QPSK空間相干激光通信仿真與實(shí)驗(yàn)

楊 靜,呂曉萌,陳少勇,楊 燁,蔚增禧,崔 巖,李文亮,喬 瀾

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所,四川 成都 610029; 2.四川省寬帶微波電路高密度集成工程研究中心,四川 成都 610029)

1 引 言

空間激光通信憑借其高速數(shù)據(jù)傳輸能力、極高接收靈敏度,已成為未來(lái)高速星間通信重要的技術(shù)手段。光通信技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展至今碩果累累,以提高靈敏度、通信速率為核心目標(biāo),總共經(jīng)歷了五代技術(shù)改進(jìn)[1]。光通信按探測(cè)體制分為直接探測(cè)與相干探測(cè),前者光電探測(cè)器響應(yīng)信號(hào)光的強(qiáng)度,而后者響應(yīng)信號(hào)光與本振光混頻后的強(qiáng)度,通常本振光強(qiáng)度遠(yuǎn)大于信號(hào)光,因而相干探測(cè)比直接探測(cè)具有可觀的相干增益,所以在摻鉺光纖放大器(EDFA)發(fā)明之前,相干探測(cè)靈敏度遠(yuǎn)高于直接探測(cè),因而在前三代光通信系統(tǒng)中,相干探測(cè)是主要技術(shù)發(fā)展焦點(diǎn)。相干探測(cè)雖然具有極高靈敏度,但系統(tǒng)復(fù)雜,對(duì)激光器線(xiàn)寬、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)速度等要求較高。1990年EDFA出現(xiàn)后,信號(hào)光不需要通過(guò)光-電-光中繼器周期性再生,而是直接在光域上放大且不用考慮插損,這使直接探測(cè)的靈敏度大大提高,且結(jié)合波分復(fù)用(WDM)通信速率也大大提高達(dá)到Tbps量級(jí),因而系統(tǒng)簡(jiǎn)單、對(duì)器件要求不高的直接探測(cè)成為發(fā)展熱點(diǎn),此即第四代光通信系統(tǒng)。

到目前最先進(jìn)的第五代光通信系統(tǒng),為適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)速率要求的不斷提高[2],且受益于窄線(xiàn)寬激光器、高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、DSP的發(fā)展,譜效率更高的相干探測(cè)再一次成為研究熱點(diǎn),調(diào)制格式由低階調(diào)制發(fā)展到高階調(diào)制,即一個(gè)符號(hào)代表多個(gè)比特,譜效率由第四代系統(tǒng)的0.8 bps/Hz以下,發(fā)展到8 bps/Hz以上。

除了技術(shù)體制上的改進(jìn),隨著人類(lèi)社會(huì)發(fā)展通信場(chǎng)景也趨向多樣化,因而脫離開(kāi)光纖傳輸介質(zhì)而通過(guò)自由空間傳輸?shù)目臻g相干激光通信逐漸成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)[3]。由于光纖通信需要在通信雙方鋪設(shè)光纜,受限于成本、地形等存在一定局限性,而空間激光通信傳輸介質(zhì)為自由空間,應(yīng)用場(chǎng)景局限性大大降低,且真空傳輸不存在光纖中的色散問(wèn)題,因而數(shù)據(jù)處理更簡(jiǎn)單快速。在諸多應(yīng)用場(chǎng)景中,通過(guò)將大量通信衛(wèi)星發(fā)射至太空組網(wǎng),實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的高速通信網(wǎng)絡(luò),對(duì)民用、軍用領(lǐng)域都具有巨大吸引力而受到較大關(guān)注。

本文對(duì)高階調(diào)制的QPSK空間相干激光通信技術(shù)進(jìn)行研究,第一章詳細(xì)介紹系統(tǒng)鏈路結(jié)構(gòu):包括發(fā)射端、自由空間傳輸、接收端,第二章概述相干鏈路原理,通過(guò)在發(fā)射端將二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)調(diào)制到光載波上,并在接收端相干解調(diào)實(shí)現(xiàn)雙方通信,第三章針對(duì)空間鏈路進(jìn)行數(shù)字化仿真分析,從而得到信號(hào)星座圖,并在實(shí)驗(yàn)室搭建相應(yīng)鏈路完成實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,根據(jù)仿真結(jié)果搭建相應(yīng)通信鏈路,在輸入光功率為-45 dBm、-48.5 dBm時(shí),經(jīng)測(cè)試得到相應(yīng)星座圖EVM分別為17.8 %、24.4 %,與仿真結(jié)果較符合。

