空间光DPSK发射与自相干接收系统实验

张慧颖,陈玲玲,丁旭辉,于海越

(吉林化工学院信息与控制工程学院,吉林 吉林 132022)

1 引 言

自由空间光通信(Free Space Optical Communication,FSO)利用激光器发出的光波在大气中进行通信。与传统通信方式相比,FSO的通信介质无需光纤或电缆,通信速率可达Gbps及以上,传输距离可从几十米到几万公里,而且具有通信容量大、光束方向性好、无频率限制、保密性强等优点,成为当今光通信领域的研究热点之一[1-3]。由于激光束在大气信道中传输时,受到衰减效应和相位波动影响导致FSO系统性能下降,基于相位调制/相干检测的相干光通信系统具有优秀的抑制背景噪声能力,可减轻湍流信道的损伤且频谱效率得到提高。2002年,美国贝尔实验室[4]采用差分相移键控(Differential Phase Shift Keying,DPSK)调制方式实现了40 Gbps的密集波分复用信号传输,通信距离可达4000公里；2005年,日本东京大学研究组实现了光相干接收对正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)信号的接收,采用数字信号处理技术完成了信息的采样恢复,相干接收技术重新回到研究热点；2006年,美国推出了2.5G和10G的外差相干光接收机,通信误码率可达10-9[5-7]。因此,基于DPSK调制/相干光通信系统得到学者们的关注。本文完成通信速率为10Gbps的光DPSK调制发射、自相干接收单元实验测试平台搭建,为抑制相位漂移现象,发射单元采用带有自适应增益控制单元和交叉点自适应控制单元结构,在实验条件下完成相关单元功能测试,为光DPSK相干光通信系统实用化研究提供参考价值。

2 实验平台设计

光DPSK调制/自相干接收系统设计关键如下:(1)铌酸锂相位调制器受外界环境影响、输入射频信号不稳定及半波电压随温度变化等因素,导致调制后的信号发生相位漂移。因此,增益点电压和眼图交叉点电压实时控制是发射端的关键技术。(2)系统受相位噪声影响较大,而激光器线宽直接决定相位噪声大小,光源超窄带宽技术也是发射端的关键技术。(3)相比于零差探测和外差探测技术,自相干探测无需本地载波和锁相环同步等问题,解调结构简单[7]。如何实现自相干延迟探测是接收端的关键技术。基于以上分析,设计时采用激光器发出的信号作为载波,输入的伪随机码经过差分编码后和射频放大后加载到相位调制器上,通过改变调制器的控制电压实现光DPSK信号调制。调制后的信号经过光学天线完成信号的发送。接收端,采用差分自相干解调结构实现相位信息到强度信息的转换,利用PIN管完成光电转换后进行信号处理,解调出原始信号[8-10]。为了稳定调制后的信号,增加射频放大器增益点电压控制单元和眼图交叉点电压控制单元。实验室条件下,未考虑光信号在传输过程中的损耗及光纤损耗,10 Gbps光DPSK发射/接收系统实验测试平台如图1所示。

实验平台由发射单元和接收单元构成。发射单元包括Teraxion公司的窄带宽激光器作为光源、电光相位调制器MPZ-LN-20、差分相移键控编码模块13751DE、高性能射频驱动放大器DR-DG-12-MO、信号发生器、ZX85-12G-S+型电平转换模块、交叉点和增益点控制单元等几部分。接收单元由PIN管、Optoplex公司的Colorless DPSK解调器、LNA-150型光纤放大器、F-P滤波器几部分构成。待发送信息由脉冲码型发生器(Pulse Code Generator,PPG)或任意波形发射器(Arbitrary Waveform Generator,AWG)产生,由于差分编码后的信号非常微弱,因此需要射频放大后驱动相位调制器,完成光DPSK信号调制。接收到的光信号采用掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Application Amplifier,EDFA)放大后送入马赫增德尔延时干涉仪(Mach Zehnder Time Delay Interferometer,MZDI),完成DPSK信号1 bit延迟后与DPSK信号本身相异或相乘,然后采用平衡探测结构完成信号解调[11-12]。

图1 DPSK传输系统实验测试平台

调制后的信号由于温度、输入信号不稳定及环境因素将产生相位漂移现象。通过研究铌酸锂相位调制器内部结构可知,光相位变化量可以表示为:

(1)

式中,Vx和Vπ分别表示调制信号和相位调制器的半波电压。因此,要保证射频输出与半波电压相等,才能实现光DPSK调制。通过研究射频增益放大器内部结构可知,放大器的增益可表示为控制电压Vc的函数,且增益与控制电压存在线性关系。设计时,将调制后的信号采用99∶1的功分器取出1 %的信号,经过峰值检波器检测出载波信号的峰值,通过无模型自适应控制算法根据每次的测量值实时调整控制电压Vc,从而实现射频放大器的增益调整,确保输出信号与半波电压实时相等,完成增益点电压实时控制。

眼图交叉点电压实时控制是通过改变过零点电平实现。采用95∶5的分光器分得出5 %的光DPSK信号,经过MZDI、光电探测及信号处理后送入自适应PID控制器,实现过零点电路中数控直流电平的控制。此时调制后的输出信号为:

Eo=Einexp[jω0t+φ+jπGUmcos(ωmt)/Vπ]+V

(2)

