相位補償技術在無線光通信中的應用*

王志華，龔哲兮，郭鵬展

(中國電子科技集團公司第三十研究所,四川 成都610041)

?

相位補償技術在無線光通信中的應用*

王志華，龔哲兮，郭鵬展

(中國電子科技集團公司第三十研究所,四川 成都610041)

摘要：大氣的湍流運動所導致的大氣折射率隨時間和空間變化會引起大氣湍流效應，主要包括光強閃爍、相位波動、光束漂移和光束擴展等，會增大誤碼率和縮短通信距離。通過研究相位補償技術提升通信系統(tǒng)性能，建立了相位補償相干系統(tǒng)模型，分析了相位補償參數(shù)補償階數(shù)、歸一化接收孔徑，湍流參數(shù)湍流外尺度、功率指數(shù)對系統(tǒng)誤碼率的影響，并找到達到最優(yōu)誤碼率的最佳參數(shù)，對有效克服大氣湍流效應的干擾，保證無線光通信系統(tǒng)正常工作具有十分重要的意義。

關鍵詞：大氣湍流；相干探測; 相位補償；相位失真；誤碼率

0引言

大氣湍流引起的相位波動對相干探測系統(tǒng)影響很大，相干探測系統(tǒng)是把信號加載到相位上，相位失真可能相干探測的準確率有很大的影響，嚴重的相位失真可能會使相干探測失效，而相位補償技術是解決相位失真的一個有效的方法[1]。本文將介紹相干探測系統(tǒng)的原理，并分析相位補償技術在相干光通信系統(tǒng)中的應用，研究相位補償對相干系統(tǒng)性能的提升。

1BPSK-相干探測系統(tǒng)

相干通信體制是指由基于相干探測(Coherent Detection)和相應的調制方式的通信體制。在發(fā)送端，采用光調制方式把原信號以調幅、調相或者調頻的方式調制到光載波上，經過光發(fā)射器傳輸出去，圖1是相干光通信發(fā)射機框圖。經過光學通道后到達接收端，首先由接收機接受，進入光混頻器與本地光振蕩器產生的光信號進行相干混合，然后由光電探測器進行探測，圖2是相干光通信接射機框圖。

圖1　相干光通信發(fā)射機框

圖2　相干光通信接射機框

在接收端，光接收機有兩種基本類型，功率探測接收機和相干接收機。功率探測接受機又稱為直接探測。相比直接探測，相干檢測自身具有的諸多優(yōu)點使得它在空間激光通信中有顯著的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下方面：

(1)因為在相干檢測中發(fā)生了較強本振光與接收信號光的混頻，使得它本身具有比直接檢測更高的靈敏度。在條件相同的情況下，相干檢測比直接檢測的靈敏度可高出20 dB，其靈敏度可接近散粒噪聲極限，這成為了相干檢測的主要優(yōu)勢。

(2)相干檢測的抗干擾能力和選擇性都明顯優(yōu)于直接檢測。在相干檢測中，光電檢測器所檢測的是接收信號光與本振光混頻之后的光信號，所以只有與之對應的中頻噪聲才可能進入檢測系統(tǒng)，其它頻帶噪聲都會被過濾掉。這種良好的波長選擇性使得在運用波分復用時可以大大縮小頻率間隔，這對于提高傳輸速率十分有益。

(3)相干檢測的調制解調方式十分多樣，為其應用提供了更多選擇。在相干檢測中采用幅度調制、頻率調制、相位調制等多種調制方式時，信息可以加載到各種波動參數(shù)上并被檢測出來，這種全息檢測所提供的靈活性是直接檢測難以實現(xiàn)的。

正是因為相干檢測在空間激光通信中具有這些顯著的優(yōu)勢，所以在相關研究中都將相干檢測作為檢測方式的最優(yōu)選擇，因此在本文中對系統(tǒng)性能的研究，也都是針對相干檢測而言的。在相干探測中，接收機的光電探測器響應的是由本振光和信號光疊加產生的光場。通過較強的本振光與接收信號光場的空間相干來改善系統(tǒng)的信噪比[2]，從而達到提高系統(tǒng)探測靈敏度，增加鏈路傳輸距離的目的。根據本振光頻率與接收到的信號光頻率是否相等，相干檢測可以分為零差檢測和外差檢測。當本振光頻率與接收到的信號光頻率相等時，這種檢測成為零差檢測，零差檢測有很高的靈敏度，但是要求本地載波和信號頻率必須同步，這種方式很難實現(xiàn)，因此我們更多的使用外差檢測系統(tǒng)。當本振光頻率與接收到的信號光頻率并不相同時，這種檢測成為外差檢測。外差接收系統(tǒng)不需要復雜的光學鎖相環(huán)對信號與本振光頻率和相位鎖定，對激光的線寬要求也降低很多，因此本文利用外差接收系統(tǒng)，相干光通信外差接收機系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3　相干光通信系統(tǒng)外差檢測接收機示意

