结合WDM-PI的多光束发射无线光通信系统性能分析

董亚欢，付强，刘哲绮

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

无线光通信技术已经成为了现代人日常生活中不可或缺的一部分。随着人们对通信需求的增加，利用现有设施同时提升通信系统通信容量和通信质量就变得极其重要。自由空间光通信（Free space optics，FSO）也被称为无线光通信技术（Wireless optical communication，WOC），是一种非常有前景的信息传输技术[1-3]。FSO链路具有通信容量大、抗截获能力强、不占用无线电频谱资源、部署成本低、安装过程简单快捷等优点[4-6]。波分复用（Wavelength division multiplexing，WDM）是可提高光链路带宽能力技术中的一种[7]，将两种或多种不同波长携带信息的光载波信号在发送端经复用器复用在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输；在接收端，经解复用器将各种波长的光载波分离，然后恢复原信号。这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用。WDM在原有基础通信设施之上，可用于提高光学系统的带宽容量[4-5]。随着通信业务的急速增长，系统容量的提高势在必行，为了在已铺设光纤网络的基础上完成大容量信息的传输，实现快速、低成本的系统升级，业内人士不断研究新的光通信复用技术，其中将偏振复用技术应用于光通信系统引起了众多专家学者的极大关注。偏振复用技术利用光在单模光纤中传输时的偏振特性，用传输波长的两个独立且相互正交的偏振态分别传输两路信号，成倍提高了系统容量、增加了频谱利用率，是可以升级现有设备通信容量的关键技术。在偏振复用技术的基础上，使用偏振交错（Polarized interference，PI）可以减小信道间的非线性影响，为了提升无线通信系统的传输容量，减小传输损耗，现提出WDMPI多光束发射无线光通信传输系统。

最早在2005年，Vanden等人[8]首次提出偏振交错可以减小信道间的非线性传输的影响，且论证表明了，对于多个共传播信道，极化交错最小化了非线性效应。首次证明了通过偏振交错传输可以减少偏振复用传输中的非线性效应损耗，开创了利用偏振交错提高传输质量的先河。2014年，CHAUDHARY等人[9]结合 WDM-PI交叉方案对卫星间通信系统的湍流进行研究。在发射机和接收机指向误差角扰动下，能够在两颗卫星之间1 000 km的星间光链路上传输120 Gbps。2015年，SHARMA 等人[10]研究了在传输指向误差的影响下，采用波分复用和偏振交错混合方案成功传输1 000 km以上120 Gbps的高速数据。同年，他们采用相同的方案，在3 500 km的星间链路上进行6个信道的传输，在3 500 km的星间链路，显示成功传输20×6 Gbps数据。该系统只分析了真空基本无信道衰减的仿真结果。2016年，SHATNAWI[12]将偏振交错应用于星间通信，首次实现将交替信号反转码（Alternate mark inversion，AMI）和WDM与PI集成，开发基于AMI-WDM-PI的综合卫星间通信系统，仿真结果表明，系统在5 000 km的星间光链路上传输20×8 Gbps数据。2018年，SINGH[13]报道了雨雪天气条件下两种基于波分复用的无线光通信系统，在雨雪天气条件下，分别在16.5 km和1.07 km的链路距离上成功传输32×10 Gbps的数据。2021年，PRAKASH等人[14]利用毫米波设计分析了高速四通道波分复用光纤无线电系统，实现了30～70 km的单模光纤数据传输，在70 km长度使用100 GHz的载波信号，实现10 Gbps的高数据速率信号传输。目前大部分专家学者将波分复用结合偏振交错的通信系统应用于仿真星际间的通信，在此方向上研究者已证实了将波分复用于偏振交错结合可减少非线性效应[8-11]。大气湍流对光传输的主要影响有光束漂移、大气闪烁、光束扩展和像点抖动等。其中大气闪烁和光束漂移对大气激光通信系统影响最大[15]，这两者所导致的光强起伏在大气激光通信中会导致系统检测概率下降，出现数据传输突发性错误甚至通信中断。提高激光通信系统的性能就必须设法减弱光强起伏[16-18]。多光束发射指在发射端从一些孔径之间的距离大于大气相干长度的发射镜中发射多束互不相干的激光束在远场接收端非相干叠加，以克服大气激光传输中的湍流效应来实现大气信道的有效补偿[19-23]。本文提出结合WDM-PI的多光束发射无限光通信系统，且实验结果表明，本文提出的系统通信容量可以成倍增加，且在通信容许范围内，达到可接受水平，为更好地解决“最后一公里”问题给出了新的思路。