式中,V表示过零点电平控制电路中的直流分量的大小。通过改变控制电压,则可控制加入的直流分量大小,从而实现眼图交叉点位置的改变。

3 发射单元性能测试

3.1 差分编码模块测试

信号源发出10 G的伪随机码作为差分编码模块的输入信号,数据端输出电压500 mV,差分编码模块的时钟和数据均由信号源产生,时钟端输出电压幅值为400 mV,采用单端时钟驱动。设输入数据信号是00110100,经过差分编码后输出的信号如图2所示。

图2 差分编码实验结果

由图2看出,信号的初始码是1码,经过差分编码器后输出结果为11011000,说明编码结果的正确性,该设计具有可行性。但是输出结果上大约有1 bit的延迟。

3.2 调制单元性能测试

按照图1左侧部分搭建调制系统实验平台。激光器波长为1550.52 nm,考虑到通信链路上有3dB的插入损耗,激光器光功率设置为10 dBm,将输出的光信号加载到相位调制器上,驱动放大器的输出信号与射频输入接口相连,为了抑制调制端的相位漂移现象,系统加入增益点自适应控制环路和眼图交叉点调整环路,以确保输出稳定的光DPSK调制信号。采用光复谱分析仪和调制分析仪进行测试。

10 Gbps光DPSK调制单元测试步骤:(1)设置信号源输出幅度为300 mV,时钟功率为0 dBm,Clock频率为10 Gbps。由于光复谱分析仪限制,输出信号不能是伪随机码,因此,设置发送数据为固定的8位二进制码00011001,在进行差分编码时,首位码为1。(2)将驱动器设置在最佳工作点Vxp=0.9 V和Vamp=0.5 V处,输出信号幅值约为6～7 V。

激光器输入光功率为10 dBm,由于相位调制器存在3 dB插入损耗,调制后,测得输出光功率为7 dBm,与理论分析一致。通过示波器上测得输出波形为一条直线,这说明调制后的光信号在强度上无改变,符合相位调制原理。采用光谱分析仪测得调制后的DPSK光谱如图3所示。

图3 调制后的DPSK光谱图

由图3看出,中心波长为1550.5235 nm,调制后的频谱得到展宽,载波分量虽得到抑制但效果不太理想。而且相位调制器调制深度较低,导致输出有用信号功率较小,造成光谱上存在尖脉冲。测得调制后的光功率为-6.92 dBm。采用光复谱分析仪测得调制后的相位图如图4所示。

图4 DPSK调制后的波形图

图4中,箭头所示曲线表示调制后的相位曲线图。由于差分编码器的输出信号为11101110,相位变化与理论分析结果一致,则调制单元可实现DPSK信号调制,调制效果较好。调制分析仪可实现信号简单解调,并可测出解调后的眼图。调制后的DPSK眼图如图5所示。

图5 调制后的信号眼图

由图5得到调制速率10 Gbps的眼图交叉百分比的值约为49.4 %,虽然与理想眼图交叉百分比之间存在误差,但误差不大,眼图张开效果较好,说明系统可实现正常通信且通信质量良好。器件间干扰及内部因素影响对调制单元影响不大。

通过实验测得DPSK光调制单元具有可行性。

4 自相干接收单元测试

按照图1右侧搭建光DPSK接收单元测试平台。设置信号源发送长度为215-1的二进制伪随机码,发送速率为为10 Gbps；选取线宽为10 kHz、波长为1550 nm的窄带激光器；射频放大器的输入信号为300 mV的差分编码信号,放大后的输出信号可达7 V,加入增益自适应控制和交叉点自动调整环路。调制后的光信号沿着光纤进行传输,接收到的光信号经过光衰减器、LNA-220型光前置放大器实现放大,经由MZDI完成解调,采用平衡探测完成信号的探测。经过光前置放大但未滤波的输出眼图如图6所示。

图6 前置放大器输出的眼图(未滤波)

由图6看出,输出的眼图较模糊,而且眼图内部有明显干扰,上下眼皮张开程度也不理想,这是由于码间串扰影响较大,为了有效减小噪声影响,加入可调谐滤波器,测得输出眼图如图7所示。

图7 加入滤波器的前置放大器输出的眼图

由图7看出,当加入光滤波器后眼图变得非常理想,内部干扰明显减少,眼图张开程度增大,通信质量较为理想。图8为解调后输出的眼图和相位图。

图8 解调后的输出眼图和相位图

由眼图8(a)看出:解调后的眼图质量较好,眼图内部无明显干扰,眼图张开角度较好。由图8(b)看出,系统输出相位稳定,相位差刚好为180°,相位漂移较小,由此说明系统可以很好的实现调制和解调功能。采用误差矢量幅度(Error Vector Magnitude,EVM)测得系统误差矢量幅度为7 %,低于LTE系统值。在实验室环境下,接收后的信号经过衰减器功率可达-48 dBm,符合系统指标设计要求；由误码分析仪测得系统误码率为1×10-7,说明系通信质量较好。

5 结 论

通过对发射和接收单元测试表明,本文研制的光DPSK调制和解调设计结构合理,可实现实验室内无湍流条件下,通信速率为10 Gbps的空间光通信,具有较理想的通信性能。该系统具有可行性。符合设计要求,达到预期结果。但是系统在调制、解调以及传输过程中,由于器件间干扰,环境因素以及损耗等因素影响了通信质量,将为后续工作中继续深入研究找到解决办法。