基于差分相位调制编码抑制大气光通信扰动

郑 健，李 莎，蒋经农

(1.遵义医学院医学信息工程系，贵州 遵义 563000;2.海南大学 信息与科学技术学院，海口 570228)

由于自由空间光通信(free-space optics communication，FSO)具有宽带接入能力，因此自由空间光通信能提供小区内、小区与小区以及卫星和地面站之间的高速数据交换［1］。但是光通信系统的性能受环境因素影响较大，例如大气闪烁、相位起伏、光束漂移、光束扩展、象点抖动等［2］，于是抑制大气扰动对通信的影响成为历届国际会议的热门话题。先进调制码型有抑制大气通信中扰动的效果，该码型在有线光通信中获得了成功，本文将其运用到无线光通信中。

1 大气信道分析

在自由空间光通信中，通信信道是随机的自由空间，这为通信的分析带来了一定的难度。在看似杂乱无章的信道中，也能找到分析方法，可以通过解决大气湍流、大气衰减、光束漂移和接收机对准问题把握信道［2］。

大气湍流(图1)的存在使平面波的波正面不再平整，而是随机波动。通常所讲光的大气湍流效应实际上就是指折射率随机场上的效应。

图1 大气湍流信道示意图

为了在接收端接收到足够的光强，需克服大气分子对激光能量的损耗。

大气会对光束造成另外的影响，当激光束在大气层中传输一定距离后，大气湍流会对光束形成干扰，在接收机接收平面上表现为光束的中心位置在垂直其传输方向平面内随机变化，该现象称为光束漂移。光束漂移描述了湍流效应。当大气涡流大于光束直径时，光束的传输方向会随机偏振。在数学上可以用光束位移的统计方差来描述该湍流效应。对光信号进行处理时，光束漂移效应是不能忽略不计的，特别是在激光测距、激光通信和激光雷达等通信系统的研究和运用中。

为了确保正常通信，即保证发送端的光束能被接收端的探测器接收到，这就要考虑两端对准问题。在发送端必须将发送机瞄准到一个恰当的方向，以便光束经过自由空间后能被接收机探测，同时接收方的探测器也应根据发送光场的到达角度作适当的调整。

光波的原始波阵面在经过大气信道后，由于介质折射率的差异导致光程的不同，从而致使光波的波阵面由平面波动改变成了随机波动［2］。

2 基于相位调制的新型调制格式

通过二级马赫-曾德尔调制器的电光效应将信号调制到光载波相位上，从而减少了随机加性高斯白噪声的影响，提高容忍度。光功率在相位调制中服从平均分布，并且可有效避免码间串扰(ICI)。在光通信系统中，光载波可以表示为

本研究使用新型调制编码DPSK调制的优点:①不需要在本地接收端产生相干光进行解调，简化了接收机，降低了误码率;② DPSK采用平衡检测，判决门限电平为零，与输入信号功率无关;③由于DPSK编码的信息隐藏在相位中，包络恒定，可用于长距离传输。与大气光通信传统采用的OOK调制格式比较，DPSK最大的优势是在相同的误码率条件下，它的码间距离是OOK的倍，对输入信噪比要求降低了3 dB。

占空比为33%的RZ-DPSK信号输出的调制信号为

调制信号的光强为

占空比为50%的RZ-DPSK信号输出的调制信号为

调制信号的光强为

当MZ2偏置置于Vπ处，得到载波抑制归零调制差分相位码(CSRZ-DPSK信号，占空比66%)，其调制信号为

该调制信号的光强为

3 DPSK信号解调

利用平衡接收机对DPSK信号进行解调。典型的平衡接收机包括光滤波器、马赫-曾德尔延迟干涉仪、光电平衡检测器和电滤波器。最后经过平衡检测器的差分电流将接收机的抽样判决器判决电平设置为零，可根据差分电流的正负判断是0或1。而DPSK信号的接收机采用平衡接收，进一步降低了误码率，更能准确恢复原始信息。

4 实验

在仿真验证系统中，考虑了大气湍流效应、光束漂移效应以及大气衰减，该数学模型不依赖任何输入码型，所以可以将传统的OOK用DPSK取代［5-8］。图2～4为不用占空比的DPSK信号的输入波形。为了更好地与有线光纤融合，取激光的中心波长λ=1 550 nm，输入功率P=10 mW，探测器光电转换效率R=0。

图2 DPSK信号(占空比33%)

将不同占空比的DPSK信号输入系统中，在接收端观察各信号的误码率与Rytov方差之间的关系，如图5所示。

图5 误码率与Rytov方差的关系

从仿真结果可以得到如下结论:对于不同占空比的DPSK信号，占空比越小误码率也就越小。该误码率远低于OOK调制，这是因为DPSK的信息隐藏在相位中，信道噪声叠加在振幅上，而系统的接收机采用平衡检测，又进一步降低了误码率，故将DPSK信号用于大气光通信中能起到抑制扰动的作用。

虽然本研究仿真验证了新型调制编码能够大大降低误码率，起到抑制大气扰动的作用，但是该编码还需要进一步优化。

［1］中国科学院安徽光机所203组.大气湍流对激光通讯的影响［J］.激光，1977(4):27-31.

［2］吴健，杨春平，刘建斌.大气中的光传输理论［M］.北京:北京邮电大学出版社，2005.

［3］Pan J，Evans M，Euler T.Free-space optical communications:opportunities and challenges，a Carrier’s Perspective［C］//Proceeding of SPIE.USA:［s.n.］，2002.

［4］Al-Habash M A，Andrews L C，Philips R L.Mathematical model for the irradiance probability density function of a laser propagating through turbulent media［J］.Opt Eng，2001，40(8):1554-1562.

［5］王巨胜，侯天晋，周鼎富，非视线大气散射传输仿真研究［J］.激光杂志，2010(3):46-47.

［6］柯熙政，卢宁，鲁珍.RoFSO系统QAM调制解调仿真及其性能分析［J］.激光杂志，2010(2):21-23.

［7］赵太飞，柯熙政，梁薇，等.紫外光散射通信中一种二级光学接收系统设计［J］.压电与声光，2011(2):310-314.

［8］肖沙里，高家利.日盲紫外光语音通信系统的设计与实现［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2010(1):51-54.