（无线电物理专业论文）基于ppm和rs码的无线光通信系统性能分析.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。由于其潜在的数据传输速率很高，可以广泛的应用于深空通信， 星际通信，应急通信，以及解决“最后一公里”的问题上，已经引起了广泛的关 注。 激光在大气中传输时，受到大气衰减效应，大气湍流效应的影响，其中大气 湍流的影响尤为严重。大气湍流在传输路径上引起的折射率变化，会使接收信号 的强度和相位发生变化，使接收信号的质量恶化，增加误码率，限制了通信系统 的性能。目前的无线激光通信系统普遍采用开关键控( o o k ) 强度调n 直接检测 方式。这种调制方式虽然实现简单但是其抗干扰能力差。为了进一步提高传输通 道抗干扰的能力，我们在无线激光通信系统中采用了脉冲位置调制( p p m ) 。本文 通过对开关键控( o o i ( ) 、脉冲位置调制( p p m ) 、差分脉冲位置调制( d p p m ) 、 数字脉冲间隔调制( d p i m ) 、多脉冲位置调制( m p p m ) 五种调制方式的信号脉冲 波形、平均功率需求、平均带宽需求、误码率的比较，得出p p m 优于其他调制方 式的两个优点：功率有效性和大大降低了误码率。因此p p m 更适合应用于无线激 光通信系统。 r s 码具有同时纠突发错误和随机错误的能力，尤其是对突发错误更为有效， 根据无线激光通信系统中p p m 信道的特点，将m 进制的r s 码应用于m 元p p m 调制系统中，二者可以完全匹配，并且可以大大的降低系统的误码率，因此r s 码 可以作为无线激光通信系统的纠错码。本文研究了在背景噪声限下，采用r s 编码 的直接检测光p p m 系统的性能，仿真分析了具有不同码率的采用硬判决译码的r s 码的性能，以及未编码的p p m 系统的性能，给出了相应的误比特率和每信息比特 信噪比的关系曲线。仿真结果表明：对背景噪声限下的直接检测光p p m 系统，随 着码率的降低，编码不一定能改善系统性能，最佳码率大约在o 8 0 9 。 关键词：无线光通信脉冲位置调制信道编码r s 码 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 e ，a n ds oo n i th a st h ep o t e n t i a lo fv e r yh i g hd a t ar a t e ， w i t hp o t e n t i a la p p l i c a t i o n sr a n g i n gf r o md e e p s p a c e i n t e r s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o na n d r e d u n d a n tl i n k st os e a r c h a n d r e s c u eo p e r a t i o n sa n ds o l u t i o nf o r “l a s tm i l e ”p r o b l e m f s oh a sa t t r a c t e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o nr e c e n t l yf o rav a r i e t yo fa p p l i c a t i o n s w h e nt h es i g n a li st r a n s m i t t e dt h r o u g ht h ea t m o s p h e r e ，t h ea t m o s p h e r ef a d i n ga n d a t m o s p h e r i ct u r b u l e n c eh a v eag r e a ti n f l u e n c eo ni t ，e s p e c i a l l ya t m o s p h e r i ct u r b u l e n c e t h ea t m o s p h e r i ct u r b u l e n c el e a d st ov a r i a t i o n so ft h er e f r a c t i v ei n d e xa l o n gt h e t r a n s m i s s i o np a t h t h e s ei n d e xv a r i a t i o n sc a nd e t e r i o r a t et h eq u a l i t yo ft h er e c e i v e d s i g n a la n dc a l lc a u s ef l u c t u a t i o n si nb o t ht h ei n t e n s i t ya n dt h ep h a s eo ft