王振宇，董科研，，安岩，于笑楠，宋延嵩
（1.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022；
2.长春理工大学 空间光电技术研究所，长春 130022）
随着第五代移动通信技术（5 G）时代的来临，通信技术得到了迅猛发展，各种传输网络系统的速率和容量均面临着更快、更高的使用目标要求。光纤通信是高速通信网络搭建的主流方式之一，但也会面临着一些较难铺设光纤网络的应用需求，如在接入网中，通信设备常常需要搭建在楼宇之间、不能挖掘马路铺设线路的特定地点、用户线盲点的偏远地区、海岛的多个分散用户以及实现业务接入的用户群，其共有特点是散点用户、使用环境不便捷、通信距离一般均为几百米到几公里、铺设光纤网络的成本较高且需要较大容量的组网能力。在以上情况下，通过无线激光通信进行传输是绝佳的解决方式。为了实现商业化的应用需求，无线激光通信系统就需要参考光纤通信网络的规范标准，根据国际电信联盟电信标准分局（ITU-T）所建议的长时间误码门限值为 1×10-6［1］，无线激光通信的长时间误码率必须提升到更高才可以保证数据码组的高质量传输。同时，依据IEEE规范的10 Gbit/s以太网无源光网络（10G-EPON）技术要求，即在链路中强制使用前向纠错码（FEC）功能，高斯信道下的误码率从1×10-3降低为1×10-12，大大提高了通信质量［2］。可见，高速率通信下的超低误码率（优于1×10-12）是无线激光通信系统长时间稳定通信的高标准要求，也是未来应用于接入网所需要达到的商业化需求［3］。
然而，当携带信号的激光光束通过大气信道时，信号本身会在传输中受到大气湍流等因素的影响［4-5］。大气湍流带来的闪烁强度叠加在传输的数据值上，这必然导致具有固定判决阈值接收探测器的误码率急剧上升，从而对整个系统产生较大的误码率，无法达到接入网光纤通信中的超低误码率要求。因此，对大气湍流的光强闪烁进行抑制是研究人员十分关注的问题，并提出了多种应对手段，其中，包括广泛使用的大孔径平均接收技术［6-7］、多孔径发射技术［8-10］以及自适应光学技术等［11-16］。以上手段虽然均能对大气湍流进行一定的有效抑制，但技术水平复杂、制造成本昂贵、系统体积偏大等缺点却成为了实用化、商品化进程中难以逾越的“大山”。除以上抑制大气湍流的方式外，近年来也有人提出了一系列新颖的抑制方式，如2018年张岩等人［17］提出了基于LDPC编码轨道角动量的均匀圆形阵列无线激光通信系统，该系统的体积与成本也是困扰其普及的主要问题。2019 年 Dong-Nhat Nguyen［18］提出的利用电子均衡器来缓解光纤通信系统和激光通信系统混合链路中的色散和湍流，该方法虽解决了成本及体积问题，但其主要针对混合链路中的光纤色散，而对于大气湍流的抑制效果并不明显。从通信的角度来看，自动增益控制是解决大气湍流带来的光强起伏和衰落最直接的方法，其中的放大器自动增益控制（AMP-AGC）方法是对电路中的电子放大器进行自动控制，类似于比较器电路做出的自适应阈值决策，该方法仅能起到电源稳定和自动判决的作用，而对于在抑制光强起伏和衰落方面仍受到APD探测器（雪崩光电探测器）性能的限制［19］。
在以上抑制光强闪烁方法现状的基础上，本文提出了一种采用对APD探测器进行自动增益控制的方法来降低闪烁方差。基于此，首先，本文建立了闪烁方差与通信误码率的关系，证明了控制闪烁方差能有效提高系统误码率，并将误码率作为判断系统通信质量的依据；
然后，建立了APD闪烁方差控制算法的理论模型，讨论了抑制光强波动的前端增益控制机制，设计了一种精确的APD电流反馈和偏置控制电路，并编写相应的PID闭环调节算法；
最后，在完成系统高带宽闭环增益控制算法调试后，进行了外场通信实验，验证了算法对大气湍流的抑制能力，也进一步证明了该算法对提高激光通信系统的通信质量具有良好的增益。
1.1 闪烁方差范围分析
大气湍流对激光传输的影响程度受光束直径d和涡旋尺度l之间的关系影响，其结果会产生光束漂移、到达角起伏和光强闪烁等效应，进而导致系统的误码率下降和通信质量恶化。在大气湍流强度对通信系统的影响进行表征时，常用闪烁方差σI2描述，其定义为［20］：
