基于OQPSK调制的FSO系统性能探究

宫玉琳

（长春理工大学 电子信息工程学院，长春132022）

基于OQPSK调制的FSO系统性能探究

宫玉琳

（长春理工大学 电子信息工程学院，长春132022）

在Q PSK调制和解调的基础上，研究和分析了O Q PSK(偏移正交相移键控)格式调制和解调原理，深入研究了基于O Q PSK格式的自由空间光通信（FSO）系统性能，采用马赫增德尔调制器(M ZM)实现光O Q PSK调制和相干解调结构的设计。在新型光学软件平台上，搭建光O Q PSK的光通信系统并实现系统仿真。由仿真结果可以看出：O Q PSK光通信系统性能优于Q PSK光通信系统，更适合长距离传输的要求。

正交相位偏移键控；偏移正交相移键控；自由空间光通信；调制；解调

0　引言

随着信息时代的到来，自由空间光通信（FSO）由于其高速、安全及容量大等特点被广泛应用到各个领域。由于光通信易受到大气扰动等影响，因此实现高速、高灵敏度仍然是光通信的关键技术。近几年，基于新型调制格式的相位调制由于其可以满足大容量、长距离传输和交换的要求备受关注。本文在总结正交相位偏移键控(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)调制和解调的基础上，提出偏移正交相移键控（Offset Quadrature Phase Shift Keying,OQPSK）调制和解调方法，并将其应用于自有空间光通信系统中。在新型光学仿真软件(Optisystem)平台上实现系统仿真分析，仿真验证其可行性。

1　OQPSK调制/解调原理分析

1.1QPSK调制/解调原理

QPSK也叫做四进制相位偏移键控，采用4个相异的载波相位来传输离散数字信号的调制方法[1]。由通信原理可知，QPSK正交调制信号的表达式为：

QPSK调制后的信号可由两正交载波的二进制相移键控 (Binary Phase Shift Keying,BPSK)线性叠加而得，经串并转换后I路和Q路可以看做传输比特速率为Rb/ 2的BPSK，则QPSK的比特速度为Rb。QPSK调制结构有串联和并联两种方式，由于其并联方式结构相对简单[2]，设计中采用两个MZM并联的方式设计QPSK调制结构，解调采用相干探测结构，光电转换管采用雪崩光敏二极管（APD）实现将光信号转换为电信号。QPSK信号调制/解调框图如图1所示。

图1　QPSK信号调制/解调框图

1.2OQPSK调制/解调原理

OQPSK是一种恒包络调制技术，由于其频谱特性好，频谱利用率和功率利用率高等特点，广泛应用于光纤通信中。OQPSK是在QPSK的基础上改进的高级调制格式，OQPSK信号可以看作是时延的QPSK信号。虽然该调制方式与QPSK调制方式一样，将码元分成同相和正交两路，但是QPSK信号的两路正交信号的码元是同步的，而OQPSK的两路码元在时间上错开半个码元周期，OQPSK信号形式一般表示为[3～6]。

OQPSK信号是在QPSK信号的Q支路上延迟Ts/2个周期，因此OQPSK信号每次只有一个支路可能发生极性翻转，因而不会出两个支路码元极性同时翻转，这样就避免了QPSK格式上的π相位跳变。OQPSK信号跳变的相位只有0°和90°两种可能。OQPSK信号的比特率是QPSK的两倍。OQPSK调制/解调结构可以采用QPSK调制解调结构，但在调制和解调时，均是在QPSK的Q支路上加上一个Ts/ 2(半个周期)的延时。基于OQPSK的相干光通信系统框图如图2所示。

图2　基于OQPSK的光通信系统框图

2　系统仿真及分析

根据上一节的理论分析，在新型光学仿真软件Optisystem仿真平台上搭建QPSK和OQPSK的FSO调制解调系统。仿真参数选取波长为1500nm的连续光源，Optisystem库选取自带的大气信道，频率为193.1THz，线宽为10MHz，调制速率为2.5Gb/s，伪随机码序列的频率为2.5GHz，APD光电管的增益为10，暗电流为10nA，响应率为1A/W，激光器发射功率为40dB，传输距离 5km，信道衰减为5dB/km，发射和接收损耗均设为 5dB，发射孔径 5cm，而接收孔径为20cm，本振激光与信号激光器频率相同，并且设两个光源的相位差为30°，软件模拟锁相环节满足零差 探测[7,8]。基于QPSK调制的光通信调制、解调和眼图如图3和4所示。

图3　QPSK信号调制和解调波形图

图4　调制后的光谱图和眼图

由图3可以看出，该系统可以完成对QPSK的调制解调且解调效果良好，说明该系统在FSO信道下可以实现完好的调制和解调功能。由接收端的眼图4可以看出，在传输距离5km且信道中伴随着衰减的情况下，系统仍能实现很好的通信效果，眼图张开角度很大，而且眼线平滑，说明基于QPSK调制的光通信系统具有较好的通信性能。仿真结果如表1所示。保持上述仿真参数不变，按照图2所示搭建基于OQPSK的光通信系统,仿真结果如图5所示。调制后的光谱图如图6所示。

表1　QPSK光通信系统仿真结果

图5　I路和Q路的解调后的波形图

图6　调制后的光谱图

由图5和图6可以看出，该系统能很好地实现调制和解调功能。对比QPSK 调制和OQPSK的光谱图可知，OQPSK的光功率比QPSK 有所提高，约提升了10dBm，这说明OQPSK调制的光通信系统性能更加优越。

由仿真结果图7可以看出，在相同弱湍流信道下，当发射功率为45dB，传输距离20km时的眼图张开角度仍然很大，系统误码性能良好，而且此时眼图形状与发射功率40dB，传输距离5km时的眼图几乎一样，眼图分析仪测试的结果如表2所示。

对比表1和表2可知，两种不同调制方式的Q值和最小误码率近似相等。这说明在相同信道条件下，OQPSK可以传输更远的距离，而且通信质量良好。因此，基于OQPSK的光通信系统其传输性能要优于采用QPSK调制方式的传输性能。

图7　发射功率45dB，L=20km时的OQPSK眼图

表2　OQPSK光通信系统仿真结果

3　结束语

本文主要研究了QPSK和OQPSK的调制和解调原理，并采用该调制方式构建FSO系统。利用optisystem光学仿真软件，搭建了FSO传输系统仿真平台，实现了两种调制方式的光通信系统仿真。从实验结果可以看出，基于QPSK和OQPSK的光通信系统均具有良好的通信性能，而且OQPSK光通信系统性能优于QPSK光通信系统，更适合长距离传输，进一步验证了高级调制格式的FSO通信系统的正确性。

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Performance of FSO system based on OQPSK modulation

GONG Yu-lin
Changchun University of Sience and Technology, Electronic Information Engineering College,Changchun 132022,China)

In the paper,the modulation and demodulation principle of OQPSK(offset positive photograph shift keying)format has studies and analyzes based on the QPSK modulation.And the free space optical communication(FSO)system performance based on OQPSK format has depthly studied.And the structural of optical OQPSK modulation has desigened using MZM and coherent demodulation.On the new type of optical software platform,the optical OQPSK communication system has designed and the system simulation has realized.As can be seen from the simulation results,OQPSK optical communication system performance is better than that of QPSK communication system,it is more suitable for long distance transport requirements. Therefore,OQPSK format can be applied and FSO system.

QPSK,OQPSK,FSO,modulation,demodulation

TN929.11

A

1002-5561（2016）05-0029-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.05.009

2015-12-16。

宫玉琳（1983-），男，博士，讲师，主要从事激光通信技术方面的研究。