直流提取技术对OOK调制的自由空间光通信系统的性能改进

张明清

(南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003)



直流提取技术对OOK调制的自由空间光通信系统的性能改进

张明清

(南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003)

摘要：自由空间光通信技术因优点显著目前已经获得了极大的发展，其具有免频谱许可证、安全传输、大容量和低部署成本的特点。然而，光信号在经历大气信道的传输过程中会受到大气湍流效应的影响而发生衰减和波动，这种现象称为闪烁效应，会大大降低系统的传输性能。研究了提取信号中直流分量作为连续波参考光的技术，并将其应用到自由空间光通信系统中。得出了在信道为对数正态分布模型下的误码率模拟结果，并详细分析了通过提取直流信号作为参考波后的性能改进。

关键词：自由空间光通信；大气湍流效应；直流提取；连续波参考光

引用格式：张明清. 直流提取技术对OOK调制的自由空间光通信系统的性能改进[J].微型机与应用，2016,35(13)：67-70.

0引言

自由空间光通信结合了光纤通信与微波通信的优点，既具有大通信容量、高速传输的优点，又不需要铺设光纤，因此各技术强国纷纷在空间激光通信领域投入大量人力物力，并取得了很大进展。大气传输激光通信系统是由两台激光通信机构成的通信系统，它们相互向对方发射被调制的激光脉冲信号(声音或数据)，接收并解调来自对方的激光脉冲信号，实现双工通信。自由空间光(Free Space Optical，FSO)通信预期在未来电信网络中发挥重要作用。它被视作解决最后一公里的最佳方案之一，也可以解决无线通信不能提供足够带宽的问题。 FSO通信的优点包括高容量、高安全性、免费的频谱许可证，并易于安装和卸除。由于大气中的分子如氧气、二氧化碳和水蒸汽的尺寸与光的波长相似，光波通过大气传播会引起光强的波动，这种波动被称为闪烁，这会严重恶化FSO的传输性能。因此如何减轻闪烁效应与合理的成本控制成为一个热门的研究课题。

采用动态判决门限，比传统固定判决门限性能有了较大提高[1]。而实验已经证明当两束光波通过相同的大气湍流信道共同传播时，会经历几乎相同的闪烁过程。参考文献[2]中使用了额外的一个激光器发射不携带任何信息的直流信号作为参考光，对收到的两束信号进行除法处理，大大提高了系统性能。然而，这额外的激光器大大提高了系统成本。本文提出了提取接收端接收到的信号中的直流分量作为参考波的方法，分析了其误码性能。结果显示，与采用连续光参考波(Reference Continuous Wave Light，RCWL)技术相比，在误码率为10-3的情况下，当相关系数为0.85时，直流提取技术较RCWL技术有5.6 dBm的功率补偿。而当相关系数为0.99时，直流提取技术较RCWL技术有2.7 dBm的功率损失，但是直流提取技术在发射端省去了一个激光器，节约了系统铺设成本。

1系统模型

1.1对数正态分布

当光波通过大气湍流信道时，它的强度会因为闪烁效应而发生变代。用于描述大气湍流信道的一些模型已经被提出。其中，对数正态(Lognormal，LN)分布模型被广泛用于研究微弱和温和大气湍流条件下的闪烁效应[3]。假设Is为归一化光强度，LN分布信道模型的概率密度函数可表示为：

(1)

(2)

1.2连续波辅助检测技术

接收端使用的RCWL技术是曾应用于DDT的一种辅助检测技术。实验表明，如果两束光在相同的大气湍流信道中传输，则它们所经历的闪烁过程会有高度的相似性[4]。而RCWL正是波长为λr的连续波参照光,其中λr的值与光信号波长λs相近。该技术先利用波长多路复用器将RCWL与信号光进行混合，使其经历相同的大气湍流信道从而记录闪烁强度。到达接收端后再通过波分复用器将信号光与参照光分离，然后利用简单的除法来减小光信号强度随大气湍流抖动所产生的对数据的影响。其系统图如图1所示。

