楊 杰，邵宇豐，王安蓉，王 壯，胡欽政，伊林芳，田 青，于 妮，楊騏銘

(重慶三峽學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院， 重慶 404100)

0 引 言

近年來，沿海國家都在發(fā)展周邊的海島資源，海洋光通信網(wǎng)絡(luò)為大陸與近海島嶼以及海洋島嶼間的信息高速傳輸提供了重要保障[1-2]。由于海洋通信的困難遠(yuǎn)超于陸地通信，研發(fā)兼容常規(guī)海底光纜信息收發(fā)及傳輸?shù)暮Ｑ蠊馔ㄐ畔到y(tǒng)成為一個熱點(diǎn)問題[3-4]。在海島上采用常規(guī)通信接入方案(例如光纖通信、移動通信和微波通信等)存在安裝成本高和傳輸信號需要中繼放大等缺點(diǎn)，考慮到自由空間光(Free Space Optical, FSO)通信系統(tǒng)可兼容目前常規(guī)海底光纜以及具有通信帶寬大、建設(shè)周期短和易于在地形復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行接入建設(shè)等優(yōu)勢[5-6]，因此本文采用FSO來代替?zhèn)鹘y(tǒng)接入方案。曼徹斯特碼是一種應(yīng)用優(yōu)勢較為明顯的雙相碼型，可有效消除信號中的直流分量，而且具有同步時鐘恢復(fù)的應(yīng)用特性[7-8]，更加適用于長距離傳輸?shù)暮Ｑ蠊馔ㄐ畔到y(tǒng)。

考慮到實(shí)際應(yīng)用中光信號在長距離海底光纜中傳輸發(fā)生色散現(xiàn)象以及FSO系統(tǒng)傳輸光信號受天氣影響較大(尤其是大氣湍流)等，本文采用曼徹斯特編解碼并融合海底光纜(采用G.654普通單模光纖(Single Mode Fiber,SMF))與FSO信道，設(shè)計了一種用于海洋島嶼間通信的海洋光通信系統(tǒng)，研究了該系統(tǒng)在不同天氣條件下無線光信號的收發(fā)及傳輸性能，并采用仿真實(shí)驗測試和分析了10 Gbit/s曼徹斯特碼無線光信號傳輸前后的波形、光譜、眼圖和誤碼率(Bit Error Rate,BER)等。

1 系統(tǒng)模型

本文設(shè)計的基于曼徹斯特編碼的海域FSO通信系統(tǒng)方案如圖1所示。在發(fā)送端，待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和時鐘信號分別通過歸零(Return to Zero，RZ)碼和非歸零(Nonreturn to Zero，NRZ)碼脈沖發(fā)生器轉(zhuǎn)換為電信號，再通過異或非門電路生成10 Gbit/s的曼徹斯特電信號，實(shí)現(xiàn)曼徹斯特編碼過程。曼徹斯特電信號通過使用激光器驅(qū)動對1 550 nm連續(xù)波(Continuous Wave, CW)激光器進(jìn)行內(nèi)調(diào)制生成10 Gbit/s的曼徹斯特光信號。該信號通過100 km SMF傳輸后會有色散負(fù)面效應(yīng)，故采用18.82 km的色散補(bǔ)償光纖(Dispersion Compensation Fiber, DCF)進(jìn)行后置色散補(bǔ)償，以保證整條光纖線路的總色散近似為0，表1所示為使用的SMF和DCF的參數(shù)。該FSO通信系統(tǒng)中的信道由兩個紅外校準(zhǔn)器、一個激光發(fā)射器、一個激光接收器和FSO無線光傳輸鏈路組成，傳輸鏈路前端與后端分別需要摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Optical Fiber Amplifier, EDFA)用于補(bǔ)償光纖和FSO無線光傳輸鏈路中信號傳輸造成的衰減。在接收端，采用10 Gbit/s PIN光電探測器(參考臺面型PIN光電探測器參數(shù))接收光信號并轉(zhuǎn)換為10 Gbit/s曼徹斯特電信號[9]，通過時鐘恢復(fù)補(bǔ)償原始信號與接收信號之間的時間延遲，通過二進(jìn)制閾值檢測器將信號解碼為二進(jìn)制信號并輸出。將解碼后的信號與RZ脈沖發(fā)生器輸出的時鐘信號通過異或非門電路還原為系統(tǒng)發(fā)送的原始數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)曼徹斯特解碼過程。采用帶寬為7.5 GHz(帶寬為傳輸速率的0.75倍)的低通濾波器為解碼后的信號濾除帶外噪聲，然后在觀察儀器上分析接收信號與原始信號的差別。

圖1 曼徹斯特編解碼FSO通信系統(tǒng)方案圖

表1 SMF和DCF參數(shù)

2 分析與討論

如圖1所示，首先構(gòu)建FSO通信系統(tǒng)仿真模型，聯(lián)合Optiwave和Matlab數(shù)值模擬軟件對該模型進(jìn)行建模分析和仿真實(shí)驗，其中FSO信道模型采用Gamma-Gamma大氣閃爍模型模擬。采用偽隨機(jī)比特序列發(fā)生器模擬需要傳輸?shù)男畔?，設(shè)置速率為10 Gbit/s。使用功率為 10 dBm的CW激光器承載信息,設(shè)置該CW激光器發(fā)射波長為1 550 nm。選取海底光纖的衰減值為0.2 dB/km，色散值為16 ps/(nm·km)，符合國際電聯(lián)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),再根據(jù)不同的天氣條件(晴天、雨天和霧天)設(shè)置不同的信道衰減值，晴天取10 dB/km，雨天取20 dB/km，霧天取30 dB/km，表2所示為FSO在不同天氣條件下的相關(guān)參數(shù)[10-11]。FSO信道中接收機(jī)端面光學(xué)孔徑直徑為5 cm，光束發(fā)散度為0.25 mrad，距離為1 km。

