全双工逆向调制自由空间激光通信系统的设计与分析

李长盈，杨国伟，毕美华，李 晶，李 娜，耿虎军

(1.杭州电子科技大学 通信工程学院，浙江 杭州 310018；2.中国电子科技集团公司航天信息应用技术重点实验室，河北 石家庄 050081)

0 引言

近年来，由于自由空间光通信(FSO)技术具有可实时传输高分辨率视频和连续图像的优点[1]，而被广泛研究，特别是在最后一公里接入系统中能够较好地解决带宽瓶颈问题[2-3]。传统的FSO链路两端需要装载激光发射/接收系统和复杂跟踪捕获(ATP)系统[4-6]，传统FSO系统的重量、体积和功耗等是限制FSO技术发展的重要因素[7-8]。将传统FSO系统的一个终端替换成MRR端而构成的一个非对称FSO系统，免去FSO链路中一个终端激光发射器和ATP系统[9]，MRR FSO系统充分利用MRR的逆向反射特性，使得MRR端具有无需激光器和复杂的ATP系统、尺寸小、功耗低以及结构稳定等优点[1]。除此之外，学者们还提出了使用角立方反射器(CCR)阵列作为FSO系统的无源发射器，将光信号反射回激光源的方案[10]，具有尺寸小、低功耗和优异对准的优点。

早在1996年，美国犹他州州立大学便通过对31 km的地对空通信链路进行通信链路预算以及从MRR端返回的调制信号波形[11]验证了地对空MRR FSO通信链路的可行性。之后，由美国海军研究实验室(NRL)分别在2005年和2006年进行了角反射器和猫眼反射器的MRR岸到船激光通信实验[12-13]，并在2007年实现了传输速率2 Mbps、距离16.2 km的半双工岸到岸通信链路，期间进行了无人飞行器与地面之间的MRR FSO通信实验，充分证明了MRR FSO系统应用在无人机、小卫星和浮标等对体积、载重和功耗有严格限制的小平台的可能性。此外，NRL同时将不同的调制方式应用在MRR FSO系统中，成功地将调频(FM)的音视频信号加载到MRR FSO光载波上进行通信演示，还采用正交幅度调制(QAM)来提高MRR FSO链路的数据传输速率[14]。近年来，国内研究机构不断加大对MRR FSO通信系统的研究，西安理工大学在理论上分析了在Log-normal信道下的平均接收光强[15]，大连大学丁元明等给出了水下的MRR FSO链路性能分析[16]，长春理工大学提出了基于光纤环形器的双波长全双工MRR FSO系统[17]。到目前为止的大量工作验证了MRR FSO系统在多种应用环境中的可行性和稳定性，更加明确了MRR FSO系统的广泛应用前景。

但就目前而言，关于MRR FSO系统双工通信的研究资料并不多，针对MRR FSO系统的主要研究还是停留在接收检测和提升优化MRR端调制速率和调制方式上。最早在FSO系统中采用全双工通信方式的研究是2003年加州理工学院研究者在FSO系统两端均采用开关键控(OOK)编码[18]，但由于前向链路对后向链路信息编码的影响，只进行了理论工作上的研究，并未进行系统实验。之后一年，墨西哥大学的一位学者对FSO系统中不同的编码方式进行了分析[19]，为在采用单波长单光束的MRR FSO系统中实现全双工通信，采用圆偏振键控(CPK)编码。

本文针对未来超高速信息传输与小型化链路的需求，构造了一套新颖的MRR FSO系统，其中光收发机端由光源模块、信号处理模块、光探测器模块和共用光学天线模块组成。共用光学天线模块采用较大孔径的反射式天文望远镜系统。MRR端由光学天线模块、光探测器模块、MRR模块和信号处理模块组成。研究逆向调制激光通信系统机理及实现路径，然后结合现有通信测控的远距离高速率的需求，对本系统进行远距离测试，验证该MRR FSO系统的合理性和可行性，为进一步研究做准备。

1 MRR FSO系统构架

MRR FSO系统如图1所示。在该系统中，光收发机端向MRR端发射带有调制信号的激光光束，在MRR端将一部分光束进行解调并恢复数据信息，另一部分光束由MRR二次调制后逆向反射回收发机端，实现系统的下行链路[20]。

图1 MRR FSO系统结构

本文搭建的长距离MRR FSO实验系统，基于图1的基本原理，该系统主要由光收发机端和MRR端两部分组成。光收发机端包括信号处理模块、光源模块、光探测器模块和共用光学天线模块。MRR端由光学天线模块、光探测器模块、MRR模块和信号处理模块组成。下面就实验系统各部分进行简要说明。

