結合WDM-PI的多光束發射無線光通信系統性能分析

董亞歡，付強，劉哲綺

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

無線光通信技術已經成為了現代人日常生活中不可或缺的一部分。隨著人們對通信需求的增加，利用現有設施同時提升通信系統通信容量和通信質量就變得極其重要。自由空間光通信（Free space optics，FSO）也被稱為無線光通信技術（Wireless optical communication，WOC），是一種非常有前景的信息傳輸技術[1-3]。FSO鏈路具有通信容量大、抗截獲能力強、不占用無線電頻譜資源、部署成本低、安裝過程簡單快捷等優點[4-6]。波分復用（Wavelength division multiplexing，WDM）是可提高光鏈路帶寬能力技術中的一種[7]，將兩種或多種不同波長攜帶信息的光載波信號在發送端經復用器復用在一起，并耦合到光線路的同一根光纖中進行傳輸；在接收端，經解復用器將各種波長的光載波分離，然后恢復原信號。這種在同一根光纖中同時傳輸兩個或眾多不同波長光信號的技術，稱為波分復用。WDM在原有基礎通信設施之上，可用于提高光學系統的帶寬容量[4-5]。隨著通信業務的急速增長，系統容量的提高勢在必行，為了在已鋪設光纖網絡的基礎上完成大容量信息的傳輸，實現快速、低成本的系統升級，業內人士不斷研究新的光通信復用技術，其中將偏振復用技術應用于光通信系統引起了眾多專家學者的極大關注。偏振復用技術利用光在單模光纖中傳輸時的偏振特性，用傳輸波長的兩個獨立且相互正交的偏振態分別傳輸兩路信號，成倍提高了系統容量、增加了頻譜利用率，是可以升級現有設備通信容量的關鍵技術。在偏振復用技術的基礎上，使用偏振交錯（Polarized interference，PI）可以減小信道間的非線性影響，為了提升無線通信系統的傳輸容量，減小傳輸損耗，現提出WDMPI多光束發射無線光通信傳輸系統。

最早在2005年，Vanden等人[8]首次提出偏振交錯可以減小信道間的非線性傳輸的影響，且論證表明了，對于多個共傳播信道，極化交錯最小化了非線性效應。首次證明了通過偏振交錯傳輸可以減少偏振復用傳輸中的非線性效應損耗，開創了利用偏振交錯提高傳輸質量的先河。2014年，CHAUDHARY等人[9]結合 WDM-PI交叉方案對衛星間通信系統的湍流進行研究。在發射機和接收機指向誤差角擾動下，能夠在兩顆衛星之間1 000 km的星間光鏈路上傳輸120 Gbps。2015年，SHARMA 等人[10]研究了在傳輸指向誤差的影響下，采用波分復用和偏振交錯混合方案成功傳輸1 000 km以上120 Gbps的高速數據。同年，他們采用相同的方案，在3 500 km的星間鏈路上進行6個信道的傳輸，在3 500 km的星間鏈路，顯示成功傳輸20×6 Gbps數據。該系統只分析了真空基本無信道衰減的仿真結果。2016年，SHATNAWI[12]將偏振交錯應用于星間通信，首次實現將交替信號反轉碼（Alternate mark inversion，AMI）和WDM與PI集成，開發基于AMI-WDM-PI的綜合衛星間通信系統，仿真結果表明，系統在5 000 km的星間光鏈路上傳輸20×8 Gbps數據。2018年，SINGH[13]報道了雨雪天氣條件下兩種基于波分復用的無線光通信系統，在雨雪天氣條件下，分別在16.5 km和1.07 km的鏈路距離上成功傳輸32×10 Gbps的數據。2021年，PRAKASH等人[14]利用毫米波設計分析了高速四通道波分復用光纖無線電系統，實現了30～70 km的單模光纖數據傳輸，在70 km長度使用100 GHz的載波信號，實現10 Gbps的高數據速率信號傳輸。目前大部分專家學者將波分復用結合偏振交錯的通信系統應用于仿真星際間的通信，在此方向上研究者已證實了將波分復用于偏振交錯結合可減少非線性效應[8-11]。大氣湍流對光傳輸的主要影響有光束漂移、大氣閃爍、光束擴展和像點抖動等。其中大氣閃爍和光束漂移對大氣激光通信系統影響最大[15]，這兩者所導致的光強起伏在大氣激光通信中會導致系統檢測概率下降，出現數據傳輸突發性錯誤甚至通信中斷。提高激光通信系統的性能就必須設法減弱光強起伏[16-18]。多光束發射指在發射端從一些孔徑之間的距離大于大氣相干長度的發射鏡中發射多束互不相干的激光束在遠場接收端非相干疊加，以克服大氣激光傳輸中的湍流效應來實現大氣信道的有效補償[19-23]。本文提出結合WDM-PI的多光束發射無限光通信系統，且實驗結果表明，本文提出的系統通信容量可以成倍增加，且在通信容許范圍內，達到可接受水平，為更好地解決“最后一公里”問題給出了新的思路。