h er e c e i v e d s i g n a l t h e s ef l u c t u a t i o n sc a nl e a dt oa ni n c r e a s ei nt h el i n ke r r o rp r o b a b i l i t y , l i m i t i n g t h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m c u r r e n tf s os y s t e m st y p i c a l l yu s eo o k i n t e n s i t ym o d u l a t i o nw i t hd i r e c td e t e c t i o n ( i m d d ) a l t h o u g ht h i sk i n do fm o d u l a t i o n r e a l i z e ds i m p l y , i t sa n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t yi sw o r s e f o ri m p r o v i n gt h ea b i l i t yo f a n t i - i n t e r f e r e n c e ，w ea d o p tt h ep p mi nf s os y s t e m s a n o t h e rf o u rm o d u l a t i o ns c h e m e s a r ea n a l y z e d ，i n c l u d i n go o km o d u l a t i o n ，d p p mm o d u l a t i o n ，d p i mm o d u l a t i o na n d m p p mm o d u l a t i o n c o m p a r e dw i t ht h eo t h e rf o u rm o d u l a t i o n s ，t h et w oo u t s t a n d i n g a d v a n t a g e so fp p m a r ep r e s e n t e d ：h i g h e rp o w e re f f i c i e n c ya n de x t r e m e l yl o w e rs y m b o l e r r o rr a t e t h ep e r f o r m a n c eo ft h e s em o d u l a t i o ns c h e m e sa r ec o m p a r e da n ds i m u l a t e d o nt l l e i rs i g n a lp u l s ew a v e f o r m ，p o w e rr e q u i r e m e n t ，b a n d w i d t hr e q u i r e m e n t ，c h a n n e l c a p a c i t ya n dp a c k e te r r o rr a t e s ot h ep p mm o d u l a t i o ni sm o r ep r o p i t i o u st ot h ef s o s y s t e m s r sc o d eh a st h ea b i l i t yo fc o r r e c t i n gb u r s te r r o ra n dr a n d o me r r o r , e s p e c i a l l yt h e b u r s te r r o r , s ow ec h o o s er sc o d ea sc h a n n e lc o d em e t h o da c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i co fp p mc h a n n e lo ff s o u s i n gme l e m e n t sr sc o d ei nme l e m e n t sp p m c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sc a nm a t c hp r o p e r l ya n di tc a nd e c r e a s et h eb e ro ft h es y s t e m s c o d i n gf o rb a c k g r o u n d - l i m i t e dd i r e c t - d e t e c t i o no p t i c a lp p ms y s t e m si ss t u d i e di nt h i s p a p e r