CN114866142A - 采用双极性编码的密集波分复用自由空间光通信系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用双极性编码的密集波分复用自由空间光通信系统和方法，将16路AMI编码信号通过密集波分复用器完成多路同时复用，经过FSO信道传输后再由密集波分解复用器分解成16路信号，相对于目前业界已提出的自由空间光传输信号的方案，测试结果证明：本发明提出的方法不但能有效地抵抗信号传输生成的直流分量，而且能显著提高AMI信号的传输速率和传输后的接收质量，还在现实应用中具有广泛的潜在价值。
Description
技术领域
本发明属于光通信网络中采用密集波分复用技术实现双极性(AMI)编码信号的新型自由空间光接入系统，用于改善FSO自由空间信道传输AMI信号的速率和接收性能。
背景技术
自由空间光(Free Space Optical,FSO)通信作为无线通信领域中的一种新型高速通信方式，具备通信带宽大、兼容现有电信光缆的单模工作窗口波长(1550nm)、建设周期短和无需市政许可牌照等应用优势，易于在复杂地形区域进行接入建设。常规通信技术通常利用光纤作为媒介来传输信号，但光纤在复杂地形条件下并不能很好支持“最后一公里”的信号接入，而且建设时需要获得市政许可，搭建时间长。即使在最新的第五代移动通信(5G)中，FSO也因传输速率快、不受电磁干扰可以对5G回传起到重要补充。因此，FSO技术已成为大带宽高速率传输和接入系统研究的热点。
密集波分复用(DWDM,Dense WaveLength Division Multiplexing)技术是指多路电信号借助光调制加载到不同波长的光波上,光信号经过复用后通过同一链路传输的通信技术。近年来，通信系统对带宽和容量的要求越来越高，人们发现密集波分复用技术可以有效增加信息容量，因此它在通信系统中开始广泛使用。目前，最新的通信系统对密集波分复用技术的实现的效果要求越来越高，例如5G通信要求至少复用12路波长信号，密集波分复用技术现已成为通信传输系统研究的热点。
双极性(Alternate Mark Inversion,AMI)编码技术是一种信号交替反转编码技术，使用正电平、负电平和零电平表示二进制信息。由于传统单极性编码码字少，易产生直流分量等缺点，而双极性编码可以克服这些缺点，因此在通信系统中双极性编码在较多领域实施研究及应用。
目前业界已提出的FSO通信系统传输信号的方案，具有搭建方便和抵抗直流分量的能力，但是其通信带宽、传输速率和接收性能等还有待进一步改进和提高。
发明内容
本发明针对上述情况，提出了一种采用密集波分复用技术实现双极性编码信号的新型自由空间光接入通信系统和通信方法，将经过双极性编码后的16路信号使用密集波分复用器复用为一路信号，并经过自由空间信道传输。测试结果证明：本发明提出的方法不但能有效地抵抗直流分量带来的负面效应，而且能显著提高AMI信号传输后的接收质量。
鉴于此，本发明采用的技术方案是：采用双极性编码的密集波分复用自由空间光通信系统，包括自由空间光传输链路模块，16个发射机、密集波分复用器、密集波分解复用器和16个接收机，16路数据分别经各发射机采用双极性编码生成16路AMI光信号，然后经过密集波分复用器生成DWDM-AMI光信号，DWDM-AMI光信号由自由空间光传输链路模块传输，经自由空间光传输链路传输后的DWDM-AMI光信号由密集波分解复用器分解为16路AMI光信号，分别采用16个接收机接收信号，并恢复为16路原始数据。
自由空间光(FSO)传输链路模块：生成光DWDM-AMI信号时会导致信号功率下降，FSO对传输信号的功率要求较高，因此在FSO传输信号前需要使用第一掺铒光纤放大器(EDFA)放大信号功率。FSO传输链路由两个红外校准器、一个激光发射器、一个激光接收器组成。由于DWDM-AMI信号在FSO传输过程中会受到环境因素(如大气湍流效应等)影响，因此在FSO传输后仍需级联第二掺铒光纤放大器用于补偿信号衰减。
具体地，所述密集波分复用器包括，16路AMI光信号分别通过光学滤波器滤波后完成多路同时复用，然后通过衰减器降低信号的功率，从而产生DWDM-AMI光信号。