表2 不同天氣條件下FSO通信系統(tǒng)參數(shù)

圖2所示為晴天1 ns內(nèi)電信號傳輸前后得到的時域圖(包含0.1 ns的字符同步信號和0.9 ns的曼徹斯特電信號)。圖2(a)所示為信號傳輸前，發(fā)送端進(jìn)行曼徹斯特編碼后的時域圖，圖2(b)所示為信號傳輸后，接收端未進(jìn)行曼徹斯特解碼的時域圖。由圖可知，傳輸前后的曼徹斯特信號脈沖在時域變化一致(未出現(xiàn)ns級時鐘偏差)，而幅度上出現(xiàn)平均下降現(xiàn)象(由于信號自由空間傳輸過程中信噪比逐漸劣化導(dǎo)致)，這表明該信號系統(tǒng)傳輸過程中時鐘同步性能優(yōu)越。

圖2 1 ns電信號傳輸前后時域波形圖

圖3所示為晴天光信號傳輸前后得到的頻域光譜圖。圖3(a)所示為1 550 nm激光器發(fā)送的10 Gbit/s曼徹斯特信號光譜圖，圖3(b)所示為曼徹斯特信號經(jīng)過光纖和FSO信道傳輸后的光譜圖。由光譜圖可知，傳輸前后的曼徹斯特?zé)o線光信號中心頻率仍然是1 550 nm，沒有發(fā)生中心波長漂移現(xiàn)象，光譜主瓣兩側(cè)各邊帶擴(kuò)散現(xiàn)象也極不明顯，證明該接入系統(tǒng)的光譜穩(wěn)定性非常好。

圖3 曼徹斯特信號傳輸前后光譜圖

圖4所示為不同天氣環(huán)境下測試得到的眼圖和Q因子曲線圖。圖4(a)、4(b)和4(c)分別是晴天、雨天和霧天FSO通信系統(tǒng)傳輸曼徹斯特信號后的3 bit周期眼圖，圖4(d)、4(e)和4(f)分別是晴天、雨天和霧天FSO通信系統(tǒng)傳輸曼徹斯特信號后的1 bit周期Q因子曲線圖。Q因子作為高速通信系統(tǒng)中衡量系統(tǒng)性能的重要參數(shù)，用于表征信號的接收質(zhì)量，一般Q因子越高，信噪比越好。由圖可知，晴天眼圖清晰，眼開度較大，曼徹斯特最佳解碼判決點(diǎn)為0.614(在1 bit內(nèi))，Q值為24.96；雨天較晴天相比眼開度略低，曼徹斯特最佳解碼判決點(diǎn)為0.625(在1 bit內(nèi))，Q值為18.34；霧天眼開度略低，但仍可清晰地觀察到眼圖中張開(但信號在“1”和“0”碼電平處存在一定劣化)，曼徹斯特最佳解碼判決點(diǎn)為0.656(在1 bit內(nèi))，Q值為6.03。以上分析說明該通信系統(tǒng)受天氣影響較大，但在不同天氣情況下，1 bit最佳解碼判決點(diǎn)相近，并且在沒有增加光衰減器件進(jìn)行測試時接收端Q值均大于6，證明該通信系統(tǒng)在海島常規(guī)天氣下皆能獲得較好的信號傳輸過程，能在實(shí)際中得以應(yīng)用。

圖5所示為不同環(huán)境下系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的BER與接收功率關(guān)系曲線圖。通過光功率衰減器控制該系統(tǒng)的光接收功率范圍(-24～-10 dBm)，進(jìn)行了背靠背傳輸(未經(jīng)信道傳輸，發(fā)送端與接收端直接相連的情況)和100 km海底SMF與不同天氣條件下1 km FSO無線信道傳輸?shù)膶?shí)驗仿真，結(jié)果如圖5所示。由圖可知，該系統(tǒng)在背靠背傳輸中靈敏度最好，其次為在晴天下傳輸信號，然后為雨天，最后為霧天，四者的接收機(jī)靈敏度(BER為1×10-9時的接收功率)分別為-18.92、-17.72、-16.66和-11.16 dBm。在相同BER(BER為1×10-9)條件下與背靠背傳輸相比，晴天時接收機(jī)靈敏度大約相差為1.20 分貝，雨天時接收機(jī)靈敏度大約相差為2.26 分貝，霧天時接收機(jī)靈敏度大約相差為7.76 分貝。這主要是由于光斑空間以及天氣因素變化導(dǎo)致FSO信道質(zhì)量劣化造成的。

圖4 不同天氣環(huán)境下測得的眼圖和Q因子曲線圖

圖5 不同天氣環(huán)境下的系統(tǒng)BER與接收功率關(guān)系曲線圖

3 結(jié)束語

本文基于曼徹斯特編碼設(shè)計了一種用于海洋島嶼之間通信的FSO通信系統(tǒng)，在100 km海底光纖和1 km FSO信道中成功傳輸了10 Gbit/s曼徹斯特信號。通過仿真實(shí)驗測試了該系統(tǒng)中曼徹斯特信號在晴天、雨天和霧天中傳輸前后的波形、光譜、眼圖和BER等關(guān)鍵參數(shù)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)在晴天、雨天和霧天的接收機(jī)靈敏度分別為-17.72、-16.66和-11.16 dBm。與傳統(tǒng)的海洋通信系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有通信速率高、支持同步時鐘恢復(fù)、BER低、不受地形影響和易于安拆等應(yīng)用優(yōu)勢，因此在海島之間實(shí)現(xiàn)高速寬帶信號收發(fā)及傳輸具有一定的潛在實(shí)用價值。