（通信与信息系统专业论文）大气激光通信dhpim调制解调技术研究.pdf

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解调系统的设计，时序仿真结果表明，可以正确实现d h p 订调制解调，可以将其应用在大气 激光通信系统中。 关键字：大气激光通信；双头脉冲间隔调制；调制解调；信道编码；大气信道 本课题得到国家自然科学基金( 6 0 9 7 7 0 5 4 ) 资助。 西安理工大学硕士学位论文 一一 i i a b s t 托i c t t i t i e ：r e s e a r c ho nd h p i mm o d u l 声汀i o na n dd e m o d u l a t i o nf o r a t m o s p h e r i cl a s e rc o m m u n i c a t l o n m a j o r ：c o m m u n i c a t i o na n dl n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e ：c h a oj - a s u p e - s o r ：p r o f x i z h e n gk e a b s t 陷c t s i g n a t u 陀：( 盗垒皇! 竺 s i g n a t u 胁o s p l l e d cl a s 盯c 0 啪m 嘶c a 瓜mi s0 r 圮o f m eh mt o p i ci i l 他c e n ty 鞠巧，嬲an e wm o d eo f c 0 咖删谢o nc 0 帅b i n e dw i mt l l ew 删e 嚣位m 鲫1 i s s i o nc h 脚徼删c sa n dt h eb a 蒯d t ha ( i v 锄啦 o f 删c a l6 b e rc 0 啪m 唧i 咖o i lm o 叫a 触l i sm e k e y t ec _ i l i i o l o g y i n 锄m 0 s p 量妞i cl 勰盯 c 0 眦n 嘶c 撕o n m o s t0 fn 砖c 哪n t 舳s p _ h 丽cl a s 盯删倒0 n 跚s t e r i l 戚n g0 no 伍k 吲j 1 9 ( o o k ) a i l dm 锄c 1 1 e s t e rc o d i n gi n 蜘s j 哆m 砌l l a d o n ( k n 蔽d e t e c d o n d ) m e 吐1 0 d 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nc 0 啪p l e x i 织i tc a nu s eh i g h e rm o d u l a d o no 耐e rf b r l l i 曲e rp o w 盱e 伍c i “i sah i 曲e 伍c i e m 删撕o nm o t l l e 止c 觚b eu s e d 证咖o s p h e 血i a s 燃 c 0 嘲删酬0 ns y 双e mf 研m 锄y a d v a n t a g 懿 f i i s y t 1 1 _ i s枷c i e b r i e n y d e s c r i b 鼹t 1 1 ec h 王响m 出i c s 0 f 锄o s p h 丽c l a s e r c o n l m u i l i c 面。凡a p p l i 洲。