圖如圖7所示。

圖7 加入濾波器的前置放大器輸出的眼圖

由圖7看出,當加入光濾波器后眼圖變得非常理想,內(nèi)部干擾明顯減少,眼圖張開程度增大,通信質(zhì)量較為理想。圖8為解調(diào)后輸出的眼圖和相位圖。

圖8 解調(diào)后的輸出眼圖和相位圖

由眼圖8(a)看出:解調(diào)后的眼圖質(zhì)量較好,眼圖內(nèi)部無明顯干擾,眼圖張開角度較好。由圖8(b)看出,系統(tǒng)輸出相位穩(wěn)定,相位差剛好為180°,相位漂移較小,由此說明系統(tǒng)可以很好的實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)功能。采用誤差矢量幅度(Error Vector Magnitude,EVM)測得系統(tǒng)誤差矢量幅度為7 %,低于LTE系統(tǒng)值。在實驗室環(huán)境下,接收后的信號經(jīng)過衰減器功率可達-48 dBm,符合系統(tǒng)指標設(shè)計要求；由誤碼分析儀測得系統(tǒng)誤碼率為1×10-7,說明系通信質(zhì)量較好。

5 結(jié) 論

通過對發(fā)射和接收單元測試表明,本文研制的光DPSK調(diào)制和解調(diào)設(shè)計結(jié)構(gòu)合理,可實現(xiàn)實驗室內(nèi)無湍流條件下,通信速率為10 Gbps的空間光通信,具有較理想的通信性能。該系統(tǒng)具有可行性。符合設(shè)計要求,達到預(yù)期結(jié)果。但是系統(tǒng)在調(diào)制、解調(diào)以及傳輸過程中,由于器件間干擾,環(huán)境因素以及損耗等因素影響了通信質(zhì)量,將為后續(xù)工作中繼續(xù)深入研究找到解決辦法。