杨 杰，邵宇丰，王安蓉，王 壮，胡钦政，伊林芳，田 青，于 妮，杨骐铭

(重庆三峡学院 电子与信息工程学院， 重庆 404100)

0 引 言

近年来，沿海国家都在发展周边的海岛资源，海洋光通信网络为大陆与近海岛屿以及海洋岛屿间的信息高速传输提供了重要保障[1-2]。由于海洋通信的困难远超于陆地通信，研发兼容常规海底光缆信息收发及传输的海洋光通信系统成为一个热点问题[3-4]。在海岛上采用常规通信接入方案(例如光纤通信、移动通信和微波通信等)存在安装成本高和传输信号需要中继放大等缺点，考虑到自由空间光(Free Space Optical, FSO)通信系统可兼容目前常规海底光缆以及具有通信带宽大、建设周期短和易于在地形复杂区域进行接入建设等优势[5-6]，因此本文采用FSO来代替传统接入方案。曼彻斯特码是一种应用优势较为明显的双相码型，可有效消除信号中的直流分量，而且具有同步时钟恢复的应用特性[7-8]，更加适用于长距离传输的海洋光通信系统。

考虑到实际应用中光信号在长距离海底光缆中传输发生色散现象以及FSO系统传输光信号受天气影响较大(尤其是大气湍流)等，本文采用曼彻斯特编解码并融合海底光缆(采用G.654普通单模光纤(Single Mode Fiber,SMF))与FSO信道，设计了一种用于海洋岛屿间通信的海洋光通信系统，研究了该系统在不同天气条件下无线光信号的收发及传输性能，并采用仿真实验测试和分析了10 Gbit/s曼彻斯特码无线光信号传输前后的波形、光谱、眼图和误码率(Bit Error Rate,BER)等。

1 系统模型

本文设计的基于曼彻斯特编码的海域FSO通信系统方案如图1所示。在发送端，待传输的数据和时钟信号分别通过归零(Return to Zero，RZ)码和非归零(Nonreturn to Zero，NRZ)码脉冲发生器转换为电信号，再通过异或非门电路生成10 Gbit/s的曼彻斯特电信号，实现曼彻斯特编码过程。曼彻斯特电信号通过使用激光器驱动对1 550 nm连续波(Continuous Wave, CW)激光器进行内调制生成10 Gbit/s的曼彻斯特光信号。该信号通过100 km SMF传输后会有色散负面效应，故采用18.82 km的色散补偿光纤(Dispersion Compensation Fiber, DCF)进行后置色散补偿，以保证整条光纤线路的总色散近似为0，表1所示为使用的SMF和DCF的参数。该FSO通信系统中的信道由两个红外校准器、一个激光发射器、一个激光接收器和FSO无线光传输链路组成，传输链路前端与后端分别需要掺铒光纤放大器(Erbium Doped Optical Fiber Amplifier, EDFA)用于补偿光纤和FSO无线光传输链路中信号传输造成的衰减。在接收端，采用10 Gbit/s PIN光电探测器(参考台面型PIN光电探测器参数)接收光信号并转换为10 Gbit/s曼彻斯特电信号[9]，通过时钟恢复补偿原始信号与接收信号之间的时间延迟，通过二进制阈值检测器将信号解码为二进制信号并输出。将解码后的信号与RZ脉冲发生器输出的时钟信号通过异或非门电路还原为系统发送的原始数据，实现曼彻斯特解码过程。采用带宽为7.5 GHz(带宽为传输速率的0.75倍)的低通滤波器为解码后的信号滤除带外噪声，然后在观察仪器上分析接收信号与原始信号的差别。

图1 曼彻斯特编解码FSO通信系统方案图

表1 SMF和DCF参数

2 分析与讨论

如图1所示，首先构建FSO通信系统仿真模型，联合Optiwave和Matlab数值模拟软件对该模型进行建模分析和仿真实验，其中FSO信道模型采用Gamma-Gamma大气闪烁模型模拟。采用伪随机比特序列发生器模拟需要传输的信息，设置速率为10 Gbit/s。使用功率为 10 dBm的CW激光器承载信息,设置该CW激光器发射波长为1 550 nm。选取海底光纤的衰减值为0.2 dB/km，色散值为16 ps/(nm·km)，符合国际电联的相关标准,再根据不同的天气条件(晴天、雨天和雾天)设置不同的信道衰减值，晴天取10 dB/km，雨天取20 dB/km，雾天取30 dB/km，表2所示为FSO在不同天气条件下的相关参数[10-11]。FSO信道中接收机端面光学孔径直径为5 cm，光束发散度为0.25 mrad，距离为1 km。

