光通信高速率调制系统设计及性能仿真测试

刁红翔,常丽敏,唐雁峰

(1.空军航空大学,吉林 长春 130022；2.长春理工大学电子信息工程学院,吉林 长春 130022)

1 引 言

光通信技术作为有效解决频谱资源紧缺的一项新兴通信技术,其应用前景非常广阔,但是在对该项技术开发和使用的过程中,也暴露出了许多问题:

(1)高分辨率的战场侦察、预警等任务对信息传输速率、实时性、保密性等提出了更高的要求；

(2)无人机飞控自主化程度不断提高,结构日益复杂,使得无人机的控制更加困难,对单位时间内信息传输的总量和质量要求更高；

(3)激光通信易受到大气扰动,背景光辐射、平台振动、相对运动等较多因素的影响；而无人机的发展趋势是高空高速,续航时间长,飞行层次广,这会使大气对通信的影响更加明显[1]。

解决这些问题的有效途径是从激光加载信息的源头入手,努力提高光调制器的调制速率和抗干扰能力,建立更加稳定可靠的高速率调制系统,有效应对各种复杂气象条件,保证信息的高质量传输。

2 调制系统设计准则

调制系统的设计首先应该从目的性和实用性的角度出发。而考虑到高速率调制电路设计是为了满足大功率和高速率光通信的需求,因此该系统需要具备输出功率较高的激光器；为了增加通信距离的范围,有效抵御信道干扰,要求激光器的功率在一定区间内连续可调且功率上限要足够大；另外激光器和调制器各自的信号发生及相互间的匹配问题也至关重要,这就需要选择合适的激光器和调制器驱动电路。综上可以得出一般调制电路的设计原则[2]，如图1所示。

图1 调制电路设计原则

在明确调制电路一般设计原则基础之上,可以从电路器件本身的角度和单一器件内部的影响因子出发,去分析影响调制速率的因素,进而改善系统结构设置和器件参数设定,完成高速率调制系统的搭建。

3 高速率调制系统设计

结合课题需求和相关资料[3-7],对高速率调制系统进行了如图2、图3所示的设计。

图2 高速率调制系统整体设计

图3 调制驱动部分细节设计

其中图3结构单元位于图2的1、2端口处,是对调制驱动模块的细化设计。就图2中系统整体来说,按照由系统核心到周边的顺序进行器件选择、设计和搭建。首先确定核心调制器为外调制中的EAM,在此基础上选择了输出功率高、光谱窄且与电吸收调制器(Electro Absorption Modulator,EAM)集成效果良好的分布式反馈(Distributed Feedback,DFB)激光器作为主光源,并选择掺铒光纤放大器(Erbium-doped Fiber Amplifier,EDFA)作为调制信号的放大器。考虑到激光器工作时容易出现发热导致的输出波长不稳及干扰引起的输出功率不稳等现象,为激光器设计了温控、功控以及相关驱动电路,稳定信号光输出,提升系统性能；同时引入激光器保护电路,防止激光器工作时因过热和过流而意外损坏。此外在接收端和发射端之间加入大气信道,用来模拟实际大气环境中通信时信息传输情况。

对图3中调制器驱动电路部分,设计目的旨在提升信号加载的稳定性。在输出和输入匹配电路部分加入三级负反馈射频放大器,有效提升系统带宽、增益和稳定性；运用静态工作点的PID自动控制,防止电路产生非线性失真,保证EA调制器的线性输出状态；特定位置加入锁相环来进一步提升关键部位信号频率稳定性,保证高速率调制的有效进行。

针对图3中的EAM进行细节化设计,包括EAM的材料选择,结合消光比表达式、该材料的微观分子组成和粒子能量和质量的表达式,应用控制变量法,对该材料的三维结构二参数进行了优化设计,提升系统消光比和调制速率；基于三维半矢量束传播法对调制器的光波导结构进行优化,提升光场限制因子和器件耦合效率[8-9]。