具体地，所述发射机包括AMI序列发生器、二进制脉冲发生器、双臂马赫-曾德尔调制器和连续波激光器，原始数据经所述AMI序列发生器转换为AMI信号，然后通过二进制脉冲发生器生成AMI电信号，然后再与连续波激光器发出的激光信号一起通过双臂马赫-曾德尔调制器调制生成AMI光信号。
具体地，所述接收机包括PIN光电二极管、低通滤波器、二进制阈值检测器和AMI译码器，所述PIN光电二极管将AMI光信号转换为电信号，然后通过低通滤波器滤除传输信道中所产生的噪声，再使用二进制阈值检测器将滤波后信号转换为二进制信号，最后通过AMI译码器将信号还原为数据信号。
根据以上系统，本发明还提供一种采用双极性编码的密集波分复用自由空间光通信系统的通信方法，包括：在发射端，16路数据分别经发射机生成16路AMI光信号，然后经过密集波分复用器生成DWDM-AMI光信号；
传输，DWDM-AMI光信号经第一掺铒光纤放大器进行放大，由自由空间光传输链路模块传输，再由第二掺铒光纤放大器进行放大以弥补损失的功率；
在接收端，密集波分解复用器DWDM-AMI光信号将分解为16路AMI光信号，分别采用16个接收机接收分解后的信号，并恢复为16路原始数据。
本发明通过融合密集波分复用技术和自由空间光通信技术提升了通信系统的传输速率，并重点研究了自由空间光信号传输性能，实现了40Gbit/s光信号的收发和传输。本发明采用了具有差错自检、可有效消除直流成分和抗干扰性强等优点的双极性(AlternateMark Inversion,AMI)编码改良了自由空间光通信系统的通信带宽和接收性能，提升了自由空间光信系统的传输距离。采用该方案，能克服常规通信模式(例如光纤通信、移动通信、微波通信等)存在的成本高、传输信号需要中继放大等缺点，在未来具有潜在应用价值。
附图说明
图1为本发明中基于密集波分复用技术实现双极性编码信号的新型自由空间光接入系统结构示意图；
图2为本发明中发射机和接收机结构示意图，其中(a)为本发明中发射机结构，图2(b)为本发明中接收机结构；
图3为本发明中密集波分复用技术原理图；
图4为本发明中光信号复用前后和传输前后频域波形图；
图5为本发明中光信号复用前后和传输前后时域波形图；
图6为本发明中接收AMI信号误码率与接收功率关系曲线图；
图7为本发明中接收AMI信号FSO传输距离与误码率关系曲线图。
具体实施方式
AMI码的编码方式为原始数据信号中的0不改变，1变为1与-1交替，由于编码后的信号为1与-1交替，可以消除传输过程中产生的直流分量，并且可以清晰观察到接收信号上的错误信息，实现差错自检。
本发明的技术方案如附图1所示。16路2.5Gbit/s C波段(192.4-193.9THz)AMI编码信号通过密集波分复用器c-1复用为一路40Gbit/s DWDM-AMI光信号，并由第一掺铒光纤放大器(EDFA)c-2放大。在本方案中，产生的40Gbit/s DWDM-AMI光信号通过1公里自由空间光信道传输后会损失一部分功率，因此选择再次放置第二掺铒光纤放大器c-3用于弥补损失的功率。放大后的信号经密集波分解复用器c-4解为16路2.5Gbit/s C波段光信号，分别由接收机b接收并转换为2.5Gbit/s电信号，并在观察仪器上分析接收信号的眼图和误码率等。
本发明发射机结构如图2(a)所示，接收机结构如图2(b)所示。在发射端，待传输的2.5Gbit/s原始数据经AMI序列发生器a-1转换为AMI信号。然后通过二进制脉冲发生器a-2生成2.5Gbit/s AMI电信号，并将2.5Gbit/s AMI电信号生成两路独立的光学信号，其中一路信号经过-1电增益后接入马赫-曾德尔调制器中一个光学臂，另一路信号直接接入马赫-曾德尔调制器另一个光学臂，再与连续波激光器a-4生成的激光一起通过双臂马赫-曾德尔调制器a-3对两路信号进行调制，以生成2.5Gbit/s AMI光信号。在接收端，PIN光电二极管b-1将2.5Gbit/s AMI光信号转换为电信号。然后通过低通滤波器b-2滤除传输信道中所产生的噪声，再使用二进制阈值检测器b-3将滤波后信号转换为二进制信号，并通过AMI译码器b-4将信号还原为数据信号。最后使用观察仪器检测接收数据和原始数据的差异，分析本发明的实用性。
本发明中使用密集波分复用技术将16路AMI码光信号组合为一路光信号。密集波分复用器结构如图3所示。16路输入信号分别通过三阶贝塞尔滤波器滤波并组合成一个信号，然后通过衰减器降低信号的功率并输出。通过密集波分复用器的光信号可以表示如下：