t h ep e r f o r m a n c eo fr sc o d e su s i n gh a r d d e c i s i o nd e c o d i n gw i t hd i f f e r e n tc o d e r a t e si ss i m u l a t e d t h er e l a t i o n s h i pc u r v eo fb i te r r o rp r o b a b i l i t ya n ds i g n a l t o n o i s e r a t i op e ri n f o r m a t i o nb i tf o rt h eu n c o d e da n dc o d e ds y s t e m si sg i v e n t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a t c o d i n g d o s en o t n e c e s s a r i l yi m p r o v e t h e p e r f o r m a n c e s o f a b s t r a c t b a c k g r o u n d l i m i t e dd i r e c t d e t e c t i o no p t i c a lp p ms y s t e m sw i t hd e c r e a s i n gc o d er a t e s t h e o p t i m a lc o d er a t ei sa b o u t0 8 0 9 k e y w o r d s ：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 p p mm o d u l a t i o nc h a n n e lc o d i n g l 玛c o d e 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 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：壶渣 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撰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： 日期 兰塑旦：l ! l 殳 日期 1 盟写! l ，l 立 赴嘴 列科 第一章绪论 第一章绪论 无线激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 1 1 研究背景 1 1 1 无线光通信的发展与现状 无线光通信是指利用激光束作为载波在空间( 陆地或外太空) 直接进行语音、 数据、图像信息双向传送的一种技术，又称为“自由空间光通信 ( f r e es p a c eo p t i c a l c o m m u n i c a t i o n ) 。这是一种既古老又新颖的通信手段。我国的烽火戏诸侯和古希 腊的阿加门农烽火台就是古代人们就利用光传递信息的例子【l 】。1 9 6 0 年红宝石激 光器的发明，使得现代光通信成为了可能。 2 0 世纪7 0 年代后，由于大气信道光传输特性本身的不稳定性、元器件及系统 技术不成熟等客观因素的影响，使得一度辉煌的大气激光通信研究陷入低谷。与 此同时，随着光学纤维和半导体激光器的不断完善和成熟，光纤通信从2 0 世纪8 0 年代起在全世界掀起了应用高潮，并迅速被确认为是地面有线通信最有发展潜力 的重要通信手段。在全世界普遍需要宽带通信的浪潮中，各国的许多城市的公用 固定通信骨干网，都采用了有线光纤方式以获得需要的大容量数据传输。但是， 为数众多且分散各处的广大用户连接国家通信骨干网的接入线，即通信网的“第 一公里 和“最后一公里 ，因经济问题不能贸然决定全部采用光纤线路，需要 另行给予妥善处理。经过周密考虑，人们认为无线光通信即f s o ，适合于解决“第 一公里 和“最后一公里 通信问题，特别是在人口稠密的城市地区【2 】，各个用户 与结点的相隔距离一般不大于3 0 0 m ，在城市的高楼大厦之间，这样的距离甚至不 到1 0 0 m 。这些距离比较短，属于视距，可以保证用户与结点之间的可靠连通。 进入9 0 年代后，随着大功率半导体激光器器件的研制成功、激光技术、光电 探测等关键技术和日益完善与成熟，以及空间通信需求的日益增加，无线光通信 重新唤起了人们的热情，在探索大容量、高数码通信的研究中自由空间光通信技 术悄然复苏并逐渐走向实用化【3 】。1 9 8 8 年，巴西a v i b r a s 宇航公司研制出一种便 携式半导体自由空间光通信系统，其外形如一架双筒望远镜，在上面安装了激光 二极管和麦克风，将一端对准另一端即可通信，通信距离1k m ，如果将光学天线 固定下来，通信距离可达1 5 k m 。