（通信与信息系统专业论文）激光通信系统直接调制发射单元研究.pdf

摘簧 空间光通信以其商带宽、高码宰、高保密饿及抗干扰等优点成为光通信发展的新 方向，翻前已成为各豳研究工作的热点。信号光发射部分是光通信系统中不可或缺的， 宅壹接撰受羞售号必瓣产生、调魏秘发筹疆及波长翡稳定等系强饪务，程整今毙逶 信系统中起重要作用。 本论文题目来源- y “8 6 3 ”项目。主要内容熙激光通信直接调制发射单冗的研究。 本课题对激光器直接调制豹关键技术进行7 分橱，对激光嚣纛接调剡豹技术原理以及 调割晌疲进行了阐述，设计出铯达到糖关技来撬称要求的激光驱动龟路窝壤流源电路。 同时，对信号调制方式进行分析和比较，确定了本论文采用l - p p m 调制方式，分析了 其工作原理并设计了l - p p m 调制电路。最终完成激光通信直接调制发射单褥的研究与 设嚣，达到了系统熬竣谤摇蠢。 关键词；童接调制调制响应驱动电路i - p p l m 调制 a b s t r a c t f r e es p a c eo p l c a ic o m m u n i c a t i o nb e c o m e san e wd i r e c t i o no f o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n b e c a u s eo fi t s a d v a n t a g e s 鹤b r o a db a n d w i d t h , h i g hb i tr a t 岛, h i g hs e c u r i t ya n dg o o d p e r f o r m a n c eo i la n t - j a m m i n g t h et r a n s m i t t i n gm o d u l eo fs i g n a lo p t i c a li n c l u d i n gs u c ha s o p t i c a lg e n e r a t i n g , m o d u l a t i n g , e m i t t i n ga n dk e e p i n go p t i c a lw a v es t a b i l i z a t i o n , i sv e r y i m p o r t a n ti no p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 翻摊p a p e rs u b j e c tc o m e sf r o mt h e “8 6 3 ”p r o j e c t 霸始m a i nc o n t e n ti st h er e s e a r c ho f d i r e c tm o d u l a t i o nt r a n s m i t t i n gu n i ti nt h el a s e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h ep a p e ra n a l y z e s t h ek e yt e c h n o l o g yo f t h el a s e rd i r e c tm o d u l a t i o na n de x p a t i a t e st h ed i r e c tm o d u l a t i o nt h e o r y a n dm o d u l a t i o nr e s p o n s ei nt h em o d u l a t i o np r o c e s s id e s i g nt h el a s e rd r i v i n gc i r c u i ta n d c o n s t a n tc u r r e n ts o l l r c ec i r c u i ta c c o r d i n gw i t ht e c h n o l o g yt a r g e t a ts a m et i m e ，t h ep a p e r a n a l y z e ss o m em o d u l a t i o np r i n c i p ! 黜o ff l e e - s p a c eo p t i c 柚c o m m u n i c a t i o ns y s t e m , a n dm a d e ap e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n b a s eo nt h e s e ，t h et h e s i sc h o o s e sb 抑mm o d u l a t i o n , a n d d e s i g n st h ec i r c u i lt h ep a p e ra c c o m p l i s h e st h ed e s i g no ft h ed i r e c tm o d u l a t i o nt r a n s m i t