图1　RCWL技术用于减小FSO-OOK信道的闪烁效应

发射端信号光是中心角频率为ωs的偏振光，对应波长为λs，振幅为As。而连续波参照光是波长为λr幅度为Ar的连续偏振光，偏振方向与信号光一致。其中接收信号光的波长λr和本振信号的波长λl相等，即角频率与本振光角频率相等ωr=ωl，而初始相位和振幅均与信号光相等。用合波器将信号光与RCWL进行混合以经历相同的大气湍流信道，在接收端同时与本振光发生干涉，则可产生两个中频分量，再由分波器将所产生的不同分量进行分离。

尝试利用闪烁系数的相关性消除大气湍流对信号的影响。Is为信号光的光强,Ir是参照光的光强，用标准化后的光强Ip表示接收信号强度，则三者之间的关系为：

Ip=Is/Ir

(3)

RCWL辅助检测技术的实质就是对受到闪烁效应影响而导致光强度概率密度变得分散的接收信号进行处理，使其概率更向“1”集中，即减小光强度的随机抖动。因为RCWL在传输过程中记录了信道中的大气湍流信息，所以如果闪烁强度有高度相关性就可以通过简单的除法来消除大气湍流效应对光信号的影响。并且相关系数ρl越大，RCWL技术对系统性能的提高越好。

接收到的中频信号再通过光电探测器转换为电信号，用R来表示探测灵敏度，其中e为电子电量，η表示量子效率，h和v分别代表普朗克常数和载波光频率，即可得到载有传输信号的光电流。

(4)

将is和ir通过除法电路得到两个电流的商D，容易得知D的公式如下：

(5)

Asr(t)表示受大气湍流影响后As(t)与Ar(t)的联合概率分布，公式如下：

(6)

其中ρc表示的是一个相关参数，它由Is与Ir之间的相关系数ρl、光信号经历的信道湍流强度σls以及参照光信号的信道湍流强度σlr三者所决定，数学表达式如下：

(7)

图2　标准化光振幅在RCWL处理前后的概率分布比较

图2展示了使用RCWL技术后信号波的改进。从图2可以看出，受到大气湍流影响的光信号的强度服从LN分布，而经过除法电路之后，光信号的归一化强度逐渐向“1”靠拢，服从正态分布。

1.3考虑光的分散角度

所有的激光都有一定的发散角度，随着传输距离的增加，光点会越来越大，而单位面积内所接收到的光功率就会随之减少，这种衰减称为几何衰减[5]。其中1°≈17 mrad， 1 mrad≈0.057 3°。

图6　数据处理单元模块计算示意图

当发散角为0.2 mrad时，则1 000 m的传输距离后光点的直径大小约为0.2 m。可于光接收器前增加直径为0.1 m的凸透镜来汇聚光信号以增加接收功率，从而减小几何衰减，如图3所示。此时的几何衰减约为6 dB。

因为光接受面积SR仅为ST的一部分，所以式(5)可以表示为：

(8)

其中，Xs(t)、Xr(t)分别为接收到的信号强度以及参考波强度，R表示探测灵敏度，ra为几何衰减系数，可以表示为：

(9)

图3　使用凸透镜增加接收信号功率示意图

1.4直流提取技术

RCWL技术有其固有的缺点，需要一个额外的激光器发射不携带任何信号的直流分量作为参考波[6]，需要复用、解复用等一些过程，这对系统的建设成本是一个很大浪费。而在接收端接收的信号中本身有一个直流分量，这个直流分量与信号经历了相同的FSO信道，因此可以作为参考波。具体的系统实现框图如图4。

图4　改进的提取直流作为参考波的FSO-OOK通信系统框图

将接收到的信号按顺序每L个分为一组，共计M组，每组数据进行单独处理。数据处理模块系统图如图5。

图5　数据处理模块流程图

其解复用格式为每L个连续的数据分为一组，共计M组，每组数据进行单独处理，如图6。数据处理单元的作用是对每组中L个元素求和，取其平均值，此平均值相当于直流分量，作为信号的参考波。

(10)

然后，将每个单元的信号模拟量除以当前单元的平均值，进而后续判决。误码率如下：

(11)