1 9 8 9 年美国f a r a n t i 仪器公司研制出一种短距 2 基于p p m 和r s 码的无线光通信系统性能分析 离、隐藏式自由空间光通信系统。1 9 9 0 年，美国又成功试验了一种适合特种战争 和低强度战争需要的紫外光波通信系统，通信距离2 5 k m 。与此同时，俄罗斯进 行的激光大气通信系统的实用化研究也取得实质性进展，推出1 0 k r n 以内的半导体 激光大气通信系统，并在莫斯科、瓦洛涅什、图拉等城市投入应用。 近年来，美国、日本、英国等相继推出了一系列大气无线光通信系统产品【4 卅， 如美国t e r r a 公司的一系列大气通信产品，日本佳能的无线光通信系统等。1 9 9 9 年末朗讯公司在深圳首届高交会上首先发表了一个短距离激光无线多媒体通信系 统样机( 采用1 5 5 0 m n 激光) 。2 0 0 0 年悉尼奥运会期间，美国的t e r a b e a m 与l a c e n t t e c h n o l o g y 合作，在水上中心与演播中心之间建立了8 波道的无线数据通信链路， 运行期间始终保持畅通，效果良好。2 0 0 1 年8 月，t e r a b e a m 又成功地为m i c r o s o f t c o r p o r a t i o n 年度员工大会提供了无线数据传输服务。 我国几乎与国际同步展开对大气无线光通信的研究，早在1 9 6 3 年就开始了大 气无线光通信的研究。1 9 7 1 年，电子工业部三十四所开始了激光大气通信技术的 研究，1 9 7 4 年推出了n d ：y a g 激光大气通信系统实验样机，并在北京军事博物馆 与清华大学间架通了实验线路，进行通信演示，实验情况良好。与此同期开展激 光大气通信的单位还有电子科技大学、武汉邮电科学研究院以及北京、长春、大 连、合肥等地的一些单位。2 0 0 1 年4 月自由空间光通信机在广西桂林研制成功， 该通信机以半导体激光器为光源，用两套设备构成点对点无线通信系统，可传输 多种速率的数据和图像，直线视距全天候通信距离达4 k m 。该自由空间光通信机 具有体积小、组网灵活、无电磁干扰、可靠性强等特点。2 0 0 3 年1 月上海光机所 信息光学实验室研制成功的无线激光通信系统，该系统具有双向高速传输和自动 跟踪功能，兼有体积小、重量轻的特点。 1 1 2 无线光通信的系统组成和工作原理 无线光通信系统主要由光源，发射和接收，对准、捕获、跟踪系统三部份组 成。 ( 1 ) 光源部分 由于受大气性能的影响，进行自由空间光通信时必须考虑光源的功率和传输 频率等特性。目前应用于通信系统的激光器有半导体激光器、固体激光器、气体 激光器等。半导体激光器具有体积小、转换效率高、成本低及可直接调制的特点， 实际通信系统一般均采用半导体激光器作为光源。 ( 2 ) 发射和接收部分 发射和接收是无线光通信系统中最重要的部分，包括调制( 解调) 器、光发 射( 接收) 机及探测放大器等装置。发射机主要是完成信息对光源的调制，并发 出承载信息的光波；而接收机用来接收信号光，进行光一电转换，通过放大、解调 第一章绪论 等处理完成通信任务。 ( 3 ) 捕获、跟踪、对准系统( a t p 系统) 无线光通信与微波等无线通信方式不同，是近似的点对点通信，所以发射的 光必须准确的到达接收机探测器上。调整发射机发送的光信号瞄准一个特定方向 的过程称之为对准( p o i n t i n g ) 确定入射光到达目标方向的接收过程称之为捕获 ( a c q u i s i t i o n ) ；调整整个通信过程中对准和捕获的动态变化过程称之为跟踪 ( t r a c k i n g ) 。在进行空间光通信时，要尽量减少信道中的衰减和干扰因素的影响， 同时要求通信具有较高的传输码率和较高的保密性能。由于自由空间信道具有随 机的不稳定性，所以通信系统必须具有实时调整的a t p 来适应不断变化的条件。 从研究调制和编码的角度，无线光通信系统的系统组成可表示为如图1 1 所示 由空 图1 1 光通信系统的系统组成 无线光通信系统的工作原理：1 信源首先进入编码器进行编码，己编码信息 再进行调制；2 己调信号通过功率驱动电路驱动激光器发光，光通过光学发射天 线发射出去；3 接收端的光通信机通过光学接收天线将收集到的光信号汇聚到光 电探测器上；4 光信号转换成电信号，经过放大等后续处理后经过解调，送入译 码器译码，还原出原来的信息。其中在此过程中，捕获、跟踪和瞄准子系统控制 光学天线，实现两端光束的捕获、跟踪和瞄准。 1 1 - 3 无线光通信的技术优势和应用 波长在7 0 0 1 5 0 0 n m 范围内，大约2 0 0 t 的带宽可用作无线光通信，它可以实 现室外点到点通信，也可用于室内近距离无线局域网内的连接。因此无线光通信 是现代光纤通信的有利补充，具有以下的优点【7 】： 1 架设灵活便捷，快速链路部署。