（无线电物理专业论文）无线光通信系统的影响因素和性能分析.pdf

摘要 摘要 无线光通信即自由空间光通信具有保密性好、抗干扰能力强、传输速率高、 灵活便捷等优点。在解决“最后一公里 问题、应急通信等方面有着良好的应用 前景。大气因素对无线光通信性能影响是各种民用和军用激光通信系统开发和应 用中必须首先要研究的关键问题。 激光信号在大气中传输时，会受到各类气溶胶的衰减和大气湍流效应，分析 了激光在大气中雨、雾、雪等天气下的衰减和大气湍流的闪烁特性。计算了激光 在雨、雾、雪中传输衰减引起的误码率和信噪比，分析了大气湍流引起的误码率 与信噪比以及采用多发射机对误码率和信噪比的改进。讨论了弱、强湍流下不同 调制技术对误码率的影响，结果表明：副载波b p s k 调制在光通信系统应用中较 o o k 和副载波d p s k 调制更具优势。利用部分相干光，结合多发射技术和副载波 调制技术对无线光通信系统性能的改善进行了数值分析。采用部分相干光作为激 光光源，可以减小系统误码率，提高系统性能。另一方面，多孔径发射可以明显 减弱大气闪烁效应，提高通信质量，并对采用多孔径发射和副载波调制相结合， 更能提高系统性能。因此，可以通过采用相干参数较大的光源，多孔径发射技术， 以及选取合适的调制解调方式来提高光通信系统性能。该研究对于无线光通信系 统的开发和应用具有重要的学术和应用价值。 关键词：无线光通信衰减误码率信噪比调制部分相干光 a b s t r a c t a b s t r a c t w i r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ( f r e es p a c eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n - f s o ) h a s m a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sg o o ds e c u r i t y , e f f e c t i v ea n t i i n t e r f e r e n c e ，h i g hd a t at r a n s f e r r a t e f l e x i b i l i t ya n dc o n v e n i e n c ea n ds oo n s oi ti s a l la v a i l a b l em e a nt os o l v e t h el a s t m i l ep r o b l e m ”a n de m e r g e n c ec o m m u n i c a t i o n t h ei n f l u e n c eo fc h a r a c t e r i s t i c so f a t m o s p h e r i co nt h ep e r f o r m a n c eo fw i r e l e s so p t i c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m si s c u r r e n t l yt h ek e yp r o b l e mf o rt h ee x p l o i t a t i o no ft h el a s e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m si n c i v i la n dm i l i t a r ya p p l i c a t i o n l a s e rt r a n s m i t t i n gt h r o u g ht h ea t m o s p h e r e ，t h ea t t e n u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o f a e r o s o l s ，r a i n ，f o ga n ds n o wa n dt h et u r b u l e n c es d n t i l l m i o na r ea n a l y z e d t i l eb e r a n ds n rc a u s e db yt h el a s e rt r a n s m i t t e da t t e n u a t i o no fr a i n ，f o ga n ds n o wa r e c a l c u l a t e d t h eb e ra n ds n rc a u s e db ya t m o s p h e r et u r b u l e n c es c i n t i l l a t i o na n d i m p r o v e db ym o r ea p e r t u r e st r a n s m i t t e dt e c h n i q u ea r ea n a l y z e d t h ei n f l u e n c e so fb e r u s i n