舾s c o p e ，s y s t e r i lc o m 】刈懈怄，a n d 锄a l y z 鼯a n dc o m j 础sc o m 唧) h i y m o d u l 撕0 nm 曲o d 洫锄m o s p h e 血i a s e r 洲m u n i 训肌m sp a l ) e r 舭u s e do nm es t u d yo f d 呻i m m i d d u l 颉o md h p mt 0 l v e 1 e 吐岫n e lm o m d a t i o nc a p a c i 魄d u c et 1 1 e 剐e m g e 位i n 姗i n e dp o w t 0 s o l v e 恤m o s te 仃酬v eh i 咖s p e e dd a l a 咖1 s r r i i s s i o nm o d u l a t i o nf o rd 邯mm o d 舳s y s 蜘ld e s 啦 p 州d e sa 吐l e 0 硎c a lb a s i s ；觚d 煳墩m 。a bt oc o m p l e t ed 册m 触淝s i m u l a d 吨 a c 以) m i n g 屯0d 删 a i 嘶疵s t i c so fm ed 瞰m e l 如r 锄m 叫1 e r i ci 嬲c o m m l m i c a d o nd i s c u 辎吐l eu o f c h 锄e l c o d i n g a n d m o 削撕0 n 州t h d 邶m t 0 删u c e 此d a 土a 哪r 栩t e 觚d h 即v e m e 陀l i a b i l 时o f c o m m u r i i c a l i o 璐s y s “m l ；f i l l a l l y a c c o r d i r l g 屯。吐圮c h a 均c t 鲥s t i c so fm o d u i a 6 0 ns ) ，m b 0 i so fd 船，w c p p o s e dt 1 1 eu o fu l n a 胁em o d u l a t i o n 锄dd e m o d u l 撕o i l b a s e do nf i e l dp m 留锄：1 m l a b l el o g i c l 西安理工大学硕士学位论文 d e v i c w eu ：m d g ) ll l a ：r ( 1 w 卸陀d e s c r i 两0 nl 锄g u a g et 0c 0 m p ：l e 伦d i 口玎m o d u l 撕0 na n d d 锄o d u 】撕o n $ s 劬d 商弘t i r n i l l gs i i 刑础出0 v v 耐m a l d 玎 mm 妣c 0 硪j c t ：忱i tc a i lb e 潞e di i l 砷m 0 s 删cl a s e rc o m m u i l i 蒯o ns ) ，触 k 呵w o r d s ：曲_ i l o 洲cl a s e rc 0 珊m l 1 i c a 硒l l ；血l a ih e a d e rp u l s ei n i 盯v 出m o d ：u l 撕。珥m o d 【u l a 妇锄d d 锄o d l l l 撕0 1 1 ；c h a m 硷lc o d i l l g ；a 旬m o s p t l e d cd i 觚n e l ； 绪论 l 绪论 1 1 大气激光通信概述 光通信是一门既古老又年轻的科学技术，早在中国的古代已经有利用光来传递信息的记录， 远在周朝时期就使用烽火台进行通信，距今已有2 7 0 0 多年的历史了。希腊人在特洛伊战争中使 用火光接力通信的方法将消息跨过爱琴海传递回希腊m 。而世界范围内在航行中利用旗语和灯 光传递信息的历史也有几百年了。当然上述传递信息的方法非常简单，装置也非常简陋，信道 容量也非常有限，根本不能和现代光通信技术相比。最近个多世纪以来，随着相关理论和技 术的发展，光通信得到了越来越广泛的应用囝。 进入现代，光通信得到进一步的发展。第二次世界大战期间，可见光电话发展为红外线电 话，虽然红外线肉眼看不见有利于保密信息，但是采用的是普通光源，光的单色性、方向性和 相干性都很差，接收和调制都比较困难，从而限制了大气光通信的进一步发展。