相位补偿技术在无线光通信中的应用*

2016-07-05王志华龚哲兮郭鹏展

通信技术 2016年4期

关键词：误码率

王志华，龚哲兮，郭鹏展

(中国电子科技集团公司第三十研究所,四川成都610041)

相位补偿技术在无线光通信中的应用*

王志华，龚哲兮，郭鹏展

(中国电子科技集团公司第三十研究所,四川成都610041)

摘要：大气的湍流运动所导致的大气折射率随时间和空间变化会引起大气湍流效应，主要包括光强闪烁、相位波动、光束漂移和光束扩展等，会增大误码率和缩短通信距离。通过研究相位补偿技术提升通信系统性能，建立了相位补偿相干系统模型，分析了相位补偿参数补偿阶数、归一化接收孔径，湍流参数湍流外尺度、功率指数对系统误码率的影响，并找到达到最优误码率的最佳参数，对有效克服大气湍流效应的干扰，保证无线光通信系统正常工作具有十分重要的意义。

关键词：大气湍流；相干探测; 相位补偿；相位失真；误码率

0引言

大气湍流引起的相位波动对相干探测系统影响很大，相干探测系统是把信号加载到相位上，相位失真可能相干探测的准确率有很大的影响，严重的相位失真可能会使相干探测失效，而相位补偿技术是解决相位失真的一个有效的方法[1]。本文将介绍相干探测系统的原理，并分析相位补偿技术在相干光通信系统中的应用，研究相位补偿对相干系统性能的提升。

1BPSK-相干探测系统

相干通信体制是指由基于相干探测(Coherent Detection)和相应的调制方式的通信体制。在发送端，采用光调制方式把原信号以调幅、调相或者调频的方式调制到光载波上，经过光发射器传输出去，图1是相干光通信发射机框图。经过光学通道后到达接收端，首先由接收机接受，进入光混频器与本地光振荡器产生的光信号进行相干混合，然后由光电探测器进行探测，图2是相干光通信接射机框图。

图1　相干光通信发射机框

图2　相干光通信接射机框

在接收端，光接收机有两种基本类型，功率探测接收机和相干接收机。功率探测接受机又称为直接探测。相比直接探测，相干检测自身具有的诸多优点使得它在空间激光通信中有显著的优势，主要表现在以下方面：

(1)因为在相干检测中发生了较强本振光与接收信号光的混频，使得它本身具有比直接检测更高的灵敏度。在条件相同的情况下，相干检测比直接检测的灵敏度可高出20 dB，其灵敏度可接近散粒噪声极限，这成为了相干检测的主要优势。

(2)相干检测的抗干扰能力和选择性都明显优于直接检测。在相干检测中，光电检测器所检测的是接收信号光与本振光混频之后的光信号，所以只有与之对应的中频噪声才可能进入检测系统，其它频带噪声都会被过滤掉。这种良好的波长选择性使得在运用波分复用时可以大大缩小频率间隔，这对于提高传输速率十分有益。

(3)相干检测的调制解调方式十分多样，为其应用提供了更多选择。在相干检测中采用幅度调制、频率调制、相位调制等多种调制方式时，信息可以加载到各种波动参数上并被检测出来，这种全息检测所提供的灵活性是直接检测难以实现的。

正是因为相干检测在空间激光通信中具有这些显著的优势，所以在相关研究中都将相干检测作为检测方式的最优选择，因此在本文中对系统性能的研究，也都是针对相干检测而言的。在相干探测中，接收机的光电探测器响应的是由本振光和信号光叠加产生的光场。通过较强的本振光与接收信号光场的空间相干来改善系统的信噪比[2]，从而达到提高系统探测灵敏度，增加链路传输距离的目的。根据本振光频率与接收到的信号光频率是否相等，相干检测可以分为零差检测和外差检测。当本振光频率与接收到的信号光频率相等时，这种检测成为零差检测，零差检测有很高的灵敏度，但是要求本地载波和信号频率必须同步，这种方式很难实现，因此我们更多的使用外差检测系统。当本振光频率与接收到的信号光频率并不相同时，这种检测成为外差检测。外差接收系统不需要复杂的光学锁相环对信号与本振光频率和相位锁定，对激光的线宽要求也降低很多，因此本文利用外差接收系统，相干光通信外差接收机系统示意图如图3所示。

图3　相干光通信系统外差检测接收机示意

相干探测系统具有高灵敏度[3]，但同时，它更容易受到大气湍流的影响，严重的相位起伏甚至可能使得相干探测失效[4]，因此需要校正系统对经过湍流大气后的失真相位进行补偿。经过补偿后的剩余相位方差会有显著的减小，在之后的部分，我们会研究相位补偿技术在相干系统中的应用。