gd i f f e r e n tm o d u l a t i o nt e c h n i q u e si n t h ew e a ka n ds t r o n gf l u c t u a t i o nr e g i m e so nw i r e l e s s o p t i c a lc o l n l n u n i c a t i o ns y s t e m sa l ed i s c u s s e d n er e s u l t ss h o wt h a tt h es u b c a r r i e rb p s k m o d u l a t i o ni ss u p e r i o rt ot h eo o ka n ds u b c a r r i e rd p s km o d u l a t i o n si nw i r e l e s s o p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa p p l i c a t i o n s 。砀ep e r f o r m a n c eo fw i r e l e s so p t i c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m si m p r o v e db yu s i n gap a r t i a l l yc o h e r e n ts o u r c eb e a m ，m o r e a p e r t u r e st r a n s m i t t e dt e c h n i q u ea n dt h es u b c a r r i e rm o d u l a t i o nt e c h n i q u ei s c a l c u l a t e d t h eb e rc a nb es i g n i f i c a n t l yr e d u c e db ym e a n so fu s i n gap a r t i a l l yc o h e r e n ts o u r c e b e a m s ot h ep e r f o r m a n c ei si m p r o v e d o nt h eo t h e rh a n d ，m o r ea p e r t u r e st r a n s m i t t e d t e c h n i q u ec a nw e a k e na t m o s p h e r es c i n t i l l a t i o ne f f e c t s ，a n di m p r o v ec o m m u n i c a t i o n q u a l i t y u s i n g m o r ea p e r t u r e st r a n s m i t t e dt e c h n i q u ea n ds u b c a r r i e rm o d u l a t i o n t e c h n i q u e c a na l s o i m p r o v et h e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s p e r f o r m a n c e f u r t h e r t h e r e f o r e ，t h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sp e r f o r m a n c ei na t m o s p h e r eo p t i c a l c h a n n e l sc a nb ei m p r o v e db ym e a n so fu s i n gal a r g e rc o r r e l a t i o np a r a m e t e rp a r t i a l l y c o h e r e n tl a s e rb e a ms o u r c e ，m o r ea p e r t u r e st r a n s m i t t e dt e c h n i q u e ，o ra p p r o p r i a t e m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n t h e s es t u d i e sh a v eg r e a ta c a d e m i ca n dp r a c t i c a lv a l u e s i nt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fw i r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s k e y w o r d ：w i r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c a t i o na t t e n u a t i o nb e rs n rm o d u l a t i o n p a r t i a l l yc o h e r e n tb e a m 西安电子科技大学 学位论文独创性( - = - j l ；创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：霉竺叁! 