相干探測系統(tǒng)具有高靈敏度[3]，但同時，它更容易受到大氣湍流的影響，嚴重的相位起伏甚至可能使得相干探測失效[4]，因此需要校正系統(tǒng)對經過湍流大氣后的失真相位進行補償。經過補償后的剩余相位方差會有顯著的減小，在之后的部分，我們會研究相位補償技術在相干系統(tǒng)中的應用。

2相位補償相干系統(tǒng)模型

2.1系統(tǒng)理論模型

只有在接收機對相位波動進行補償，否則相位波動會嚴重影響系統(tǒng)性能，但是前提是外差降頻轉換能得到電信號，并在接收機能追蹤到大氣湍流引起的相位波動[5]。為了研究大氣湍流對相干接收機性能的整體影響，在研究系統(tǒng)性能的過程中，需要同時考慮幅度和相位的起伏[4]。在接收機平面的光場可以表示為：

A=ASexp[χ(r)-jφ(r)]

(1)

式中，AS是不考慮大氣湍流時的光波幅度，χ(r)表示湍流引起的光波的對數(shù)振幅，φ(r)表示湍流引起的光波的相位起伏，r表示在接受平面上的位置。在外差探測系統(tǒng)中，從探測器中出來的帶有信息的光電流iS為：

iS=ηA0AS∫drW(r)exp[χ(r)]·

cos[2πΔft+Δφ-φ(r)]

(2)

式中，η表示光檢測器的量子效率，A0表示本地振蕩器產生信號的振幅，W(r)表示孔徑函數(shù)(在接收孔半徑以內孔徑函數(shù)取1，在接收孔半徑以外則取0)，Δf與Δφ分別表示信號與本地振蕩器信號的頻率差與相位差。對方程(2)中的頻率差Δf取時間平均，從而得到平均光信號功率為：

(3)

式中，D為接收機直徑，而ξr和ξi是中兩個積分的歸一化，它們的表達式為:

(4)

如果本地振蕩器的散粒噪聲占主要作用，那么每單位帶寬噪聲的平均功率為：

(5)

式中，e為元電荷電量。由式(3)及式(5)可以得出信噪比SNR為:

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

2.2信噪比分析

系統(tǒng)的平均信噪比可表示為：

(12)

利用(7)式所示的 與 的關系，通過雅克比行列式變換，可以求得信噪比的概率密度函數(shù)為:

(13)

當我們只研究相位波動對系統(tǒng)的影響時，暫時不考慮光強起伏對系統(tǒng)的影響，上式可變?yōu)殚]合形式：

(14)

2.3誤碼率分析

理想情況下，對于同步外差檢測系統(tǒng)，平均誤碼率(BER)能夠由下式得到[1,6]：

(15)

(16)

式中，erfc(x)表示誤差補余函數(shù)。

則這樣誤碼率就能通過χ2分布來描述，將式(13)和式(16)帶入式(15)，誤碼率的表達式為:

(17)

我們著重研究相位波動對無線通信系統(tǒng)的影響，當幅度起伏相比相位起伏可以忽略時，將式(14) 和式(16)帶入式(15)，誤碼率可以表示為：

(18)

3系統(tǒng)性能分析

這一部分會研究相位補償技術對系統(tǒng)性能的提升。研究了不同補償階數(shù)下的系統(tǒng)誤碼率性能，得到了獲得最小誤碼率的優(yōu)化歸一化接收孔徑的值。

圖4　補償階數(shù)對系統(tǒng)誤碼率的影響

圖5描述了在沒有幅度起伏，并且補償階數(shù)J=8的情況下，系統(tǒng)性能與歸一化接收孔徑D/ρ0的關系。從圖中可以看出，隨著D/ρ0的減小，誤碼率下降。這是因為系統(tǒng)只受到相位起伏的影響，而相位起伏和歸一化接收孔徑D/ρ0有正相關的關系，相位方差隨著歸一化接收孔徑D/ρ0的減小而減小，從而誤碼率下降。