t i n g u n i ta n da c h i e v e st h es t a t e dt e c h n o l o g yt a r g e t k e yw o r d s ：d i r e c tm o d u l a t i o nm o d u l a t i o nr e s p o n s e d r i v i n gc i r c u i t l - p p m m o d u i a t i o n 长春理工大学硕士学位论文原刨性声瞬 本人郑重声明：墩呈交的颂士学绽论文，激光邋信系统童接调铡发射单元 研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中 已经淀甥弓| 矮豹痣容终，本论文苓包含任舞其魏令人袭集体已缀发表或撰写过豹 作品成果。对本文的研究做出灌要贡献的个人和集体，均己在义中以明确方式标 孵。零久完全意识到奉声明鹣法律结泶蜜本入承整。 作者签名：套壹篁釜垒器三月堕霹 长春灌工文学学佼论文驻校使用授权豢 奉学位论文作者及指导教师完全了解“长誊瑾工大学硕士、博士学位论文敝 权使用规定”，同意长骞理工火学保斟井向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电予版，允许论文被蠢阅和储阅。本人授权长春理工犬学可毗将本学位 论文懿全部或爨分内褰编入鸯关数据黪进挥捡索，也w 采用影印、缨印或扫攒等 复制平段保存和汇编学位论文。 终者签名：益垒! 釜垒墨年墨月三 攒鲁导舔签名牟鼢 哮畦胄抑 1 i 引言 第一章绪论 丈气激巍遽售技寒粼无线毙逶售技术愚主蕴年来出瑷戆一静凝兴技零，其原理是载 波光信号通过大气作为传输信道党成点到点或点到多点的信息传输。该技术采用半睁 体激光器为光源，所构成的通信系统为无线数字通信系统，主嚣用于固定点使用，也 爵溺作应急稔遴，其潜在豹应用领域是在数獾网，毫话阙、强蟓秘及徽徽蜂窝鼹豹入 网戚急设备及不便铺设电缆及光缆的近距离场合。大气激光通倍设备具有无电磁干扰、 组瞬巍动灵嚣、安装维护方便、遴信可靠蚀麓、保密饿好、性缝份格比优等优点，霹 传输多种速率的数据、话音、图像。具有广黼的应用前景。随麓技术的不断完善和掰 器件的不断出现，大气激光通信技术已成为当今信息技术的一犬热门技术，其作用和 建骰邑戆移必终逮薅、微波逶售耱提莠论，楚穆筑泰寒整雾葱溺逶羡羁登苓蕞少戆一 种技术。本文燕要论述犬气激光j 激信的基本原理、关键技术及其发展现状和应用领域。 空间激光通信是指用激光束作为信息载体进行空间，包括火气空间、低轨道、中 辘邋、同步筑遥、星际黼、太空闽豹透信。 激光空间通信与微波空间通信相比，波长比微波波长明显斑，具有瀚度的相干性 和交闻定囱撼，这决定了空霹激光逶莹具蠢逶绩容量丈、重量较、功耗鞠体积小、保 密饿离、建造和维护经赞低等优点“，。 l 、大通信容量：激光的频率比微波高3 4 个数懋级，作为通信的载波有更大的利 翅鬏鬻。竞绎逶售技术鬻戮移檀劐空秘逶镶中寒，嚣耱走绎逶德每素波窳毙波憨数攥 率可达2 0 g b s 以上，并且可采用波分复用技术使通信容量上升几十倍。烈此在通信容 量上，光通傧比微波通信有巨大的优势。 2 、低功耗：激光静发散角很，j 、，能量离度集孛，落在接l | l 梳望远镜必线上的功率 密度高，发射机的发射功率可大大降低，功耗相对较低。这对_ 陂于能源成本高昂的空 翔趱售来说，楚卡分逶羽豹。 3 、体积小、重量辍：由于空f 町激光通信的能量利用率高，使得发射机及其侯电系 统的重量减辍；由于激光的波长短，在同样的发散角和接收视场角要求下，发射和接 l | 芟蘩远镜静嗣径罄可戮疆夺。摆耱了徽渡系统匿丈静臻形天线，羹量减辍，俸鬏藏夺。 4 、高度的保密性；激光具有高度的定向性，发射波束纤细，激光的发散角通常在 毫弧度，这馒激光通信嶷有高度的保密性，霹有效地提赢抗干扰、跨窃孵豹能力。 5 、激光空闯通信其有较低的建造经费和维护经费。 空间激光通信的技术难点有： 空闲鼓零瓣发曩鼹建立全球穆惠社会瓣鬟要，捺漤羞空阋畿逶羡技拳戆逶步。空 l 闻光通信避开了火气光信道不稳定能的影响，需要解决的关键问题是相对运动光学收、 发天线之间的瞒猴、接收和跟踪问磁镎。 1 、空间激光通信链路的快速、精确的捕获、跟踪和瞄准r p ) 技术，是保证空问 远距离光通信的核心技术。 ( 1 ) 耩获( 穰鞭踩) 系统：激竞痿豁发射懿蹩素擐窄，凌稳踅援远豹秀受鬟乏秘，登 须保证信标的发射波束覆盖接l | 芟枫鹣接收天线，接收鞴熊够捕捉跟踪发射貔灞的窄光 束。由于姿态j l 鑫测控制系统误差、参照系计算误差、卫艇的腾空浮动和振动以及其它 系统误差的存在，在收发双方互相对准之后总有一个不确定角。空间捕获网标的范围 在士1 0 士2 0 0 或更犬，通常采用c c d 来实现。 秀了缓解对察麓隧建、捧获和鼹黥系统黄剩豹要求，潮辩翔抉遥售链憨建纛速疫， 接收祝静筏场角一定要宽，失足令糕程度，灵敏疫为一1 1 0 d b w ，罪踪精度为强十个毫 弧度，可这样接收的背景辐射功率就会迅速上升，掩埋藏中的信标信号。解决这一问 题的关键在于按收机中使用超窄带宽、高透射率的光学滤波器。 ( 2 ) 跟踪、瞄准( 精跟踪) 系统：累统完成目标捕获后，对目标进行瞄准和寅时跟踪。 逶常采用疆象限级岁 探测器q d 或q - a p d 高灵敏度往置传感器来实现，劳懿以捆应豹 毫子学餐疆控潮系统，稽罪踩要求援场角秀蔻蓉镞弧度，焱踪灵敏度轰- 9 0 d b w ，跟踪 精度为几微弧度。 2 、发射机激光器的超高速率调制技术 目前各国空阃激光通信实验的粥率都在i g b s 以上，而且不断提高，为了增大通 信容量，在一些方索中采用同一波长豹两路旋向相反的蹶偏振光同时传送，从两使通 信銮量燕蘩。在麓糍速调裁熬阅瓣又簧产生是够豹功率爰l 乎广援瓣空阂距亵健簸，嚣 此除研究大功率弗等体激光器以外，黼外还在研究采用激光= 极管阵列静方豢。 3 、高灵敏殿抗干扰的接收机技术 卫星之间的躐离可长达4 0 0 0 0 k m ，而激光波束的强度怒按距离的平方递减，也就是 说衰减可能达到- 1 5 2 d b 。接收机要莉翘高的灵敏度才行，否则背景辐射等噪声会使误 玛搴运嚣不霹羧浚瓣程痉。嚣蘩除撬囊羧溅器本隽灵敏发终。还在搽讨强蓑羧l | 芟、篝 错编码等途径。 4 、精密、可靠、高增益的收发必线技术 为完成系统的双向互逆跟踪，光通信系统采用收发龠天线，隔离度近1 0 0 的精 密光机组件( 又称万向支架) 。由于举爵体激光器光束质焘般较差，要求天线增益要 蔫，另矮，荛逶缴窆翅系统，天线氛捺圭剽镜，会索，分窳滤巍冀等光学嚣傍憨髂结 梅紧凑、轻巧、稳定可靠。国际上糯静系统静天线口径一般为足蓬米至2 5 爨米。 5 、卫星与她蕊之间的传输 空间数据通信网最终还是要与地筒连接，若卫星与地面之间不能采用激光通信和 卫星之间的高码翠匹配，卫星一一地酾链路将成为全球通信中的制约环节。农大气传输 中澈竞会受到教瓣、折射、背景辐射等多静困素豹影响，除衰减大大增强之羚，浚裁 2 畸变、强度抖动、多襁、云层遮断椁现象均可发耋e ，这些不制因素使通信躐离急剧下 降，使兜售号受虽俨熬懿于扰，甚楚脱靶。翔 鼍缳证随枫信邋条传下系统戴鬻工终是 十分重蘩的。 目前除选择气候龠适的地区之外，还采用光波与毫米波缀成联合通信网络，经数 据处理与压缩后用微波与地面通信，光波与毫米波信息闻的交换是链路的关键问题之 一 6 、黼络控制技术 空间激光通信的协议和控制包括从低层的调制激光束的编鹤和同步、失效链路检 测、设谤会适豹数据链鼹按议以及剃襄层敦链鼹建立、痿感的包传送、拥寨防护、全 球兼容等各种问题。 1 2 阑内外研究现状伪 从：十世纪七十年代到现在，荚因、欧洲、冈本和俄罗新等国进行7 长途2 0 多年 的空间光通信研究工作，直到最近几年才逐步走向成熟。 美国是最早进行艨骣光通信研究的国家。从8 0 年代中期到1 9 9 4 年间，夔国空军支 簧麻省壤工学院秫篱实验室建起了毫速黧鬻激光逶傣实验装萋毛舵( k 瓣 i n t e r s a t e l l i t et r a n s m i s s i o ne x p e r i m e n t ) 。该实验采用了3 0 r o w 半导体激光器，8 英寸口 径的望邋系统，数据率为2 2 0 m b s ，模拟星际间通信距离达4 刀公里。另外幽弹道导弹 薮獭缝织慧空翅和导辩貉鬻司令部多冬闲瓷动静s t r v 2 星建激光遁售诗翅戆掰个建瑟实 验终端融加工装配成功。计翊在低轨道卫星每阎定地面站闻建立光链鼹，斜距达 2 0 0 0 k m ，数据率达l g b s t 4 j 。 欧洲方蕊，欧洲空阕局为连接低孰道星与同步轨道星，进行了轨道间激光邋信实验， 已经澍逸努两个圣星终端设备。一令名为p a s t e l 终臻，已经辫载在法国戆琢溪测翌星 s p o t 4 ( 1 9 9 8 年3 月2 2 日发射成功) 上，是第一个在轨光学终端；另一个名为o p a l e 终端，搭簸在欧洲先进数据中继技术卫星a r t e m i s 上( 2 0 0 0 年第一季度发射) 。o p a l e 终黎采翅豹波长为8 0 0 - 8 5 0 n m ，邋穆必功率不怒过6 0 r o w ，镲椽撼获与链黪建立过程 中，信标光功率小予5 0 0 r o w t ”。 日本从8 0 年代中期就开始星间激光通信的研究工作，主骥有邮政省的j 鼹信研究实 验室( c r d 、高级长途通信研究所( a 1 限) 豹光学及无线电研究室进行此方灏的研究工 箨。a t r 主要对竞紊控翻、调翻等关键技术送弦耩究饔论涯，舞建立了一餐自蠹空簿 模拟装髯进行地面模拟实验。c r l 象要进行地面站与工程实骏卫星e t s v i 之间的激光 通信实黢，以试验星阃链路要求的几种基本功能，如高精度跟踪、双向链路光通信、 毫精度舞澎瓣量等，势予1 9 9 5 年7 旁成功缝送移了e t s v i 与戆嚣站闼鹣必逶薅实验， 这是世界上首次成功谶行的星地问激光通信实骏，该实验的成功证明了基地闻激光链 路的可行性。 我国对激光宽带通信技术的研究开展的相对比较晚，但国内仍有单位和人员始终 在峰持不懈、孜孜探求解决激光大气通信技术问题之路。激光大气通信技术由于器件 技术、系统技术和大气信道光传输本身的不稳定性等诸多客观因素一时得不到很好的 解决和弥补，而使光通信几乎成为光纤通信的同义词，因此该课题的设计制造技术和 研究工作正是我国的当务之急。 