f s o 可以直接架设在屋顶，以及在江河湖海上 进行通信，可以完成地对空、空对空等多种光纤通信无法完成的通信任务，而 且无需埋设光纤，可以在几小时内建立起通信链路，方便快捷，大大缩短了施 工周期，通常只需要几个小时便可以完工。 2 无需申请频率。由于工作在无须管制的光谱，不占用拥挤的无线电频率资源， 4 基于p p m 和r s 码的无线光通信系统性能分析 因设备间没有信号的相互干扰，也不会与其他传输发生干扰，没有频率许可问 题，故无需申请频率许可证。 3 拥有光纤传输的性能。理论上，f s o 的传输带宽与光纤通信的传输带宽相同， 只是光纤通信中的光信号在光纤介质中传输，f s o 的光信号在空气介质中传 输。f s o 产品目前最高速率可达2 5 g b i t s ，最远可传送4 k m 。因此也有人把无 线光通信技术称为虚拟光纤通信技术。 4 安全保密性强。f s o 的波束很窄，非可视光，夜间也无法发现，因此无法探测 到链路的位置，更不存在窃听的可能性，安全保密性好。f s o 很难被截取，波 束又非常定向，是对准某一接收机的。即使被截取，用户也会发现，因为链路 被中断了，因此，比无线系统安全得多。尤其适用于金融、法律、军事等保密 要求高的部门。 5 轻巧的天线尺寸和系统结构。天线尺寸与工作波长有关，波长越短，所需的天 线就越小。由于激光通信的波长远小于微波通信的波长，因此，在同样功能和 条件下，激光通信的天线尺寸远小于微波通信的天线尺寸。因此，激光通信系 统的重量和体积相对就显得非常轻小。 6 协议透明。以光为传输媒介，任何传输协议均可容易地叠加上去，现在通信网 络常用的s d h 、a t m 、i p 等都能通过；对语音、数据、图像等业务可以做到 透明传送。 7 成本底。没有任何设计、勘察、工程和线路费等附加费用，起始投资和运营费 用低，f s o 的成本是光纤传输的1 1 0 l 3 。 无线光通信除具有不挤占频带，通信容量大，传输速率高等无线激光通信的 优点外，还具有机动灵活、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，它的主要应 用可归结为以下几个方面阳】： 1 在不具备有线接入条件或原带宽不足时提供高效的接入方案。 无线光通信可以不必在城市内破路埋线而快速地在楼宇间实现宽带数字通 信，也可在不便铺设光缆地区、没有桥梁的大河两岸之间实现宽带数据通信传输。 在1 9 9 4 年，加里福尼亚的t h e r m o t r e x 公司，成功地进行了在相距4 2 k m 、海拔高 度为2 1 3 3 m 的两座山峰之间的传输实验，传输数速率为1 2 g b i t s 。 2 有效解决“最后一公里”问题。 无线光通信可以解决各种业务接入的“最后一公里 问题，提高用户接入端 的传输容量和速度，能够较好地满足电信网、有线电视网和口网三网合一对带宽 的要求。 3 力助局域网互联。 f s o 提供了临近局域网之间互连互通的选择方案，不仅可以解决局域网内用 第一章绪论 户接入的高速传输问题，还可方便地实现局域网之间的连接，形成更大范围的城 域网和广域网。 4 】应急备用方案。 无线光通信可以作为有线通信线路故障或紧急抢险时的应急备用链路，也可 作为大型临时活动的通信解决方案。 5 】快速组建电信网络。 对于新兴的电信网络运营商来说，无线光通信网络可以帮助其快速组建本地 网，以较少的资金、人力和时间完成城域网建设；对于传统的电信网络运营商来 讲，无线光通信网络系统可以作为其光缆传输系统的补充，用于不便铺设光缆的 区域。建设周期短、所需费用少，无线光通信网络系统可以实现先组网再销售的 商业模式。 此外，f s o 在卫星间、卫星与地面站间有着重要的应用。如在1 9 9 5 年美国与 日本所进行的联合试验中，实现了日本菊花6 卫星与美国大气观测卫星相距 3 9 0 0 0 k m 的双向光通信。这是一种远距离通信应用，目前仍在研发之中，但卫星间 光通信具有容量大、不需进行i t u 国际协调等优势，将成为重要的卫星通信手段 之一。 1 2 无线光通信系统中的关键技术 归纳起来，无线光通信主要包括以下五个方面的关键技术【l o 】： 高性能激光光源及高码率调制技术。在无线光通信系统中大多可采用半导激光 器或半导体泵浦的n d ：y a g 固体激光器作为信号光和信标光源，其工作波长满足 大气传输的低损耗窗口。用于a t p ( 捕获、追踪和瞄准) 系统的信标光源( 采用 单管或多管阵列组合，以加大输出功率) 要求能提供数瓦连续光或脉冲光，以便 在大视场、强背景光干扰下，快速、精确地捕获和跟踪目标。用于数据传输的光 信号则选择输出功率为几十毫瓦的半导体激光器，但要求输出光束质量好，工作 频率高，可到几十兆赫至几十g h z 。 精密、可靠的光束控制技术。在发射端，由于半导体激光器光束质量一般较差， 发散角大，而且水平和垂直两个方向发散角不相等，因此必须进行准直，先将发 散角压缩到毫弧度级，然后再通过发射望远镜进一步准直成微弧度级光束。