尘 日期丝! ! ：垄：兰 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名：编a 拓弘 v i i v 卜7 日期趔垒：2 ：! 同期逆f ! ： 第一章绪论 第一章绪论弟一早三；百形 无线光通信是以激光为载波、大气空间为传输介质实现大容量信息传递的一种新型宽带 接入技术，兼有光纤通信和无线通信的优点无线激光通信具有保密性好、抗干扰能力强， 以及布设展开迅速、使用便捷的特点，是解决非常时期或非常条件下近距离通信问题的有效 手段但容易受大气因素如雾、雨、雪和大气湍流的影响，要实现激光的全天候通信，且如 何降低大气因素对系统性能的影响，很有必要对其影响因素和性能进行_ 开究。 1 1 研究背景及意义 无线光通信也称为自由空间光通信( f r e e - s p a c eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，简 称f s o ) ，是一种通过激光在大气信道中实现点对点、点对多点或多点对多点问语 音、数据、图像信息的双向通信技术。激光通信是以光作为信息载体的一类通信 方式，地面上激光通信是以大气作为传输介质，以激光或光脉冲作为信息载体， 在太赫兹( t h z ) 光谱范围内传送数据信息的通信系统乜1 ，在有的资料罩也称为无 线光网络( w i r e l e s so p t i c a ln e t w o r k ，w o n ) 系统或光无线系统。这是一种以光 束为信息载体的双向点到点无线通信技术，可提供数据信息的点对点或点对多点 无线高速连接。由于无线光通信中的信息不需要光纤，而是在空气介质或真空中 传播，因此，无线光通信技术也常称为虚拟光纤通信技术。近年来，随着微电子 和光电子技术的进步，光通信器件得到了很大的发展，可以说，光通信系统的稳 定性和可靠性已经不会再受技术的限制，然而，光通信系统要走向网络化和大规 模的商用，然而大气中的分子和雨、雪、雾造成的衰减与散射以及湍流造成的光 束强度起伏以及相干性破坏等对激光大气信道传输系统造成很大的影响，为了使 无线光通信系统逐步走向实用化就必须对这些效应进行研究。 无线光通信在很大程度上受到光波在其介质中传播的限制，介质一般有两类： 一类是离散随机分布于大气中的各类气溶胶粒子、云雾、雨雪及沙尘粒子等引起 激光信号传输的衰减；另一类为连续随机分布的大气湍流对激光传输产生的光强 闪烁效应，激光在湍流大气传输过程中，当湍流起伏较强、传播距离较远时，其 相干性会遭到严重地破坏，完全相干光也会退化成为部分相干光。研究表明，激 光在湍流大气中传播时，部分相干光受到大气湍流引起的强度闪烁的影响比完全 相干光受到的影响要小。因此，利用部分相干光束在湍流大气中传播时，受湍流 效应影响较小的优势，且采用多发射技术，接收面上光强闪烁得到明显改善，且 光束越多，改善越明显，从而可以减小系统的误码率，可作为改善或提高系统性 能的一种有效方法。探讨应用该方法降低无线光通信信道湍流大气闪烁指数和激 2 无线光通信系统的影响冈素和性能分析 光通信系统误码率成为当前该领域研究的重要课题之一。为补偿激光大气传输时 受到的湍流等影响，可采用自适应光学技术、自适应编码技术和大功率发射技术 目前还在研究利用非线性光学技术进行大气补偿。所以为了能解决这些问题，也 必须对湍流大气中的波传播特性进行研究。 无线光通信中的关键问题之一是大气随机信道对激光传输的严重影响。大气 中随机分布离散粒子( 如：气溶胶、云、雾、雨及沙尘等) 对激光会产生严重的 衰减和大气湍流也会带来一定的损耗，由于大气信道对激光传输产生的大气衰减 效应，使激光功率衰减非常严重。为了满足空间光通信长距离、高码率、可靠的 传输要求，研究大功率发射技术很有必要。大气温度和湿度等的不均匀引起的大 气湍流会导致激光信号强度的闪烁，使得光通信系统的误码率增加及可靠性降低。 如何提高通信系统性能，当前，采用一定的调制解调技术可以降低湍流闪烁的影 响，提高系统性能。对弱大气湍流情况下的完全相干光各种效应研究基本成熟； 而对部分相干光湍流效应的研究虽己开展了较多工作，但这方面工作还不完善， 研究主要是集中在“部分相干光与完全相干光大气传输的比较上，部分相干光对 湍流效应敏感性较差的问题；特别是因为强湍流理论目前发展还不成熟，导致 针对强湍流区应用的理论尚处在较低的水平，且该方面的研究主要是对完全相干 光。对部分相干光，特别是强湍流情况下湍流效应深入研究，仍是相关研究工作 者的努力方向。特别是采用多孔径发射可以使接收机接收到的功率起伏减小，还 能减小大气随机信道对激光传输产生的闪烁影响。提高系统的性能。目前，就影 响光通信系统性能而言，大气衰减和湍流的闪烁效应是至关重要的。