随着通信需求和设备技术的进步，在卫星链路中，空间光通信系统已开始进入实 用化研究阶段。从文献报道可以看到近年来几个发展趋势和特点0 1 ： 空间激光通信技术的可行性问题已经解决，虽然至今尚未真j 下实现星际间正式通 信，但是原先顾虑的发射功率小、接收灵敏度低、捕获、瞄准要求高、热和机械稳定 性要求高等关键技术近几年已取得明显进展。相信不久的将来，激光通信将取代微波 通信成为星际间通信的主要手段。 空间激光通信已开始向民用方向发展，它的商业应用价值已被看好，有人甚至提 出，激光通信在性能价格比上可以同海底光缆通信开展竞争。 空i 、日j 激光通信系统原来多采用8 0 0 h m 波段光源，这是由于此波段的激光器、接收 器体积小、重量轻、效率高，比较成熟、有成品，同时该波段的窄线宽滤波器( 胃以外接温度掇剃电路，扶露更有效魏控制 激毙器管遂，蓬滠爱瓣输窭竞懿影鹣减冬萋| 最低。 s d l 5 4 2 2 毕鼯体激光器主要性能参数如下所示： 中心波长；8 3 0 3 n m ；输出功率：1 5 0 m w ； 阈值电流：3 5 m a ( 典型值) ，4 5 m a ( 最大值) 。 下覆从功率、猴誊特性和调制能力兰个方面来分别论述s d k 5 4 2 2 激光器成媚子 熬令课题懿可行我。 ( 1 ) 功率大小 深空中信号光损耗主要来源于几何损耗，信号光的光功率是否达到系统骚求。主 矮看到达接收端的光功率是否大于接收系统的接收灵敏度 设激光器的输出功率为p o ，到达接收端光功率为p r ，则深空激光通信系统链路 方程秀： o = 蠕珊辄嗑) 2 ( 2 1 ) 式中珊为发射天线效率，为接收天线效率，4 为按收夭线口径，口为发射光束 散角，l 为传输距离。在本课题中，s d l - 5 4 2 2 激光器工作l 寸输如光功率昂一= 1 5 0 r o w ， 磊= 5 0 r o w ，三= 2 0 0 0 k r a ，静= 氇7 ，兹一0 6 ，= 1 0 a n 。嫠号毙经疆壹嚣豹发教碧 秽= 5 0 a - a dt 受l j 剽达接收端的光功率为： p , m = 1 5 0 x l o - 3x o 7 x 0 6 x 而亲笔皂丽) 2 = 6 3 1 0 4 ( ) = 6 3 一矿 9 只5 0 1 0 屯0 7 xu06。喷溺)k21104)21nw2 5 0 x l o 呻x 1 0 4 我们选藤豹接收系统静接收茨敏度为；- 3 7 d b m = 1 9 。9 6 栉形c 传输遮率3 0 0 m b p s ， 误码率b e r = l o ，到达接收端的最小光功率犬于接收系统的接收灵敏腱，满足通信 系统链路功率要求。因此s d l 5 4 2 2 满足系统功率要求。 臻) 残源兹准壹黪经 圈2 1 为简单的半导体激光嚣简图。其发光区为d x w ，对于输出功帛在零点几至 几毫悦的激光器，d 为o 1 0 2 i xm ，w 为5 1 5i im 。对于输出功率在几百毫瓦至几 瓦的较大功率的激光器，d 为1 2l lm ，w 为一至几百微米。 s d 0 5 4 2 2 秀激残器缰俘，蠢毙尺寸秀：囊蠢结平嚣骞翔薹| - 1 簦m ，擎行结平覆方 向w 一3i im ，由于其激活区均为狭长的矩形，其长宽的差异导致了输出激光发射角的 各向异憔。这种各向异性是由于灏直p n 结的激活区厚度狭窄，衍射作用较强，而平行 予p n 绥方自兹徽嚣簇寿较大麴竟覆，相应豹袋瓣终弱较弱鑫冬缘教。 历，簖 ? 1 7 图2 1 半导体激光嚣续构简图圈2 2 激光器的发射角 由予激活区是一个狭长的区域，可l ；l 用单缝衍射公式来计算光束发散角 p 。a r c s i n ( - - a )( 2 2 ) a 式皆戈为毙渡波长，a 蔻狭缝宽瘦。黠予统，a = d ，蹲- t - 免，a = w 。 圈2 2 为半导体激光器输出发射角的示意圈。对于不同的激光器，其发射角的区别 很大，疗。通常在几剿几十度之间，口。常为十几剿几十度之间。口。：口。的麓别也很大， 可戳达到6 ：l ，这绘发爰| 角豹燕续造成了嚣感。 发散角过大不稠予保证长鼯离空闻光通信传输的通信质燕。因茈，激光通信一般 要求对就出射光束进行准直和整形，准直的目的是压缩光柬的发射宽度，由于准直系 统主要对近轴区校藏像差，弧矢方向光束发散角较小，因此皴形的目的怒把子午方向 竞紊舔缭成与孤矢努两宠紊熬大小样，骧达翔近经手霾纛溅匏遗瓣宠秉。 s d l - 5 4 2 2 激光器的远场能魑分布如图2 3 所示，熊中半高全宽光束发散角 l 。 吼2 3 0 。，巳2 9 。，萁以：巳= 3 3 ，比值不是很大，经光学系统压缩准赢后的光束形 狡为嚣彤，发射角霹逡拶= l r a r a d ，经过鑫聚透辘嚣，瀵是整令意透售系绞妻孽要求。 霜 oo 8 勰 日i i 汹 ) 鎏2 。3s d l - 5 4 2 2 激光嚣滋场憩量分毒 ( 3 ) 调制能力 s d l - 5 4 2 2 激光器采用内调制技术，其最高调制速率可达1 g h z ，完全满足系统指 标3 0 0 m b p s 懿码逮搴簧求。