部分相干光通信系統(tǒng)傳輸特性研究

侯文博，馬冬冬

(解放軍92785部隊，秦皇島 066000)

部分相干光通信系統(tǒng)傳輸特性研究

侯文博，馬冬冬

(解放軍92785部隊，秦皇島 066000)

摘要：大氣湍流會造成在其中傳輸?shù)募す夤鈴娚舷缕鸱?，降低激光大氣通信系統(tǒng)的性能。部分相干光在湍流大氣中傳輸時的光強起伏方差比完全相干光傳輸小，其可以作為一種抑制大氣湍流效應(yīng)的手段。針對部分相干光傳輸信道，研究了部分相干光傳輸信道誤碼率計算公式,在不同大氣湍流強度下，對部分相干光傳輸信道的誤碼率進(jìn)行了數(shù)值計算與分析，通過對比完全相干光傳輸時的結(jié)果，可以證明部分相干光傳輸能有效地降低通信誤碼率。

關(guān)鍵詞：激光；誤碼率；部分相干光；大氣湍流

0引言

近年來，激光空間通信作為一種新型的寬帶無線通信技術(shù)，因擁有許多無可比擬的優(yōu)點而備受關(guān)注[1]，其已成為國內(nèi)外無線通信領(lǐng)域的一大研究熱點。當(dāng)自由空間光通信鏈路經(jīng)過地球大氣層時，地球大氣會對激光的傳播產(chǎn)生吸收和散射作用，使得到達(dá)接收機的激光能量發(fā)生衰減，降低通信系統(tǒng)接收信噪比。地球大氣溫度分布的不均勻性以及地球大氣風(fēng)的影響導(dǎo)致大氣湍流的產(chǎn)生，大氣湍流會引起在大氣中傳播的激光光強出現(xiàn)隨機起伏，造成接收到的信號光強忽高忽低，這將嚴(yán)重影響自由空間光通信系統(tǒng)的性能。地球大氣造成的激光信號衰落是大氣環(huán)境下的無線光通信系統(tǒng)性能進(jìn)一步提高的主要障礙。

當(dāng)前，已有許多方法被用于減小大氣對自由空間光通信系統(tǒng)性能的影響。對于大氣吸收和散射引起的激光能量衰減，通?？梢酝ㄟ^加大激光器輸出功率、減小激光出射束散角、提高接收機靈敏度等手段來加以解決；對于大氣湍流引起的接收光信號強度起伏問題，傳統(tǒng)上采用多光束傳輸、陣列接收、大口徑接收、自適應(yīng)光學(xué)等手段來加以克服[1-3]。

在所有大氣對激光信號傳輸?shù)挠绊懼?，激光信號強度起伏是引起系統(tǒng)性能降低的最重要的一個因素。受到通信光端機尺寸、成本、可移動性等因素的制約，傳統(tǒng)的大氣湍流效應(yīng)抑制方法實現(xiàn)起來有諸多限制。

上世紀(jì)80年代，人們開始了對湍流大氣中部分相干光傳播特性的研究[4]。部分相干光在湍流大氣中傳播時的光強起伏小于完全相干光[4-5]，利用這一特性可以對大氣環(huán)境下的無線光通信激光信號強度起伏進(jìn)行抑制，提高通信系統(tǒng)的性能。使用部分相干光作為信息載體，不會明顯增加收發(fā)通信光端機的體積和重量，相對于傳統(tǒng)的大氣湍流效應(yīng)抑制方法具有一定的優(yōu)勢。

本文對使用部分相干光作為信息載體的大氣光通信信道的容量和誤碼率性能進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，對不同湍流強度下的性能進(jìn)行了數(shù)值計算和分析。結(jié)果表明，部分相干光傳輸能有效地抑制大氣湍流對光通信的影響，提升通信系統(tǒng)的性能。本文所建模型對部分相干光通信系統(tǒng)的設(shè)計、分析及優(yōu)化有一定的參考作用。

1幅移鍵控(ASK)調(diào)制信道誤碼率建模

1.1　ASK信號數(shù)學(xué)模型

幅移鍵控(ASK)是正弦載波的幅度隨數(shù)字基帶信號變化而變化的數(shù)字調(diào)制。當(dāng)數(shù)字基帶信號為二進(jìn)制時，則為二進(jìn)制振幅鍵控(2ASK)，2ASK信號調(diào)制波形見圖1。設(shè)發(fā)送的二進(jìn)制符號序列由0、1序列組成，發(fā)送0的概率為P，發(fā)送1的概率為1-P，且相互獨立。該二進(jìn)制符號序列可表示為：

(1)

(2)

則二進(jìn)制幅移鍵控信號可表示為：

(3)

通常，二進(jìn)制幅移鍵控信號的產(chǎn)生方法有2種:一種就是一般的模擬調(diào)幅調(diào)制方法;另一種就是鍵控法，此時常稱為通斷鍵控(OOK)信號。