因此，论文 研究工作也将围绕着这两个重心展开。 研究在大气粒子和大气湍流等复杂环境中，本文研究大气随机信道模型的影 响因素和系统性能对无线光通信系统的设计和开发具有极大的实际价值和意义。 1 2 国内外研究发展动态 无线光通信又称自由空间光通信，或激光大气通信，是近年来出现的通信热 点，它可作为解决宽带接入“最后一英罩”问题的有效手段。 无线光通信是将高码率的电信号在加载到光束载体上通过空问直接传播的通 信技术。其历史在我国可追溯到公元前，即2 0 0 7 年前的周朝，那时的人们利用山 头上的狼烟来一站一站地接力传送遥远边关的敌情，成就了我国最古老的光通信 技术。从最古老的烽火台传递光信息开始到现在，光通信的历史真可谓源远流长。 进入2 0 世纪6 0 年代，随着激光技术的不断发展，人们又丌始探索新的空间 光通信技术，并形成大气激光通信的热潮，当时主要用于军事及实验目的，f h 是， 随着7 0 年代光纤通信技术的出现以及大气激光通信受天气影响严重的缺陷长期难 第一章绪论 以克服，使得一度辉煌的大气激光通信研究陷入低谷。 在国外，直到1 8 8 0 年，著名的发明家贝尔开始利用太阳光作为光源，在大气 中成功地进行了光电话实验，这才又进一步推动了无线光通信的发展。后来，由 于光源等很多技术限制了无线光通信的前进步伐，其发展一直很迟缓。 进入2 0 世纪6 0 年代，红宝石激光器的出现为改善大气激光通信系统的传输 稳定性创造了条件。随着技术的不断更新换代和用户对无线光通信的迫切要求， 人们又开始了对无线光通信在更高层次上的实验研究，并在世界范围形成关注的 焦点，尤其是各种军事机构为用于有关项目进行广泛研究和科学实验，将其先进 技术运用到军事装备中。直到7 0 年代，欧美、以色列等先进国家又在军事和宇航 机构成功地进行了新的五项光通信传输实验，但由于经济和市场方面的原因未能 商用化。直到8 0 年代后期，一些厂商开始从事无线光通信商用化的开发工作。解 决了一系列的关键技术，并使成本进一步降低。今天的无线光通信系统能在城市 网的社区间以千兆的速度进行全双工通信，最远距离达二十几千米。从8 0 年代开 始，世界各国将无限光通信技术与波分多址接入( w d m a ) t 2 j 、光放大和自适应 光学( a d a p t i v eo p t i c s ) 等技术相结合，使无线光通信在传输距离、可靠性和传输 容量等诸方面有了明显改善，特别是在适应各种恶劣气候与地理环境上有了长足 的进展。到了9 0 年代，由于无线光通信的种种优越性，使之被广泛推出到民用产 品上来。 在我国，从2 0 世纪末、2 1 世纪初也开始了无线光通信技术的研究与工程应用， 在电信、网通、移动、联通和铁通等各大通信公司都有一定规模的研究和应用。 目前，无线光通信技术设备的工作速率已达2 5 g b i t s ，其传输距离可达4 5 k m 2 1 。 如今，无线光通信技术已成为解决“最后一公里 的主要解决方案之一，并成为 通信工程建设的热点，这不但解决了难于敷设有线通信线路的困难，而且大幅度 地降低了通信建设的投资，大大缩短了建设周期，并增加了足够的灵活性。例如， 目前美国几乎9 0 的办公大楼与电信业务供应商之间采用了无线光通信连接技术 致力于“最后一公里 解决方案的探索，“f s o 技术跟踪研究小幺且【2 】”完成了l k m 点到点通信样机的检测。目前，其技术方案已应用到办公楼之间、穿越河流和公 路等多种用户接入网场合。 较早开展的针对完全相干光的研究已经取得不错的成果；其中，弱湍流中的 传播理论基本成熟，强湍流的理论也在逐步深入。对部分相干光湍流效应的研究 开展较晚，迄今为止，“与完全相干光相比，部分相干光对湍流效应更不敏感”这 一结论在理论和实验上已得到证明，并被广泛认可。这使得在大气光通信系统中 使用部分相干光的需求更加迫切，湍流中部分相干光传输特性仍是当今社会研究 热点。 2 0 世纪7 0 年代术和8 0 年代初期，人类开始部分相干光大气传输的理论研究。 4 无线光通信系统的影响凶素和性能分析 1 9 7 5 年w o l i c f 3 】和c a r t e r l 提出了准单色的高斯部分相干光源的概念，不久以后高斯 谢尔模型光源理论得以发展和完善。利用高斯谢尔模型源来研究问题提供了很大 的便利，因为它的相干限度和高斯光束是一样的，这在很多实验中已经得到了证 实，并且在光学投影、激光扫描、多模激光等方面得到了广泛应用。相干光束在 湍流大气中的传输己经得到了广泛的研究，大家普遍认为湍流对辐射场的影响主 要是引起相位的变化。因此在激光在湍流媒质中传输以后，波前将会变得混乱， 也就是说将会变成部分相干的辐射场，应用这理论c l i f o r d t 47 】和y u r a 5 j 成功的解 释了“星光闪烁现象。相当多的有关部分相干光的研究工作都是针对高斯谢尔 模型光束进行的。人们比较感兴趣的是，部分相干光能否使得大气闪烁指数和通 信系统误码率降低，这在当时并没有得到很好的解决。 随后在9 0 年代初期，w u 等人【1 4 】通过对高斯谢尔模型部分相干光大气传输 的理论研究，得出了“与完全相干光相比，部分相干光对湍流效应更不敏感”的 结论。