在接 收端，接收天线的作用是将空间传播的光场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光功率有重要影响。 高灵敏度和高抗干扰性的光信号接收技术。在无线光通信系统中，光接机接收 到的信号是十分微弱的，加上高背景噪声场的干扰，会导致接收端信噪比下降。 为快速、精确地捕获目标和接收信号，通常采取的措施有：一是提高接收机的灵 6 基于p p m 和r s 码的无线光通信系统性能分析 敏度，达到量级n w p w 。这就需要选择量子效率高、灵敏度好、响应速率快、 噪声小的新型光电探测器件；其次是对所接收信号进行处理，在光信道上采用光 窄带滤波器，如吸收滤光片、干涉滤光片和新型的原子共振滤光器等，以抑制背 景杂散光的干扰，在电信道上则采用微信号检测与处理技术。 快速、精确的捕获、跟踪和瞄准技术( a t p a c q u i s i t i o n ，t r a c k i n g ，p o i n t i n g ) 技 术。这是保证实现远距离无线光通信尤其是星际间光通信的必要核心技术。a t p 系统通常由两部分组成：( 1 ) 捕获( 粗跟踪) 系统。通常采用阵列c c d 来实现， 并与带通光滤波器、信号实时处理的伺服执行机构完成粗跟踪即目标的捕获。( 2 ) 跟踪、瞄准( 精跟踪) 系统。 适当的调制解调技术。选择合适的调制方式、解调方式也会对无线光通系统的 性能有很大的影响。目前移动大气激光通信系统多采用i m d d ( 强度调s u 直接测) 方式。 1 3 研究意义和结构安排 本文主要围绕无线光通信系统关键技术中的调制解调技术进行了研究。研究 表明p p m 调制不仅提高了激光器的功率效率，而且其抗信道误码能力也有显著增 强，尤其适合于信道噪声复杂且功率受限的无线激光通信。在此基础上分析了背 景噪声限下，采用r s 编码的直接检测光p p m 系统的性能，仿真分析了具有不同 码率的采用硬判决译码的r s 码的性能，以及未编码的p p m 系统的性能，给出了 相应的误比特率和每信息比特信噪比的关系曲线。仿真结果表明：对背景噪声限 下的直接检测光p p m 系统，随着码率的降低，编码不一定能改善系统性能，最佳 码率大约在0 8 0 9 ，这为无线光通信系统信道编码的选取和码率的选择提供了依 据。 论文总共分为六章，结构安排如下： 第一章对无线光通信系统的组成和工作原理进行了进行了概述。介绍了无线 光通信的发展与研究现状，阐述了无线光通信系统的系统组成和工作原理，并对 其技术优势和和应用进行了介绍。最后对本文的研究意义和结构安排进行了简要 的说明。 第二章对p p m 调制的基本原理，传输效率和信道容量进行了分析，对几种常 见调制的方式的性能进行了分析与比较，分析结果证明，综合各方面的因素，p p m 调制方式更适合应用于无线光通信系统。 第三章介绍了大气信道对激光p p m 信号传输的影响，其中大气湍流被认为是 对激光信号传输质量影响最大的因素，大气湍流会导致激光束的扩展、漂移、闪 烁、相干性损失；最后就接收机对p p m 调制信号误码率的影响进行了分析。 第一章绪论 7 第四章主要介绍了信道编码的一些基本理论，包括信道编码定理，信道编码的 分类等。第五章在第四章的基础上对r s 码的编译码原理进行了分析，给出了r s 码的编码实现方法，并对r s 码的译码步骤以及常见的译码算法进行了详细研究， 最后对r s 码的纠错性能进行了分析。 第六章提出在p p m 直接检测系统中引入纠突发错误能力强的r s 码，能够起 到改善系统性能的目的，但这种改善依赖于合适的码率的选取。 第二章p p m 的调制原理和性能分析 9 第二章p p m 的调制原理和性能分析 适用于大气无线光通信系统的调制方案有两种，一种是强度调制直接检钡, i ( i m d d ) ，另一 种是相干调制外差检测i 引目前普遍采用强度调制直接检测( i m d d ) 系统，主要调制方式 为开关键控( o o k ) 【1 3 , 1 4 】、脉冲位置调制( p p m ) 【1 5 18 1 、差分脉冲位置调制( d p p m ) 【1 9 】、数字脉冲 间隔调制( d p m ) 弘吣1 j 等。在一个通信系统中应用何种调制方式不仅要看调制方式本身性能， 还要根据系统总的设计加以考虑由于p p m 调制与其他调制方式相比所具有的优点，使它在 无线光通信系统的设计中受到重视文献 1 9 】对d p i m 与o o k 、p p m 的传信率、发射功率， 带宽需求进行了比较，本章在此基础上，加入了m p p m 调制，分析计算表明，o o k 调制方式 最简单，但功率效率低p p m 大大降低了平均发射功率要求，但增加了系统带宽要求，d p i m 功率效率较好，相对p p m 带宽效率更高，但其符号长度不固定，会造成收发机缓冲区溢出， 甚至会临时出现平均功率大于安全限制的情况m p p m 的传信率，带宽利用率较高，功率需 求较低，但其实现较为复杂，解调困难。因此目前广泛采用的是p p m 调制方式。 