在深入了解無線光通信系統提升信道容量的迫切需求后，基于現有的研究成果，將波分復用與偏振交錯相結合，設計一種多光束發射無線光通信系統，提高無線光通信的綜合性能，進行了傳輸實驗測試，給出實驗測試結果和結論。

1 WDM-PI系統傳輸實驗

本文將波分復用和偏振交錯應用于自由空間通信，自由空間光通信系統主要部件有發射模塊、傳輸信道和接收模塊。發射模塊主要包括：激光器光源、信號發射及調制電路、摻鉺光纖放大器和發射天線等。接收模塊主要包括：接收天線、光電探測器等。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

波分復用傳輸系統的發送端，多路信號經過電/光轉化由不同波長的光載波攜帶，再用復用器將多路光載波信號進行合波；在接收端采用解復用器將不同波長的光信號分離開來，經過光電轉換恢復出原始信號送到相應的接收機[19]。波分復用系統充分利用光纖的低損耗波段，增加光纖的傳輸容量，降低成本，且對各信道傳輸信號的速率、格式具有透明性，有利于數字信號和模擬信號的兼容，節省光纖和光中繼器，便于對已建成系統的擴容，可提供波長選路，建立透明的、具有高度可靠性的WDM通信系統。偏振復用技術利用光在單模光纖中傳輸時的偏振特性，用傳輸波長的兩個獨立且相互正交的偏振態分別傳輸兩路信號，成倍提高了系統容量、增加了頻譜利用率，是可以升級現有設備通信容量的關鍵技術。在偏振復用技術的基礎上，使用偏振交錯可以減小信道間的非線性影響，為了提升無線通信技術的傳輸容量，減小傳輸損耗，偏振交錯技術將數據信道分為偶數信道和奇數信道，然后對信道進行單獨復用，同時調整信道的偏振狀態使其正交。極化信號再通過光無線信道多路傳輸到接收器。

利用任意波形發生器（Arbitrary wavefo-rm generator，AWG）、馬赫曾德爾（Mach Zehnder，MZM）調制器、波分復用器（Wavelength division multiplexer，WDM）、波分解復用器（Wavelength demultiplexer，DEWDM）、光電探測器（Photoelectric detector，PD）等功能模塊設計搭建了多光束發射無線光通信系統，表1給出了系統設計參數。

表1 通信鏈路實驗系統參數

圖中展示了8個通道，每個通道攜帶4 Gbps的不歸零（Not return to zero，NRZ）數據，使用MZM調制器在激光光束上調制，光源波長起始1 548.5 nm，相鄰信道間隔為0.8 nm，呈遞增狀，所有信道載波波長分別為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產生NRZ數據發送到MZM調制器，調制器將AWG發出的電信號調制到激光上，數據通道分為奇偶信道，分別進行多路波分復用。然后，將兩個多路復用器的輸出饋電給偏振控制器，使奇偶信道變為相互正交信號，兩路正交信號通過自由空間傳輸到接收端。接收端使用偏振分束器（Polari-zation beam splitter，PBS）將接收到的信號按照偏振狀態進行分割，將其分為奇偶信號，進而由輸出進行解復用，使用光電探測器探測信號，信號通過低通濾波器，之后信號由眼圖儀、誤碼儀檢測信號質量。

圖2展示了經過調制器調制之后的激光經過波分復用后的光譜，對比于調制前，光譜會拓寬，如圖中放大位置所示。拓寬的光譜表示信號加載到了激光上，從調制器輸出的光攜帶有NRZ數據。

