一种自由空间光通信中自适应光电阵列信号处理算法

doi:10.12263/DZXB.20201407

电子学报 ›› 2021, Vol. 49 ›› Issue (10): 1908-1912.DOI: 10.12263/DZXB.20201407

所属专题：无线光通信及其组网技术

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一种自由空间光通信中自适应光电阵列信号处理算法

马春波, 石俊杰, 王莹, 张磊, 敖珺

桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林 541004

收稿日期:2020-12-09 修回日期:2021-03-08 出版日期:2021-11-30
- 作者简介:
- 马春波男，1975年出生，山东潍坊人. 2005年毕业于西南交通大学通信与信息系统专业，获工学博士学位，2005至2007年在上海交通大学信息安全学院从事博士后研究.现为桂林电子科技大学教授.主要研究方向为无线光通信、图像处理. E-mail:machunbo@guet.edu.cn
  石俊杰男，1996年出生，广西桂林人.桂林电子科技大学信息与通信学院硕士研究生.主要研究方向为无线光通信、信号处理. E-mail:317227291@qq.com
  敖珺（通信作者）女，1978年出生，湖北武汉人.于西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室获博士学位.现任桂林电子科技大学教授、博士生导师.主要研究方向为通信信号处理、光通信. E-mail:junjunao@263.net
- 基金资助:
- 广西自然科学基金 (2018GXNSFAA294056)

An Adaptive Photoelectric Array Signal Processing Algorithm for Free Space Optical Communication

MA Chun-bo, SHI Jun-jie, WANG Ying, ZHANG Lei, AO Jun

School of Information and Communication, Guilin University of Electronic Technology, Guilin, Guangxi 541004, China

Received:2020-12-09 Revised:2021-03-08 Online:2021-11-30 Published:2021-10-25
- Supported by:
- Natural Science Foundation of Guangxi Zhuang Autonomous Region, China (2018GXNSFAA294056)

摘要/Abstract

摘要：

大气湍流引起的光束闪烁和抖动，将使光通信接收机焦平面上点扩散函数（Point Spread Function, PSF）随机起伏和漂移，导致光电探测器无法有效覆盖信号光场.针对自由空间光通信（Free Space Optical Communications, FSO）系统在多模高斯背景光噪声场和接收光信号能量效率的限定下最小化系统误码率的问题，提出了一种适用于强度调制/直接检测（Intensity Modulation/Direct Detection, IM/DD）的自适应光电阵列信号处理算法.该方法采用合并阵元路径法计算不同阵元数条件下的系统误码率，并以最小误码率为判决准则，优化接收光电阵元序列.分析和仿真结果表明，在相同大气湍流和背景光噪声条件下，相比于现有的光电阵列处理算法，新方法选取适当的合并阵元数，在极大降低系统计算复杂度的同时，系统性能损耗几乎可以忽略.

关键词: 自由空间光通信, 光电阵列接收, 自适应阵列算法

Abstract:

The light beam flicker and jitter caused by atmospheric turbulence will cause the point spread function (PSF) on the focal plane of the optical communication receiver to randomly fluctuate and drift, causing the photodetector to fail to effectively cover the signal light field. In order to minimize the bit error rate (BER) of free space optical communication (FSO) system under the limitation of multi-mode Gaussian background light noise field and received optical signal energy efficiency, an adaptive photoelectric array signal processing algorithm suitable for intensity modulation / direct detection (IM / DD) is proposed. In this method, the combined array path method is used to calculate the system BER of different array elements, and the minimum BER is used as the criterion to optimize the received photoelectric array element sequence. The analysis and simulation results show that under the same atmospheric turbulence and background light noise conditions, compared with the existing photoelectric array processing algorithm, the new method can greatly reduce the computational complexity of the system, while the system performance loss can be almost ignored.

Key words: free space optical communication, photoelectric array receiving, adaptive array algorithm

中图分类号:

TN929.12

马春波, 石俊杰, 王莹, 张磊, 敖珺. 一种自由空间光通信中自适应光电阵列信号处理算法[J]. 电子学报, 2021, 49(10): 1908-1912.

MA Chun-bo, SHI Jun-jie, WANG Ying, ZHANG Lei, AO Jun. An Adaptive Photoelectric Array Signal Processing Algorithm for Free Space Optical Communication[J]. Acta Electronica Sinica, 2021, 49(10): 1908-1912.

图/表 5

图1 不同背景噪声的阵元组合PPM误码率

图2 逐阵元累加与不同β下合并阵元路径法达到Pemin(1+βa)的累积计算次数

表1 不同方法下累计计算次数与最优阵元输出

采用方法	累计计算	最优输出阵元数
逐阵元累加	57	57
$β$ =2	29	59
$β$ =5	12	61
$β$ =10	6	61
$β$ =25	2	51

表1 不同方法下累计计算次数与最优阵元输出

采用方法	累计计算	最优输出阵元数
逐阵元累加	57	57
$β$ =2	29	59
$β$ =5	12	61
$β$ =10	6	61
$β$ =25	2	51

表2 仿真模型中其他参数说明

参数	数值
电离率	0.007
波长/nm	1550
负载阻抗/ $k Ω$	150
APD平均增益	100
PPM时隙/s	$2.62 × 10 - 9$
APD表面暗电流/A	$2 × 10 - 9$
噪声带宽/Hz	$1.9084 × 108$

表2 仿真模型中其他参数说明

参数	数值
电离率	0.007
波长/nm	1550
负载阻抗/ $k Ω$	150
APD平均增益	100
PPM时隙/s	$2.62 × 10 - 9$
APD表面暗电流/A	$2 × 10 - 9$
噪声带宽/Hz	$1.9084 × 108$

图3 RS(1+βα)与单“大型”口径接收机的误码性能曲线

参考文献 13

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An Adaptive Photoelectric Array Signal Processing Algorithm for Free Space Optical Communication

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