2 0 世纪6 0 年 代，激光的出现为光通信的发展提供了理想的光源，激光的光亮度高、方向性强、单色性和相 干性较好，因而传输距离远，易于调制和接受，并引起了人们的广泛关注跚。在2 0 世纪7 0 年 代出现了研究大气激光通信的高潮，但由于当时大气激光通信技术的不成熟，未能得到广泛的 应用。近年来，随着技术方面的提高和理论的快速发展，新的高性能的激光器件的出现，大气 激光通信出现了快速的发展，并成为一种很有潜力的通信方式。 激光通信是以激光束作为信息传输载体的通信方式，可以分为有线激光通信和无线激光通 信。有线激光通信就是近年来发展的光纤通信。无线激光通信指在空间中进行数据、语音、图 像等信息双向传输的技术，无线激光通信可以分为：大气激光通信、星际激光通信和水下激光 通信。无线激光通信也可称为自由空间激光通信( f r s p a c eo 叩c a lc 伽m 瑚i c 撕0 n ，f s o ) ， 大气激光通信是自由空间激光通信的个分支，以近地面大气作为传输介质，其主要有光源、 调制器、光发射机、光接收机等设备组成5 l 。 大气激光通信是指利用激光束作为载波在大气中直接进行语音、数据、图像信息等来实现 点对点或者多点对多点的双向通信的一种技术。通信的目的就是把信息由一个地点传输到另一 个地点。传统的无线通信系统中，信息的传输几乎都是把信息调制电磁波上完成的，然后把已 经调制的载波发射到接收端。大气激光通信以激光束作为信息载体，经自由空间进行传播，是 一种兼有无线通信特征和光通信高速传输特征的技术，将其应用在现实生活中具有极其重要的 意义。 1 1 1 大气激光通信的优点 与微波通信相比较而言，大气激光通信所使用的激光频率高，方向性强，保密性好，并且 无需申请频率使用许可：作为一种新兴的通信方式，大气激光通信相比于微波通信和光纤通信 等其它通信方式具有以下的优势蝤1 ： l 、频率高，带宽宽，容量大 激光基频在1 0 1 3 1 0 ”赫兹之间，比微波频率高3 到5 个数量级，带宽很宽，作为通信的 西安理工大学硕士学位论文 载体拥有更大的带宽。在通信系统中，所传输的信息总量与已调载频的带宽有关，带宽是被限 制于载频本身的部分，因此，载频频率的提高，理论上就是增加了有效传输带宽和整个系统的 信道容量订1 。从理论上讲，自由空间激光通信( f r e es p a c eo p 6 c a lc o m 珊脚i c a d o n ，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，而f s o 的光 信号在空气介质中传输。f s o 支持1 5 5 m b ，s 1 0 g l 地的传输速率，传输距离可以达到2 柏n 之间， 在点到多点的组网方式中，同样支持l5 5 m b 位1 0 叫的传输速率，传输距离可以达到1 - 2 k m ， 目前投入商用的具有多个发射器的一般无线数据链路，最高速率达到2 5 c 南讹瞄1 。 2 、设备尺寸小，架设灵活便捷 大气激光通信设备的体积和重量相比较微波通信要简单许多，携带方便，可用于光纤无法 铺设的地方，以及在江河湖海上进行通信，也可以完成地对空、空对空等光纤通信难以完成的 通信任务。在军事领域，大气激光通信系统应用于特殊地形及复杂的地理环境，适用于机动性 要求比较高的场合，是对陆地通信的补充。利用大气激光通信系统建设通信网的速度快，周期 短，只需要在通信节点安装系统设备，几个小时就可以安装完毕，因此大大缩短施工周期。 3 、适用于任何协议 大气激光通信产品以光作为传输机制，属于物理层的传输设备，任何通信协议都可以很容 易地迭加上去，如f d d i 、朋m 、s o 小厄t 、s o n e t s d h 、快速以太网、以太网等，并可支持 2 5 g b i 以的传输速率，对传输数据、语音、图像和视频等各种信息可以做到透明传送。 4 、无需频率许可证，频谱资源丰富 现阶段，微波通信和其它无线通信方式的频段几乎被充分利用，其剩余频段己不能满足人 们日益增长的需求。