表2 不同天气条件下FSO通信系统参数

图2所示为晴天1 ns内电信号传输前后得到的时域图(包含0.1 ns的字符同步信号和0.9 ns的曼彻斯特电信号)。图2(a)所示为信号传输前，发送端进行曼彻斯特编码后的时域图，图2(b)所示为信号传输后，接收端未进行曼彻斯特解码的时域图。由图可知，传输前后的曼彻斯特信号脉冲在时域变化一致(未出现ns级时钟偏差)，而幅度上出现平均下降现象(由于信号自由空间传输过程中信噪比逐渐劣化导致)，这表明该信号系统传输过程中时钟同步性能优越。

图2 1 ns电信号传输前后时域波形图

图3所示为晴天光信号传输前后得到的频域光谱图。图3(a)所示为1 550 nm激光器发送的10 Gbit/s曼彻斯特信号光谱图，图3(b)所示为曼彻斯特信号经过光纤和FSO信道传输后的光谱图。由光谱图可知，传输前后的曼彻斯特无线光信号中心频率仍然是1 550 nm，没有发生中心波长漂移现象，光谱主瓣两侧各边带扩散现象也极不明显，证明该接入系统的光谱稳定性非常好。

图3 曼彻斯特信号传输前后光谱图

图4所示为不同天气环境下测试得到的眼图和Q因子曲线图。图4(a)、4(b)和4(c)分别是晴天、雨天和雾天FSO通信系统传输曼彻斯特信号后的3 bit周期眼图，图4(d)、4(e)和4(f)分别是晴天、雨天和雾天FSO通信系统传输曼彻斯特信号后的1 bit周期Q因子曲线图。Q因子作为高速通信系统中衡量系统性能的重要参数，用于表征信号的接收质量，一般Q因子越高，信噪比越好。由图可知，晴天眼图清晰，眼开度较大，曼彻斯特最佳解码判决点为0.614(在1 bit内)，Q值为24.96；雨天较晴天相比眼开度略低，曼彻斯特最佳解码判决点为0.625(在1 bit内)，Q值为18.34；雾天眼开度略低，但仍可清晰地观察到眼图中张开(但信号在“1”和“0”码电平处存在一定劣化)，曼彻斯特最佳解码判决点为0.656(在1 bit内)，Q值为6.03。以上分析说明该通信系统受天气影响较大，但在不同天气情况下，1 bit最佳解码判决点相近，并且在没有增加光衰减器件进行测试时接收端Q值均大于6，证明该通信系统在海岛常规天气下皆能获得较好的信号传输过程，能在实际中得以应用。

图5所示为不同环境下系统传输数据的BER与接收功率关系曲线图。通过光功率衰减器控制该系统的光接收功率范围(-24～-10 dBm)，进行了背靠背传输(未经信道传输，发送端与接收端直接相连的情况)和100 km海底SMF与不同天气条件下1 km FSO无线信道传输的实验仿真，结果如图5所示。由图可知，该系统在背靠背传输中灵敏度最好，其次为在晴天下传输信号，然后为雨天，最后为雾天，四者的接收机灵敏度(BER为1×10-9时的接收功率)分别为-18.92、-17.72、-16.66和-11.16 dBm。在相同BER(BER为1×10-9)条件下与背靠背传输相比，晴天时接收机灵敏度大约相差为1.20 分贝，雨天时接收机灵敏度大约相差为2.26 分贝，雾天时接收机灵敏度大约相差为7.76 分贝。这主要是由于光斑空间以及天气因素变化导致FSO信道质量劣化造成的。

图4 不同天气环境下测得的眼图和Q因子曲线图

图5 不同天气环境下的系统BER与接收功率关系曲线图

3 结束语

本文基于曼彻斯特编码设计了一种用于海洋岛屿之间通信的FSO通信系统，在100 km海底光纤和1 km FSO信道中成功传输了10 Gbit/s曼彻斯特信号。通过仿真实验测试了该系统中曼彻斯特信号在晴天、雨天和雾天中传输前后的波形、光谱、眼图和BER等关键参数。结果表明，该系统在晴天、雨天和雾天的接收机灵敏度分别为-17.72、-16.66和-11.16 dBm。与传统的海洋通信系统相比，该系统具有通信速率高、支持同步时钟恢复、BER低、不受地形影响和易于安拆等应用优势，因此在海岛之间实现高速宽带信号收发及传输具有一定的潜在实用价值。