基于不同滤波操作的自由空间光通信系统设计

党婵娟，党婷婷，郭鹏飞

（1.山西大同大学物理与电子科学学院 山西大同 037009；2.太原理工大学电子信息与光学工程学院，山西晋中 030600）

1 自由空间光通信系统

自由空间光通信，即信号在没有实体传输介质下进行传播，在适当距离下的发射机和接收机之间，存在没有遮挡的视距路径和足够的光发射功率而实现的通信方式，也称其为无线光通信[1-3]。传输介质为大气，以激光作为光源，在输入端，红外光和可见光能量与传输数据一起进行调制，在输出端，辐射被光电APD 探测器接收，并从红外或可见辐射中提取能量和解调，最终的信号结果被放大后送入硬件[4-6]。

1.1 自由空间光通信系统组成

光源部分：由于大气中存在一些因素对系统性能有影响，考虑到半导体激光器的特性及其广泛的应用范围以及小尺寸和长使用寿命的优势，并且激光器会影响通信距离、接收器件的选择等，所以合适的激光器尤为重要，故FSO 系统多采用半导体激光器做为其光源[7]。

发射器和接收器：这是系统中最重要的部分。发射器功能是对光源进行调制，进行电光转换，将激光信号通过天线发射出去，接收器的任务则主要是以最小的失真对接收到的信号进行放大、解调，最终完成整个通信过程，因此，光接收机的特性综合反映了通信系统的性能优劣[8-9]。

对准、捕获、更新系统：FSO 系统要求信号要精确无误地发送到接收机上，在传输过程中还要保证较高的传输速率，由于其大气信道存在不稳定性，故要求通信系统有更新系统来随时适应条件的变化[10-11]。

1.2 自由空间光通信系统优缺点

优点：

（1）它能减少铺设光纤时的困难，安装简单，可安装在室内或者室外；

（2）传输速度快，有巨大的调制带宽，光通信允许的信息容量非常大；

（3）传输安全性高，定向性很好，链路很窄，无法轻易探测到；

（4）大气作为其传输介质，省去了一些昂贵设备花费，成本低廉[12-14]。

缺点：

（1）大气情况不稳定，系统对天气情况非常敏感，沙尘、雨雪天气对系统传输性能有很大的影响，在极端天气条件下系统数据衰减速率会很高；

（2）传输距离是有限的，若距离太长，则信号很难被接收到或衰减程度很大，使传输效率下降；

（3）自由空间光通信系统要求发射器、接收器之间光信号准直稳定，但大气引起的漂移很容易使发送的信号漂离目标，不能很好的实现收发端对准，进而影响传输信号的质量[15-17]。

1.3 自由空间光通信系统应用领域

（1）对于不方便铺设光缆的地方，在一些地形复杂，比如偏远的山区等地方不容易架设光纤时，利用自由空间光通信可以实现。

（2）自由空间光通信技术也运用在一些临时的通信中，比如用于保证传输安全的一些情形、紧急通信或者某地区受灾后之前的通信线路被破坏的情况下的通信等。

（3）可以用于远程向控制中心播放实时高清画面[18]。

自由空间光通信凭借其无需频带许可、保密性强、安装架设灵活、通信速率高、容量大等诸多独特优势受到了越来越多研究者的关注[19-22]，包括我国在内的许多科技强国已投入大量人力对无线光通信技术展开研究，研究方向主要有与自由无线光通信系统所相关的调制技术、激光器性能研究、同步和检测技术等，很多科研项目都已经展开，通过研究使无线通信在智能系统、定位系统、国防安全等领域得到更进一步的运用，更加方便人们的生产生活[23-24]。

2 不具有滤波过程的自由空间光通信系统

没有添加滤波器的自由空间光通信系统如图1。FSO 系统的组成可以分为三个部分：第一部分为发送器，包括一个连续激光器，可设置其发射功率以及频率；伪随机序列产生器发送数据速率为20 Gbps；NRZ 脉冲产生器用于编码技术；马赫-增德尔调制器将电信号加载到光载波上，实现了电光转换。第二部分为FSO 信道，激光器发出的信号通过光纤放大器进行放大然后通过FSO 信道直接传输到接收器。传输和接收孔径分别设置为15 cm 和20 cm，光束发散度为2 mrad，衰减速度为0.43 dB/km，传输范围为1 km，这些参数已在FSO 信道中进行了设置。第三部分为接收器，它利用光电ADP 探测器接收检测光学信号。该系统中接收端不加入任何滤波器。

图1 无滤波系统模型示意图

3 改进系统的设计与分析

对原自由空间光通信系统进行改进，这里在接收端使用了贝塞尔滤波器、高斯滤波器、法布里-珀罗滤波器三种不同种类的滤波器以研究滤波器对系统性能的影响。

3.1 改进系统设计

3.1.1 系统模型

在原自由空间光通信系统的接收端分别加入入贝塞尔、高斯、法布里珀罗滤波器的系统模型如图2(a)、(b)、(c)所示。被接收的信号首先被放大器放大，经过FSO 信道后，被放大的信号在新加入的滤波器作用下进行滤波操作。在这里可以选择使用不同的滤波器：贝塞尔滤波器、高斯滤波器、法布里珀罗滤波器。滤波后的信号使用光电探测器检测，最后提供误码率分析仪分析。误码率分析仪可以计算出误码率、品质因数，还可以显示眼图。