大气激光通信工作频率在几百n i z 以上，通信设备之间不会受到其它频谱 的干扰，不需要频率许可证，可以免费使用。 5 、方向性强，传输安全保密性好 激光是拥有各种电子波束中发散角最小的波束，其发散角很小，大约只有o o o l 弧度。因 为激光的波束很窄，所以形成光通信链路后很难被发现。而且，由于这些波束的方向性很强， 具有数据传输保密性，要想截获它，就必须使用另部接收机和发射机端对准，并且要知道如 何接收信号，因此截获信息的复杂程度是很高的。即使波束被其它接收机截获，使用者也会很 快发现信息被截获，因为通信链路中断了，很容易发现信息被截获。因此，使用大气激光通信 传输安全保密性好，这是一般微波无线通信无法相比的，特别对于严格保密的军事通信系统， 安全保密是至关重要的。 6 、抗干扰性能好 由于激光的工作频率极高大约在3 2 6 0 6 5 1 1 乜之间，不会受到周围各种电磁波的干扰，抗 外界干扰性能好。将其应用于军事电子对抗时，大气激光通信能够在强电磁波干扰下迅速、准 确、可靠地完成通信。 7 、成本相对低廉 激光通信系统将大气信道作为传输媒质，免去了复杂的光纤铺设和长期的维护工作。大气 2 绪论 激光通信系统搭建速度快，安装灵活，非常适合用于地形异常复杂或者光纤很难铺设的地方。 有资料表明，无线大气激光通信系统的造价仅为光纤通信系统的2 0 左右。 1 1 2 大气激光通信的不足 由于光是在大气环境下来传输信息，而大气环境的复杂和不稳定因素的存在，以及对人身 的安全性考虑，大气激光通信也存在本身所决定的不足之处翻7 1 ： 1 、在恶劣的环境下性能降低，通信距离受限制 激光的方向性很好，且激光束发散角很小，但是随着传输距离的增加波束会逐渐变宽，超 过一定距离后光信号迅速衰减，接收端就不能正确接收，在很大程度上取决于当时的天气情况。 激光在大气中衰减严重，尤其遇到大雾天气，光易被大气中的水汽或者离子吸收，导致衰减严 重，甚至无法接通。对大气信道的衰减和随机变化以及大气湍流的影响都会影响到大气激光通 信系统的性能。由于激光直线传播的特性，大气激光通信只能在视距范围内应用，通信距离受 到限制。 2 、瞄准和跟踪困难 瞄准困难是大气激光通信应用中最为明显的不足。由于激光发射的传输足巨离远、光束较窄 等原因，会给天线的瞄准带来困难。一般的大气激光通信系统的发射天线和接受天线都设在高 空，外界环境或者轻微的地震都会使天线产生晃动，使发射和接收端光通信链路偏移，不易瞄 准。对于大气激光通信，为了保持通信传输，发射端和接收端的瞄准至关重要，但是在瞄准后， 在风力和其它因素影响下，发射端或者接收端平台发生偏移，所以要求光通信链路有自动跟踪 能力。 3 、不能越过障碍物，容易发生中断 由于激光靠传输光来传递信息，不能穿过障碍物，激光应用于点对点或者多点对多点模式， 所以大气激光通信要求在发射端和接收端之间不能存在阻断光链路的障碍物，如果有飞鸟或者 杂物出现，通信链路被隔断，会造成通信质量下降甚至无法通信。 4 、激光安全问题限制 激光对人体具有极大的伤害，激光的安全问题也会影响其使用范围。超过一定功率的激光 有可能对人眼产生无法弥补的伤害，人体也会被激光释放的高能量伤害。目前有关激光的安全 标准应允许让裸视和助视时，眼睛看到不会受到伤害，因此激光发射功率必须符合激光安全标 准咖。 1 1 3 大气激光通信的系统组成 大气激光通信系统主要由发射子系统、接收子系统以及捕获、跟踪、瞄准( a c q u i s i d o n ， 砌c k 访g 锄dp 0 咖) 三部分组成，发射部分主要由信号处理电路、激光驱动电路、调制器和 发射光学天线组成；接收部分主要由接收光学天线、光电检测器、解调器和信号处理电路组成： 捕获、跟踪、瞄准系统用来控制光学天线，实现两端光束的捕获、跟踪、瞄准n 0 1 。