其中i为输入端口的序号，N为输入端口的个数。
为输入端口i的电场强度，EIN为输入信号总电场强度，Ti(f)为输入端口i的过滤传输参数，RL为滤波器的回波损耗参数，可以表示如下：
RL＝20log10 p (3)
其中IL为滤波器的插入损耗，H(f)为三阶贝塞尔滤波器的传递函数，p为电压反射系数。
为了证明本发明的实用性，我们选择对193.1THz和192.4THz激光信号传输前后的频域波形、时域波形和误码率等参数进行分析。频域波形测试结果如附图4所示，其中图(a)为192.4THz AMI光信号频域波形图，图(b)为193.1THz AMI光信号频域波形图，图(c)为16路光信号通过密集波分复用器后生成的DWDM-AMI信号频域波形图，图(d)为经过FSO信道传输后的DWDM-AMI信号频域波形图。从图中可以清晰观察到AMI信号的中心频率和DWDM-AMI信号的16路复合频率，经过1公里FSO信道传输后，16路复合频率仍可被清晰观察到，并未发生频谱偏移，证明本发明频率稳定性良好。
时域波形测试结果如附图5所示，其中图(a)为192.4THz AMI光信号时域波形图，图(b)为193.1THz AMI光信号时域波形图，图(c)为16路光信号通过密集波分复用器后生成的DWDM-AMI信号时域波形图，图(d)为经过FSO信道传输后的DWDM-AMI信号时域波形图。从图中可以看出DWDM-AMI信号时域波形比AMI信号时域波形密集，这是因为DWDM-AMI信号包含了16路AMI信号的信息。从传输前后的时域图中可以看出，传输前后的DWDM-AMI信号脉冲在时域变化一致，而功率出现了下降现象(由于信号传输过程中产生的功率损失导致)，这表明该信号系统传输过程中时间同步性能优越。
附图6为不同频率下接收的AMI信号误码率与接收功率关系曲线图。其中图(a)为192.4THz AMI信号背靠背传输和1公里自由空间光无线信道传输误码率与接收功率关系曲线对比图，图(b)为193.1THz AMI信号背靠背传输和1公里自由空间光无线信道传输误码率与接收功率关系曲线对比图。我们在接收光功率区间(-9dBm到-3dBm)内测试了误码率，并绘制了在接收光功率为-5dBm时的眼图。从图中可以看出，本发明中192.4THz激光信号与193.1THz激光信号传输后误码率波动幅度相似，其中193.1THz激光信号误码率略高于192.4THz激光信号，两者接收机灵敏度分别为-4.12dBm和-3.84dBm。当BER为10-9时，激光频率为192.4THz时背靠背传输和1公里自由空间光无线信道传输接收功率大约相差0.38dB，激光频率为193.1THz时背靠背传输和1公里自由空间光无线信道传输功率大约相差0.37dB。
附图7为不同接收功率下AMI-DWDM信号通过FSO传输的距离与误码率曲线图。其中图(a)为192.4THz接收功率为-5dBm、0dBm和5dBm的AMI信号通过自由空间光无线信道传输后误码率与传输距离曲线对比图，图(b)为193.1THz接收功率为-5dBm、0dBm和5dBm的AMI信号通过自由空间光无线信道传输后误码率与传输距离曲线对比图。为了在实际中能更好的应用本发明，故分别将接收功率调节至-5dBm，0dBm，5dBm测试不同接收功率时，采用密集波分复用技术传输AMI信号的误码率。从图中可以观察到，192.4THz和193.1THzAMI信号随传输距离增加整体误码率变化趋势一致，相同传输距离下，接收到193.1THzAMI信号误码率略高于192.4THzAMI信号。当BER小于10-3时，接收功率为-5dBm时192.4THz和193.1THzAMI信号最远传输距离分别为2.03公里和1.98公里，接收功率为0dBm时192.4THz和193.1THzAMI信号最远传输距离分别为2.35公里和2.31公里，接收功率为5dBm时192.4THz和193.1THzAMI信号最远传输距离分别为2.43公里和2.38公里。
Claims (9)
