FSO 中 PS-QPSK 調 制 系 統 分 析

吳 猛， 張慧穎， 陳伯權

(吉林化工學院 信息與控制工程學院， 吉林 吉林 132022)

FSO 中 PS-QPSK 調 制 系 統 分 析

吳 猛， 張慧穎， 陳伯權

(吉林化工學院 信息與控制工程學院， 吉林 吉林 132022)

在自由空間光通信(FSO)系統中，由于先進的調制格式能大大提高頻譜效率，并可以改善系統的傳輸容量而備受采用。在研究QPSK(正交相移鍵控)調制的基礎上，對新型調制格式PS-QPSK(偏振切換正交相移鍵控)的調制和解調方案進行研究，并在新型光學仿真軟件Optisystem平臺下完成基于PS-QPSK調制格式的系統仿真，實現FSO系統中PS-QPSK調制系統的分析。通過仿真結果可以看出，該系統可以很好地實現PS-QPSK的調制和解調，具有很好的傳輸性能；當進行長距離傳輸時，系統的誤碼性能降低較小。因此，采用PS-QPSK調制格式的空間光通信系統具有可行性，適合長距離傳輸。

偏振切換正交相移鍵控； 調制； 解調； 自由空間光通信

0 引 言

自由空間光通信(FSO)是光通信和無線通信結合的產物，是一種新興的寬帶接入通信技術。近年來，FSO系統由于其高帶寬、抗干擾性好、傳輸速率快而且安全性好、易于部署等優點受到廣泛的應用，尤其是衛星激光通信中的重要通信手段。但是當光信號通過大氣信道時，容易受到大氣湍流效應和大氣衰減等效應影響而導致信號的傳輸性能下降，嚴重影響系統的通信穩定性。因此，如何有效地利用先進光調制格式等關鍵技術來抵抗FSO系統中的干擾，以提供更好的傳輸性能是國內外學者所面臨的重要問題[1-4]。本文在研究QPSK的基礎上，對偏振切換QPSK(PS-QPSK)的新型調制和解調格式進行研究，并在光學仿真軟件Optisystem平臺下搭建其仿真結構并完成系統仿真，驗證PS-QPSK在自由空間光通信系統中的可行性及性能分析。

1 PS-QPSK調制格式產生

C″2=±{(1,1,1,1), (1,1,-1,-1), (1,-1,-1,1), (1,-1,1,-1)}

2 PS-QPSK調制/解調結構設計

2.1 調制結構設計

PS-QPSK發射機由兩部分構成：光源發出的光信號被分成兩路送入兩個并行的MZM調制器中，二進制信號D1和D2驅動IQ調制器在單一偏振方向上產生QPSK信號；產生的QPSK信號通過3dB耦合器被分成兩個支路，每個支路包含一個單驅動的馬赫增德爾調制器，MZM在D3作用下工作在推挽方式下時，將偏振光合束器(PBC)用在將能量在偏振方向上進行偏振狀態切換[8-10]。利用PBC復合后在每符號位上只有一個偏振點上獲得非零能量。為了將使兩束光同步，要將幅度調制器和PBC之間的光纖長度調整到相同長度。設計時，可以經過幾個符號延遲之后的數據流驅動IQ調制器，也就是說在PS-QPSK發射機的X和Y偏振方向上，數據有幾符號位的延時，這樣會導致數據在X和Y偏振方向上似乎是相互獨立的，PS-QPSK發射機結構如圖2所示。

2.2 相干接收機結構設計

由于相干接收具有較高的接收靈敏度，故系統采用相干接收結構。相干檢測是通過接收天線所接收到的光信號與本振光信號相互干涉進行的,并具有一致的偏振方向。由于零差相干檢測必須保持接收光信號與本振光之間的相位嚴格鎖定,故在設計時采用外差相干檢測，無需光學鎖相環節，系統易于實現。外差相干接收機由兩個90°光混頻器和兩個平衡接收器構成。在信號進入偏振分集90°光混頻器之前，采用一個帶寬為1.2 nm的帶通濾波器抑制來自自發輻射光源光譜外的噪聲[11-14]。偏振分集是通過偏振分束器(PBS)進行信號的切割后并和本振激光的輸出在兩個90°光學混頻器中實現X和Y偏振方向上的光混合，本振激光采用帶寬是500 kHz的ECL，輸出端上采用4個PIN管進行平衡光電探測器，將探測后的電信號進行AD采集送入DSP中進行后續處理。PS-QPSK接收機結構框圖如圖3所示。