其系统框图 如图1 1 所示： 3 西安理工大学硕士学位论文 图l - l 大气灏咣j 恿_ 信系绩l 匡图 f 嘻l la 协盼s p h e r cl 罄盯c o m m 此a d j i 掣s 胁b l o c kd i a g 砌 信源是信息的来源，可以是模拟的，也可以是数字的，可以是温度传感器的数据，可以是 计算机里存储的一个文件，可以是用户从键盘输入的按键数据等等。信源编码主要通过模拟 数字变换和数据压缩处理，把信源发出的信息转换成数字形式的信息序列，提高系统的高效性， 转换后的数据再根据所要调制的数据要求转换成所需数据格式，比如需要转换成所需比特序列。 信道编码是为了克服信道传输特性不理想和各种噪声的影响，使信号码元通过信道传输的误码 率尽可能地降低，以此提高通信的可靠性。信道编码的实现方法是在发送端将信号码元附加上 一些校验监督码元，以便在接收端克服信号在信道传输时所遭受的噪声和干扰的影响。编码后 的信号输入到调制器，按照一定的调制方式将信号调制到半导体激光器产生的激光束上，改变 激光载波的某个参数，使其按照调制信号的规律变化。发射光学天线是一组透镜，目的是将激 光信号变换为截面较大、发散角很小已调光束向空间发射出去，方便接收光学天线调整方位并 接收信号。接收光学天线调整接收方位将一定范围的信号光聚成较小的光斑，目的是增大接收 光信号功率。光电检测器将微弱的光脉冲信号经过预处理将光信号转换成电信号送入解调器。 解调是调制的逆过程，使用和调制对应的解调方式将脉冲信号转换成数据序列。信道译码在接 收端根据校验监督码元与信息码元之间的关系进行译码，找出接收信号码元与发送信号码元之 间的差异，并加以纠正。信源译码接收信道译码的序列后，对应信源编码方式，还原出由信源 所发送的信号。信宿是通信系统的终点，得到的是发送端的原始数据，为信息最后到达的目的 地。 1 1 4 大气激黼的关键技术 大气激光通信是包含各种领域的综合技术，主要有两个方面：第一，是远距离的激光发射 和接收技术；第二，激光信号的捕获、瞄准和跟踪技术。当通信距离比较远，大气环境的背景 光影响比较大时，显著地影响了激光信号的正确接收，大气激光通信的关键技术主要有以下几 个方面1 1 2 川3 川钔： ( 1 ) 高功率的激光光源及高速率光调制技术。在大气光通信系统中大多采用半导体激光器 作为调制信号光和信标光，激光调制信号波长满足大气传输的低损耗窗口，降低大气对激光的 吸收和散射。激光信号光源的选择要求输出光功率小，对人畜等不造成伤害，光束方向性好， 工作频率高。用于a t p 系统的信标光源要求能够在宽视场、强背景光干扰下，迅速、精确地捕 4 绪论 获和跟踪目标，通常信标光的调制频率范围在几十赫兹至几千赫兹。高效、可靠的高速调制、 解调技术是传输高速率和低误码率的保证。大气激光通信系统通常采用强度调制直接检测方 式，选择适当的调制方式也会对通信系统的性能产生影响，近年来各种调制方式被应用于激光 系统中，随着数据传输速率的不断提高，新的调制方式不断被提出和研究。 ( 2 ) 精密、可靠、高增益的光束控制技术。在发射端，为增强传输有效性通常需要对激光 器发出的光束进行准直，然后通过发射光学天线进一步将光束准直成微弧度级光束。在接收端， 接收光学天线将通过大气信道后的光束汇聚到光电检测器表面。发射和接收天线的口径和性能 对系统接收光功率有重要影响。 ( 3 ) 灵敏度高并且抗干扰性强的光信号接收技术。大气光通信系统中，光通过大气信道的 衰减以及背景噪声的影响，接收端接收到十分微弱的光信号，导致接收端信噪降低。为了迅速、 准确地接收信号，可采用两个措施：一是通过提高接收机的灵敏度，使达到纳瓦甚至皮瓦量级； 其次对接收信号进行预处理，在接收端光通路上使用光窄带滤波器，以抑制背景光的影响，将 光电转换后的电信号采用微弱信号检测和处理技术。 ( 4 ) 快速、精确的捕获、跟踪和瞄准技术。确定接收光束过程称为捕获，调整和控制瞄准、， 和捕获的动态变化过程称为跟踪，调整发射机发射的光信号瞄准到个正确的方向的过程称为 瞄准。捕获、跟踪和瞄准系统通常由两部分组成：粗跟踪系统和跟踪、瞄准系统。