4 系统仿真模型搭建

4.1 Optisystem软件简介

实验采用Optisystem软件对光通信系统进行仿真测试和性能分析。该软件是OPTIWAVE公司设计的一款集设计和测试功能于一体的光通信用仿真平台[10]。其功能全面,具有完备的器件库和优化的操作界面,且以其逼真的仿真模拟环境和便利的交互性能而被广泛使用,可以满足现有条件下的各类光学系统的设计分析和仿真测试[11-12]。其平台检测结果和指标对于实际光通信系统的设计具有很强的参考价值和指导意义,能够帮助我们更好的发现问题,改进设计。

4.2 参数设置和模型搭建

在使用Optisystem进行仿真前,首先进行器件的选取和参数的设置。首先选择具有连续波长特性的DFB激光器作为光源,然后依次选择EAM、EDFA等主体元件构成系统的信号产生和调制发射部分；在信号接收端,同样选择EDFA对衰落信号进行一级放大,并用雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode,APD)进行光信号的接收和转化,之后利用贝塞尔低通滤波器进行杂波滤除和信号恢复；调制发射部分和信号接收部分经由模拟大气信道连接；在信号调制传输的关键部位设置信号测量器件,检测在整个过程中信号的变化[13-14]。

实验中,设置DFB激光器的发射波长为光通信最常用波段1550 nm,功率大小为2 W,带宽为10MHz；EAM的驱动源选择可以人为设置的模块,以便对不同调制速率下该系统的性能进行评价和测试；发射和接收端EDFA的长度均为5 m；APD光电探测器的增益系数为3,接收灵敏度为-31 dBm；贝塞尔低通滤波器的截止频率设置为0.75 Bits/Hz；结合课题通信距离要求和相关技术指标,将模拟大气信道长度设置为150 km,衰减系数设置为一般气象条件下的5 dB/km，同时BER要优于10-7,其他器件按其通用参数进行设置。另外激光器和调制器本身及其驱动部分的辅助电路是为了保持激光器和调制器在工作过程中的稳定性,更好地应对各种复杂情况,因此在模拟仿真的条件下不需要考虑[15]。在此基础上按照图4设计框图进行器件组合连接,搭建调制电路仿真模型。

图4 调制电路仿真模型

将以上模型在Optisystem仿真平台上进行运行测试。

5 系统性能测试

在该课题的前期理论研究部分,得到了现阶段一般条件下高速率调制的临界速率指标下限为1.12 Gbps,只有系统的调制速率不小于该理论指标,才能满足高速调制的要求。此外结合课题实验及实际需求,将对系统仿真测试的调制速率设置为三个梯度水平:①临界速率:1.12 Gbps；②高速:5 Gbps；③超高速:10 Gbps；依次测试,以检验该设计的调制速率水平和性能。

5.1 临界1.12 Gbits调制速率测试

首先让EAM加载高速调制的理论下限调制速率1.12 Gbps,运行观察系统工作情况。

首先观察了DFB激光器的输出,发现激光器输出光功率稳定在2 W左右,且输出波长很窄,由此可以看出DFB激光器工作性能稳定,适合进行一般大气条件下的光通信，如图5所示。

图5 DFB激光器输出情况

调出EAM后的光时域观察仪和经大气信道衰减后的光时域观察仪测试结果,如图6所示。

图6 调制后及大气衰减后光时域观察仪测试结果

由结果可以发现:经过调制后激光信号随调制信号发生变化,功率保持在2 W,且方波信号平稳,说明调制器工作稳定,状态良好；经过大气信道传输衰减后,调制信号未发生形变,仅在方波顶部出现轻微的毛刺凸起,但这并不影响后续的信号接收；时域波形信号位置范围保持不变(起始位置:-6.3992×10-10s,中间位置:6.3992×10-9s,结束位置:1.3438×10-8s)；功率发生衰减,峰值功率变为1.6636×10-5W(大于接收灵敏度S=-31 dBm=7.94×10-7W),处于APD的可探测范围内。四处光功率计的显示结果如图7所示。

