MIMO无线光通信分集接收系统的实验研究

周仲谋，陈智凯

（国网江西省电力公司赣西供电分公司 江西 新余 338025）

MIMO无线光通信分集接收系统的实验研究

周仲谋，陈智凯

（国网江西省电力公司赣西供电分公司 江西 新余 338025）

文中在分析了MIMO无限光通信系统的组织结构和系统构成基础上，对其中的原理和参数进行简要的描述，并且选出最符合分集接收系统实验的器件和结构，搭建了关于MIMO无线光通信的实验平台，而且在此基础上进行实验测试和优化处理，得出了结论，即阵列光天线可以改善无线光通信系统中的通信效果与质量，且可以增大信号的信噪比。通过实验与理论相结合的方式得出结论：光纤光栅作为滤波器可以有效的改善大气通信系统的性能。

无线光通信；分集接收系统；大气通信；信噪比

一种基于多输出和多输入的信道衰落的补偿技术叫做MIMO技术[1],一般,这种技术需要至少两个收发天线作为实现基本通信需求的基础,在通常的信号传输过程中,大气中的各种不可避免因素都会对信号的传输质量造成一定的影响,而利用MIMO分集技术可以有效地减少信道衰落深度和衰落时间,其有效的结合了光纤通信和微波MIMO技术的诸多优点,保密性好,可以充分运用到军事通信领域。在实际通信实践中,MIMO技术主要有两项改进,一个是通过时空的编码实现增加通信系统信道容量的目的,另一个是通过多天线的分集接收技术可以有效的提高抗信道衰减的能力,从而缓解因为大气湍流造成的信号衰减。在文中,主要是对MIMO分集接收系统进行必要的实验研究[2],搭建实验结构和选择符合实验要求的器件和构造,从而达到检验MIMO分集接收系统应用于无限光通信系统的可操作性和对有可能出现的现实问题进行思考和讨论,在本文的实验中,环境参数等设置尽可能简化。

1 分集接收实验系统的搭建

基于MIMO技术的在无线光系统原理的相关理论和本实验实际需要[3],设计的实验系统地结构图如图1所示。

图1 MIMO无线光分集实验系统结构图Fig.1 MIMO wireless optical diversity experimental system architecture diagram

根据本实验的设计要求和需要,模式方面采用MISO模式以便于后续处理,考虑到本实验对于发射信号并没有特别要求,所以在实验中发光信号器采用1 550 nm的收发器并且默认60 MHz的方波。

1.1 发射天线的处理与选择

由于在实验中采用MISO系统的模式,只有一个天线用于发射信号[4],而在光收发器的激光器采用的是1 550 nm的半导体相关激光器,光波的发散角相对较大,所以对激光器发出的信号光进行准直和校正显得尤为必要。

在对输出光进行准直和校正的过程中主要有两个问题,一个是输出光在垂直于出射平面方向上的发散角很大,对光

束收集操作较为困难,另一个困难是输出光的光斑比较分散,而且不均匀。解决第一个问题主要是用到光纤准直器元件,这种元器件是在光纤通信中常用的元器件,作用是对光纤中传输的光束进行准直校正,从而便于后续的自由空间光处理。光纤准直器中的准直透镜一般选用自聚焦透镜,光束在其中的传播原理和轨迹如图2所示。

图2 自聚焦透镜传播轨迹原理图Fig.2 GRIN propagation trajectory schematics

根据原理,在元器件光纤准直器中,在自聚焦透镜的焦点位置一光纤端面,那么输出光经过这个元器件后就成为了平行光线。经过上述的步骤,基本上可以将输出光转变为近平行光。光纤准直器可以大幅改善发散角[5],对于耀斑并没有什么明显的改进和放大作用,所以在实验中还要考虑对输出光进行相应的扩束处理。在实验中,对于这一问题的解决主要是用双透镜的组合进行,典型的双透镜准直扩束组合为双透镜共焦耦合,原理如图3所示。

图3 双透镜的共焦扩束组合结构原理图Fig.3 Dual beam expander lens confocal composite structure diagram