2 1p p m 的调制原理 脉冲位置调制( p u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ) 最早由美国j p l 实验室的p i e r c ejr 提出并应用于大气激光通信。脉冲位置调制【2 2 - 2 4 ( p p m ) 是一种正交调制方式， 在p p m 调制的无线光通信系统中，信息是由光脉冲所在的位置来表示的。每m 位 的二进制信息被编码为一帧中某特定位置的一个光脉冲。一个光脉冲位于2 ”个时 隙位置之一上，发射端在特定的时隙将信号以光脉冲的形式发射出去，在接收端， 通过检测判决光脉冲在帧中的位置，从而还原成二进制信息。 对于无线光通信系统，我们采用单脉冲位置调制( l p p m ) ，其原理是：在 一个l - p p m 的符号间隔t = l o g ：l r 詹( 尺b 为码元速率) ，丁被分为l 个时隙，每 个时隙的宽度为州上，当l o g ，l 个信源比特到来时，光发送器仅在这l 个时隙中的 一个内发送脉冲，而其他时隙内不发送脉冲。由此可见，一个l 位的p p m 制信号 传送的信息比特为l o g ：三。如果将m 位数据组写为k = ( m ，m ：，m 。) ，将时隙位置 记为k ，则p p m 调制的一一映射编码关系可写为【2 习： s t = m l + 2 m 2 + + 2 ”一m m 一 ( 2 1 ) i 、 其中鼠( o k 2 ”一1 ) 表示脉冲时隙在第k 个位置。 例如一个4 p p m 调制 若m = ( o ，0 ) ，则s x = 0 ；若聊= ( 1 ，o ) ，贝0 s 。= 1 ； 若m = ( 0 ，1 ) ，贝0 s 女= 2 ；若m = ( 1 ，1 ) ，贝u s 。= 3 ； 0 ，1 ，2 ，3 分别对应时隙位置，如图2 1 所示 1 0 基于p p m 和r s 码的无线光通信系统性能分析 t t 2 1l p p m 脉冲位置调制示意图 2 2p p m 的传输效率 在实际的无线光通信系统中，激光器发射的相邻光脉冲之间有一个最小的时 间间隔，我们将这一段时间称为保护时隙乃。根据式( 2 一1 ) 知，l p p m 编码将t o b i t 信息编到l = 2 ”个时隙中，加上保护时隙构成一个l p p m 帧，l p p m 的帧结构如 图2 2 所示。 保护时段传信时段 图2 2 l p p m 帧结构 图2 2 中所示的l 元p p m 信号，决定它的结构参数是：时隙宽度f ，传信时 隙数l 和保护时隙数d 。 图2 3p p m 每时隙的传信量与l 的关系 第二章p p m 的调制原理和性能分析 l 。p p m 信号调制的数据传输速率r 为： r = l 0 9 2z r = l 0 9 2l ( z + d 弦 b i t s ( 2 2 ) p p m 每时隙的传信量c p 为： c 。= r r = l 0 9 2 三忆+ d ) b i t c h i p ( 2 - 3 ) 在时隙宽度f 和静默时段死确定的条件下，存在一个最佳的三值z ，它使得尺 或g 达到最大。图2 3 给出了d 分别为1 6 和3 2 时，o 随三的变化曲线，d 增大 整个曲线都下降。曲线顶点比较平缓，优化j 乙值的选取范围可以比较宽，如d = 3 2 时，最佳三取值为1 7 ，最大q 值为0 0 8 3 4 b i v c h i p ，但d 取值在1 1 到2 5 之间。 值都大于0 0 8 b i t c h i p ，一般人们尽量选取三值为2 的正整数幂，这里取1 6 。 l p p m 的平均功率和脉冲峰值功率只的关系为： = r p , ( l + d ) ( 2 - 4 ) 7 为脉冲的占空比，因此在脉冲峰值功率p 不变的条件下，p p m 可降低发射系统 的平均功率要求，而且随着l 的增加而减小。 对o o k 调制，一帧中的传信时段仅一个时隙，它利用该时隙的脉冲有无来传 递信息，它一帧的传信量为2 b i t ，每时隙的传信量c 0 为： c o = 2 ( 1 + d ) b i t c h i p ( 2 5 ) 在开关等概的情况下，o o k 的平均功率只脉冲峰值功率的关系为： p o = r e , 2 0 + d ) ( 2 6 ) 在占空比y = 1 时，表1 列出了不同保护时隙数d 时的p p m 最佳传信时隙数、 时隙最大传信量c ：，p p m 和o o k 的带宽利用率之比c ：，c d 和能量利用率之比为： c p 忍c 0 = l 0 9 2l 4 ( 2 - 7 ) 表2 1p p m 与o o k 的带宽利用率和能量利用率之比 1 2 基于p p m 和r s 码的无线光通信系统性能分析 由表2 1 可见当d 3 2 时，p p m 的功率利用率和带宽利用率都可以做得比o o k 的高。但d c + 稿( 2 - 1 3 ) ( 2 1 3 ) 式的左边在l = 3 取得最大值，当l 3 后随l 的增大而减小，因此如果 系统的传输速率为： e l 0 9 23 ( + 3 r )( 2 - 1 4 ) 则式( 2 - 1 2 ) 无意义。