1.采用双极性编码的密集波分复用自由空间光通信系统，包括自由空间光传输链路模块，其特征在于：还包括16个发射机(a)、密集波分复用器(c-1)、密集波分解复用器(c-4)和16个接收机(b)，16路数据分别经各发射机(a)采用双极性编码生成16路AMI光信号，然后经过密集波分复用器(c-1)生成DWDM-AMI光信号，DWDM-AMI光信号由自由空间光传输链路模块传输，经自由空间光传输链路传输后的DWDM-AMI光信号由密集波分解复用器(c-4)分解为16路AMI光信号，分别采用16个接收机(b)接收信号，并恢复为16路原始数据。
2.根据权利要求1所述采用双极性编码的密集波分复用自由空间光通信系统，其特征在于：还包括第一掺铒光纤放大器(c-2)和第二掺铒光纤放大器(c-3)，所述第一掺铒光纤放大器(c-2)对密集波分复用器(c-1)生成DWDM-AMI光信号进行放大，所述第二掺铒光纤放大器(c-3)对经自由空间光传输链路传输后的DWDM-AMI光信号进行放大。
3.根据权利要求2所述采用双极性编码的密集波分复用自由空间光通信系统，其特征在于：所述密集波分复用器(c-1)包括，16路AMI光信号分别通过光学滤波器滤波后完成多路同时复用，然后通过衰减器降低信号的功率，从而产生DWDM-AMI光信号。
4.根据权利要求1或2或3所述采用双极性编码的密集波分复用自由空间光通信系统，其特征在于：所述发射机(a)包括AMI序列发生器(a-1)、二进制脉冲发生器(a-2)、双臂马赫-曾德尔调制器(a-3)和连续波激光器(a-4)，原始数据经所述AMI序列发生器(a-1)转换为AMI信号，然后通过二进制脉冲发生器(a-2)生成AMI电信号，然后再与连续波激光器(a-4)发出的激光信号一起通过双臂马赫-曾德尔调制器(a-3)调制生成AMI光信号。
5.根据权利要求1或2或3所述采用双极性编码的密集波分复用自由空间光通信系统，其特征在于：所述接收机(b)包括PIN光电二极管(b-1)、低通滤波器(b-2)、二进制阈值检测器(b-3)和AMI译码器(b-4)，所述PIN光电二极管(b-1)将AMI光信号转换为电信号，然后通过低通滤波器(b-2)滤除传输信道中所产生的噪声，再使用二进制阈值检测器(b-3)将滤波后信号转换为二进制信号，最后通过AMI译码器(b-4)将信号还原为数据信号。
6.利用权利要求1-5任一项所述采用双极性编码的密集波分复用自由空间光通信系统的通信方法，其特征在于，包括在发射端，16路数据分别经发射机(a)生成16路AMI光信号，然后经过密集波分复用器(c-1)生成DWDM-AMI光信号；
传输，DWDM-AMI光信号经第一掺铒光纤放大器(c-2)进行放大，由自由空间光传输链路模块传输，再由第二掺铒光纤放大器(c-3)进行放大以弥补损失的功率；
在接收端，密集波分解复用器(c-4)DWDM-AMI光信号将分解为16路AMI光信号，分别采用16个接收机(b)接收分解后的信号，并恢复为16路原始数据。
7.根据权利要求6所述采用双极性编码的密集波分复用自由空间光通信的方法，其特征在于：所述AMI光信号由以下方法生成，原始数据经AMI序列发生器(a-1)转换为AMI信号，转换方式为原始数据中的0不改变，1变为1与-1交替；然后通过二进制脉冲发生器(a-2)生成AMI电信号，然后再与连续波激光器(a-4)发出的激光信号一起通过双臂马赫-曾德尔调制器(a-3)调制生成AMI光信号。
8.根据权利要求6或7所述采用双极性编码的密集波分复用自由空间光通信的方法，其特征在于：所述DWDM-AMI光信号由以下方法生成，16路AMI光信号分别通过光学滤波器滤波后完成多路同时复用，然后通过衰减器降低信号的功率，DWDM-AMI光信号电场强度表示如下：
其中i为输入端口的序号，N为输入端口的个数，
为输入端口i的电场强度，EIN为输入信号总电场强度，Ti(f)为输入端口i的过滤传输参数，RL为滤波器的回波损耗参数，表示如下：
RL＝20log10p
其中IL为滤波器的插入损耗，H(f)为三阶贝塞尔滤波器的传递函数，p为电压反射系数。
9.根据权利要求8所述采用双极性编码的密集波分复用自由空间光通信的方法，其特征在于：所述接收机(b)恢复出原始数据的方法为，PIN光电二极管(b-1)将AMI光信号转换为电信号，然后通过低通滤波器(b-2)滤除传输信道中所产生的噪声，再使用二进制阈值检测器(b-3)将滤波后信号转换为二进制信号，最后通过AMI译码器(b-4)将信号还原为数据信号。
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