3 系統搭建及結果分析

在光學軟件Optisystem平臺上搭建PS-QPSK相干光通信實驗系統。光源采用帶寬300 kHz、波長為1 554 nm、發射功率為40 dBm的外腔激光器。波長為λ的實驗光源被分成兩路后直接送入兩個工作在28 Gbaud的QPSK調制器下。系統通信速率為112 Gb/s，發射機孔徑尺寸選取5 cm；接收機孔徑尺寸為20 cm；本振激光器波長為1 554 nm，功率選取45 dBm；選取Optisystem庫自帶的FSO信道模擬大氣信道，傳輸距離為5 km，鏈路衰減為0 dBm，信道衰減為0 dBm(模擬理想信道情況)，光束發散角度2 mrad；光電管響應率為1A/W，暗電流為10 nA[15]。基于PS-QPSK調制外差相干光通信的仿真結果如圖4和圖5所示。

(a) 調制后的光信號

(b) 調制后的光譜圖

(c) 解調后的信號圖

圖4 PS-QPSK調制和解調仿真圖

(a) 傳輸距離5 km (b) 傳輸距離10 km

圖5 不同傳輸距離下的眼圖

由圖4可以看出，該系統可以實現完全調制解調，并且調制解調效果較好。由圖5(a)可知：傳輸距離為5 km時，通過誤碼分析儀測得的Q值為94.409，誤碼率接近0，說明該調制方式具有很好的誤碼性能，通信效果良好。當傳輸距離增加到10 km時，通過仿真可知，該系統仍然可以完成調制解調。由圖5(b)可以看出，眼圖效果有所惡化，眼線變粗且略微雜亂，眼睛張開角度減小，但是，仍然可以較好張開。這說明當通信距離增大時，系統可以實現通信，但是誤碼性能降低。由誤碼分析儀測得，傳輸距離10 km時的Q值為17.775 8，誤碼率為4.899 5×10-71。由此可知，PS-QPSK調制格式適合長距離傳輸。

4 結 語

本文研究了PS-QPSK碼型的產生及其調制解調結構的原理，并研究了PS-QPSK的發射機和接收機的設計，實現基于PS-QPSK調制的自由空間光通信系統模型的搭建。并在新型光學仿真軟件平臺下，完成基于PS-QPSK調制下自由空間光通信系統鏈路的仿真。通過實驗結果可以知，系統可以很好的完成調制解調并實現正常通信，當傳輸距離增大時，系統的鏈路性能降低較小，因此，PS-QPSK更適合長距離傳輸，具有較好的誤碼性能，可以應用到FSO系統中。為FSO系統的設計和優化提供了理論依據，具有重要的參考價值。

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Performance Analysis of PS-QPSK Modulation System in FSO

WUMeng,ZHANGHuiying,CHENBaiquan

(College of Information and Control Engineering, Jilin Institute of Chemical Technology, Jilin 132022, Jilin, China)

Because the advanced modulation formats can greatly improve the spectral efficiency and improve the transmission capacity of system, the free space optical communication (FSO) system has been widely adopted. In this paper, the new modulation format PS-QPSK modulation and demodulation scheme was studied, and system simulation was completed under the new opti-system optical simulation software platform based on PS-QPSK modulation format, and performance of the system was analyzed. From the simulation results, it could be seen that the system could well implement PS-QPSK modulation and demodulation, and it had better transmission performance. For long distance transmission, the BER performance of system was reduced. As a result, the PS - QPSK modulation format of space optical communication system is feasible, and is more suitable for long distance transmission.

PS - QPSK; modulation; demodulation; free space optical (FSO) communication

2016-06-30

吉林省教育廳項目(2016134)

吳 猛(1974-),男，吉林吉林人，博士，副教授，主要研究方向：信息光通信及測控技術等方面的研究。

Tel.:13843236338； E-mail：wu_meng@126.com.

TN 929.1

A

1006-7167(2017)04-0146-03