荚诱裁p l 夔线麴强2 a 溪示。毅分辑说朔，s d l - 5 4 2 2 激光器符合整个信号光发射电路对光源的设计要求。 豳2 。4s d l - 5 4 2 2 激光器卜l 特性曲线 (古b邑*甚墨悄l。bpu 第翌耄调制方式分析 前衙几章我们融经具体的介绍了有关激光器的直接调制的各个方面的问题，除此 之外遥应考虑采用念适的编码调制方式，调制技术也是光通信的关键技术之一。卫星 竞逶傣巾砖谲割骞凌特殊我要求，崔选簿调翻秀式露鍪矮综会考虑宅魏凌率嚣霜率、 频带利用率以及信怠传输速率、抗干扰能力等方面的性能。酋先，卫星光通信中采用 电池供电而功率受限，这就要求所用调制方式的功率利用率商。其次，深空光信道是 泊松光予计数信道，存在着背景巍辐射、教弹噪声、熟噪声、攘测器量子限以及星体 振动等弓| 起的随梳馁错误和突发经错误，还霄黼速率传输弓l 超的码闻予魏。因藏，在 选择调制方式时要考虑它的抗干扰能力和误码特性。再次，在卫星光通储中。频带利 用率也是必须予以充分考虑的因豢，如果带宽刹用率太低，信息传输容嫩就会受到制 夔潮。 在直接调制激光通信系统中，其主要调制方式为开关镳控( o o k ) 和脉冲位置调 制( p p m ) ，和数字数字脉冲间隔调制( d p i m ) 。本文在分析o o k 、p p m , 取i d p i m 调制 结构的基础上，对这三种调制方妓豹整体性能进行了蕊真分辑比较，最聪确定本论文 采用的调制方式，势分辑其工佟舔理。 3 ，1 几种调制方式的性能分析比较叫1 3 。l 。1 平均发射功率 对于o o k ( 不归零码) ，假设片为发送光脉冲。l ”时的功率，在0 和1 出现概率 相同的情况下，其乎均发射功率岛错- - 4 1 2 ，i t l - p p m 的警均功率为= 4 2 ， 同理，榭= 2 露( + 3 ) ，各种调制方式襁对于m ( 每个符号所包含鲍院特数) 靛 归一化平均发射功率如图3 1 所承。 出嗣3 。1 可知，m 一定时，羚m 、d p i m 的功率剩用率鄢比o o k 的蕊，髓着m 的 增大，趋势更加嚼驻。其中p p m 豹功率利用率簸高。 尊 萎 l 图3 1 归一化平均发射功率 3 。1 。2 帮宽需求 令o o k 的码元速率为焉= 1 瓦t 则其带宽为恁。在相同的时间内传送相同的信息， l - p p m 信号的带宽为缉。- - 2 r u ，于是有缉州死。= 2 u 胁。d p i m 符号的平均 葬重骧数为； 二；击宝( 1 + 七) ；( + 3 ) 2 ( 3 1 ) 假设“1 ”j 秘“0 ”等概率出现，嗣理我们霹以褥到d p i m 乎o o k 豹带爨之圪： 望遗：2 u + 3 ( 3 2 ) b x 2 m 各种调卷口方式相对m 的归一化媸宽如图3 2 所示由图可知，p p m 的带宽效率最 缳。 罄 v 椒 辩 螺 蜒 城比特，努号 掰3 2 带宽效率 3 1 2 误时隙翠 文献圆绘出t 袋麓强疫调裁壤接检测( i m d d ) 豹无线毙逶羡系统戆等玲基豢露 道模型，为了讨论的方便，假定必有加性高新囱噪声( a g w n ) 存在，黩噪声疗( f ) 的 均值为0 ，方差为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工( f ) 在发送赫渖“i ”孵必蔼+ 箨9 ) ，苓发送球；串瓣兔摊9 ，茭孛蕊为判决嚣瓣竣入璇熬 信号峰值功率a 若令判决门限为b 受q 将。i ”错误判断为“0 ”的概率晶。j 和将“0 ”错 误判断为“1 ”的概率墨。分别为： 耻l 影) l 阿陟西y 厨】 ( 3 3 ) 旦1 0 - - - - ( i 2 ) 1 可 6 厨 ( 3 4 ) 其巾； 形( x ) 。忑2 r e x p ( 吲2 净= l 一咖( x ) ( 3 5 ) 则总的误时隙率为： 艺= 霉菇串焉磊 秘。毋 其中，五和昂分另i j 为发送“1 ”和。o ”的概率，且墨+ 露= 1 假设调制信息源中 “l ”和“0 ”的出现概率相等，则在o o k 中e * 晶= 1 2 ，显然判决门限为6 = 尸2 2 ， 羹| l 毒： 圪，。= 互i p ”, 互i p 矿, 兰( 厕珊) ( 3 7 ) 网瑷可褥p p m 、d p i m 的误拜寸默率分别为。 也删：! ：! 陛二竖! 垦丑：竺二! 巫二! 丝垦王塑 。8)2m+l ：型堂避辈掣燃 在i - 述两个式予的两边对b 求导得到的导豳数等于零，则得最佳门s t y ： b = 2 t r n 2 1 n ( 卅墨 2 再 冀孛，对于p p m ，= 2 辩一i x , j 于d p i m ，l = ( 2 u + 1 ) 2 ( 3 。镑 ( 3 。1 0 ) 据。1 1 ) ( 3 1 2 ) 农最佳门限下l 捌，各调制方式耀对于信嗓比的误时隙率姻线如图3 3 所示，其中 信噪魄定义秀s 2 2 。由囤3 3 霹霓，鼹一种调制方式，谩孵豫率蘧穰骥琵豹缮栩程 减小，信噪比一定时，误时隙率随m 的增大而减小( o o k 不变除外) ，m 定时。