采用高级调制格式相干接收的FSO系统性能研究

陈雨露　杨鹏鲲　蔡世君　郭晓冰（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南　郑州　450000）



采用高级调制格式相干接收的FSO系统性能研究

陈雨露杨鹏鲲蔡世君郭晓冰
（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南郑州450000）

基于描述FSO系统接收端光强分布的Gamma-Gamma信道模型，研究大气湍流强度和信号传输距离对高级调制格式-相干接收系统的影响。在分析Gamma-Gamma信道下，采用MPSK（M=2，4，8）和MQAM（M= 8，16，32）调制-相干接收FSO系统的误符率与湍流强度、传输距离之间的关系，利用特殊函数代换推导其闭合表达式。根据计算结果，仿真研究M值、湍流强度和传输距离等因素对误符率的影响。

FSO湍流信道；M阶调制；相干接收；误符率

自由空间光（Free Space Optical，FSO）通信是一种以激光为载体，通过真空或大气传递信息的光通信方式，因其具有T-Hz无需频谱许可的超大可用带宽、传输链路保密性好、通信协议透明、设备廉价以及运营维护成本低等优势，已成为射频无线通信的强有力补充［1-3］。对于FSO系统来讲，室外大气湍流是制约其系统性能的关键因素。当激光束在大气中传输时，大气湍流效应使激光束在传播过程中随机改变其波束特性，导致光波的强度、相位和频率在时间和空间上呈现随机起伏，从而引起光束强度起伏（大气闪烁）、光束弯曲和漂移、光束弥散畸变以及空间相干性退化等现象，降低激光的光束质量，严重影响激光通信系统的稳定性和可靠性［3］。零差/外差检测-高级调制格式（如MPSK/MQAM/PDM）的相干系统具有良好的抗湍流干扰性，能够带来优良的系统性能，是近年来人们关注的热点。为此，该文基于描述FSO系统接收端光强分布的Gamma-Gamma信道模型，研究了大气湍流强度和信号传输距离对高级调制格式-相干接收系统的影响。

1　数学分析与计算

研究表明，FSO系统中接收端光强分布的概率密度函数符合Gamma-Gamma分布，可表示如下［4］：

式（1）中，Γ（Z）代表Gamma函数，Kn（x）代表第二类的n阶修正贝塞尔函数；α、β分别表示大尺度和小尺度光波强度波动，其表达式如下：

假设发射端发送第m个码元，入射到光电探测器上的光功率可以表示如下［5］：

式（3）中，αm和φ分别表示所发符号的幅度与相位，表示瞬时入射光功率，PLO表示本振光功率，ωIF表示载波频率ω0和本振频率ωLO之差，ωIF=ω0-ωLO。

光电探测器输出的光电流可表示如下：

式（4）中，η表示光电探测器转换效率，idc（t）和iac（t）分别表示接收机的直流和交流分量，n（t）表示散粒噪声过程引入的加性高斯白噪声。

对于第m个符号，系统的信噪比SNR可表示如下：

M阶调制信号在大气湍流信道中传输的平均误符率为：

将MPSK和MQAM各自的条件误符率分别代至式（7），同时将表达式中的特殊函数均采用MeijerG函数表示，即可得到闭合表达式如下：

2　仿真与分析

利用MATLAB对MPSK（M=2，4，8）和MQAM（M=8，16，32）调制信号在不同湍流状态和不同传输距离下的误符率分别进行了仿真对比。在参数选择时，折射率结构参数分别为：，分别表示弱湍流、中等强度湍流和强湍流，传输距离分别为：L=500、1 000、2 000m。

图1展示了QPSK信号在不同湍流强度下传输2 000m的误符率。从图1可以看出，当湍流强度由弱湍流变为中等强度湍流时，达到无误码传输（误符率=10-9）所需的发射功率迅速升高。以弱湍流为例，相同误符率（如误符率=10-7）下，中度湍流下所需的系统信噪比比弱湍流下高了近15dB。然而，当湍流强度由中等强度变为强度时，湍流强度的增大对误符率并没有明显影响。

图1　QPSK信号在中等湍流强度下传输不同距离的误符率

图2对比了QPSK和16QAM信号的传输性能，左图中，传输距离选择为1 000m，湍流强度选择为弱湍流和强湍流。右图中，选择中等强度湍流强度，传输距离选择为1 000m和3 000m。结果显示：在两种条件下，QPSK的性能均优于16QAM。平均信噪比越高，QPSK的性能优势越明显。

图2　QPSK和16QAM调制传输性能对比

3　结语

本文主要研究了高级调制格式-相干接收FSO系统在大气湍流信道下的传输性能。仿真结果显示：对于QPSK，当传输距离2 000m，湍流强度由弱湍流变为中等强度湍流时，达到无误码传输（误符率=10-9）所需的发射功率迅速升高。但是，当湍流强度由中等强度湍流变为强度湍流时，湍流强度的增大对误符率并没有明显影响。对于QPSK和16QAM，当传输距离在1 000m以内时，无论是弱湍流还是中等强度湍流下达到无误码传输时所需的信噪比并未明显增加，但是能够看到QPSK的性能明显优于16QAM。这一研究结果对相干FSO系统传在输距离、调制格式选等方面提供了良好的参考意义。

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Performance Study of Coherent Reception FSO System Using Advanced Modulation Format

Chen YuluYang PengkunCai ShijunGuo Xiaobing
（State Intellectual Property Office Patent Office Patent Examination Cooperation Henan Center，Zhengzhou Henan 450000）

This paper studied the influence of atmospheric turbulence intensity and the signal transmission distance on the advanced modulation format coherent reception system，based on the Gamma-Gamma channel model which is based on the light intensity distribution of the receiver in the FSO system.Based on the analysis of the gamma gamma channel，the modulation of MPSK（M=2，4，8）and MQAM （M=8，16，32）coherent receiving FSO system error symbol rate and the turbulence intensity and transmission distance between relations，and the closed form expressions using special replacement function weres derived.Based on the calculation results，the effects of M value，turbulence intensity and transmission distance on the error rate were simulated and studied.

FSO turbulence channel；M order modulation；coherent reception；symbol error rate

TN929.1

A

1003-5168（2016）04-0056-03

2016-03-24

陈雨露（1989-），女，硕士，研究实习员，研究方向：光信息存储方面专利审查。