式中，I表示光强，<·>表示系综平均。当菲涅尔距离(λL)1/2≫l0时，光强闪烁方差（也称为Rotov方差）σI2可以表示为：
其中，L为传输距离；
为折射率结构常数［21］。具体公式如下：
其中，T1和T2是相隔距离L的两个点的温度，可以通过提高两点之间的温度差来提高温度结构参数的数值，一般情况下，的数据是经过长期监测和经验值给出，通常认为的变化范围从强湍流 1×10-12m-2/3到弱湍流 1×10-17m-2/3，且C2n在短时间内水平路径上可以认为是一个均匀分布的常量［22］。
为了分析激光通信系统的可靠性，建立大气传输中的光信号随机衰落数学模型是有效的分析手段。大气湍流引起光信号出现衰落的统计特性可以由光强起伏概率密度函数p（I）确定。遵循对数正态分布模型下的光强起伏概率密度函数p（I）可以表示为［23］：
式中，I0表示无湍流时接收到的光强；
I是湍流存在时接收到的光强。
根据参考文献［24］，结合公式（1）—公式（5），可以计算得到方差σI2在0.03～0.5范围时的归一化光强起伏概率密度函数p（I）情况，如图1所示。当折射率结构常数在 1×10-15～1×10-17m-2/3、链路距离为1 km时，闪烁方差的变化情况图2所示。
图1 不同下的光强起伏概率密度函数分布
图2 不同下距离L与闪烁方差之间的关系
由图1可知，闪烁方差越小，光强起伏概率密度分布越趋近于高斯分布，随着闪烁方差的增加，概率密度函数会朝着纵轴零点方向倾向且有很长的拖尾延伸。同样，峰值也会由于湍流强度的增加而减小。获得的不同折射率结构常数曲线。如图2所示，可以看出，在相同的情况下，闪烁方差随着距离的增加逐渐变大；
在相同距离情况下，数值越小，闪烁方差便会越小，意味着湍流越弱。
1.2 误码率模型分析
因大气湍流引起的光强闪烁将会直接影响探测器的信噪比，进而影响系统误码率。建立光强闪烁与误码率之间的关系可以有助于分析和评价激光通信系统的实际性能，以OOK型激光通信系统为例，其误码率BER表示为［25］：
其中，A1和σ1是信息位为1时的信号幅度和噪声幅度；
A0和σ0表示信息位为0时的信号幅度和噪声幅度。这里仅考虑大气湍流影响下的信噪比方程，在建立闪烁方差与误码率直接影响关系的过程中，其余噪声暂不考虑，此时，得到信噪比SNR的公式如下所示［26］：
由公式（6）—公式（8）的计算，可以得到闪烁方差与误码率之间的关系，如公式（9）所示：
根据公式（9），结合前文中的闪烁方差分析情况，仿真获得了闪烁方差与误码率的关系，如图3所示。
图3 光强闪烁方差与通信误码率之间的关系
从图3可以看出，在闪烁方差从0.02变化到0.5的过程中，若想保证通信误码率低于1×10-6，闪烁方差需要控制在0.05以内，若想保证通信误码率低于1×10-12，闪烁方差需要进一步抑制到0.02以内。在实际通信应用中，超低误码率的实现是保证通信的必要环节。由此可见，即使在近距离条件下的使用环境，保证系统的低误码率仍需控制闪烁方差在一个很小的范围，同时，通过本节的建模讨论可知，闪烁方差也可以通过间接估计系统的误码率，进而实现系统通信质量的判决。
2.1 理论算法模型
由上一节的闪烁方差和误码率关系讨论可知，控制闪烁方差将会有效地提高系统误码率。为了保证激光通信系统的误码率并抑制大气湍流带来的闪烁方差，本文拟采用一种基于APD探测器的闪烁方差控制算法，其主要思想是，调节APD探测器倍增因子的幅值以实现对输出电流波动的自动补偿，并通过反向偏置电压控制APD探测器的输出电流值，一般情况下的APD探测器倍增因子幅值可以在2倍至20倍之间。
根据APD检测理论，APD探测器的响应方程可以表示为［27］：
其中，Pr是APD探测器的输入光功率；
is是APD探测器的输出电流；
η是APD探测器的响应度；
M是乘数。同时，乘数M在信号放大和本文的闪烁方差控制算法中起着重要的作用，M与偏置电压VR的关系如下：