粗跟踪系统 通常采用c c d ( c h a r l 乒啪印l e dd t 蜥c e ，电荷耦合元件) 来实现，通过光滤波器、信号实时处 理伺服执行系统完成粗跟踪。 ( 5 ) 对大气信道的研究。大气信道对激光传输的影响主要体现在分子吸收、大气散射和大 气湍流。由于气象条件的不同，大气中的气体分子、水雾、雪、霾、气溶胶等粒子会引起不同， 程度光的吸收、散射，分子吸收和散射会使激光光强衰减。强湍流的环境下，激光信号容易发 生光束漂移、扩展、光强闪烁、到达角起伏和波前畸变等。因此对大气信道的应用研究是十分 重要的，具有一定的实际意义。 1 2 大气激光通信调制技术发展 大气激光通信系统实现信息传递的过程是把信息调制到激光光波上，再把经过调制后的光 波通过大气信道的传播，传到接收地点，接收器接收到光波后，对光波进行解调，得到原始信 息。对于激光通信系统，激光波长、激光器和探测器的选择是否合理，光学系统、调制方式是 否合理运用，将会极大的影响通信距离、误码率等技术指标；同时还要考虑大气信道、平台震 动等外部因素对激光传输的影响。 大气激光通信系统中，信息在大气信道中传播之前，需要将信息加载于载波激光进行调制。 高效、可靠和抗干扰性能强的调制技术是高传输率、低误码率通信的保证，对提高系统性能发 挥着很重要的作用5 j 。目前大气激光通信系统中应用得较多的非相干光通信系统主要是强度调 制值接检测( i n t e n s 时m o d u l 撕o n 1 ) 的c td e t e c d o n ，m m d d ) 光通信系统。i m 是指在发送端用调 制脉冲信号来驱动激光器，使激光器按照调制信号的强弱发光或者不发光；d d 是指在接收端 使用光电探测器直接检测发送来的激光信号，通过光电转换转化为电信号，然后解调出原始信 5 西安理工大学硕士学位论文 息，这种调制方式属于数字光强度调制直接检测臼。如图1 - 2 所示，是一典型的数字光强度调 制值接检测系统，在发送端，通过强度调制把信息调制到光源匕经过发射光学天线并通过大气 信道传输到接收端。光信号经过光学接收天线通过光电探测器直接将光信号转换成电信号，然 后经过信息处理恢复出信源信号。 图l - 2 典型的强度调制酉接检测通信系统框图 f i 吕l - 2 b l o c k d i a 野蛐0 f a l y p i 翻i n 吣i l y m o d u l 觚曲e c t d 觚6 舢啪i c 砸咖 光强度调制值接检测系统具有体积小、重量轻、成本相对低廉、简单容易实现的优点，但 是频带利用率较低，接收灵敏度也受到一定的限制。由于大气激光通信系统中的光链路环境的 复杂性，必须考虑大气信道对光的吸收、散射以及背景噪声的影响，同时还要考虑由多径传输 造成的码间串扰的影响。激光对人眼安全的要求限制了激光的平均发射功率，而且用电池供电 的便携式设备也要求功率尽可能做到最低，因此对平均功率利用率也比较高，接收端常常使用 大面积的光电探测器，其大面积的光检测器的高输入容量将限制光接收机的带宽，所以频带利 用率也是调制方式中需要考虑的一个重要因素，除此之外，在通信速率比较高时，调制方式的 抗码间干扰性也需要考虑，因此对调制方式提出了更高要求u 7 1 。 西安理工大学柯熙政教授等从2 0 0 0 年起开始研究大气激光通信技术，并在信号调制、编码、 系统天线和自动跟踪瞄准等多方面技术中都取得了很好的进展。并于2 0 0 6 年成功开发了包括串 口、并口和以太网接口等常用数字接口的大气激光通信系统，该系统传输速率可达2 0 m b p s ， 传输距离为5 胁。 在大气激光通信中，应用最广泛的是强度调制直接检测( 妙m o d i l l a 五0 n d i 嘲 曲眈d o n ，酬d d ) 系统，通过对光载波的强度按照所传输的信号进行直接调制。