图2 改进系统模型示意图

3.1.2 系统可行性分析

这里选取使用法布里珀罗滤波器的改进系统进行分析，系统眼图如图3，根据眼图可以分析出：

图3 接收端加入法布里珀罗滤波器的系统眼图

（1）如果系统中存在码间串扰的时候，信号波形会发生一定程度的失真，眼图中表现为“眼睛”会有小部分闭合，此时加上有噪声的影响，会使眼图线条变的模糊，那么“眼睛”看起来就更小了，因此，“眼睛”张开的程度代表了信号失真的程度。“眼睛”睁开最大的地方是最佳信号抽样时刻，由图可知最佳抽样时间在一个周期的二分之一左右，由仿真得到最佳抽样时刻为0.562 5 s。

（2）接收机的灵敏度可以用消光比来衡量消光比这一代表了接收机的灵敏度，消光比为全“1”码与全“0”码平均发送光功率的比值，由图可以看出，0 电平线条比较细，1 电平比较粗，那么消光比较大，但此系统为近距离下的传输，故对系统影响不大。

（3）图中信号上升和下降的交叉点处代表抖动，代表信号传输过程中出现的不稳定的现象，故要求抖动越小越好。如果太大，就会造成系统误码率的增加。反之，产生误码的几率越低。本图中可以看到抖动不是很大，满足要求。

（4）由图可以看出，眼睛张开最大时刻系统误码率最小，故此系统是可行和正确的。

3.2 原系统模型与改进系统模型的性能比较

为确定改进后系统模型的性能如何，分别分析了光学传输范围和光束发散度对系统性能的影响并与之前的模型进行了对比。品质因数（Q因子）代表在最佳抽样点处信号与噪声的比值，它衡量系统传输信号的质量[25]。根据误码率分析仪提供的系统Q因子曲线图，选取最大Q值进行分析对比。这里为减少实验误差，通过误码率分析仪测出最大Q值后多次测量取均值。最终得到使用贝塞尔滤波器、高斯滤波器、法布里珀罗滤波器的系统最大Q值与先前模型最大Q值对比图。

3.2.1 不同滤波器作用下光学传输范围与最大品质因数的关系

在保持传输孔径（15 cm）和接收孔径（20 cm）以及光束发散度（2 mrad）都不变的情况下，改变传输距离，使其从100 m 变化至1 000 m，以分析传输距离和系统最大品质因数的关系。分别使用贝塞尔、高斯、法布里珀罗滤波器的系统与原系统模型最大品质因数Q对比，结果见图4(a)、(b)、(c)。

图4 传输距离与与系统最大Q值的关系图

从图4 可以观察到，随着光学传输距离的增加，原系统和改进后的模型最大品质因数都逐渐减小，说明该系统适用于短距离传输。但使用贝塞尔滤波器时最大品质因数可达到434，使用高斯滤波器时最大品质因数能够达到458，使用法布里珀罗滤波器最大品质因数值为366，而不使用滤波器的系统最大品质因数才356，可以发现使用滤波器后的系统最大品质因数值都比之前系统要高。特别值得注意的是，使用高斯滤波器时，在1 000 m 处其最大品质因数为255，相比于使用其他两种滤波器的系统表现更加良好。

3.2.2 不同滤波器作用下光束发散度与最大品质因数的关系

在其他系统条件都不变的条件下，改变光束发散度的大小，使其从2 mrad 变化至10 mrad，以分析光束发散度和系统最大品质因数的关系。见图5。

图5 光束发散度与系统最大Q值的关系图

从图5 观察到，随着光束发散度的增加，先前模型和修改模型的最大品质因数都降低了，最大Q值都在光束发散度为2 mrad 的时候得到。由图5 可以得到使用贝塞尔滤波器的系统随光束发散度变化的最大Q值可以达到411，使用高斯滤波器时达到386，使用法布里珀罗滤波器达到336，不加入滤波器的模型最大Q值为316，可见改进模型比以前的模型取得了更好的结果，使用贝塞尔滤波器时系统呈现出更好的性能。说明自由空间光通信中为了保证传输质量需要比较低的光束发散度。

4 结语

利用OptiSystem 仿真软件建立FSO 系统模型，基于初始FSO 系统提出改进方法，在系统接收端分别并入高斯滤波器、贝塞尔滤波器、法布里珀罗滤波器三种不同种类滤波器，得到新的FSO 系统，并对其加以研究和验证。由于最大品质因数代表在最佳抽样点处信号与噪声的比值，它衡量系统传输信号的质量，所以文章从传输距离和光束发散度的角度研究改进后系统最大品质因数Q值与原系统对比的情况。

通过对最大品质因数曲线对比图的分析，得到加入滤波器之后的系统最大品质因数Q相比于之前系统，在数值上有明显的提升。其中，在研究传输距离的影响时，使用高斯滤波器的系统表现出良好的性能，比原系统品质因数高出约100。在研究光束发散度的影响时，使用贝塞尔滤波器的系统最大品质因数比原系统品质因数高出约100，对改善系统性能的作用更显著。综上所述，加入滤波器之后的系统各项性能都比之前有很大提高，性能得到极大改善，为未来满足高数据通信系统设计提供新的思路。