为了具体化这个不敏感的标准，也就是说在什么条件下，部分相干光对湍 流效应比完全相干光更不敏感，这个不敏感的程度又如何等，在2 0 0 2 年， p o n o m a r e n k o 等人和g r e gg b u 一5 0 】等人先后对部分相干光大气湍流传输也进行了理 论研究，他们通过对光束束宽和扩散角的分析，给出了这个不敏感的标准与原因。 m s a l e m 等人也从理论上给出了在大气湍流中长距离传输时，部分相干光与完全相 干光相比的优势所在。a r i s t i d ed o g a r i u 等人1 7 j 首先从实验上证明了“与完全相干光 相比，湍流对部分相干光的影响更小”的结论。j e n n i f e r c r i c k l i n 5 6 】等人唧】通过交 叉谱强度函数，给出了准单色部分相干高斯光束大气传输时的一些特征，例如：平 均光强、光束束宽和波前相干长度等。在2 0 0 3 年，t o m o h i r os h i r a i 【3 】等人研究了组 成部分相干高斯光的厄米一高斯模大气传输问题，也很好的解释了部分相干光受 湍流影响更小的现象。同年，r i c c a r d ob o r g h i 等人也对部分相干准单色光大气传输 问题进行了研究，他们通过对光波场强度的测量，给出光束的一些相干特性。 大气湍流对激光传输性能的影响是制约大气激光通信系统性能发挥的重要因 素之一。湍流引起的光强起伏会降低通信系统接收端信号的信噪比，从而对系统 的误码率和通信距离、带宽产生不良影响【i 】。激光在湍流大气中的传输作为一个有 重要理论、学术背景及有实际应用价值的研究问题，目前己进行了许多的研究【2 j 。 近几十年来，工作主要集中在完全相干光的大气传输上，几乎忽略了部分相干态 的存在，对部分相干光大气传输的研究近几年有所重视。事实上，激光在湍流大 气传输过程中，当大气湍流增强、传播距离增加时，其相干性会遭到严重地破坏， 完全相干光也会退化成为部分相干光【3 】。而且研究表明，激光在湍流大气中传播时， 部分相干光受到大气湍流引起的强度闪烁的影响比完全相干光受到的影响要小。 在此，我们认为系统载波为部分相干光。目前，强湍流理论发展还不成熟。 g a m m a - g a m m a l 4 0 1 光强闪烁分布模型通过双尺度参数直接与大气物理特性联系，能 第一章绪论 够准确的描述强湍流大气情况下的接收光强起伏特性。而目前研究较多使用的对 数正态分布模型，仅适用于弱湍流情况。 1 3 无线光通信及其潜在应用 自由空间激光通信以近地面大气作为传输媒质进行信息的传递，初期的激光 通信研究就是从它开始的。无线光通信系统主要由光源、调制器、光发射机、光 接收机及附加电信发送和接收设备等组成，只要相互进行瞄准即可进行通信。 根据所用光源的类别，大气激光通信系统大致可分为半导体激光系统、气体 激光通信系统和固体激光通信系统。半导体激光器体积小，重量轻，但光束发散 角稍大，适合于近地面的短距离通信。气体激光通信系统的体积和重量都较大， 但其通信容量也大，光束发散角较小，适合于卫星间的通信和定点之间的大容量 通信。 无线光通信除了具有不挤占频带，通信容量大，传输速率高等优点外，还具 有激动灵活、经济、架设快捷、使用方便，不影响市政建设等特点。随着大气通 信技术的成熟，它的应用将会越来越广泛，根据其特点，它潜在的应用场合有民 用上可用于移动基站间的互联，单位内部的数据传输及小范围内局域网建设，如 校园网的组建，需严格保密的场合及要害部门，技术上或经济上不铺设光缆的地 区如军工、国防部门，核电站、边远山区、江河两岸间、高山间等，以及用于灾 区、事故地点的快速抢通等。有关专家指出，在未来的移动通信网建设中，大气 激光通信系统将用于“最后一公里”的接入。 军事上则可应用于战斗打响前无线电静默期间的短距离通信【2 】，或战斗打响后 的保密通信，岛屿与海岸之间海岛之间，边防哨所之间，舰船之间，导弹发射现 场与指挥中心之间的短距离通信等。室内无线光通信。由于对无线通信的急剧需 求和地面无线光通信的快速发展，现在己经有大量的室内无线光通信的研究。主 要是将无线光通信应用在室内计算机网络及办公设备通信。室内无线光通信与室 外无线光通信主要区别在于信道的不同。地面无线光通信的信道主要受到太阳等 自然背景光及大气的影响，大气对光通信的影响主要是大气湍流所引起的闪烁以 及天气现象雾、雨、云等自然现象所引起的衰减。而室内无线光通信的信道主要 受到人造光源的影响，比如荧光灯、f 1 光灯等，还有一个对室内高速通信影响比 较严重的是由于室内墙壁对光源的反射所引起的对接收信号造成的多径问题，这 样对高码率通信会出现码间串扰。本文重点研究室外大气激光通信。大气激光通 信的缺点是受天气状况、地形条件、外来物的影响较大，难以实现全天候的视距 通信，这是一直网扰大气工程师的问题，也是大气激光通信无法推广使用的原因， 一旦大气激光通信技术能克服气候因素的影响，能实现全天候通信，大气激光通 6无线光通信系统的影响冈索和性能分析 信不失为一种非常好的通信手段。 