p p m 1 4 的误时隙率最小，o o k 的误时隙率最大，而且随着m 的增加p p m 和d p i m 的误时隙 率将趋向一致。 图3 3 信噪比的误时隙率曲线( a ) m 习；c o ) m ；4 i ( c ) m - - 5 ：( d ) m = 6 3 1 3 功率利用率 d p i m 的符号长度不固定，任何一个时隙的错误都会对相邻时隙的判决产生影响。 因此图3 4 的结果是在以一定的p e r ( p a c k e te r r o rr a t e ) 情况下发送i b i t 长度包的结 果，并假设在高信噪比的理想加性白高斯信道中，而且没有考虑码间干扰的影响，图 3 4 是各种调制方式相对于o o k 的归一化功率。纵坐标表示的是归一化传送功率。可 以得到当输入为fb i t 、调制输出nb i t 的情况下各种调制方式的p e r 表达式。 * q ( 匙r o ) ( 3 1 3 ) * 心l 鹧( i o g ：4 r b n o ) v 2i 硬判决( 3 1 4 ) 昂。* ，q i 兄只( 工l o g ；2 r ) 们l 软判决( 3 1 5 ) 。* ，q f 足只( 三+ 3 ) 2l o g ；s ( l + 1 ) r o r 硬判决 ( 3 1 6 ) 其中，只为平均光功率，r 为光检测器的灵敏度，0 为白高斯噪声的双边功率谱密度 o o k 淤暴 一 燃硬判决 、 24 8 图3 4 各种调制肖式相当于0 0 9 的归一化功率 在我搬掰讨谂豹锺秘调潮方式巾。渡o o k 为参照，分耩tp p m 、d p i m 溺裁方式 豹符号结祷、平均发射功率、带宽散攀及对醵率等佳戆，避过分析院较爵翔，仪墩方 式简单，需要带宽小，但平均发射功率高，而且误时隙鬻犬，p p m 方式比较简单，平 均发射功率和误时隙率都小，但是带宽效率差，d p i m 方戏比较复杂、平均发射功率和 误时隙率都略高于p p m ，但其带宽效率高于p p m 。各种调制方式各有优势，也存在不 足。o o k 调翻玄孵镤码率大，抗予扰熬力差，传输效率墩穴羝。在背景光魄鞍强对， 或者迸行高速率避信薅无法潢是传输豹簧求，逶信往往笼法正常送行。夔黄激悫发瓣 器件的技术进步，为p p m 调制方式提供了器件技术基础。p p m 调制方式有着优良的功 率特性与误码特饿，但是它的节省功率是以牺牲带宽为代价的，因此它需蒙的带宽是 最大的。在目前的犬气激光通信系统中，我们最希望达剿的目标是，在保诞一定数据 魄特速率和一定麴误码率静翦提下，缮可麓地降低功率损耗，并能够考虑到激光器发 嚣激竞懿特毪，滚及在实舔系统孛实臻豹可行毪。综会这麓因素，p p m 溪潮努式是最 适合目前空间激光通信系统的调制方溅。在下面的章节中，我们将详细说粥p p m 调制 方式。 3 。2l - p p m 调制技术分析翻1 秀7 迸一步掇嵩传输透道抗予扰麓力，空闯激光运傣系统雩l 入了一种掰髓调隶方 式即脉冲位置调制( p u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ，p p m ) 。p p m 最早是由p i e r c ej r 提出 并应用于空间通倍，简单来说，它悬种使激光器发射的激光脉冲序列中的缚一个光 脉冲，从标称位徽上按照与信息信号的采样值成线性关系移动的调制方式，悬一种正 4 2 o 心叫 “ 喵 啪 交的调制方式，在激光通信中，采用这种调制方式可以在给定的激光脉冲重复频率下， 用最小的光平均功率达到最高的数据传输率，理论上可达1 0 0 0 加扫当然p p m 也存 在一定的缺点，比如提高抗干扰能力的同时，付出的代价是增加了对带宽的需求。 p p m 调制采用断续的周期性光脉冲作为载波，信源的二进制信息控制脉冲的位置。 脉冲位置调制主要有三种形式：单脉冲位置调制( l - p p m ) 、多脉冲位置调制( m p p m ) 、 差分脉冲位置调制( l d p p m ) 。 与0 0 k 调制方式和d p i m 调制方式相比，l p p m 、d p p m 、m p p m 这三种p p m 调制方式，具有更高的传信率和更高的光功率利用率，而且m - p p m 比l - p p m 和 l d p p m 所需的带宽更小，l - d p p m 占用的信道带宽比 p m 小，但是m p p m 和 l d p p m 实现起来都比l - p p m 复杂的多，且解调也比较困难，本课题选择了l - p p m 作 为空间激光通信的调制实现方式。 3 2 1 l - p p m 基本原理1 2 s l 单脉冲位置调f 1 t i ( l - p p m ) 是将一个二进制的n 位数据组映射为由2 n 个时隙组成的 时问段上的某一个时隙处的单个脉冲信号，每一时隙称为切谱( c h i p ) 。可见，一个l 位 的p p m 调制信号传送的信息比特为l o 醴。如果将n 位数据组写成m = ( 砚，鸭，) ， 而将时隙位置记为，则单脉冲p p m 调制的映射编码关系可以写成： o ：，= ，喁+ 2 刀旺+ + 2 肛1 j ， 0 , 1 ，。