目前无线光 通信中调制方式，主要有j o s e p hm ka h n 等在文献中介绍的开关键控( 0 no 仃k 咖g ，o o k ) ， 该方式实现起来比较简单，但是抗干扰能力比较差，容易受到天气情况的影响，在距离较远的 情况下无法保证通信系统的可靠性舳。为了提高大气信道的抗干扰能力，必须引入新的调制 方式，脉冲位置调制( p u l 辩p o s i t i r n o d l 】a 6 0 i l ，p p m ) 是利用脉冲的相对位置来传递信息的调 制方式，最早由p i 明c ej r 提出并应用于空间光通信，其在论文中指出p p m 具有潜在的信道容 量，并且认为p p m 是一种合适的光通信调制方式，需要很小的平均光功率就能完成光通信u 蝴。 近年来，随着大气激光通信理论研究的深入，将p p m 应用于大气激光通信中的研究取得了一 系列的成果，这种调制方式可以以最小的光平均功率达到最高的数据传输速率圆1 。1 9 8 9 年 h s u 西y a 眦和k 卯提出了多脉冲位置调制( 肌l h ip u l s e 刚d i i l o d u l 撕0 n ，p m ) ，对于 p p m 具有高的传输效率但是带宽效率很低，该方式减少了p p m 中所需求的传输带宽，进步 6 绪论 提高了带宽效率，多脉冲位置调制通过这些脉冲在时隙中的位置来传递信息，但是增加了系统 实现复杂度叫1 。k s a l 0 和t o b ：i s i d d 分析了由m 个时隙2 个脉冲组成的m p p m 的性能，并且 分析了时隙同步，该方式减小了符号错误概率，讨论了该调制方式的比特错误概率，在相同的 传输带宽和传输速率下同p p m 分析比较了该调制方式的比特错误概率，得出( 札2 ) m p p m 的性能优于p p m 四。d 撕u i n 星黟提出的差分脉冲位置调制( d i 丘酾d a lp u l p 0 觚0 nm o d u l 撕o n ， d p p m ) 比p p m 有更好的带宽效率四1 。d a - s h 锄s 1 1 i u 重点分析了d p p m 的码组字结构，误码 率分析和功率谱密度分析等阱1 。u s e l l 蟠妇s e t 和t aq l l l i v e r 等人提出了一种软判决数学解码 的方法来完成d p p m 的解调，文章主要讨论了该软判决方式具有低的复杂性和可以将其应用于 实际中，对弥散信道和非弥散信道进行估计，并且发现在低弥散高斯信道中使用软判决比硬判 决节省大约2 d b 的发射功率，软判决方式在高弥散信道中也改善了性能晒，。随后，u s e 吐场i l ( a s e t 和t ag l l m v 盯在无线光通信中提出使用标记和r s 编码方法相结合的方法来纠错和检错，通 过使用硬判决和软判决的检测的级联码解码算法，并且分析了在弥散信号和非弥散信道上的性 能分析啦! 。e d k a l 岫聊。1 1 i 和z g h a s s e l i l l o o y 等人在1 9 9 6 年提出了数字脉冲间隔调制舀t a l p u l s e 酬删瞰i c 咀，d p d 巾，和p p m 相比，缩短了冗余时隙，具有更高的传输容量，d p d 订 功率利用率高，接收端不需要符号同步，但其差错性能比p p m 较差凹啦! 。在此基础上，n d i b b i 砒，z g h a s s 锄1 0 0 y 和rs a a 】 c l l i 于1 9 9 9 年提出了双头脉冲间隔调制( d u a lh 鼢d e rp u l i n t e r v a 】m o d u l 撕o n ，d h p 订) ，这种调制方式提高了数据传输速率，需求更少的传输带宽，具 有内置的帧同步和时隙同步功能，并且介绍了这种调制方式的符号结构和编码属性，该符号结 构比较复杂，实现难度较大谬1 。