1.1 光收发机端

光收发机端的结构框架如图2所示。光源模块由激光光源与电光调制器组成，光源由2个不同波长的光源组成，选用1 550 nm波长的激光用作信息通信，可见光波段635 nm波长的光用作标识光，不加载调制信号。在光收发机端的信号处理模块在整个实验系统信息传输过程中起到2个作用：① 调制发射信号，产生控制激光器的调制信号；② 对光探测器模块中检测到的光信号转化成电信号进行相应信号处理，还原信息中有效数据部分并进行数据恢复、误码率计算等处理。为了达到高速传输的目的，要求光源模块中的电光调制器和信号处理模块具有较大的调制速率和数据采集接收、分析能力，还要对所要传输的数据在传输前进行编码预处理；同时，当接收到数据时，要有足够的储存空间进行数据存储和信息解码，同时要对信息进行相关校验处理，降低传输和接收延时，进行误码率计算，以达到高速率通信的目的。

图2 光收发机端的结构框架

如图2所示，光收发机端共用光学天线模块由滤光片、二向色镜和较大孔径的反射式天文望远镜系统组成。其中，滤光片(Thorlabs FBH1550-12)的主要作用是滤除635 nm附近波段以外的光，只允许相应中心波长范围内的光通过(透过率在中心波长处可达97%)。而二向色镜(ThorlabsDMLP950)的主要作用是将2束不同波长的光束进行分束或合并，图3展示了通过二向色镜将不同波长光束进行合并或分束[21]。本文选用的二向色镜(Thorlabs DMLP950)透射波段的中心波长是1 550 nm，反射波段的中心波长是635 nm(相应中心波长处透过率和反射率接近100%)。

图3 二向色镜的应用

反射式天文望远镜系统的基本原理如图4所示，采用抛物面反射镜作为主反射镜，一个与主镜成45°角的反射镜作为第二反射镜，使经主镜反射后的光汇聚至成像平面，在成像平面与第二反射镜之间加相应焦距的目镜可以实现平行光出射[22]。

图4 反射式天文望远镜系统

1.2 MRR端模块

MRR端结构如图5所示，由接收天线、光探测器模块、信号处理模块以及MRR模块4部分构成。其中，MRR模块采用可调制液晶光阀和角锥棱镜(Corner-Cubereflector，CCR)组成，其目的是将入射光束加载调制信号进行原路返回。信号处理模块与收发机端相一致，进行编码预处理以及信号后处理。

图5 MRR端的结构框架

1.3 MRR FSO系统光路过程

收发机端激光出射的过程如下：首先携带数据信息的1 550 nm的光束从电光调制器中出射，同时与通过带孔反射镜中央小孔，对1 550 nm的光束近乎完全透射的滤光片和完全反射的二向色镜出射的635 nm光束合束(在上行链路635 nm光束主要用作标识光)，合束后的光束经望远镜系统出射，在经过望远镜系统的抛物面反射镜时光束会扩大，相当于扩束镜的作用，使出射光斑变大，同时反射式望远镜系统还有减小出射光束发散角的作用。

激光从望远镜系统中出射，在大气环境中传播一段距离后到达MRR端，实现上行链路的传输，其中部分光被1 550 nm波段光探测器检测，输出电信号经过滤波放大后输入信号处理模块进行数据解码和误码率测试；另一部分混合光束通过MRR，实现二次调制，从MRR端反射回收发机端，其中由于液晶光阀对1 550 nm光束不起作用，即经过MRR端调制的是可见光。望远镜系统收集通过MRR端反射回来的光信号，通过二向色镜将从目镜中出射的光束进行分束，将经MRR端调制的635 nm光束反射至光探测器模块，输出电信号经过信号处理模块实现数据还原和误码率测试，从而实现下行链路的数据传输。

为实现MRR FSO系统的远距离传输，MRR端可以考虑采用MRR阵列来增大有效反射面积，降低捕获难度。MRR阵列在通信距离较短时可以作为空间复用系统来提高数据传输率，在通信距离较远时则可以作为空间分集系统来提高通信链路稳定性。

2 MRR FSO系统与实验测试

2.1 室内MRR FSO系统实验

由于室外测试的诸多不确定性和不方便因素，实验前期将本系统在室内试验台上进行搭建，进行了简单、短距离和低速率测试，其主要目的是进行理论验证。在室内实验台上搭建MRR FSO系统如图6所示，其单光程长为110 cm，收发机端调制速率为1 MHz，MRR端调制速率为1 kHz。

图6 实际光路系统(单程长110 cm)

在现有的实验设备下，实验结果如图7所示。其中，图7(a)为MRR端检测到来自收发机端的数据信息，图7(b)为经MRR端调制回复反射信号。

(a) 上行链路1 MHz (b) MRR端调制速率1 kHz图7 室内MRR FSO通信系统实验测试

2.2 长距离MRR FSO系统实验

本实验在有限条件下进行测试，MRR端距收发机端距离为180 m。因激光从望远镜系统目镜中出射，首先通过第二反射镜反射至主反射镜，主反射镜中心部分又会反射回第二反射镜，故在MRR端未加CCR时收发机端光探测器上便有一定的反射光斑。图8(a)为未加CCR反射时的经带孔反射镜返回的光斑，图8(b)为加CCR反射时的经带孔反射镜返回的光斑，经过比较是可以明显观察到返回的光斑的。