1 4 无线光通信的关键技术 无线光通信是涵盖多种领域的综合性技术，其关键技术问题主要有两个方面： 一是远距离激光信号的发射与接收技术，其发送和接收信号的距离从上万千米的 空间激光通信，到几十千米的地面激光通信；二是激光信号的捕获和自动跟踪技 术。当通信距离比较远时，在背景光比较强的情况下，信号的捕获和跟踪就是一 个重要的问题，特别是在空间激光通信中，背景光产生很强的干扰，大大增加了 信号接收的难度。激光通信的关键技术主要表现在： 1 大气信道的研究 在低空的激光通信系统的信号传输中，涉及的大气信道是随机的。大气中的 气体分子、水雾、雪、霆、气溶胶等粒子，其几何尺寸与半导体激光波长相近甚 至更小，这就会引起光的吸收、散射，特别是在强湍流的情况下，光信号将受到 严重干扰，甚至脱靶。因此，如何保证随机信道条件下系统的正常工作，对大气 信道的工程化研究是十分重要的。 2 高功率光源及高码率调制技术 在空间光通信系统中大都可以采用半导体激光器或半导体泵浦的y a g 固体 激光器作为信号光和信标光光源，其工作波长为0 8 1 5 胛的近红外波段。其中 信标光光源要求能够提供在几瓦量级的连续光或脉冲光，其调制频率为几十赫兹 至几千赫兹或几千赫兹到几十千赫兹，以克服背景光的干扰，信号光光源的输出 功率一般要求在几十毫瓦的量级，并要求其输出的光束质量好、工作频率高( 几 十兆赫兹到几十吉赫兹) 。 3 高灵敏度抗干扰的光信号接收技术 在光接收终端光接收机接收到的光信号是非常微弱的，并且被大量的噪声信 号所淹没。为了能够快速、精确地捕获目标和接收光信号，常常可以采取两种措 施：一是提高接收端机的接收灵敏度，使其达到n w 1 t w 量级；二是对到达的光信 号进行处理，如采用微弱信号检测的方法，在光信道上采用窄带滤波器，用以抑 制背景光的干扰。窄带滤波法是利用信号的功率谱密度分布较窄，而噪声的功率 谱密度分布很宽的特点而进行工作的。使用一窄带滤波器，将有用的信号功率提 取出来，由于窄带滤波器只让噪声功率的很小一部分通过而滤除了大部分的噪声 功率，所以输出的信噪比得到了很大的改善。 4 快速、精确的捕获、跟踪和瞄准( a p t - - a c q u i s i t i o n p o i n t i n gt r a c k i n g 技术) 这是保证实现空间远距离光通信的必要核心技术。a p t 系统主要由光学天 第一章绪论7 线、位置误差信号提取、控制计算机和伺服系统组成，其捕获、对准、跟踪精度 主要由以上几个部分的精度决定。a p t 系统的原理是：收、发天线接收到的信标 光入射在探测器的光敏面上，粗跟踪探测器所获取的信号经过误差信号提取电路 提取出误差信号，误差信号送入计算机处理后，控制计算机以控制伺服系统驱动 光学天线，使光学天线对准信标光方向，然后进行精定位，待精确定位完成以后 就可以利用光信号实现收发双方的通信了。 5 选择适当的调制解调方式、以及编码方式， 在保持同样通信质量的情况下，可节省激光发射功率和增加通信距离，改善 无线大气光通信系统的误码率性能。 一 6 精密、可靠的光束控制技术，即系统中的光学发射和接收天线。 在发射端，由于半导体激光器的光束质量一般较差，发散角大，而且水平和 垂直两个方向上的发散角不同，因此必须进行准直。在接收端，接收天线的作用 是将光束收集并汇聚到探测器表面。发射和接收天线的效率及接收天线的口径都 对系统的接收功率有重要影响。 1 5 本文主要工作和创新点 本论文研究工作主要来源于陕西省科技局项目：无线光通信在宽带接入中应 用的关键问题研究。论文根据无线光通信大气信道的传输特性，并结合激光大气 传输理论，研究了在大气复杂环境下，无线光通信系统性能的影响因素。主要包 括大气衰减和湍流效应，首先计算分析了恶劣天气下雨、雪、雾引起的衰减和大 气湍流闪烁引起的损耗，接着分析了大气衰减和湍流闪烁损耗引起的系统性能的 降低，其后采用副载波调制方式和部分相干光来改善光通信系统性能。工作将针 对处于大气窗口附近的8 5 0 n m 和1 5 5 0 n m 这两个激光频段展开。 论文结构如下： 第一章无线光通信的研究背景及意义、国内外发展动态、潜在应用及关键 技术。简要说明了论文的结构和创新点。 第二章大气信道对激光传输的影响。主要研究了大气衰减和大气湍流效应。 第三章计算分析了大气中的阿、雪和雾的衰减特征，及大气湍流引起的光 强闪烁带来的损耗， 第四章通信系统差错性能的研究。大气中雨、雪、雾等水凝物的衰减引起 的误码牢和信噪比，并研究了多发射技术降低光强起伏方差，提高通信系统性能。 第五章研究了采用副载波调制解调技术来改善湍流闪烁对光通信系统性能 影响，得出采用b p s k 调制改善系统性能最具优势。 第六章利用部分相干光和多发射技术改善通信系统性能。提高大气光通信 无线光通信系统的影响闪索和性能分析 系统通信性能的方法。外加b p s k 调制技术，更能提高通信系统性能。 本文的主要创新点： 1 ) 大气信道的研究，涉及的大气信道是随机的，激光信号通过大气信道时， 计算了在雨、雾、雪、和大气湍流条件下引起信号的衰减和衰减引起的误码率和 信噪比。 2 ) 基于g a m m a - g a m m a 光强闪烁分布模型，讨论了大气闪烁效应对副载波调 制p s k 和d p s k 调制大气光通信系统误码率的影响。 