圖1　2ASK信號的調(diào)制波形

1.2　部分相干高斯光束參數(shù)

到目前為止，已有多種用于產(chǎn)生部分相干光束的方法，為了便于對部分相干光進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，這里考慮在完全相干光的發(fā)射口徑前加一個空間擴散器來產(chǎn)生部分相干光[4]，如圖2所示。

圖2　部分相干高斯光束湍流大氣傳輸示意圖

圖2中激光器發(fā)出的激光為完全相干光束，高斯透鏡的半徑為WG，相前曲率半徑為FG，定義透鏡的無量綱口徑參數(shù)ΩG=2L/(kWG2)，L為光束傳輸距離，k=2π/λ為光波波數(shù)，λ為光波波長。假設(shè)圖2中激光器發(fā)射的相干光束為TEM00高斯光束，則可使用如下光束參數(shù)對其進(jìn)行描述:

(4)

(5)

式中:F0為發(fā)射端激光束的波前曲率半徑;W0為激光發(fā)射孔徑的半徑。

空間擴散器可以被建模為一個復(fù)相位屏，其折射率起伏譜為[4,6]：

(6)

式中:lc為相位屏的橫向相關(guān)半徑;n1為相位屏引入的折射率起伏;<>表示系綜平均。

由圖6可知，不同學(xué)院的借閱冊次分布、變化趨勢與借閱人數(shù)呈現(xiàn)的趨勢有較大不同。其中，法學(xué)院的借閱冊次在2016年之后急劇上升，國際經(jīng)貿(mào)學(xué)院、金融管理學(xué)院、會計學(xué)院的借閱冊次在2017年之后增長趨于平緩甚至略微下降，然而未能從借閱人數(shù)分布中發(fā)現(xiàn)這種增長變化。

在接收平面處，部分相干高斯光束的光束參數(shù)可寫為[6]：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中:qc=L/(klc2),為無量綱量，其將相位屏的折射率起伏強度與第一Fresnel區(qū)聯(lián)系起來;Θ1和Λ1為完全相干高斯光束在接收平面處的光束參數(shù);Ns為發(fā)射光束橫截面散斑元個數(shù)。

1.3　信道容量

為了評價部分相干光傳輸信道的利用率，得出每個信道符號能無錯誤傳送的最大信息量，需要計算信道容量。這里假設(shè)：(1)接收光強信號采樣值服從獨立同分布(IID)；(2)信道的邊緣分布已知；(3)信道噪聲為加性高斯白噪聲(AWGN)。

對于強度調(diào)制/直接檢測(IM/DD)大氣光通信信道，信道統(tǒng)計模型可寫為：

(12)

式中:Y為探測器輸出電流;S=η·I,為瞬時信號強度增益,η為探測器光電轉(zhuǎn)換系數(shù)，I為湍流導(dǎo)致的歸一化起伏光強(I≥0);X為發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)(X∈{0,1});N為加性高斯白噪聲。

通常湍流導(dǎo)致的光強起伏的特征頻率相對于碼元傳輸速率要小得多，可以把大氣光通信信道當(dāng)作緩慢衰落信道，所以光強起伏可視為一隨機變量，在同一碼元周期內(nèi)為一常量[9]。二進(jìn)制輸入連續(xù)輸出信道的容量可定義為：在所有輸入分布情況下，X與Y的最大互信息量。在本文中，輸入分布為二項式分布，信道的互信息量可寫為:

(13)

(14)

式中:pX(x)為X=x的概率;fY(y|x)為在給定輸入X后輸出Y的條件分布,條件分布fY(y|x=0)為零均值高斯分布；σn2為探測器輸出的噪聲方差。

fY(y|x=1)=

(15)

信道容量C可寫為:

(16)

注意，由于光強起伏服從Gamma-Gamma分布，所以計算信道容量時的最優(yōu)輸入分布將隨湍流強度的改變而變化。

1.4　誤碼率建模

到目前為止，已有多種用于產(chǎn)生部分相干光束的方法，為了便于對部分相干光進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，這里考慮在完全相干光的發(fā)射口徑前加一個空間擴散器來產(chǎn)生部分相干光[4]，如圖2所示。

誤碼率是衡量數(shù)字通信系統(tǒng)性能的一個重要指標(biāo)。本文主要分析部分相干光傳輸相對于完全相干光傳輸，信道誤碼率性能提升的大小，所以在誤碼率分析中將不考慮信道編碼問題。這里給出采用最大似然檢測(MLD)時的無編碼信道誤碼率模型。

假設(shè)接收機已知湍流導(dǎo)致信號衰落的概率分布，但對信號的瞬時衰落值未知。當(dāng)發(fā)送碼元“1”時，探測器輸出電流Y的概率分布函數(shù)為fY(y|x=1)；當(dāng)發(fā)送碼元“0”時，探測器輸出電流Y的概率分布函數(shù)為fY(y|x=0)。根據(jù)最大后驗概率準(zhǔn)則，發(fā)送碼元x的最佳判決為:

(17)

如果發(fā)送碼元“1”和“0”的概率是相等的，則:

(18)

接收機的似然比可以寫為:

(19)

對于振幅鍵控調(diào)制方式，假設(shè)發(fā)送碼元“1”和“0”的概率相等，則系統(tǒng)的誤碼概率為:

(20)

式中:pe0為發(fā)送碼元“0”時接收誤碼的概率;pe1為發(fā)送碼元“1”時接收誤碼的概率。

忽略碼間串?dāng)_，可得:

(21)

(22)

2數(shù)值計算及分析

定義接收機平均輸出信噪比SNR=ηI/σn，I=I0(Θe2+Λe2)-1/2，I0為無湍流和相位屏影響時的接收光強。接收器的孔徑平均效應(yīng)能在一定程度上減小大氣湍流效應(yīng)對光通信系統(tǒng)性能的影響。本文重點對大氣光通信中的部分相干光傳輸信道進(jìn)行建模和分析，為了在分析中排除孔徑平均因素的影響，在數(shù)值計算時，孔徑平均因子Ap=1(即考慮點接收情形)。

取激光波長λ為1 550 nm，傳輸距離L為5 km，激光發(fā)射孔徑半徑W0為8 cm，波前曲率半徑F0為∞。當(dāng)Rytov方差σl2分別為0.3,1.0和6.0時，在部分相干光和完全相干光傳輸條件下，系統(tǒng)誤碼率與平均信噪比之間的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知：誤碼率隨平均信噪比SNR增加而減小；使用完全相干光傳輸，即使在弱湍流情形下(σl2=0.3)，平均信噪比SNR=30時，系統(tǒng)誤碼率也高于10-5；使用部分相干光傳輸，弱湍流情形下，平均信噪比SNR=16時，系統(tǒng)誤碼率已低于10-7；在中等強度湍流和強湍流情形下，部分相干光傳輸相對于完全相干光傳輸時的系統(tǒng)誤碼率性能也有明顯的改善。

圖3　平均信噪比與誤碼率之間的關(guān)系

3結(jié)束語

針對大氣光通信中的部分相干光傳輸信道，考慮ASK，建立了部分相干光傳輸時，最大似然檢測(MLD)誤碼率模型。由數(shù)值計算結(jié)果可知，部分相干光傳輸能夠有效地提高大氣光傳輸信道的容量，降低通信系統(tǒng)誤碼率。部分相干光傳輸是一種抑制大氣湍流效應(yīng)的有效手段，其相對于其它抑制手段來說不需要明顯地增加通信光端機的體積和重量，具有較好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]Andrews Larry C,Phillips Ronald L.Impact of scintillation on laser communication systems: recent advances in modeling [A] .Free-space Laser Communication and Laser Imaging,SPIE[C],San Diego.CA.USA,2010:23-34.

[2] Troy M,Roberts J,Guiwits S,etal.Performance of The Optical Communication Adaptive Optics Testbed,IPN Progress Report[R].New York:Springer Verlag,2005.

[3]Anguita Jaime A,Neifeld Mark A,Vasic Bane V.Spatial correlation and irradiance statistics in a multiple-beam terrestrial free-space optical communication link [J].Applied Optics,2007,46(26):6561-6571.

[4]Olga Korotkova,Andrews Larry C,Phillips Ronald L.Speckle propagation through atmospheric turbulence:effects of a random phase screen at the source [A] .Free-space Laser Communication and Laser Imaging II,SPIE[C].San Diego.CA.USA,2002:15-54.

[5]Ricklin Jennifer C,Davidson Frederic M.Point-to-point wireless communication using partially coherent optical fields [A].Free-space Laser Communication and Laser Imaging,SPIE[C].San Diego.CA.USA,2002:156- 165.

Research into The Transmission Feature of Partially Coherent

Light Communication System

HOU Wen-bo，MA Dong-dong

(Unit 92785 of PLA，Qinhuangdao 066000,China)

Abstract:The atmospheric turbulence will cause the light intensity of laser propagating in atmosphere fluctuate，which reduces the performance of atmospheric laser communication system.The light intensity fluctuation variance of partially coherent light transmitting in the turbulent atmosphere is less than that of completely coherent optical,which can be used as a means to restrain the effect of atmospheric turbulence.For partially coherent light transmission channel,this paper studies the error rate calculation formula of partially coherent light transmission channel,performs data calculation and analysis to the error rate of partially coherent light transmission channel under different atmospheric turbulence intensity,and proves that partially coherent light transmission can effectively reduce the error rate of communication through comparing it with the result of completely coherent optical transmission.

Key words:laser;error rate;partially coherent light;atmospheric turbulence

收稿日期:2014-12-08

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.03.013

中圖分類號：TN929.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：CN32-1413(2015)03-0047-04