2 QPSK空間相干激光通信鏈路結(jié)構(gòu):

本文設(shè)計(jì)的QPSK空間相干激光通信基本鏈路如圖1所示。

圖1 QPSK空間相干激光通信鏈路結(jié)構(gòu)

通信雙方分為發(fā)射端和接收端,連接線(xiàn)條的箭頭方向代表信號(hào)流向,其中實(shí)線(xiàn)代表光纖,承載光信號(hào)傳輸;虛線(xiàn)代表電纜,承載電信號(hào)傳輸。發(fā)射端包含:窄線(xiàn)寬激光器、QPSK調(diào)制器、驅(qū)動(dòng)放大器、高功率EDFA、發(fā)射光學(xué)天線(xiàn),接收端包括:接收光學(xué)天線(xiàn)、低噪聲EDFA、本振窄線(xiàn)寬激光器、光混頻器(hybrid)、平衡探測(cè)器、DSP。

對(duì)于發(fā)射端的鏈路,窄線(xiàn)寬激光器發(fā)出激光作為光通信載波,調(diào)制電信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)放大器放大以滿(mǎn)足調(diào)制器半波電壓要求[4],通過(guò)QPSK調(diào)制器將要傳輸?shù)碾娦盘?hào)加載到激光相位上,調(diào)制后的信號(hào)光經(jīng)高功率EDFA進(jìn)行受激放大,放大后的信號(hào)光由發(fā)射光學(xué)天線(xiàn)準(zhǔn)直擴(kuò)束,擴(kuò)束后輻射至自由空間。

對(duì)于接收端的鏈路,由接收光學(xué)天線(xiàn)部分接收空間信號(hào)光至接收端低噪聲EDFA,經(jīng)該EDFA放大后的信號(hào)光與接收端本振窄線(xiàn)寬激光器發(fā)出的激光(本振光)合束,信號(hào)光與本振光間的頻率差可實(shí)時(shí)反饋補(bǔ)償[5],經(jīng)過(guò)90°hybrid,得到本振光與信號(hào)光四組不同相位關(guān)系的混頻光,然后四組混頻光經(jīng)過(guò)兩個(gè)平衡探測(cè)器得到I、Q兩路電信號(hào),經(jīng)過(guò)DSP 對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行正交歸一化、時(shí)鐘同步、頻偏估計(jì)、相位估計(jì)等處理[6],即可解算出原始調(diào)制數(shù)字信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)雙方高速通信。

3 QPSK相干激光通信原理

相干激光通信主要包括發(fā)射端的信號(hào)調(diào)制、接收端的信號(hào)解調(diào)兩個(gè)核心部分,其功能分別是將二進(jìn)制電信號(hào)調(diào)制到光載波的相位上、將光載波相位攜帶的信息解調(diào)恢復(fù)到二進(jìn)制電信號(hào),接下來(lái)分別闡述其工作原理。

3.1 調(diào)制原理

對(duì)于發(fā)射端,由IQ調(diào)制器實(shí)現(xiàn)電信號(hào)QPSK調(diào)制,其調(diào)制器結(jié)構(gòu)和原理[7]如圖2所示。

圖2 IQ調(diào)制器原理圖

圖2(a)中I、Q兩臂調(diào)制信號(hào)uI(t)、uQ(t)為放大后的數(shù)字電信號(hào),則輸出光場(chǎng)為:

Eout(t)=E0cos(2πf0t+θs)

(1)

其中E0為光場(chǎng)幅度;f0為激光載波頻率;θs的取值與I、Q兩路數(shù)字電信號(hào)取值對(duì)應(yīng)關(guān)系為表1。

表1 調(diào)制信號(hào)映射表

Vπ為調(diào)制器的半波電壓。由此,I、Q兩路二進(jìn)制數(shù)字電壓信號(hào),通過(guò)電光調(diào)制器轉(zhuǎn)化為光場(chǎng)的相位信息,并體現(xiàn)為載波相位的四個(gè)象限變化,如圖2(b)所示,稱(chēng)為信號(hào)的星座圖。

3.2 解調(diào)原理

對(duì)于接收端,通過(guò)hybrid及兩個(gè)平衡探測(cè)器得到解調(diào)后的I、Q兩路電信號(hào):

VI=V0cos(θs),VQ=V0sin(θs)

(2)

其中,V0為探測(cè)器輸出電信號(hào)幅度,則解調(diào)電信號(hào)與調(diào)制光場(chǎng)的相位關(guān)系如表2所示。

表2 解調(diào)信號(hào)映射表

與表1存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,通過(guò)映射譯碼,即可解調(diào)出原始二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。