3 ) 以高斯谢尔模型光束为例，研究了准单色部分空间相干光闪烁效应。讨论 了部分空间相干光在湍流大气中的光强闪烁问题。进而讨论了部分相干光源利用 多发射技术减少光强闪烁影响，提高无线光通信系统性能的技术可行性。 第二章人气信道对激光传输的影响9 第二章大气信道对激光传输的影响 无线光通信的缺点是受天气状况、地形条件、外来物的影响较大，难以实现全天候的视 距通信， 在围绕地球表面海拔高度为2 0 k i n 的范围内的对流层大气是诸如雾、雨、雪等各种 天气现象较为频繁的大气区域，激光传输在对流层受到的大气影响( 大气衰减、大气湍流效 应) 最为严重本章主要对大气激光通信的信道进行了研究，分析了影响大气激光通信的主 要因素：大气衰减效应和大气闪烁效应大气随机信道的研究是激光通信系统的一个十分重 要的研究部分，对激光通信系统的设计和实现具有较人的参考价值 2 1 无线光通信的信道研究 以大气作为传输介质是大气激光通信技术区别于其它光通信技术的重要特 征，在大气激光通信系统中，大气信道是一个时变信道，信道中的衰落对通信系 统影响较大，是实时变化的。导致衰落产生的因素大致有大气衰减效应，大气湍 流效应等。因此，对于设计一个高性能的大气激光通信系统而言，对大气信道特 性的研究是非常必要的。 大气是由多种气体分子和悬浮微粒组成的混合体。由于温度差异、风等原因， 大气中的分子、微粒处于不断的运动之中，其组成、湿度、密度等都在不断地变 化，使得大气常处于湍流运动状态，大气性质对激光束的传输有很大的影响，主 要的影响有大气分子及悬浮微粒对光束的吸收与散射、大气湍流运动对光束的扰 动。前者主要导致光束能量损失，接收信号减弱，工程上常称大气衰减后者则引 起光束的强度闪烁、光束漂移、扩展与抖动等现象，通常称作大气湍流效应。这 些现象统称为大气效应，它对无线光通信的影响很大，特别是对远程和高精度的 应用更为突出。 大气激光通信的信道模型可以用式表示： y = r h x + n ( 2 1 ) 其中，r ，x ( t ) ，h ( t ) ，n ( t ) ，y ( t ) 分别表示光电转换效率、发射信号、信道的衰 减系数、加性噪声和接收机的接收信号。加性噪声独立于发送光信号，而由大气 衰减和大气湍流造成的衰落并不独立于发送光信号，它和信号的有无及大小有关， 并且随着对数振幅起伏均方差的波动而变化。因此，这罩的衰落噪声可以看成是 影响大气激光通信的最主要因素。当衰落较大时，会降低通信速率甚至造成通信 中断。 在实际的大气激光通信传输过程中，光信号不仅受到大气衰减和大气湍流的 1 0 无线光通信系统的影响冈索和性能分析 影响，还会受到诸如背景光辐射和接收机本地噪声的干扰。其中，背景光辐射的 影响可以通过在接收端放置滤光片的方法加以限制和滤除，而本地加性噪声由于 比较小，对信号处理和判决不会造成太大影响，可以通过提高接收精度加以改善。 本章着重考虑大气衰减及大气湍流效应对激光传输的影响。 2 2 激光大气的衰减效应 激光大气传输过程中强度衰减很快，这主要是由于大气信道中的二氧化碳分 子、氧、烟尘、水滴、冰粒等气溶胶粒子对传播的激光进行“散射 和“吸收 造成的。在对流层大气中，大部分水分以小水滴、雾和水蒸气的形式几何起来， 使大气能见度变差。 2 2 1 大气对激光的散射 在光学性质均匀的介质中或两种折射率不同的均匀介质的分界面上，无论是 光的折射或反射，光线都局限于一些给定的方向上，在其余的方向上光强等于零， 在光束的侧向看不到光。但当光通过光学性质不均匀的物质时，可以在侧向看到 光，这种现象就是光的散射。 对激光信号传输影响最大的是直径从0 1 , t o n 到1 0 t m 的微粒，对此可采用单原 子的散射理论瑞利散射和米氏散射来近似分析大气散射。这是因为气体分子间距 大于分子直径十倍以上，大气中气溶胶微粒或悬浮微粒的间距也远大于微粒直径， 满足单粒子散射的条件粒子间距大于粒子直径三倍时，各粒子的散射近似互不影 响。所以，虽然大气中存在多种微粒，对光传播问题而言，单粒子散射理论总是 适用的。激光大气传输所受散射效应表现在两个方面( 减小在传播方向上的光 能量改变光斑的光强度分布，使光斑内部有明暗之分) 。 a 瑞丽散射 当散射体的尺寸比光波波长小时，粒子对光的散射通常称为瑞利散射。瑞利 散射的主要特征是：( 1 ) 散射光的强度与波长的四次方成反比。( 2 ) 散射光的散射强 度与观察方向之间有比较简单的关系。( 3 ) 前向散射能量与后向散射能量相等。 ( 4 ) 9 0 。方向的散射光几乎是全偏振的。瑞利散射的体积散射系数【l6 】为 州) = 孚等篙( k m - 1 ) ( 2 - 2 ) 式中，为单位体积气体分子数，n 为与高度和波长有关的大气折射率，万为散 射辐射的退偏因子，一般取值为0 0 3 5 。在该式中最重要的结沦是口( ，) o c 。这也 第二章大气信道对激光传输的影响 说明了瑞利散射中短波占优势。红光通过薄雾时比蓝光的穿透力强，正是由于红 光散射较弱的缘故，因此，信号旗和信号灯常采用红色。根据计算得到，在地面 上( 一个标准大气压下温度为1 5 时) 1 0 6 1 a m 激光在大气传输中的瑞利散射系数 为8 4 5 8 x 1 0 4 o n 。 