l 的最大值三一由( 2 1 3 ) 式取等号所确定。4 的范围为 3 l p 4 以后，m p p m 以及d p i m 的传信率将逐渐接近。 每 哿号比特数m 图2 9 单位传信率比较 2 4 3 所需带宽比较 假设发射机固定以r 。b i f f s 的传信率发送信号，则o o k 所需要的带宽与其脉 冲宽度成反比：b d d k = = r 6 ，p p m 对带宽的需求是其时隙间隔的倒数： = ；= 南= 等 陆2 却 同样的，d p p m 对带宽的需求也是其时隙间隔的倒数： 召一= ；= 面志丽= 掣 同理， ：生等堡( 2 - 2 6 ) b 科m = 砸r b 2 m 北彩博q = 胁茄南， ( 2 2 7 ) 这里，取m p p m 最简单的形式k = 2 ，即为 ( ，2 ) m p p m 。 各种调制方式相对于m 的带宽需求如图2 1 0 所示。从图2 1 0 可以看出m p p m 和d p i m 所需带宽相差不多，但都比p p m 小，o o k 所需带宽最小。 18 基于p p m 和r s 码的无线光通信系统性能分析 在m p p m 中，每信息帧传送1 。g ：( b i t 信息，p p m 传输1 0 9 ：b i t ，有此 可以看出，在相同传输速率的情况下，m p p m 缩减了带宽。 懈 季 皿 十o o k l l ；：l 卜d p i m 7 e 卜m p p m ，。 ， 痧 “7 l d ，一： ，y z 详 澎壶利形 ；7 、 t f 图2 1 0 所需带宽比较 假设m p p m 信息帧中的光脉冲数k 为2 ，m p p m 信息帧的长度是p p m 的两 倍，如图2 1 1 ，在上述条件下，二者的时间长度一样，p p m 的信息帧被分为2 个时隙，m p p m 被分为n 个时隙，在时间t 内，传输的信息量为i 。每信息帧中 p p m 的脉冲位置有2 种，在两个信息帧中传输的信息为： i v v m = 1 0 9 ：( 2 ) 2 ( 2 2 8 ) = 1 0 9 ：( ) ( 2 - 2 9 ) 假设j 一与j 脚聊相等，因为相同的时间内都传输两个光脉冲，所以传输效率 一样，即厶蹦= 九删，由式( 2 2 8 ) ，( 2 - 2 9 ) 口- f i 得： ( 2 ) 2 = n ( n 一1 ) 2 ( 2 - 3 0 ) p p m m p p m 12 弋 n 图2 1 1p p m 与m p p m 的帧结构 第二章p p m 的调制原理和性能分析 1 9 通常1 ，因此互= n ，和n 为相同时间内p p m 和m p p m 中的时隙 数，在相同传输效率的情况下，m p p m 需要的时隙数为p p m 的1 互，因此光脉 冲的宽度扩展了互倍，带宽缩减到1 虿。通过增加每信息帧包含的光脉冲的数量 k ，来降低对带宽的需要，通常，n 瑚【，= i ! _ ) r ，带宽缩减率用口表示， 口= ，口与k 的关系如图2 1 2 所示。 图2 1 2 带宽缩减率随k 的变化 2 4 4 发射端所需平均功率比较 由于这些调制方式都是只发射“0 ”，“1 ”脉冲，这使分析其对发射功率的 需求变得较为简单。对于o o k ( 不归零码) ，假设为发送光脉冲“1 时的功率， 在“0 ”和“1 ”出现概率相同的情况下，有 岛似= 去p ， ( 2 3 1 ) ：丢( 2 - 3 2 ) 而对于d p p m ，虽然每一个符号也都只有一个“1 ”脉冲，但是各个符号的时 隙数不同，最小的长度为1 个时隙，平均符号长度为： ，m + l 厶删= ( 2 - 3 3 ) 则d p p m 所需要的平均功率： 巳糊= 去 ( 2 - 3 4 ) 同理： 昂删= 2 p , ( 2 ”+ 3 ) ( 2 - 3 5 ) 厶= 寿e ( 2 - 3 6 ) 2 0 基于p p m 和r s 码的无线光通信系统性能分析 每种调制方式相对于m 的平均发射功率比较如图2 1 3 所示，这里将o o k 的 发射功率乞甜归一化。从图2 1 3 中可以看出，与o o k 调制方式相比，p p m 、d p p m 、 d p i m 和m p p m 这四种调制方式所需的发射功率较低。其中p p m 的所需的发射功 最低。d p p m 调制和d p i m 调制所需的发射光功率相差不大。 图2 1 3 发射端平均功率比较 2 4 5 误时隙率比较 文献u s 给出了采用强度调制直接检测( i m d d ) 的无线光通信系统的等价基 带信道模型，为了计算方便，假定只有高斯白噪声( a w g n ) 存在，且噪声刀( f ) 的 均值为0 ，方差为o r 2 。同时认为接收机的带宽很宽，则抽样判决器输入端得到的 波形x q ) 为： 础，- 缓棚o 雪麓焉善 弘3 乃 式中，s 为判决器输入端的信号峰值功翠。看令判决门限为b ， 为“0 的概率只门及将“0