應用曼徹斯特碼的海島間自由空間光通信系統

楊 杰，邵宇豐，王安蓉，王 壯，胡欽政，伊林芳，田 青，于 妮，楊騏銘

(重慶三峽學院 電子與信息工程學院， 重慶 404100)

0 引 言

近年來，沿海國家都在發展周邊的海島資源，海洋光通信網絡為大陸與近海島嶼以及海洋島嶼間的信息高速傳輸提供了重要保障[1-2]。由于海洋通信的困難遠超于陸地通信，研發兼容常規海底光纜信息收發及傳輸的海洋光通信系統成為一個熱點問題[3-4]。在海島上采用常規通信接入方案(例如光纖通信、移動通信和微波通信等)存在安裝成本高和傳輸信號需要中繼放大等缺點，考慮到自由空間光(Free Space Optical, FSO)通信系統可兼容目前常規海底光纜以及具有通信帶寬大、建設周期短和易于在地形復雜區域進行接入建設等優勢[5-6]，因此本文采用FSO來代替傳統接入方案。曼徹斯特碼是一種應用優勢較為明顯的雙相碼型，可有效消除信號中的直流分量，而且具有同步時鐘恢復的應用特性[7-8]，更加適用于長距離傳輸的海洋光通信系統。

考慮到實際應用中光信號在長距離海底光纜中傳輸發生色散現象以及FSO系統傳輸光信號受天氣影響較大(尤其是大氣湍流)等，本文采用曼徹斯特編解碼并融合海底光纜(采用G.654普通單模光纖(Single Mode Fiber,SMF))與FSO信道，設計了一種用于海洋島嶼間通信的海洋光通信系統，研究了該系統在不同天氣條件下無線光信號的收發及傳輸性能，并采用仿真實驗測試和分析了10 Gbit/s曼徹斯特碼無線光信號傳輸前后的波形、光譜、眼圖和誤碼率(Bit Error Rate,BER)等。

1 系統模型

本文設計的基于曼徹斯特編碼的海域FSO通信系統方案如圖1所示。在發送端，待傳輸的數據和時鐘信號分別通過歸零(Return to Zero，RZ)碼和非歸零(Nonreturn to Zero，NRZ)碼脈沖發生器轉換為電信號，再通過異或非門電路生成10 Gbit/s的曼徹斯特電信號，實現曼徹斯特編碼過程。曼徹斯特電信號通過使用激光器驅動對1 550 nm連續波(Continuous Wave, CW)激光器進行內調制生成10 Gbit/s的曼徹斯特光信號。該信號通過100 km SMF傳輸后會有色散負面效應，故采用18.82 km的色散補償光纖(Dispersion Compensation Fiber, DCF)進行后置色散補償，以保證整條光纖線路的總色散近似為0，表1所示為使用的SMF和DCF的參數。該FSO通信系統中的信道由兩個紅外校準器、一個激光發射器、一個激光接收器和FSO無線光傳輸鏈路組成，傳輸鏈路前端與后端分別需要摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Optical Fiber Amplifier, EDFA)用于補償光纖和FSO無線光傳輸鏈路中信號傳輸造成的衰減。在接收端，采用10 Gbit/s PIN光電探測器(參考臺面型PIN光電探測器參數)接收光信號并轉換為10 Gbit/s曼徹斯特電信號[9]，通過時鐘恢復補償原始信號與接收信號之間的時間延遲，通過二進制閾值檢測器將信號解碼為二進制信號并輸出。將解碼后的信號與RZ脈沖發生器輸出的時鐘信號通過異或非門電路還原為系統發送的原始數據，實現曼徹斯特解碼過程。采用帶寬為7.5 GHz(帶寬為傳輸速率的0.75倍)的低通濾波器為解碼后的信號濾除帶外噪聲，然后在觀察儀器上分析接收信號與原始信號的差別。

圖1 曼徹斯特編解碼FSO通信系統方案圖

表1 SMF和DCF參數

2 分析與討論

如圖1所示，首先構建FSO通信系統仿真模型，聯合Optiwave和Matlab數值模擬軟件對該模型進行建模分析和仿真實驗，其中FSO信道模型采用Gamma-Gamma大氣閃爍模型模擬。采用偽隨機比特序列發生器模擬需要傳輸的信息，設置速率為10 Gbit/s。使用功率為 10 dBm的CW激光器承載信息,設置該CW激光器發射波長為1 550 nm。選取海底光纖的衰減值為0.2 dB/km，色散值為16 ps/(nm·km)，符合國際電聯的相關標準,再根據不同的天氣條件(晴天、雨天和霧天)設置不同的信道衰減值，晴天取10 dB/km，雨天取20 dB/km，霧天取30 dB/km，表2所示為FSO在不同天氣條件下的相關參數[10-11]。FSO信道中接收機端面光學孔徑直徑為5 cm，光束發散度為0.25 mrad，距離為1 km。