通过改造,提出的两个问题已经得到了很好地解决,经过处理之后,从半导体激光器发出的光转变为了具有一定光束直径近似平行的符合标准的高斯光束输出[6]。

1.2 接收天线中合并方式的选择

在实验中,因为使用的是带有尾纤的自聚焦透镜作为接收天线的单元,所以考虑自聚焦透镜对于光纤的耦合显得尤其重要。

自聚焦透镜的折射率在径向的分布满足以下规律：

其中,n0是折射率,r为径向距离,A表示聚焦常数,焦距为：

我们知道,在无限光通信系统中,存在着菲涅尔区,而这些菲涅尔区的单元直径被称为菲涅尔尺寸[7]。

为了能保证接收阵列天线之间在接收时候互不相关,它们之间必须满足一定的关系式,即：

在本文的实验中,由于取定λ=1 550 nm,L=5 nm,所以根据公式推导和简单的理论分析,就可以得出,只要r≥2 mm就可以满足实验要求的各个子天线信道之间互相独立。本实验选取4个子天线,各个子天线之间互不影响,排列如图4所示。

图4 4单元光学阵列天线的排列方式Fig.4 The optical arrangement of four cell array antennas

1.3 耦合光信号相关处理和考虑

我们知道,通常而言,对于大气光通信系统,大气湍流的存在会严重影响到通信质量[8],不仅如此,大气中的背景光也会对通信质量产生影响,导致信噪比显著下降,在传输距离较远的时候,由于背景光的影响,产生的信号干扰甚至会掩盖通信所用的光信号,这就使得通信质量大大的降低甚至中断。通常为了提高信噪比,必须对大气背景光进行限制。在这个问题上,通常采取的方法是信号光频率的光学滤波器采用通频带。这种做法可以大大降低背景光。

在接收到的信号优化方面,主要目的是能提高信噪比,光学滤波处理所用的结构为光环行器和光纤光栅。在本实验所采用的系统中,实验在设计时采用的光纤通信器件是成熟度较高的1 550 nm,经过一定的信号处理和信噪比计算,并且通过光波滤波器进行过滤,排除掉大气湍流和大气背景光的影响,调制后的带宽变为2 GHz。在系统中,当滤波器为输出信噪比为最大的匹配滤波器时候,冲击响应为：

根据上述分析,通过软件编程和仿真,可以得出对于加入大气背景光干扰的信号,在经过滤波器的过滤和加工后,信号的质量得到了显著的提升,大气背景光的干扰信号得到有效的抑制,信噪比得到了大幅度的改善,如图5和图6所示。

从图7可以看出,在加入含有噪声的1 550 nm波段的信号频谱显示出很多毛刺,信噪比较低,信号质量不好；从图8可以看出,当信号经过滤波器后,可以看出将干扰信号有效的祛除,从而接收到一个较为理想的信号频谱。

1.4 光电转换器的选择

在实验中,还要对接收到的光信号进行一定的处理和分析,接下来主要分析光电转换器这个元器件在实验中的作用

和对其如何选用。

图5 加入噪声后的信号频谱图Fig.5 Signal spectrum after adding noise

图6 经过滤波处理后的频谱Fig.6 After the spectrum after the filtering process

光电转换器实际上就是利用光电效应将光能转换为电能,在一定频率的光照下,物体表面会有电子溢出的效应叫做光电效应,平时所熟知的光电管就是利用外光电效应,在光照下,物体在一定方向产生电动势的现象叫做光生伏特效应。对于光敏二极管,其基本原理跟普通的PN结二极管一样吗,区别只是其PN结位于接收端的顶部,可以直接收到光信号产生的信号辐射。光敏二极管当其不受光照的条件下处于截止状态,而在光照条件下则处于导通状态。

在实验中如何正确的选择合适的光电转换器,需要有三点考虑,第一,所使用材料的响应频段对光照信号的影响；第二,材料的噪声影响对于接收端信号的处理方式；第三是光电效应产生的效率曲线对于输出信号的传输误差。在本文中,我们采用的是P6713型号的光电转换器。其归一化光谱响应曲线如图7所示。

图7 P6731光电转换器归一化的响应曲线Fig.7 P6731 photoelectric conversion normalized response curve

此型号的主要光学、电学参数如表1所示。

本实验中通信所用的光波为61 MHz的1 550 nm方波,归一化响应系数为1.21,这可以满足将光信号转换成电信号的需求。

表1 光电转化器相关参数要求说明Tab.1 The photoelectric conversion parameters asked for clarification

2 实验结果的测试和分析

根据前文实验系统的搭建方面考量,按照图10所示搭建系统平台。在MIMO无线光通信的实验测试中,根据光波信号的波长进行光电转换器的选择和测试,光学阵列天线起到输出和接收信号的主要作用,理论分析得出所选波长和器件均可以很好符合实验要求和目标。现将其结果进行相应的反馈和实验。