式中，VB为击穿电压。n可根据参考文献［28］中的偏置曲线确定。通过反向偏置电压VR的控制可以实现输出电流is的调节，闪烁方差控制算法的程序流程如图4所示。第一步，设置探测器的采样周期；
第二步，采用AD（模拟/数字转换器）对APD探测器的平均输出电流进行采样，得到输出电流的测量值；
第三步，将电流的设定值与再次测得的测量值进行比较，得到反馈误差；
第四步，比较该反馈误差与最后一个积分值之间的符号是否一致，以此为清除积分值的标准，并生成积分值与微分值，其中积分值是最后一个积分值和当前误差累加，微分值是当前误差和最后误差的差值；
第五步，在时域中调试了PID参数，包括Kp（比例调节系数）、Ki（积分调节系数）、和Kd（微分调节系数）；
第六步，经幅度匹配后，将PID滤波后的调整值发给DAC（数字/模拟转换器），用来控制电压偏置调整，最终实现输出电流的调整。
图4 APD接收器架构图
基于此，在自动控制算法中引入PID（Propor⁃tional Integral Derivative）过滤思想，完成对输出电流的自动补偿，当湍流带来的闪烁方差过大时，可以通过该算法对输出电流的抖动范围进行有效控制，保证通信的误码率。
2.2 硬件设计
在理论算法模型的基础上，设计了一种带有闪烁方差控制的接收器，系统中使用的探测器为Voxtel Siletz BSI RIP1-JJRC系列雪崩光电二极管。整个接收器的硬件架构如图5所示，APD的阳极是通信输出，包括了跨阻放大器（RTIA）和时钟数据恢复（CDR）。APD的阴极连接了一个偏置控制单元，该单元包括一个直流-直流（DC-DC）转换器，可以将5 V电压转换为36 V电压，并可提供72 V电压。同时，APD阴极中还连接了一个电流镜，该电流镜的作用是将电流值反馈给负责控制DAC1的微控制器（micro controller），进而通过控制高压电源实现APD的增益调节。
图5 APD接收器架构图
在原有APD接收器的基础上［29］，增加了一个闭环控制回路，由微控制器设置的给定电流期望值set_Is，该值可以来源于激光通信链路的平均接收光功率。Is是利用ADC1读取APD的平均电流值，将其与设置电流set_Is进行比较后作为控制系统的反馈输入。通过PID滤波和调整HV高电压设置来实现补偿，并将其误差用作控制器输入，进而实现了闭环抑制光强闪烁的硬件设计。
基于以上理论与设计，进行了直线距离500 m和900 m的激光通信外场实验。旨在验证带有闪烁方差控制算法的APD接收器抑制光强闪烁引起的能量波动能力。其主要实验装置由激光通信光端机、APD接收器以及误码率测试仪组成，如图6所示。
图6 外场实验装置
3.1 500 m激光通信实验
在长春理工大学东区图书馆与长春理工大学南区教学楼之间进行了外场通信实验，如图7所示，通信直线距离约为500 m。
图7 激光通信系统及实际500 m通信距离
在实验测试过程中，首先，测试未加入闪烁方差控制算法的APD探测器接收情况，即APD探测器的偏置电压为固定值；
然后，在APD探测器中添加闪烁方差控制算法并进行测试；
最后，对两种探测器的输出电流、闪烁方差以及误码率特性进行了对比分析，在实验过程中，采集了不同时间段的多组连续样本数据，每组测量1 024个数据，其中每个采样点的时间间隔T为10 ms，然后计算给出方差，在此基础上进行了方差的统计平均分析，典型测试值如图8所示。
图8 500 m链路APD探测器实际输出电流分布
如图 8（a）、图 8（c）所示，通信距离 500 m 的弱湍流环境下APD的输出电流和电流的频数分布直方图，通信光在该条件下的分布情况呈现对数正态分布，其电流波动范围为5 000～28 000 nA不等。经过多次、多时间段测量，闪烁方差的平均值为 0.032。图 8（b）和图 8（d）为添加了闪烁方差控制算法的APD输出电流在时域分布和电流频数分布直方图情况，通过对比可以看出电流在时域上的波动明显变小，其直方图的分布也更加集中，表现为典型的高斯分布，且闪烁方差经抑制后可以控制到0.008 5左右，降低了3.75倍左右。通过以上数据的对比分析，能在很大程度上证明闪烁方差控制算法在通信距离500 m条件下能够明显抑制大气湍流对激光系统的影响。