b 米氏散射 一般来说，从尺度很小的粒子开始，当其半径相对于波长而言逐渐加大时， 就逐渐发生从瑞利散射向米氏散射的过渡。从量化分析的角度来讲，设入射光波 波长为名，气溶胶粒子半径分布在2 1 0 和6 0 2 , 之间时，激光大气传输的散射类型 将主要呈现米氏散射特点。 米氏散射中，粒子对入射光散射后的散射光分布比较复杂且不对称，主要散 射明显集中于前向方向。米氏散射的主要特征为： ( 1 ) 散射光强度随角度的分布变得十分复杂。粒子相对波长的尺度越大，分布越复 杂。 ( 2 ) 当粒子的尺度加大时，前向散射与后向散射之比随之增加 ( 3 ) 随着粒子尺度的进一步增大，散射光集中的角度也越来越窄。气溶胶粒子和水 汽凝成物诸如小雨、雾滴、霆等球形粒子或类球形粒子对激光信号的散射属 于米氏散射。米氏散射系数由下式确定 吒= n ( r ) n r 2 q 似，m ) ( 2 3 ) 式中，n ( r ) 为单位体积内的粒子数，r 为粒子半径，q s 为散射效率， 其定义为粒子散射的能量与入射到粒子集合截面万2 上的能量之比，它是粒子 的相对尺度x ，= 2 n r 2 , 和复数折射率m = 以一。其中n 和k 。分别是粒子的折射 率和吸收率。 2 2 2 大气对激光的吸收 大气对不同波长传输光束的吸收属于选择吸收。因此分子的吸收特性强烈依 赖于光的波长。对可见光和红外光来说，分子的散射作用很小，但是分子的吸收 效应对任意光波段都是不可忽略的。气体分子的大量吸收谱线组成了谱带群，对 光辐射产生连续的吸收，仅在少数几个波长区吸收较弱，形成所悄的“大气窗口”， 图2 1 是地球表面大气对太阳辐射的吸收情况。结合目前光电器件生产研制情况， 可用于空地激光通信领域的较重要的大气窗v 1 有0 8 p m 、1 0 6 t i n 、1 5 5 m 2 和 1 0 6 z m 等。 从0 7 2 1 5 0 zm 范b 爿的近红外和中红外波段透过率曲线起伏很大，大气的吸 收峰和透射窗口交错分布。由于相关激光器、滤波器制造工艺的限制，实际应用 1 2 无线光通信系统的影响冈素和性能分析 中，通常选择7 8 0 8 5 0 n m 和1 5 2 0 1 6 0 0 n m 附近波长的激光作为光源。 图2 一l 大气透过翠曲线 综合以上分析，大气中的气体分子、气溶胶粒子和水汽凝成物都会引起光的 吸收和散射，吸收和散射的共同作用导致激光大气传输衰减较大。用大气透过率 来度量，单色波的大气透过率可以表示为 r q ) = e x p ( 一k 以沙) ( 2 4 ) 6 上g 0 ，丁以) 为波长为名的大气透过率，z 为传输距离，6 ( 3 ) - - 口。+ 口。为总的衰 减系数，其中口。为散射系数，口。为吸收系数。对于水平均匀光程有： f ) = e x p ( 一口q 弦) ，对于倾斜传输有：f ) = e x p ( 一s e c p q 协) ，其中为天 顶角，h 为倾斜高度。大气透过率可以帮助分析不同天气条件下所需要的激光能 量冗余度，为激光通信系统的设计提供一定的理论依据。 虽然大气激光通信独具魅力，但它也存在有待完善的地方这主要体现在以大 气媒介作为传输手段对它的传输影响。在大气传输路径上，有不同的温度、密度 和折射率，小气团的棱镜折射作用引起波形失真，而且大气的透光特性和传输损 耗随气候是时变的，因此大气光通信传输容量一直都很小，此外要求收发端对准 精度高，影响了它在通信网中的使用。研究特殊天气因素对光传输的影响对实现 全天候通信十分必要和迫切，下面主要从雨、雪和雾三种天气因素出发，研究天 气因素的物理特性对光传输的影响。 2 3 激光大气湍流效应 大气温度的随机变化产生大气密度的随机变化，从而导致大气折射率的随机 变化。变化的累计效应导致了大气折射率的明显不均匀，从而在湍流大气中传输 第二章人气信道对激光传输的影响1 3 的激光信号的波前也作随机的起伏，由此引起光束的抖动、强度起伏( 闪烁) 、 光束扩展和像点抖动等一系列激光传输的大气湍流效应。这些大气湍流效应将严 重影响空间光通信稳定性和可靠性。为了能清楚了解随机大气湍流效应对激光传 输信号的影响，本章具体分析随机大气信道湍流效应的各种影响机制。 当激光在湍流大气中传播时，大气湍流将使光波参量在传输过程中随机改变， 光束质量受到严重影响出现以下湍流效应：大气湍流对光束传输的影响，与光束 直径和湍流尺寸有密切的关系。当光束直径比湍流尺寸小很多时，湍流的主要作 用是使光束作为一体而随机偏折，在远处的接收平面上光束中心的投影点( 光斑 位置) 则以某个位置为中心而随机跳动，此现象为通常谈及的光束漂移。若大气 湍流较强，则光束有可能会漂移出可接收的范围，造成光通信的中断。而大多数 情况是光束直径与湍流尺寸相当或比湍流尺寸大得多。此时光束截面内包含有许 多的湍流漩涡，在长距离的光通信链路中，所传输光束达到接收端时会产生展宽 效应。而且在光束波前的不同位置上可能会观察到不同的扰动现象，从而造成光 束强度在时间和空间上的随机起伏，在某些位置光强忽大忽小，此即为光束强度 的闪烁。 具体如下：激光束通过有湍流的大气传输时，其强度、相位和传输方向均会 受到扰