表2 不同天氣條件下FSO通信系統參數

圖2所示為晴天1 ns內電信號傳輸前后得到的時域圖(包含0.1 ns的字符同步信號和0.9 ns的曼徹斯特電信號)。圖2(a)所示為信號傳輸前，發送端進行曼徹斯特編碼后的時域圖，圖2(b)所示為信號傳輸后，接收端未進行曼徹斯特解碼的時域圖。由圖可知，傳輸前后的曼徹斯特信號脈沖在時域變化一致(未出現ns級時鐘偏差)，而幅度上出現平均下降現象(由于信號自由空間傳輸過程中信噪比逐漸劣化導致)，這表明該信號系統傳輸過程中時鐘同步性能優越。

圖2 1 ns電信號傳輸前后時域波形圖

圖3所示為晴天光信號傳輸前后得到的頻域光譜圖。圖3(a)所示為1 550 nm激光器發送的10 Gbit/s曼徹斯特信號光譜圖，圖3(b)所示為曼徹斯特信號經過光纖和FSO信道傳輸后的光譜圖。由光譜圖可知，傳輸前后的曼徹斯特無線光信號中心頻率仍然是1 550 nm，沒有發生中心波長漂移現象，光譜主瓣兩側各邊帶擴散現象也極不明顯，證明該接入系統的光譜穩定性非常好。

圖3 曼徹斯特信號傳輸前后光譜圖

圖4所示為不同天氣環境下測試得到的眼圖和Q因子曲線圖。圖4(a)、4(b)和4(c)分別是晴天、雨天和霧天FSO通信系統傳輸曼徹斯特信號后的3 bit周期眼圖，圖4(d)、4(e)和4(f)分別是晴天、雨天和霧天FSO通信系統傳輸曼徹斯特信號后的1 bit周期Q因子曲線圖。Q因子作為高速通信系統中衡量系統性能的重要參數，用于表征信號的接收質量，一般Q因子越高，信噪比越好。由圖可知，晴天眼圖清晰，眼開度較大，曼徹斯特最佳解碼判決點為0.614(在1 bit內)，Q值為24.96；雨天較晴天相比眼開度略低，曼徹斯特最佳解碼判決點為0.625(在1 bit內)，Q值為18.34；霧天眼開度略低，但仍可清晰地觀察到眼圖中張開(但信號在“1”和“0”碼電平處存在一定劣化)，曼徹斯特最佳解碼判決點為0.656(在1 bit內)，Q值為6.03。以上分析說明該通信系統受天氣影響較大，但在不同天氣情況下，1 bit最佳解碼判決點相近，并且在沒有增加光衰減器件進行測試時接收端Q值均大于6，證明該通信系統在海島常規天氣下皆能獲得較好的信號傳輸過程，能在實際中得以應用。

圖5所示為不同環境下系統傳輸數據的BER與接收功率關系曲線圖。通過光功率衰減器控制該系統的光接收功率范圍(-24～-10 dBm)，進行了背靠背傳輸(未經信道傳輸，發送端與接收端直接相連的情況)和100 km海底SMF與不同天氣條件下1 km FSO無線信道傳輸的實驗仿真，結果如圖5所示。由圖可知，該系統在背靠背傳輸中靈敏度最好，其次為在晴天下傳輸信號，然后為雨天，最后為霧天，四者的接收機靈敏度(BER為1×10-9時的接收功率)分別為-18.92、-17.72、-16.66和-11.16 dBm。在相同BER(BER為1×10-9)條件下與背靠背傳輸相比，晴天時接收機靈敏度大約相差為1.20 分貝，雨天時接收機靈敏度大約相差為2.26 分貝，霧天時接收機靈敏度大約相差為7.76 分貝。這主要是由于光斑空間以及天氣因素變化導致FSO信道質量劣化造成的。

圖4 不同天氣環境下測得的眼圖和Q因子曲線圖

圖5 不同天氣環境下的系統BER與接收功率關系曲線圖

3 結束語

本文基于曼徹斯特編碼設計了一種用于海洋島嶼之間通信的FSO通信系統，在100 km海底光纖和1 km FSO信道中成功傳輸了10 Gbit/s曼徹斯特信號。通過仿真實驗測試了該系統中曼徹斯特信號在晴天、雨天和霧天中傳輸前后的波形、光譜、眼圖和BER等關鍵參數。結果表明，該系統在晴天、雨天和霧天的接收機靈敏度分別為-17.72、-16.66和-11.16 dBm。與傳統的海洋通信系統相比，該系統具有通信速率高、支持同步時鐘恢復、BER低、不受地形影響和易于安拆等應用優勢，因此在海島之間實現高速寬帶信號收發及傳輸具有一定的潛在實用價值。