j l l ( 3 1 7 ) 例如对一个4 一p p m 调制的无线激光通信系统，若m ；( o ，o ) ，则，；o ：若m 气l ，o ) ， 则1 = 1 ；若m = ( o ，1 ) ，则，= 2 ：若m = ( 1 ，1 ) ，则l = 3 t0 、l 、2 、3 分别对应时隙位置如图 3 5 所示。 图3 5l - p 蹦脉冲位置调制示意图 o 可以看出，( 3 1 7 ) 式决定的映射中是一一映射，满足调制唯一性的要求。 对于一个码元速率为r = 1 瓦的数字基带信号，它对理想低通信道带宽的要求是 b = r 2 。假设o o k 信号的码元速率为心= l ，瓦，l - p p m 信号的码元速率为 r b = l t i b ，在要求传信率相同的情况下。r 7 工= 瓦i o g ；，所以纠= l o g ；肛。一般， 三= 2 ”，玎为整数。可见，l - p p m 调制对带宽的要求比o o k 要大。但是，对于一个应 用l - p p m 调制的光通信系统，它的平均光发送功率为v , l ，只是码元为l 时的发送光 1 7 功率i i 霾应用o o k 调翻静光系统( 不归零码) ，在1 和0 出现概率襁弼豹情况下，平均 光发送功率为日2 。分析表明，l - p p m 的功率及频带利用率两者之间的折中率较好。 比较不同调制方式的一个参数是单位传储率，即每秒每赫兹传输比特数7 ，= 簧( 船s 一h z 。) ( 3 - 1 8 ) 蒺审，r ( b i t f h z 。) ，b 怒信号带宽王玉) 。簌光逶绩孛，激光器邋 常工作于脉冲状态，脉冲持续时间为f ，相成的信号带宽近似为： 嚣( 胁) = 圭( s ) ( 3 1 9 ) 对予占空鞋：为以懿o o k 调制码元，剥窀嬲单位传信率先： = ( x r ) l o l o = t , ( 3 。2 0 ) 对于单脉冲p p m 调制，若时隙数为工= 2 8 ，占空比同样为以，则2 ”个时隙的宽度 为= 2 4 因此，相应的单位传信率为： = 毒肥) = 等 缓z t ， 从( 3 2 0 ) 式和( 3 2 1 ) 式w 以看出，在相同传信率时，单脉冲p p m 调制要求传输码翠 比o o k 调制高，相应的带宽也大。 3 2 2l - p p m 信号功率滋糍度( p s b ) 分糖 为了了解空瘸激光逶僚l - p p m 潺翻兹毽戆，我靛黯蘧撬豹垮攀豫洚垃爱疆潮波 形的功率谱进行了分析i 2 6 】。在实际的空间激光通信系统中，激光器发射的相邻光脉冲 之间肖一个最小的时间间隔，这是激光器重建一个“反转粒子柬”而产生的一个最小 迟延时间，我们将这一段时间称为保护时隙( ) 。根据式( 3 1 7 ) 知，l - p p m 编码将n b i t 信怠缡列三= r 令时骧中，撅上保护鞋踩构成一个l - p p m 蛟，i , - p p ml 咦结构如图3 6 瑟示。 t 一- ，r 一，一一 光脉饥 一l |函 j ，一r 、 一 信息时段 保护时黻 图3 6o p p m 傣母结构 l 寒 保护时隙= d r ( f 为一个时隙的时间长厦，d 为保护时隙个数) ，信息时段z = 血 则一帧的长度为乃= t o + = ( 工+ d ) f = m r 每帧中有一个位于第f o = o ，1 2 上一1 ) 个时隙的光脉冲，携带有n 比特的信息。在接收端经雪崩二极管探测器( a p d ) 做光电转 换后，会得到一串脉冲序列，在数学上这个l p p m 脉冲序列可以表示为： 善( ，) = j 口( ，一甩m f c - f 一巳) ( 3 2 2 ) 其中，p ( t ) 为p p m 脉冲函数，f 为时隙的长度，气是一个0 到m 的整数，代表 着p p m 随机脉冲的位置，它的集合服从独立同分布代表脉冲位置的随机抖动，这 是由接收机的随机噪声引起的，它的集合也服从独立同分布。从文献【2 7 1 中可知，接收 到的l - p p m 脉冲并不是一个平稳的随机过程，因此它的功率谱不能通过其自相关函数 的傅立叶变换获得。但是对任意的确定信号工( ，) ，它的功率谱密度可以表示为： s ( w ) = l i m 盥掣2 ( 3 2 3 ) 其中，k ( w ) 是x ( ，) 在时间 一t ，t 上的截断函数姊( ，) 的频谱函数，定义为： 4 ( 叻= l x ( ，p 删面 ( 3 2 4 ) 令t = n m r ，则得 鼍( w ) = 尸( w 一一。“ ( 3 2 5 ) 其中，p ( w ) 是脉冲波形函数p ( ，) 的傅立叶变换，则式( 3 2 3 ) 表示的功率谱密度 变为： s ( 川= l i m 掣2 ( 3 2 6 ) e i 局( w ) 1 2 = l p ( w 1 2 窆，e 刖“叫e “ e 一 矗一 = m 小州) + 愀产 冲” 1 2 荟咖卅j = p ( w ) | 2 ( 2 + 1 ) ( 1 _ l c ( w 扩m w 州c ( w 刑帅) fl 砉e 删”门 z z ， c ( w ) 和托( ，) 分别是和的特征函数，可以表示为： c ( w ) = e p 眺 2 击善e 肋 3 瑚 托( w ) 蔗 少 ( 3 2 9 ) 那么功率谱密魔- 7 以表示为： s f w ) ：题监 k ( t m 陬+ 两2 zr m 、 w ) | 2 轰即锄纠l ( 3 - s 。) 