在深入了解无线光通信系统提升信道容量的迫切需求后，基于现有的研究成果，将波分复用与偏振交错相结合，设计一种多光束发射无线光通信系统，提高无线光通信的综合性能，进行了传输实验测试，给出实验测试结果和结论。

1 WDM-PI系统传输实验

本文将波分复用和偏振交错应用于自由空间通信，自由空间光通信系统主要部件有发射模块、传输信道和接收模块。发射模块主要包括：激光器光源、信号发射及调制电路、掺铒光纤放大器和发射天线等。接收模块主要包括：接收天线、光电探测器等。系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

波分复用传输系统的发送端，多路信号经过电/光转化由不同波长的光载波携带，再用复用器将多路光载波信号进行合波；在接收端采用解复用器将不同波长的光信号分离开来，经过光电转换恢复出原始信号送到相应的接收机[19]。波分复用系统充分利用光纤的低损耗波段，增加光纤的传输容量，降低成本，且对各信道传输信号的速率、格式具有透明性，有利于数字信号和模拟信号的兼容，节省光纤和光中继器，便于对已建成系统的扩容，可提供波长选路，建立透明的、具有高度可靠性的WDM通信系统。偏振复用技术利用光在单模光纤中传输时的偏振特性，用传输波长的两个独立且相互正交的偏振态分别传输两路信号，成倍提高了系统容量、增加了频谱利用率，是可以升级现有设备通信容量的关键技术。在偏振复用技术的基础上，使用偏振交错可以减小信道间的非线性影响，为了提升无线通信技术的传输容量，减小传输损耗，偏振交错技术将数据信道分为偶数信道和奇数信道，然后对信道进行单独复用，同时调整信道的偏振状态使其正交。极化信号再通过光无线信道多路传输到接收器。

利用任意波形发生器（Arbitrary wavefo-rm generator，AWG）、马赫曾德尔（Mach Zehnder，MZM）调制器、波分复用器（Wavelength division multiplexer，WDM）、波分解复用器（Wavelength demultiplexer，DEWDM）、光电探测器（Photoelectric detector，PD）等功能模块设计搭建了多光束发射无线光通信系统，表1给出了系统设计参数。

表1 通信链路实验系统参数

图中展示了8个通道，每个通道携带4 Gbps的不归零（Not return to zero，NRZ）数据，使用MZM调制器在激光光束上调制，光源波长起始1 548.5 nm，相邻信道间隔为0.8 nm，呈递增状，所有信道载波波长分别为1 548.5 nm、1 549.3 nm、1 550.1 nm、1 550.9 nm、1 551.7 nm、1 552.5 nm、1 553.3 nm和1 554.1 nm。AWG产生NRZ数据发送到MZM调制器，调制器将AWG发出的电信号调制到激光上，数据通道分为奇偶信道，分别进行多路波分复用。然后，将两个多路复用器的输出馈电给偏振控制器，使奇偶信道变为相互正交信号，两路正交信号通过自由空间传输到接收端。接收端使用偏振分束器（Polari-zation beam splitter，PBS）将接收到的信号按照偏振状态进行分割，将其分为奇偶信号，进而由输出进行解复用，使用光电探测器探测信号，信号通过低通滤波器，之后信号由眼图仪、误码仪检测信号质量。

图2展示了经过调制器调制之后的激光经过波分复用后的光谱，对比于调制前，光谱会拓宽，如图中放大位置所示。拓宽的光谱表示信号加载到了激光上，从调制器输出的光携带有NRZ数据。

图2 调制后的偶通道波分复用光谱

大气湍流模拟池可以根据热空气对流大气湍流原理建立湍流环境[21]。与基于空间光调制器和旋转相位屏模拟的大气湍流相比，热空气对流大气湍流在物理上更接近于真实大气湍流，具有结构简单、易于控制的优点。惯性面积大，满足2/3定律，均匀性好。它由模拟大气箱和自动控制器组成，如图3（a）所示。大气湍流模拟箱截面图如图3（b）所示。它主要由加热板、冷却板、湍流产生区和温度补偿区组成。箱体顶部的盖板为冷却板，可通过循环水保持稳定的室温（或低温）。箱体的底板是三个相同的加热板，可以通过电流均匀加热，因此，箱体内部温度可以逐渐提高。温度可调的加热板和冷却板均可由自动控制器控制。当受热面和冷却面之间的温差保持恒定时，湍流就会形成。湍流模拟箱内设有温度探测器，实时测量箱内各部件的温度。有了这些探测器，自动控制器可以适当地调节箱内加热板的温度。

