FSO 中 PS-QPSK 调 制 系 统 分 析

吴 猛， 张慧颖， 陈伯权

(吉林化工学院 信息与控制工程学院， 吉林 吉林 132022)

FSO 中 PS-QPSK 调 制 系 统 分 析

吴 猛， 张慧颖， 陈伯权

(吉林化工学院 信息与控制工程学院， 吉林 吉林 132022)

在自由空间光通信(FSO)系统中，由于先进的调制格式能大大提高频谱效率，并可以改善系统的传输容量而备受采用。在研究QPSK(正交相移键控)调制的基础上，对新型调制格式PS-QPSK(偏振切换正交相移键控)的调制和解调方案进行研究，并在新型光学仿真软件Optisystem平台下完成基于PS-QPSK调制格式的系统仿真，实现FSO系统中PS-QPSK调制系统的分析。通过仿真结果可以看出，该系统可以很好地实现PS-QPSK的调制和解调，具有很好的传输性能；当进行长距离传输时，系统的误码性能降低较小。因此，采用PS-QPSK调制格式的空间光通信系统具有可行性，适合长距离传输。

偏振切换正交相移键控； 调制； 解调； 自由空间光通信

0 引 言

自由空间光通信(FSO)是光通信和无线通信结合的产物，是一种新兴的宽带接入通信技术。近年来，FSO系统由于其高带宽、抗干扰性好、传输速率快而且安全性好、易于部署等优点受到广泛的应用，尤其是卫星激光通信中的重要通信手段。但是当光信号通过大气信道时，容易受到大气湍流效应和大气衰减等效应影响而导致信号的传输性能下降，严重影响系统的通信稳定性。因此，如何有效地利用先进光调制格式等关键技术来抵抗FSO系统中的干扰，以提供更好的传输性能是国内外学者所面临的重要问题[1-4]。本文在研究QPSK的基础上，对偏振切换QPSK(PS-QPSK)的新型调制和解调格式进行研究，并在光学仿真软件Optisystem平台下搭建其仿真结构并完成系统仿真，验证PS-QPSK在自由空间光通信系统中的可行性及性能分析。

1 PS-QPSK调制格式产生

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

2 PS-QPSK调制/解调结构设计

2.1 调制结构设计

PS-QPSK发射机由两部分构成：光源发出的光信号被分成两路送入两个并行的MZM调制器中，二进制信号D1和D2驱动IQ调制器在单一偏振方向上产生QPSK信号；产生的QPSK信号通过3dB耦合器被分成两个支路，每个支路包含一个单驱动的马赫增德尔调制器，MZM在D3作用下工作在推挽方式下时，将偏振光合束器(PBC)用在将能量在偏振方向上进行偏振状态切换[8-10]。利用PBC复合后在每符号位上只有一个偏振点上获得非零能量。为了将使两束光同步，要将幅度调制器和PBC之间的光纤长度调整到相同长度。设计时，可以经过几个符号延迟之后的数据流驱动IQ调制器，也就是说在PS-QPSK发射机的X和Y偏振方向上，数据有几符号位的延时，这样会导致数据在X和Y偏振方向上似乎是相互独立的，PS-QPSK发射机结构如图2所示。

2.2 相干接收机结构设计

由于相干接收具有较高的接收灵敏度，故系统采用相干接收结构。相干检测是通过接收天线所接收到的光信号与本振光信号相互干涉进行的,并具有一致的偏振方向。由于零差相干检测必须保持接收光信号与本振光之间的相位严格锁定,故在设计时采用外差相干检测，无需光学锁相环节，系统易于实现。外差相干接收机由两个90°光混频器和两个平衡接收器构成。在信号进入偏振分集90°光混频器之前，采用一个带宽为1.2 nm的带通滤波器抑制来自自发辐射光源光谱外的噪声[11-14]。偏振分集是通过偏振分束器(PBS)进行信号的切割后并和本振激光的输出在两个90°光学混频器中实现X和Y偏振方向上的光混合，本振激光采用带宽是500 kHz的ECL，输出端上采用4个PIN管进行平衡光电探测器，将探测后的电信号进行AD采集送入DSP中进行后续处理。PS-QPSK接收机结构框图如图3所示。

3 系统搭建及结果分析

在光学软件Optisystem平台上搭建PS-QPSK相干光通信实验系统。光源采用带宽300 kHz、波长为1 554 nm、发射功率为40 dBm的外腔激光器。波长为λ的实验光源被分成两路后直接送入两个工作在28 Gbaud的QPSK调制器下。系统通信速率为112 Gb/s，发射机孔径尺寸选取5 cm；接收机孔径尺寸为20 cm；本振激光器波长为1 554 nm，功率选取45 dBm；选取Optisystem库自带的FSO信道模拟大气信道，传输距离为5 km，链路衰减为0 dBm，信道衰减为0 dBm(模拟理想信道情况)，光束发散角度2 mrad；光电管响应率为1A/W，暗电流为10 nA[15]。基于PS-QPSK调制外差相干光通信的仿真结果如图4和图5所示。

(a) 调制后的光信号

(b) 调制后的光谱图

(c) 解调后的信号图

图4 PS-QPSK调制和解调仿真图

(a) 传输距离5 km (b) 传输距离10 km

图5 不同传输距离下的眼图

由图4可以看出，该系统可以实现完全调制解调，并且调制解调效果较好。由图5(a)可知：传输距离为5 km时，通过误码分析仪测得的Q值为94.409，误码率接近0，说明该调制方式具有很好的误码性能，通信效果良好。当传输距离增加到10 km时，通过仿真可知，该系统仍然可以完成调制解调。由图5(b)可以看出，眼图效果有所恶化，眼线变粗且略微杂乱，眼睛张开角度减小，但是，仍然可以较好张开。这说明当通信距离增大时，系统可以实现通信，但是误码性能降低。由误码分析仪测得，传输距离10 km时的Q值为17.775 8，误码率为4.899 5×10-71。由此可知，PS-QPSK调制格式适合长距离传输。

4 结 语

本文研究了PS-QPSK码型的产生及其调制解调结构的原理，并研究了PS-QPSK的发射机和接收机的设计，实现基于PS-QPSK调制的自由空间光通信系统模型的搭建。并在新型光学仿真软件平台下，完成基于PS-QPSK调制下自由空间光通信系统链路的仿真。通过实验结果可以知，系统可以很好的完成调制解调并实现正常通信，当传输距离增大时，系统的链路性能降低较小，因此，PS-QPSK更适合长距离传输，具有较好的误码性能，可以应用到FSO系统中。为FSO系统的设计和优化提供了理论依据，具有重要的参考价值。

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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

吉林省教育厅项目(2016134)

吴 猛(1974-),男，吉林吉林人，博士，副教授，主要研究方向：信息光通信及测控技术等方面的研究。

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

TN 929.1

A

1006-7167(2017)04-0146-03