圖5　歸一化接收孔徑對系統(tǒng)誤碼率的影響

圖6　誤碼率隨不同補償階數(shù)和歸一化接收孔徑的變化

圖7　功率指數(shù)α對系統(tǒng)誤碼率的影響

圖8　湍流外尺度L0對系統(tǒng)誤碼率的影響

4結語

基于相干 BPSK 外差檢測系統(tǒng)，本文分析了使用相位補償技術對系統(tǒng)的性能提升。在相位上攜帶信息的相干探測系統(tǒng)具有高靈敏度，但是它對大氣湍流的影響更為敏感。相位補償技術的引入彌補了這一缺陷，使得相干接收能夠順利進行。本文對影響相干系統(tǒng)性能的相位補償參數(shù)補償階數(shù)、歸一化接收孔徑，湍流參數(shù)湍流外尺度、功率指數(shù)，結合系統(tǒng)誤碼率進行了研究。得到了在不同補償階數(shù)下達到最優(yōu)的誤碼率的最小歸一化接收孔徑。

參考文獻：

[1]于剛，謝小平，趙衛(wèi)等.孔徑平均效應對采用相位補償技術的空間相干光通信系統(tǒng)誤碼率的影響[J].光學學報,2012, 32(09):0906006-1-10.

YU Gang, XIE Xiao-ping, ZHAO Wei, et al. Influence of Aperture Averaging on Bit-Error Rate of Spatial Coherent Optical Communication Systems Using Phase Compensation Technique[J].Acta Optica Sinica,September 2012,Vol.32 No.9: 0906006-1-10.

[2]李波，郝耀鴻.相干光OFDM在高速光傳輸中的應用[J].通信技術，2013 ， 44 (01)：45-47.

LI Bo, HAO Yao-hong. Application of Coherent Optical OFDM System in High-Speed Optical Transmission[J].Communications Technology, Vol. 44,No.04,2011, No. 232, Totally:45-47.

[3] 鄒延聰，陸綺榮.基于自由空間光通信技術的研究 [J].通信技術，2009，42(01)：71-73.

ZOU Yan-cong, LU Qi-rong. Study on the Free Space-based Optical Communication Technology[J]. Communications Technology, 2009，42(01):71-73.

[4]馬晶，韓琦琦，于思源等.衛(wèi)星平臺振動對星間激光鏈路的影響和解決方案[J].激光技術，2005，29(03)：228-232.

MA Jing, HAN Qi-qi, YU Si-yuan, et al. Effect of Vibration on Inter-Satellite Optical Communication and Resolving Project[J].Laser Technology, June, 2005,Vol 29,No.3:228-232.

[5]張景旭.衛(wèi)星捕獲與大氣補償技術[J].光機電信息， 1999, 16(10)：3-6.

ZHANG Jing-xu. Satellite Capture and Atmospheric Compensation [J] Optics,Mechanics & Electronics Information 1999, 16 (10): 3-6.

[6]王孛，施鵬，趙生妹.大氣湍流下自由光通信信道模型的數(shù)值仿真[J].南京郵電大學學報:自然科學版,2012,32(04)：32-36.

WANG Bei, SHI Peng, ZHAO Sheng-mei. Numerical Simulations of FSO Channel Through Atmosphere Turbulence[J]. Journal of Nanjing University of Posts and Telecommunications(Natural Science), Aug,2012,Vol．32 No．4:32-36.

Phase Compensation Technology in Wireless Optical Communication

WANG Zhi-hua, GONG Zhe-xi, GUO Peng-zhan

(No.30 Institute of CETC, Chengdu Sichuan 610041,China)

Abstract：Atmospheric refractive index, resulted from atmospheric turbulence, would cause atmospheric turbulence effects along with the change of time and space, mainly including intense scintillation, phase fluctuation, beam drift and beam expansion, thus increasing the BER and shortening the communication distance. By studying the phase compensation technology and enhancing the performance of communication system, a coherent phase compensation system model is established.Phase compensation parameters compensation order, normalized receiving aperture, outer scale of turbulence parameter and the impact of power index BER system are all analyzed. Finally, the best parameters to achieve the optimal BER are found, and this of great significance in effectively overcoming the interference of atmospheric turbulence and guaranteeing the normal operation of wireless optical communication system.

Key words：atmospheric turbulence; coherent detection; phase compensation; phase distortion; BER

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.04.006

*收稿日期：2015-11-16；修回日期：2016-02-28Received date:2015-11-16；Revised date：2016-02-28

中圖分類號：TN929.12

文獻標志碼：A

文章編號：1002-0802(2016)04-0413-05

作者簡介：

王志華(1970—)，男，碩士，工程師，主要研究方向為計算機通信,網絡安全；

龔哲兮(1988—)，男，碩士，工程師，主要研究方向為計算機通信；

郭鵬展1987—)，男，碩士，助理工程師，主要研究方向為空間激光通信。