其中，γ(I)表示接收机的信噪比(SNR)，p(I)表示归一化的幅度。

2仿真结果与讨论

表1　系统仿真的关键参数

为了分析闪烁效应和噪声对系统性能的影响，不同信道条件下的BER度量和衰落补偿应予以考虑。为验证直流提取技术对系统性能的改进，利用MATLAB中Montr-Carlo方法进行仿真。假设传输距离为1 km，Rytov方差为1，取直流提取块长度为10，处理单元数为5。其他参数设置如表1所示。

图7展示了4种情况下的误码率：FSO-OOK调制解调系统，相关系数分别为0.85与0.99的RCWL系统，以及提取直流作为参考波系统。

图7　直流提取技术与相关系数为0.85和0.99的RCWL性能比较

通过仿真可以得出，直流提取技术能很好地改进FSO-OOK的系统性能。当误码率为10-3时，直接检测的OOK系统需要-13.8 dBm的功率，而直流提取技术需要-25.8 dBm的功率。与传统的未经RCWL辅助技术处理的OOK系统相比，直流提取技术有着明显的优势。与采用RCWL技术相比，在误码率为10-3的情况下，当相关系数为0.85时，直流提取技术较RCWL技术有5.6 dBm的功率增益。而当相关系数为0.99时，直流提取技术较RCWL技术有2.7 dBm的功率增益。但是，直流提取技术节约了系统成本。

3结论

本文提出了使用直流提取技术替代RCWL技术，改善了RCWL技术系统成本高的不足，大大节约了系统铺设成本。与RCWL技术相比，在相关系数为0.99时，直流提取技术大约有2.7 dBm的功率优势；当相关系数为0.85时，直流提取技术较RCWL辅助检测技术有5.6 dBm的功率补偿。因此，在自由空间光通信中，直流提取技术可以用于减小大气湍流对系统性能的影响。

参考文献

[1] WANG Z, ZHONG W D, YU C. Performance improvement of OOK free-space optical communication systems by coherent detection and dynamic decision threshold in atmospheric turbulence conditions[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2012, 24(22):2035-2037.

[2] WANG Z, ZHONG W D, YU C, et al. Performance improvement of on-off-keying freespace optical transmission systems by a copropagating reference continuous wave light[J]. Optics Express, 2012, 20(8):9284-9295.

[3] ANDREWS L C, PHILLIPS R L. Laser beam propagation through random media[M]. Washington: SPIE Press, 2005.

[4] GRANT K J, CORBETT K A, CLARE B A, et al. Dual wavelength free space optical communications[C]. Lasers and Electro-Optics, 2005. (CLEO). Conference on. IEEE, 2005:740-742.

[5] 杨昌旗, 姜文汉, 饶长辉. 孔径平均对自由空间光通信误码率的影响[J]. 光学学报, 2007, 27(2):212-218.

[6] ZHANG S, YOU X, HUA Z, et al. BPSK-SIM free-space optical communication with reference continuous wave light[C]. Optical Communications and Networks (ICOCN), 2014 13th International Conference on. IEEE, 2014:1-3.

中图分类号：TN929.12; TN911.7

文献标识码：A

DOI：10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.13.022

(收稿日期：2016-03-10)

作者简介：

张明清(1988-)，男，硕士研究生，主要研究方向：自由空间光通信。

Performance improvement of OOK free-space optical communication systems by DC extraction technique

Zhang Mingqing

(College of Telecommunications and Information Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China)

Abstract:Free-space optical (FSO) communication has many advantages including high capacity, high security, free spectrum license and easy to install and remove. However, due to the inhomogeneity of temperature and pressure fluctuations, the intensity of an optical wave will fluctuate when it propagates through the atmosphere. Such fluctuation is known as scintillation, which can deteriorate the FSO transmission performance severely. we have studied the DC extract technology, and apply it to free-space optical communications as a reference continuous wave light(RCWL). In this paper, the BER simulation results are presented, and the performance improvement by extracting the DC signal as a reference wave is analyzed in detail.

Key words:free-space optical communications; atmospheric turbulence; DC extract;reference continuous wave light