采用高級調制格式相干接收的FSO系統性能研究

陳雨露　楊鵬鯤　蔡世君　郭曉冰（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南　鄭州　450000）

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采用高級調制格式相干接收的FSO系統性能研究

陳雨露楊鵬鯤蔡世君郭曉冰
（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南鄭州450000）

基于描述FSO系統接收端光強分布的Gamma-Gamma信道模型，研究大氣湍流強度和信號傳輸距離對高級調制格式-相干接收系統的影響。在分析Gamma-Gamma信道下，采用MPSK（M=2，4，8）和MQAM（M= 8，16，32）調制-相干接收FSO系統的誤符率與湍流強度、傳輸距離之間的關系，利用特殊函數代換推導其閉合表達式。根據計算結果，仿真研究M值、湍流強度和傳輸距離等因素對誤符率的影響。

FSO湍流信道；M階調制；相干接收；誤符率

自由空間光（Free Space Optical，FSO）通信是一種以激光為載體，通過真空或大氣傳遞信息的光通信方式，因其具有T-Hz無需頻譜許可的超大可用帶寬、傳輸鏈路保密性好、通信協議透明、設備廉價以及運營維護成本低等優(yōu)勢，已成為射頻無線通信的強有力補充［1-3］。對于FSO系統來講，室外大氣湍流是制約其系統性能的關鍵因素。當激光束在大氣中傳輸時，大氣湍流效應使激光束在傳播過程中隨機改變其波束特性，導致光波的強度、相位和頻率在時間和空間上呈現隨機起伏，從而引起光束強度起伏（大氣閃爍）、光束彎曲和漂移、光束彌散畸變以及空間相干性退化等現象，降低激光的光束質量，嚴重影響激光通信系統的穩(wěn)定性和可靠性［3］。零差/外差檢測-高級調制格式（如MPSK/MQAM/PDM）的相干系統具有良好的抗湍流干擾性，能夠帶來優(yōu)良的系統性能，是近年來人們關注的熱點。為此，該文基于描述FSO系統接收端光強分布的Gamma-Gamma信道模型，研究了大氣湍流強度和信號傳輸距離對高級調制格式-相干接收系統的影響。

1　數學分析與計算

研究表明，FSO系統中接收端光強分布的概率密度函數符合Gamma-Gamma分布，可表示如下［4］：

式（1）中，Γ（Z）代表Gamma函數，Kn（x）代表第二類的n階修正貝塞爾函數；α、β分別表示大尺度和小尺度光波強度波動，其表達式如下：

假設發(fā)射端發(fā)送第m個碼元，入射到光電探測器上的光功率可以表示如下［5］：

式（3）中，αm和φ分別表示所發(fā)符號的幅度與相位，表示瞬時入射光功率，PLO表示本振光功率，ωIF表示載波頻率ω0和本振頻率ωLO之差，ωIF=ω0-ωLO。

光電探測器輸出的光電流可表示如下：

式（4）中，η表示光電探測器轉換效率，idc（t）和iac（t）分別表示接收機的直流和交流分量，n（t）表示散粒噪聲過程引入的加性高斯白噪聲。

對于第m個符號，系統的信噪比SNR可表示如下：

M階調制信號在大氣湍流信道中傳輸的平均誤符率為：

將MPSK和MQAM各自的條件誤符率分別代至式（7），同時將表達式中的特殊函數均采用MeijerG函數表示，即可得到閉合表達式如下：

2　仿真與分析

利用MATLAB對MPSK（M=2，4，8）和MQAM（M=8，16，32）調制信號在不同湍流狀態(tài)和不同傳輸距離下的誤符率分別進行了仿真對比。在參數選擇時，折射率結構參數分別為：，分別表示弱湍流、中等強度湍流和強湍流，傳輸距離分別為：L=500、1 000、2 000m。

圖1展示了QPSK信號在不同湍流強度下傳輸2 000m的誤符率。從圖1可以看出，當湍流強度由弱湍流變?yōu)橹械葟姸韧牧鲿r，達到無誤碼傳輸（誤符率=10-9）所需的發(fā)射功率迅速升高。以弱湍流為例，相同誤符率（如誤符率=10-7）下，中度湍流下所需的系統信噪比比弱湍流下高了近15dB。然而，當湍流強度由中等強度變?yōu)閺姸葧r，湍流強度的增大對誤符率并沒有明顯影響。

圖1　QPSK信號在中等湍流強度下傳輸不同距離的誤符率

圖2對比了QPSK和16QAM信號的傳輸性能，左圖中，傳輸距離選擇為1 000m，湍流強度選擇為弱湍流和強湍流。右圖中，選擇中等強度湍流強度，傳輸距離選擇為1 000m和3 000m。結果顯示：在兩種條件下，QPSK的性能均優(yōu)于16QAM。平均信噪比越高，QPSK的性能優(yōu)勢越明顯。

圖2　QPSK和16QAM調制傳輸性能對比

3　結語

本文主要研究了高級調制格式-相干接收FSO系統在大氣湍流信道下的傳輸性能。仿真結果顯示：對于QPSK，當傳輸距離2 000m，湍流強度由弱湍流變?yōu)橹械葟姸韧牧鲿r，達到無誤碼傳輸（誤符率=10-9）所需的發(fā)射功率迅速升高。但是，當湍流強度由中等強度湍流變?yōu)閺姸韧牧鲿r，湍流強度的增大對誤符率并沒有明顯影響。對于QPSK和16QAM，當傳輸距離在1 000m以內時，無論是弱湍流還是中等強度湍流下達到無誤碼傳輸時所需的信噪比并未明顯增加，但是能夠看到QPSK的性能明顯優(yōu)于16QAM。這一研究結果對相干FSO系統傳在輸距離、調制格式選等方面提供了良好的參考意義。

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Performance Study of Coherent Reception FSO System Using Advanced Modulation Format

Chen YuluYang PengkunCai ShijunGuo Xiaobing
（State Intellectual Property Office Patent Office Patent Examination Cooperation Henan Center，Zhengzhou Henan 450000）

This paper studied the influence of atmospheric turbulence intensity and the signal transmission distance on the advanced modulation format coherent reception system，based on the Gamma-Gamma channel model which is based on the light intensity distribution of the receiver in the FSO system.Based on the analysis of the gamma gamma channel，the modulation of MPSK（M=2，4，8）and MQAM （M=8，16，32）coherent receiving FSO system error symbol rate and the turbulence intensity and transmission distance between relations，and the closed form expressions using special replacement function weres derived.Based on the calculation results，the effects of M value，turbulence intensity and transmission distance on the error rate were simulated and studied.

FSO turbulence channel；M order modulation；coherent reception；symbol error rate

TN929.1

A

1003-5168（2016）04-0056-03

2016-03-24

陳雨露（1989-），女，碩士，研究實習員，研究方向：光信息存儲方面專利審查。