4 QPSK空間相干光通信鏈路仿真和實(shí)驗(yàn)

根據(jù)圖1,在仿真軟件中搭建相應(yīng)的仿真鏈路如圖3所示。

圖3 仿真鏈路圖

圖3中上部為發(fā)射端(Transmitter)、自由空間(Free Space),下部為接收端(Receiver),其中誤碼率測(cè)試設(shè)備發(fā)射偽隨機(jī)數(shù)字信號(hào)作為信號(hào)源,并與接收端解調(diào)的數(shù)字信號(hào)對(duì)比,從而得到誤碼率,同時(shí)在鏈路中加入了噪聲源模擬鏈路噪聲,加入濾波器模擬鏈路帶寬,并濾除鏈路中高頻噪聲以提高信噪比。

器件參數(shù)為:通信速率2.5 GHz,發(fā)射端激光器線(xiàn)寬10 kHz,出光功率為10 dBm,波長(zhǎng)為1550 nm;發(fā)射端的高功率EDFA噪聲系數(shù)7 dB,出光功率為32 dBm(約1.6 W);發(fā)射光學(xué)天線(xiàn)口徑40 mm,束散角60 urad;自由空間距離為6000 km,設(shè)置為真空環(huán)境,對(duì)應(yīng)的空間損耗為77 dB,此時(shí)接收端入射光功率為-45 dBm;接收端的本振窄線(xiàn)寬激光器光功率0.5 dBm,波長(zhǎng)為1550 nm,線(xiàn)寬為10 KHz;低噪聲EDFA的線(xiàn)寬2 nm,探測(cè)器帶寬為2 GHz,DSP濾波帶寬為2.5 GHz的0.75余弦滾降濾波器?？勺儏?shù)為:接收端入射光功率Pr(通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)射端EDFA增益調(diào)節(jié))、接收端EDFA增益倍數(shù)G和噪聲系數(shù)NF(本文未特別說(shuō)明情況下,均指接收端EDFA的增益倍數(shù)和噪聲系數(shù))、探測(cè)器響應(yīng)度R。

接下來(lái)研究各可變參數(shù)的影響。首先研究Pr的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件,設(shè)定G為30 dB,NF為6 dB,R為0.8 A/W下,研究接收端在不同Pr下的星座圖,仿真得到星座圖如圖4所示。

圖4 仿真星座圖

其中星座圖的橫坐標(biāo)為I路信號(hào)幅度,縱坐標(biāo)為Q路信號(hào)幅度,每個(gè)時(shí)刻采集到的I、Q信號(hào)對(duì)應(yīng)星座圖上的一個(gè)點(diǎn),將一段時(shí)間持續(xù)采樣得到的I、Q信號(hào)畫(huà)出,就得到信號(hào)的星座圖。理論上星座圖為四個(gè)象限上四個(gè)點(diǎn)如圖2b所示,由于系統(tǒng)各器件引入的噪聲,如光放大器的自發(fā)輻射噪聲、探測(cè)器的熱噪聲、散粒噪聲等,退化為四組離散點(diǎn)云。通過(guò)判定信號(hào)處在星座圖象限的位置,則可以得到表2中θs取值,從而得到I、Q數(shù)字信號(hào)的取值實(shí)現(xiàn)雙方通信。

衡量通信系統(tǒng)的直接參數(shù)為誤碼率,然而由于計(jì)算機(jī)性能有限,當(dāng)誤碼率較低時(shí)無(wú)法通過(guò)數(shù)字信號(hào)的碼流對(duì)比得到準(zhǔn)確的誤碼率,比如對(duì)于10-7的誤碼率,理論上需要計(jì)算107個(gè)碼元才能得到一個(gè)誤碼,且由于統(tǒng)計(jì)誤差,往往需要更多誤碼的出現(xiàn)才能更準(zhǔn)確得到誤碼率,因而通常通過(guò)星座圖信號(hào)質(zhì)量(或信噪比)來(lái)衡量系統(tǒng)性能,表征信號(hào)星座圖信噪比的物理量為誤差矢量幅度(EVM),其計(jì)算方法為[8]:

(3)

其中,N為總的計(jì)算EVM的信號(hào)碼元數(shù);xiyi且分別為第i個(gè)碼元的橫縱坐標(biāo)值,且有:

(4)

EVM越小表明星座圖各象限點(diǎn)云越集中,信號(hào)質(zhì)量越好。經(jīng)過(guò)仿真得到,圖4中的EVM分別為16.9 %和23.6 %,可見(jiàn)隨著Pr的升高,EVM降低,因而要求系統(tǒng)Pr越高越好。

此外,通過(guò)EVM可以理論估計(jì)系統(tǒng)比特誤碼率(BER),兩者關(guān)系為:

(5)

erfc為補(bǔ)余誤差函數(shù),每一個(gè)符號(hào)由I、Q兩路碼元共同決定,則總符號(hào)誤碼率(SER)為:

SER=1-(1-BER)2≈2×BER

(6)

相應(yīng)變化曲線(xiàn)圖如圖5所示。

圖5 SER與EVM的關(guān)系

可見(jiàn)EVM為16.9 %和23.6 %時(shí),估計(jì)符號(hào)誤碼率約為3.27×10-9和2.26×10-5,不考慮其他情況如前向誤碼糾錯(cuò)(FEC)等,如果要求系統(tǒng)SER小于10-7,則EVM不得大于20 %。

其次,研究G和R的影響。當(dāng)Pr為-45 dBm且NF為6 dB時(shí),僅改變G,給出當(dāng)響應(yīng)度分別為0.5 A/W和0.8 A/W時(shí)的,EVM隨G的變化趨勢(shì)如圖6所示。

圖6 EVM與G的關(guān)系

可見(jiàn)EVM隨G增大而逐漸降低趨于最小值,而探測(cè)器響應(yīng)度R對(duì)此最小值影響不大,只影響EVM隨G變化趨勢(shì),從而可合理設(shè)定接收端EDFA的增益倍數(shù)G,使得EVM接近最小值。最后,研究NF的影響。在Pr為-45 dBm時(shí),設(shè)置接收端的低噪聲EDFA的NF在5、3、1 dB下,經(jīng)仿真后得到的星座圖如圖7所示。

圖7 仿真星座圖

可見(jiàn)隨著NF的降低,EVM降低,因而要求接收端EDFA的NF越小越好,在保偏系統(tǒng)中其理論極限值為0 dB。

根據(jù)仿真結(jié)果,我們?cè)O(shè)計(jì)并搭建了空間光通信的相干激光鏈路,其中器件參數(shù)與仿真設(shè)置值接近。接收端EDFA輸出光功率固定為10 dBm,采用空間插損方式模擬真空環(huán)境中的衰減量,由于光纖較短,級(jí)聯(lián)光纖帶來(lái)的色散可以忽略,因而可以近似模擬真空傳輸。本激光相干通信采用全保偏方式實(shí)現(xiàn),為慢軸對(duì)準(zhǔn)方式。接收端EDFA的NF為6 dB。調(diào)節(jié)光衰減器使得Pr等于-45 dBm和-48.5 dBm,實(shí)驗(yàn)得到的處理后的信號(hào)星座圖如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)星座圖

以圖8(a)為例,四個(gè)象限圓圈里的點(diǎn)云為處理后的信號(hào),其余點(diǎn)為數(shù)字信號(hào)的上升、下降沿處采樣到的軌跡,不納入EVM計(jì)算范圍,經(jīng)過(guò)計(jì)算得到EVM分別為17.8 %,24.4 %,與圖4仿真結(jié)果EVM 16.9 %、23.6 %較符合,驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的QPSK相干光通信鏈路實(shí)際工程應(yīng)用的可行性和合理性。值得注意的是,圖中未歸一化顯示信號(hào)幅度,所以圖8(b)入射光功率降低時(shí),信號(hào)幅度相應(yīng)降低。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并搭建了一套QPSK相干激光通信系統(tǒng)鏈路,依次對(duì)其進(jìn)行原理分析、仿真、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首先,以表征信號(hào)誤碼率的星座圖EVM為指標(biāo),仿真分析了接收端入射光功率Pr、接收端EDFA增益倍數(shù)G和噪聲系數(shù)NF、探測(cè)器響應(yīng)度R的影響,在G增大時(shí),EVM逐漸趨近于最小值,R對(duì)此最小值影響不大,只影響EVM隨G變化趨勢(shì),該最小值主要由Pr和NF共同決定,且Pr越大、NF越小,此最小值越小,因而兩者作為后續(xù)系統(tǒng)優(yōu)化的重點(diǎn)關(guān)注參數(shù)。其次搭建實(shí)驗(yàn)鏈路,該鏈路可實(shí)現(xiàn)發(fā)射功率為1.6 W時(shí)6000 km級(jí)的空間激光通信,當(dāng)接收端輸入功率Pr分別為-45 dBm、-48.5 dBm時(shí),測(cè)得EVM分別為17.8 %、24.4 %,與仿真結(jié)果16.9 %、23.6 %較符合,驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的QPSK相干激光通信鏈路實(shí)際工程應(yīng)用的可行性和合理性,對(duì)空間相干激光通信的研究具有理論、工程參考意義,為后續(xù)繼續(xù)提高通信速率、靈敏度等打下基礎(chǔ)。