式( 3 3 0 ) 的第一部分与噪声有关，第二部分与离散的频牢分量有关，这贱频率分 量是由时隙时钟的蕊频和它的谐波分徽缀成。因此噪声的功率谱密度可以表示为： ( 谚= 掣2 f t p 蜡陋卅2 ； ( 3 s ，) 时隙时钟基频的总功率为： 只= 南m ( w 卿( w 1 2 ( 3 瑚) 对骧频率分爨溉不受概率分布豹影确，也不受调制灵敏度豹影嫡，对隙频率分蠢 必受辣 孛形袄约影貔，镁妇稼洚宽瘦麓辩豫长度相等耱话，糖蒙频率分量将零露在， 避就为我们建立时隙同步提供了理论蕊础。图3 ? 给出了脉冲( 方波) 在时隙中的占 空比与时隙频率分髓的关系。 o 1 0 30 , 50 7o g i 叫s c 幽l r a o nn 删m 叫i s 谢 t o m c i o t 餮3 7 歉 孛燮发与鼙| 藏菝辜努鬃熬荚豢 3 2 3 l - p p m 信号的传输效率 在一个通信系统中，信息的调制解调方式对通信性能贝有关键性的作用。禚保持 珂靠性的条件下，戆撵的调制方式应具卷离的传输速率( 雄位聪问传输的信息蹙) 和 蒜茹”嚣m嚣嚣蔗协 高的传输效率( 单位能量传输的信息量) ，高速率和高效率的要求可能会发生矛盾，在 一个实际系统中应根据实际需要偏重一个方面。在光无线通信领域中，在保证一定的 速率下，要求效率尽可能的高或者说传输功率尽可能小，光脉冲位置调制被认为是一 种合适的传信方式。l - p p m 采用断续的周期性光脉冲作为载波，载波受到调制信号的 控制，脉冲时间位置随之发生变化而传递信息。该传信方式的脉冲功率与平均功率之 比可以作得特别高，与通常的光强度开关键控调制( o o k ) 相比，l - p p m 可降低光辐 射平均功率的要求。小辐射功率对延长电源工作寿命特别重要，光l p p m 特别适合于 对潜通信和室内计算机红外无线通信要求低平均功率传输信息的场合，在无线局域网 标准草案i e e e 8 0 2 1 1 中，已规定承物理层采用p p m 2 9 1 l p p m 信号调制的数据传输速率r 为： r = l o g ；r = i o g i ( l + d ) f b i t s ( 3 3 3 ) l p p m 与o o k 调制方式的能量利用率之比为： s 。= l o g ； ( 3 3 4 ) 由表3 1 可见当保护时隙个数d 大于3 2 时，l - p p m 的功率利用率可以做得比o o k 的高。只要取l 大于1 6 ，l p p m 的能量利用率就可比o o k 的高，因此l - p p m 也称为 功率有效的调制。l p p m 特别适合于脉冲重复间隔有限制的通信系统或带宽比较丰富 而功率比较珍贵的通信环境。 表3 1p 蹦与0 0 k 功率利用率比较 d l o3 0 3 9 6 460 6 4 6 1 21 00 8 3 1 61 l0 8 6 5 3 21 71 0 2 2 6 42 81 2 0 2 2 5 67 81 5 7 1 10 2 42 3 2 1 96 4 5 10 2 42 5 62 3 2 4l - p p m 信号信道容量分析 自香农( s h a n n o n ) 在1 9 5 4 年提出香农公式以来，信息论越来越受到人们的重视，它 己经成为通信理论中重要而又基础的一个部分。在空间信道中的信息量大小是人们关 心的课题。本小节从香农公式入手，对l - p p m 理想信道容量进行详细的分析【3 0 】。 2 l 香农公式是概率论和通信理论结合而得到的。信道中输入符号工时，输出符号y 的 条箨壤搴袭示为形倒砖在薅遂孛炎骞曩善) 撬窭分毒豹蕊源簸窭搏麓黎入，售遂妻每 输出】，也依然是概率变缀，其分布嚣由耳( y ) = ( y i ，) 巴( 善) 给出。式中，f 是信道 输入字母。这时，值c 称为该信道傣道容量： e = m a x l ( x ；n ( 3 。3 5 ) 其中，z ( x ；r ) 是飘信息量，意睐着呦x ，( ；n 是关于输入x 可能所有的概率分 布i ( x ；y ) 的最大值。秣农从概率论褥出平均信息囊是发送端( 信源) 的平均不确定度 疗( x ) 与接收端接到消纛y 后信源不确定程度和爨发( 氇就是国乎信道干扰丽损失的信 息量) 月( 并j 】，) 之差。即 ，( x ；y ) = u ( x ) - n ( h l y ) ( 3 3 6 ) 香农辩信道研究葳发现，信道巾的噪声主要怒嵩新自噪声，也就是说燕功率谱密 度函数为高斯分布的白噪声。高斯倍道就是含有离斯白噪声的倍道。由高斯信道可推 导出香农公式： e 一君氇( 1 + $ ) = 嚣l 珏l + s ( 蠕雪羚 ( 3 3 7 其中，心是每单位频率的信噪比，曰是带宽，剐为信噪比。由香农公式显示出， 信息量c 嗣带宽及信噪比剐都有关系。当带宽嚣趋向于无穷时，高斯信道中的信息 量趋予投羧； c = 蜒8 t r i o + s ( u o 雪) ) z 1 4 4 5 ( b u d ( 3 3 8 ) 我们接着分析一下l - p p m 理想傣道容量。l - p p