由于本实验所产生的光信号均是通过器件光电转换器在示波器上的波形显示来反映,光电转化器对于光功率有严格限制,输出的光信号是通过光衰减之后效果进行考量,在温度这方面因为光电转换器在工作时候的温度相当高,所在在显示的时候会出现略微的松动迹象,这对光电输出是一个极大的考验,根据实验实测,得出如图8的(a)、(b)两幅图。

从图8(a)可以看出,单路子天线的最大幅值为250 mV,经过一段距离的传输与损耗,脉冲的上升时间是逐渐变长的,而且方波的基本轮廓也已经不是很清晰了,这都是由于在传输过程中会受到大气湍流的影响和大气背景光的影响而造成的。图8(b)显示的波形比起单路天线已经有很大程度上的改善,可以得出结论,采用四路阵列天线进行输出可以有效地避免因为大气湍流和大气背景光所造成的影响。上升沿和下降沿都比起单路输出有明显的改善。

接下来通过分析对比通过光纤光栅构成的光滤波器的信号改良情况。由于实验中采用的是反射波长为1 550 nm的光纤光栅,它的反射率不是很高,使得通过光纤光栅之后的光功率会变小,导致在示波器上观测不到光波波形,为了改变这种情况,通过EDFA技术进行信号功率的增强,图9反映了在加入EDFA技术后,通过光滤波器之前和之后的光信号质量改变反馈图。

图8 单路子天线与四路信号耦合的波形显示效果Fig.8 Single waveform signal path coupled to the antenna and four display

图9 通过光滤波器前后光信号质量对比图Fig.9 By comparison chart before and after the optical signal quality optical filters

从图9(a)可以看出,通过EDFA放大之后经过光滤波器的波形图,可以看出,虽然光信号的功率得到了增强,但是同时也引入了很多噪声信号和干扰信号,使得波形质量劣化更加严重,噪声信号明显增大。图9(b)则反映了经过光环行器和光纤光栅的光信号的波形,可以看出,波形质量得到了极大的改善,通过EDFA技术放大的更明显的噪声干扰信号已经有效的去除,信噪比也大幅度提升。但是同时,对于EDFA技术处理过的光信号放大信号的波形确不能有效的改善,从而,要想完全还原输入信号,还需要在后续的器件改进中得到加强。

3 结束语

文中主要是基于MIMO无线光通信技术进行实验,讨论了无线光系统构成和部分原理参数的设计,选择出最符合实验需求的器件和结构,将理论与实际相结合,搭建了一个有效的MIMO无线光通信的实验平台,并通过理论推导得出阵列天线对于改善光输出信号的可行性研究,阵列天线在改进信噪比方面具有很大优势。同时,根据实验需求,证明了光纤光栅和光环行器对于改善无限光信号方面起到的重要作用,确实可以起到改进因为大气湍流和大气背景光造成的噪声干扰的信号质量作用。MIMO通信技术具有很大的应用价值,但很多现实问题亟待解决,距离大规模使用还有很长一段路要走。

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[4]Smolyaninov I I.Long-distance 1.2 Gb/s optical wireless communication link at1550 nm [C].in International Symposium on Optical Science and Technology,International Society for Optics and Photonics,2002.

[5]IEEE Standards Coordinating Committee 22 on Power Quality,IEEE Std 1159-1995.IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality[S].1995.

[6]柯熙政,席晓莉,无线激光通信概论[M].4版.北京：北京邮电大学出版社，2004.

[7]肖杰,王平.卫星光通信技术[J].数字通信世界,2009(6)：33.

[8]艾勇,陈晶,叶德茂,等.2.3 km距离 1.25 Gb/s速率自由空间光通信实验[J].光通信技术,2007(9)：55-57.

Experimental study of MIMO wireless optical communication diversity reception system

ZHOU Zhong-mou,CHEN Zhi-kai
(Jiangxi Electric power Corporation of the State Grid Corporation of China,Xinyu 338025,China)

This article based on the analysis of the optical communication system MIMO unlimited organizational structure and system configuration,based on the principles and parameters for which a brief description,and select the device and the structure of the most consistent with diversity reception system experiments,built on MIMO wireless optical communications the experimental platform,and on the basis of experimental testing and optimization,came to the conclusion that the light array antenna can improve wireless optical communication system communication effectiveness and quality,and can increase the signal to noise ratio.On this basis,the fiber grating obtained by a combination of experimental and theoretical approach as a filter can effectively improve the performance of air communication systems.

wireless optical communication；diversity reception system；atmosphere communications；SNR

TM933.4

：A

:1674-6236(2015)23-0145-04

2015-04-08稿件编号：201504072

周仲谋(1973—)，男，江西奉新人，高级工程师。研究方向：光通信技术。