接下来通过误码仪对通信质量进行40 s的长时间通信误码率测量，每次测量包括两段，前20 s是未加闪烁方差控制算法条件下的误码率，后20 s为添加闪烁方差控制算法下的误码率。对不同条件下的误码率求平均值，以平均值作为评定通信质量的指标。经过实际测量可以得出，如图9所示，未加闪烁方差控制算法时的平均通信误码率为7.62×10-7；
经添加闪烁方差控制算法后，平均误码率能够优于1×10-12，提高了5个数量级以上。
图9 500 m链路40 s长时间误码率测量统计图
3.2 900 m激光通信实验
在长春理工大学南校区科技大厦与东校区第二教学楼之间进行通信实验，如图10所示。
图10 激光通信系统及实际900 m通信距离
在900 m的链路上，仍测量了未加闪烁方差控制算法和添加闪烁方差控制算法两种条件下的APD探测器输出电流情况，并给出了时域上的曲线，如图11（a）和图11（b）所示，频数直方图概率分布如图11（c）和图11（d）所示。
图11 900 m链路APD探测器实际输出电流分布
如图11（a）所示，可以得到APD探测器在没有添加闪烁方差控制算法的条件下，输出电流的波动从2 000～12 000 nA不等，波动范围较大，闪烁方差值经多次计算其平均值为0.05。当添加闪烁方差控制算法后，如图11（b）所示，电流波动范围从10 000 nA变为4 000 nA，波动明显减弱。通过概率密度直方图观察可知，当添加闪烁方差控制算法后直方图分布更加的集中，闪烁方差减小到了0.014左右，降低了约3.57倍，证明对大气湍流的光强闪烁抑制效果显著。
接下来同样通过误码仪进行40 s的长时间误码率测试，得到的实验数据如图12所示，在未添加闪烁方差控制算法的条件下，平均误码率为1.69×10-6，在添加闪烁方差控制算法后，平均误码率同样优于了1×10-12，提高了6个数量级以上。因此可以看出，在通信距离900 m的弱湍流条件下进行近距离激光通信时，在添加了闪烁方差控制算法后能明显的控制光强闪烁对激光通信系统的影响，降低系统误码率，提高通信质量。
图12 900 m链路40 s长时间误码率测量统计图
使用激光通信系统解决接入网中较难铺设光纤网络的应用需求，对激光通信系统的通信质量提出了更高的要求。通过激光通信链路中大气湍流闪烁效应与系统误码率的影响分析，建立了以APD探测器为基础的闪烁方差控制算法理论模型，并设计实现了APD接收器，通过实际通信实验进行验证，实验结果显示，对于通信距离500 m的弱湍流链路，闪烁方差能够降低约3.75倍，实际误码率能够提高5个数量级以上。对于通信距离900 m的链路而言，闪烁方差降低了约3.57倍，实际误码率的提高达到了6个数量级以上。基于以上实验数据分析，证明了此方法能够将闪烁方差降低3倍以上，并且误码率能够优于1×10-12。这为解决激光通信系统因大气信道所引起的稳定性问题带来了可能性，能够在近距离条件下，实现通信的高速率、零误码、零丢包，这将为未来激光通信系统的逐步完善和产业化提供有效的技术支持。
猜你喜欢 误码率控制算法湍流 “热湍流”专栏简介空气动力学学报(2022年2期)2022-11-16基于dSPACE和PLC的控制算法测试系统设计中国测试(2018年9期)2018-05-14失效网络中节点可通信性能评估方法研究现代电子技术(2016年22期)2016-12-26D—BLAST基带系统的FPGA实现研究移动通信(2016年20期)2016-12-10线性调频扩频技术的研究与分析人间(2016年28期)2016-11-10非线性效应对OOFDM系统的影响研究科技视界(2016年12期)2016-05-25基于DCS的过程实时控制平台的研究科技视界(2016年2期)2016-03-30卫星姿控系统半物理仿真中转台控制算法的实现电子产品世界(2016年3期)2016-03-29作为一种物理现象的湍流的实质国外科技新书评介(2014年12期)2015-01-05湍流十章国外科技新书评介(2014年5期)2014-12-17