图3 大气湍流装置示意图

使用大气湍流模拟池对WDN-PI系统进行测试实验，模拟信息一公里传输实验，进行无湍流、弱湍流、中湍流和强湍流情况下的4 Gbps信号传输实验，验证系统在湍流影响下的工作状态。

2 实验结果与讨论

本节将讨论结合WDM-PI的多光束发射无线光通信系统的通信性能，根据无线光通信链路的要求，一般接收端接收信号功率为[22]：

其中，PT为发射光功率；ηT和ηR分别是发射器光效率和接收器光效率；λ是波长；d是发射镜和接收镜的直线距离；GT是发射镜增益；GR是接收镜增益；LT和LR分别是发射镜和接收镜的损耗。

图4展示了第二信道在模拟传输距离为1 km，传输速率为4 Gbps，在大气湍流影响从弱到强的影响下，接收机的实测眼图和信噪比，图4（a）—图4（d）的信噪比分别为24.33 dB、16.03 dB、12.04 dB、5.93 dB，表明在 WDM-PI通信系统链路上，在中强湍流影响下，8个信道的信号均被成功发送，且信号被眼图仪所识别。

图4 不同湍流环境下眼图对比

图5为WDM-PI通信在自由空间与模拟大气湍流池信道时的误码率实测曲线，如图5（a）—图5（d）所示，模拟1 km的4 Gbps传输信号，在湍流环境改变的情况下，湍流越强，接收功率越低，误码率越高。

图5 信道平均误码曲线对比图

在无湍流情况下，误码率为1.0×10-6时，对应接收功率在WDM-PI系统和FSO情况分别是-20 dBm和-17.5 dBm，因此WDM-PI系统在无湍流情况下灵敏度高于FSO通信2.5 dBm；在弱湍流情况下，误码率为1.0×10-6时，对应接收功率在WDM-PI系统和FSO情况分别是-15.3 dBm和-13.9 dBm，因此WDM-PI系统在弱湍流情况下灵敏度高于FSO通信1.4 dBm；在中湍流情况下，误码率为1.0×10-6时，对应接收功率在WDM-PI系统和FSO情况分别是-11.7 dBm和-9.1 dBm，因此WDM-PI系统在中湍流情况下灵敏度高于FSO通信2.6 dBm；在强湍流情况下，误码率为1.0×10-6时，对应接收功率在WDM-PI系统和FSO情况分别是-5.3 dBm和-0.8 dBm，因此WDM-PI系统在强湍流情况下灵敏度高于FSO通信4.5 dBm，表明WDM-PI通信系统在提高信道容量的同时可降低大气湍流对通信系统影响，降低了传输损耗，且系统对强湍流的抵抗能力更强。

3 结论

本文提出了一种数据速率为4 Gbps×8的通信系统。通过实际实验对所提出的方案进行了验证。通过分析误码率、信噪比、眼图质量等不同的参量来评价其传输特性。由结果可知，所提系统在可控湍流池和自由空间的条件模拟一公里传输，在无湍流、弱湍流、中湍流、强湍流下的信噪比分别为24.33 dBm、16.03 dBm、12.04 dBm、5.93 dBm，数据表明信号在接收端成功接收，在传输过程中，WDM-PI系统传输质量优于FSO直接传输，误码率为1.0×10-6，系统分别处于无湍流、弱湍流、中湍流、强湍流时，WDM-PI系统灵敏度分别高于FSO通信2.5 dBm、1.4 dBm、2.6 dBm、4.5 dBm。表明WDM-PI通信系统在提高通信速率的同时可降低大气湍流对通信系统影响，且系统对强湍流的抵抗能力更强。因此，所提出的WDM-PI通信系统可以有效地增加系统数据传输容量，提高传输质量，为后续通信事业的发展做出贡献。