图7 四处光功率计测试结果

由结果可知:经过调制器调制后,激光信号衰减较大,由2 W降至0.693 W左右；之后经过发射端EDFA放大,信号功率提升至0.753 W；经大气信道传输衰减后,信号功率再次衰减到5.482×10-6W,然后经过EDFA的二次放大,信号功率变为26.201×10-3W,满足光电探测器的接收范围,能够被有效接收和处理,可见发射和接收端EDFA的两次放大作用不能缺少。

经过处理的信号眼图、Q因子和BER指标如图8所示。通过分析可以判断经过长距离传输后信息的质量。这同时也是检验系统调制性能的核心环节。

图8 1.12 Gbits调制速率下接收端眼图、Q因子和BER

由结果可知:信号接收端眼图张开大,内部清晰且眼图边线较清楚,说明信号稳定,质量好；品质因子Q最大值达到了37.4428,BER的最小值为2.70976×10-307,满足BER小于10-7的指标要求,同时进一步说明了接受处理后信号质量良好,可以被有效利用和分析。由此说明该调制系统满足高调制速率下限1.12 Gbits的调制和传输要求,可以进行进一步的测试。

5.2 高速5 Gbits调制速率测试

让EAM加载5 Gbps的调制速率,测试接收端眼图、Q因子和误码率特性,结果如图9所示。

图9 5 Gbits调制速率下接收端眼图、Q因子和BER

由图可知:5 Gbits的调制速率下,眼图依旧张开大、清晰,且相较于1.12 Gbits时边线更加紧致；Q因子最大值达到83.4876,比1.12 Gbits条件下增加了46.0448；BER最小值为0且处于0值的范围较宽。这说明该调制系统同样满足5 Gbits的高调制速率要求,且该调制速率下系统传输性能更加稳定,信号传输质量更佳。

5.3 超高速10 Gbits调制速率测试

让EAM加载10 Gbps的调制速率,测试接收端眼图、Q因子和误码率特性,结果如图10所示。

图10 10 Gbits调制速率下接收端眼图、Q因子和BER

由图可知:10 Gbits的调制速率下,眼图线杂乱且范围扩大,眼图内部边界模糊；此时Q因子最大值只有4.43688,比1.12Gbits条件下减少了33.0059；BER最小值为4.4804×10-6(已经高于10-7的指标需求),且处于最小值的时间范围很窄,大部分时间BER都高于该水平。这说明该调制系统在调制速率更高的场合下效果并不理想,需要进一步的改进调制手段以满足更高的速率需求。

综上可知该系统满足临界速率的需求,且在高速5 Gbits下性能持续攀升,能够胜任现阶段一般条件下高速调制需求；但对于超高速条件,系统性能还不够稳定,这有待进一步的研究和改进。

6 结 语

未来复杂环境下进行的光通信,需要与之匹配的高速率调制系统单元。结合课题和实际需求,在大量研究的基础上进行了高速率调制系统的设计。设计思路从系统整体到局部,主要进行核心器件确定和搭配,调制驱动电路的设计和稳频模块的加入,再到EAM内部结构的精确化设计；对完成的设计方案进行了Optisystem软件仿真平台上的测试,结合课题设定了三组测试用不同层次的调制速率指标,分别为临界1.12 Gbits,高速5 Gbits,超高速10 Gbits。仿真结果显示:对于1.12 Gbits和5 Gbits的调制速率,该系统测试性能优异,眼图张开清晰且拥有较高的Q因子和低的误码率,同时5 Gbits的测试性能要优于1.12 Gbits,说明该系统满足超过临界速率以上的调制需求,并且以逐步攀升的性能标准到达了高速5 Gbits的需求,能够胜任一般条件下的光通信高速率调制需求；但是对于超高速10 Gbits,该系统测试性能还不够稳定,这有待进一步对调制关键技术进行深入研究,以期设计出能够适应超高速条件的光调制系统,适应未来更加复杂多元化的通信模式。

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