圖2 調制后的偶通道波分復用光譜

大氣湍流模擬池可以根據熱空氣對流大氣湍流原理建立湍流環境[21]。與基于空間光調制器和旋轉相位屏模擬的大氣湍流相比，熱空氣對流大氣湍流在物理上更接近于真實大氣湍流，具有結構簡單、易于控制的優點。慣性面積大，滿足2/3定律，均勻性好。它由模擬大氣箱和自動控制器組成，如圖3（a）所示。大氣湍流模擬箱截面圖如圖3（b）所示。它主要由加熱板、冷卻板、湍流產生區和溫度補償區組成。箱體頂部的蓋板為冷卻板，可通過循環水保持穩定的室溫（或低溫）。箱體的底板是三個相同的加熱板，可以通過電流均勻加熱，因此，箱體內部溫度可以逐漸提高。溫度可調的加熱板和冷卻板均可由自動控制器控制。當受熱面和冷卻面之間的溫差保持恒定時，湍流就會形成。湍流模擬箱內設有溫度探測器，實時測量箱內各部件的溫度。有了這些探測器，自動控制器可以適當地調節箱內加熱板的溫度。

圖3 大氣湍流裝置示意圖

使用大氣湍流模擬池對WDN-PI系統進行測試實驗，模擬信息一公里傳輸實驗，進行無湍流、弱湍流、中湍流和強湍流情況下的4 Gbps信號傳輸實驗，驗證系統在湍流影響下的工作狀態。

2 實驗結果與討論

本節將討論結合WDM-PI的多光束發射無線光通信系統的通信性能，根據無線光通信鏈路的要求，一般接收端接收信號功率為[22]：

其中，PT為發射光功率；ηT和ηR分別是發射器光效率和接收器光效率；λ是波長；d是發射鏡和接收鏡的直線距離；GT是發射鏡增益；GR是接收鏡增益；LT和LR分別是發射鏡和接收鏡的損耗。

圖4展示了第二信道在模擬傳輸距離為1 km，傳輸速率為4 Gbps，在大氣湍流影響從弱到強的影響下，接收機的實測眼圖和信噪比，圖4（a）—圖4（d）的信噪比分別為24.33 dB、16.03 dB、12.04 dB、5.93 dB，表明在 WDM-PI通信系統鏈路上，在中強湍流影響下，8個信道的信號均被成功發送，且信號被眼圖儀所識別。

圖4 不同湍流環境下眼圖對比

圖5為WDM-PI通信在自由空間與模擬大氣湍流池信道時的誤碼率實測曲線，如圖5（a）—圖5（d）所示，模擬1 km的4 Gbps傳輸信號，在湍流環境改變的情況下，湍流越強，接收功率越低，誤碼率越高。

圖5 信道平均誤碼曲線對比圖

在無湍流情況下，誤碼率為1.0×10-6時，對應接收功率在WDM-PI系統和FSO情況分別是-20 dBm和-17.5 dBm，因此WDM-PI系統在無湍流情況下靈敏度高于FSO通信2.5 dBm；在弱湍流情況下，誤碼率為1.0×10-6時，對應接收功率在WDM-PI系統和FSO情況分別是-15.3 dBm和-13.9 dBm，因此WDM-PI系統在弱湍流情況下靈敏度高于FSO通信1.4 dBm；在中湍流情況下，誤碼率為1.0×10-6時，對應接收功率在WDM-PI系統和FSO情況分別是-11.7 dBm和-9.1 dBm，因此WDM-PI系統在中湍流情況下靈敏度高于FSO通信2.6 dBm；在強湍流情況下，誤碼率為1.0×10-6時，對應接收功率在WDM-PI系統和FSO情況分別是-5.3 dBm和-0.8 dBm，因此WDM-PI系統在強湍流情況下靈敏度高于FSO通信4.5 dBm，表明WDM-PI通信系統在提高信道容量的同時可降低大氣湍流對通信系統影響，降低了傳輸損耗，且系統對強湍流的抵抗能力更強。

3 結論

本文提出了一種數據速率為4 Gbps×8的通信系統。通過實際實驗對所提出的方案進行了驗證。通過分析誤碼率、信噪比、眼圖質量等不同的參量來評價其傳輸特性。由結果可知，所提系統在可控湍流池和自由空間的條件模擬一公里傳輸，在無湍流、弱湍流、中湍流、強湍流下的信噪比分別為24.33 dBm、16.03 dBm、12.04 dBm、5.93 dBm，數據表明信號在接收端成功接收，在傳輸過程中，WDM-PI系統傳輸質量優于FSO直接傳輸，誤碼率為1.0×10-6，系統分別處于無湍流、弱湍流、中湍流、強湍流時，WDM-PI系統靈敏度分別高于FSO通信2.5 dBm、1.4 dBm、2.6 dBm、4.5 dBm。表明WDM-PI通信系統在提高通信速率的同時可降低大氣湍流對通信系統影響，且系統對強湍流的抵抗能力更強。因此，所提出的WDM-PI通信系統可以有效地增加系統數據傳輸容量，提高傳輸質量，為后續通信事業的發展做出貢獻。