(a) 未加CCR反射光斑 (b) 加CCR反射光斑图8 长距离MRR FSO系统实验效果

将MRR端加载1 kHz的调制信号，收发机端探测器模块检测到的信号波形图如图9所示

图9 经MRR端返回的信号

3 结束语

本文研究设计的一套长距离全双工MRR FSO系统，将传统MRR FSO系统收发机端用上述收发机端来代替，一方面光收发机端将通信光束和可见光波段光束有效地整合在一起，可以通过可见光波段在远端光斑位置来确定红外光束在远端位置；另一方面采用较大孔径的望远镜系统，用来减小输出光束发散角和增加接收孔径，在通信距离较远时则可以作为空间分集系统来提高通信链路稳定性，该系统前期将主要用于中远距离回波信号测试和链路预算分析。目前液晶光阀最高的调制速率只能到kHz级别，MRR端调制速率受限，同样是限制回复反射通信速率的重要因素。未来工作会对上述问题进行研究，优化实验系统结构，减弱相关因素的影响，为实现长距离、高速率MRR FSO通信做进一步工作。

[1] ACHOUR M.Free-space Optical Communication by Retromodulation：Concept，Technologies，and Challenges[J].Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering，2004：52-63.

[2] GHASSEMLOOY Z，POPOOLA W，RAJBHANDARI S.Optical Wireless Communications System and Channel Modelling with Matlab[M].United States：CRC Press，2012.

[3] BENTLEY E，MINH H L，PESEK J，et al.Modeling of Fog and Smoke Attenuation in Free Space Optical Communications Link，Under Controlled Laboratory Conditions[J].Journal of Lightwave Technology，2013，31(11)：1720-1726.

[4] 孟立新，刘坤明，张立中，等.野战激光通信中多口径发射与大口径接收试验研究[J].应用光学，2013，34(6)：909-913.

[5] 王远亮.自由空间光通信系统的关键技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2007.

[6] 吴笛.自由空间光通信系统的设计及性能分析[D].杭州：浙江大学，2007.

[7] 张来线，孙华燕，樊桂花，等.猫眼逆向调制自由空间激光通信技术的研究进展[J].中国光学，2013，6(5)：681-691.

[8] STOTTS L B，STADLER B.Free Space Optical Communications：Coming of Age[J].Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering，2008：69510W.

[9] 孙华燕，张来线，赵延仲，等.逆向调制自由空间激光通信技术研究进展[J].激光与光电子学进展，2013，50(4)：30-38.

[10] GOETZ P G，RABINOVICH W S，MAHON R，et al.Modulating Retro-Reflector Lasercom Systems for Small Unmanned Vehicles[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2012，30(5)：986-992.

[11] GILBREATH G C，RABINOVICH W S，MEEHAN T J，et al.Large-aperture Multiple Quantum Well Modulating Retroreflector for Free-space Optical Data Transfer on Unmanned Aerial Vehicles[J].Optical Engineering，2001，40(7)：1348-1356.

[12] PETER G G，WILLIAM S R，MAHON R，et al.Modulating Retro-reflector lasercom Systems at the Naval Research Laboratory[C]∥Military Communications Conference，2010-Milcom,IEEE，2011：1601-1606.

[13] GOETZ P G，RABINOVICH W S，MAHON R，et al.Modulating Retro-Reflector Devices and Current Link Performance at the Naval Research Laboratory[C]∥IEEE Military Communications Conference，2007：1-7.

[14] GOETZ P G，FUNK E E，MAHON R，et al.Quadrature Amplitude Modulation in Modulating Retroreflector System[J].Electronics Letters，2003，39(20)：1463-1464.

[15] 丁德强，柯熙政.非对称回复反射自由空间光通信链路性能[J].应用科学学报，2010，28(4)：337-341.

[16] 丁元明，孔婉琦，王雪.水下调制回复反射光通信的链路性能研究[J].计算机仿真，2013，30(5)：195-198.

[17] 张鹏，王天枢，杨国伟，等.全双工逆向调制回复空间光通信系统性能评价[J].红外与激光工程，2015，44(8)：2506-2510.

[18] GAO J L.Optical Retroreflector-based Sensor Networks for In-situ Science Applications[C]∥IEEE Aerospace Conference，2003：3_1295-3_1302.

[19] SHAY T M，MACCANNELL J A，GARRETT C D，et al.First Experimental Demonstration of Full-duplex Communication on a Single Laser Beam[J].Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering，2004，5160(2)：129-142.

[20] FARESAit Salma，ADACHI Fumiyuki.Mobile and Wireless Communications Network Layer and Circuit Level Design Part 3[J/OL].http：∥In-Tech Web.Org.

[21] 马骏，朱日宏，陈帆，等.基于二向色镜45°入射的光谱合成装置及方法[P]，2016.

[22] 百度百科.牛顿望远镜[EB/OL]http：∥baike.baidu.com/item/牛顿望远镜/8355304