2相位补偿相干系统模型

2.1系统理论模型

只有在接收机对相位波动进行补偿，否则相位波动会严重影响系统性能，但是前提是外差降频转换能得到电信号，并在接收机能追踪到大气湍流引起的相位波动[5]。为了研究大气湍流对相干接收机性能的整体影响，在研究系统性能的过程中，需要同时考虑幅度和相位的起伏[4]。在接收机平面的光场可以表示为：

A=ASexp[χ(r)-jφ(r)]

(1)

式中，AS是不考虑大气湍流时的光波幅度，χ(r)表示湍流引起的光波的对数振幅，φ(r)表示湍流引起的光波的相位起伏，r表示在接受平面上的位置。在外差探测系统中，从探测器中出来的带有信息的光电流iS为：

iS=ηA0AS∫drW(r)exp[χ(r)]·

cos[2πΔft+Δφ-φ(r)]

(2)

式中，η表示光检测器的量子效率，A0表示本地振荡器产生信号的振幅，W(r)表示孔径函数(在接收孔半径以内孔径函数取1，在接收孔半径以外则取0)，Δf与Δφ分别表示信号与本地振荡器信号的频率差与相位差。对方程(2)中的频率差Δf取时间平均，从而得到平均光信号功率为：

(3)

式中，D为接收机直径，而ξr和ξi是中两个积分的归一化，它们的表达式为:

(4)

如果本地振荡器的散粒噪声占主要作用，那么每单位带宽噪声的平均功率为：

(5)

式中，e为元电荷电量。由式(3)及式(5)可以得出信噪比SNR为:

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

2.2信噪比分析

系统的平均信噪比可表示为：

(12)

利用(7)式所示的与的关系，通过雅克比行列式变换，可以求得信噪比的概率密度函数为:

(13)

当我们只研究相位波动对系统的影响时，暂时不考虑光强起伏对系统的影响，上式可变为闭合形式：

(14)

2.3误码率分析

理想情况下，对于同步外差检测系统，平均误码率(BER)能够由下式得到[1,6]：

(15)

(16)

式中，erfc(x)表示误差补余函数。

则这样误码率就能通过χ2分布来描述，将式(13)和式(16)带入式(15)，误码率的表达式为:

(17)

我们着重研究相位波动对无线通信系统的影响，当幅度起伏相比相位起伏可以忽略时，将式(14) 和式(16)带入式(15)，误码率可以表示为：

(18)

3系统性能分析

这一部分会研究相位补偿技术对系统性能的提升。研究了不同补偿阶数下的系统误码率性能，得到了获得最小误码率的优化归一化接收孔径的值。

图4　补偿阶数对系统误码率的影响

图5描述了在没有幅度起伏，并且补偿阶数J=8的情况下，系统性能与归一化接收孔径D/ρ0的关系。从图中可以看出，随着D/ρ0的减小，误码率下降。这是因为系统只受到相位起伏的影响，而相位起伏和归一化接收孔径D/ρ0有正相关的关系，相位方差随着归一化接收孔径D/ρ0的减小而减小，从而误码率下降。

图5　归一化接收孔径对系统误码率的影响

图6　误码率随不同补偿阶数和归一化接收孔径的变化

图7　功率指数α对系统误码率的影响

图8　湍流外尺度L0对系统误码率的影响

4结语

基于相干 BPSK 外差检测系统，本文分析了使用相位补偿技术对系统的性能提升。在相位上携带信息的相干探测系统具有高灵敏度，但是它对大气湍流的影响更为敏感。相位补偿技术的引入弥补了这一缺陷，使得相干接收能够顺利进行。本文对影响相干系统性能的相位补偿参数补偿阶数、归一化接收孔径，湍流参数湍流外尺度、功率指数，结合系统误码率进行了研究。得到了在不同补偿阶数下达到最优的误码率的最小归一化接收孔径。

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Phase Compensation Technology in Wireless Optical Communication

WANG Zhi-hua, GONG Zhe-xi, GUO Peng-zhan

(No.30 Institute of CETC, Chengdu Sichuan 610041,China)

Abstract：Atmospheric refractive index, resulted from atmospheric turbulence, would cause atmospheric turbulence effects along with the change of time and space, mainly including intense scintillation, phase fluctuation, beam drift and beam expansion, thus increasing the BER and shortening the communication distance. By studying the phase compensation technology and enhancing the performance of communication system, a coherent phase compensation system model is established.Phase compensation parameters compensation order, normalized receiving aperture, outer scale of turbulence parameter and the impact of power index BER system are all analyzed. Finally, the best parameters to achieve the optimal BER are found, and this of great significance in effectively overcoming the interference of atmospheric turbulence and guaranteeing the normal operation of wireless optical communication system.

Key words：atmospheric turbulence; coherent detection; phase compensation; phase distortion; BER

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.04.006

*收稿日期：2015-11-16；修回日期：2016-02-28Received date:2015-11-16；Revised date：2016-02-28

中图分类号：TN929.12

文献标志码：A

文章编号：1002-0802(2016)04-0413-05

作者简介：