n 砧d i b b i a l 和z g h a s s 锄1 0 0 y 分析了d h p d 订的符号结构， 传输容量和时隙错误速率，通过仿真得到d h p 订比p p m 和p 具有更高的传输容量3 0 ：2 0 0 5 年，n 剐d i b b i a t 和z g h a 娜n 1 0 0 y 等人分析了在室内无线光通信系统中采用双头脉冲间隔调制， 该调制方式具有内部符号同步功能，理论和仿真结果表明d m 提供了更短的符号长度，提 高了传输速率和降低了带宽需求，比较了p p m 、d p 订和d h p 的功率谱密度，分析了不同 宽度脉冲的d h p 的性能，在增加功率需求时具有比p p m 更高的带宽效率，比较了不同调制 方式的错误性能吲1 。2 0 0 9 年，z g h a 蹴m 1 0 0 y 和s j b h a n d a r i 分析了和仿真了一种卷积码双头 脉冲间隔调制( c o n v o l l n i o n a lc o d e d ( 1 u a lh e a d e rp u l s eh e mm d d u l 撕o n ，c c - d h - p ) ，解码使 用硬判决的维特比算法完成，比较了不同调制方式之间的时隙错误速率，该调制方式同标准的 d h p m 相比，错误性能得到改善但是是以减少信息传输速率为代价啦! 。张凯，张海涛等提出 了双幅度脉冲间隔调制( d u a l 锄p l i t u i d ep u l i n t e n 碰m o d u l 撕o n ，n 廿) ，该调制方式不需要 同步，可以获得较高的带宽效率，文章分析了心订的符号结构、带宽需求、功率谱及在高 斯白噪声下的误码率特性，并与p p m 、p 等进行比较啦l 。u s e 1 a k a s e t 和t 八g l l l h v 贫提 出了在室内无线光通信中差分幅度脉冲位置调制( 衄酬a l 锄p l i t u d ep u l s ep o s i 吐0 n 础) d u l 撕0 n ， d a p m ) ，研究了该调制方式的符号结构和特性，与其它调制方式的功率谱进行了比较，其带 宽效率、峰值功率平均功率比和信道容量优于p p m 和d p p m 调制方式阱1 。 7 西安理工大学硕士学位论文 1 3 课题研究背景及意义 应用于大气激光通信系统m 仍d 调制方式最普遍和最简单的形式是开关键控( o o k ) 。在 o o k 系统调制中只需控制光源闪烁就可完成编码调制，但是o o k 功率效率比较低，容易受背 景光的影响，很难提高信噪比，在调制光信号经过大气信道衰减后变的很微弱，接收端很难检 测到完整的信号，降低了该调制方式通信的可靠性，并且通信数据传输速率很难提高，不能发 挥光通信的频宽优势。为了增加通信的可靠性和抗干扰性能，除提高激光器件的发射功率外， 在通信传输速率越来越快的大气激光通信中，需要寻找一种功率利用率更高的和误码率比较低 的调制方式。 选择合适的调制解调方式对大气激光通信系统的性能有较大的影响。调制解调是大气激光 通信中的一项关键技术，p p m 和d p 订都属于强度调制直接检测的调制方式，通信时间被分 为宽度相同的时间段，每一时间段称为一个时隙。通过对比o o k 、p p m 、d p 、d h p 订几 种调制方式的优缺点和实现复杂程度，选择d h p 作为系统的调制方式，本课题研究的正是 d m ，订调制解调系统的性能分析及其系统设计。将d h p 订调制解调系统应用在大气激光通信 中，可以充分发挥该调制方式的特性，极大的提高系统的抗干扰性能、降低平均发射功率和发 挥带宽利用率；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速率，降低系统对激光器发射功率的要求。本文主要是对大气激光通信中 d h p m 调制解调技术方面进行研究分析，以获得高功率、高速率的激光调制信号，使其高速 率和无失真地在大气信道中传输，具有重大的应用价值。 1 4 本文研究的主要内容 本课题深入研究大气激光通信调制解调技术，重点研究了双头脉冲间隔调制( d h p 订) 调 制方式的特点，使用软件仿真和硬件设计了d h p 调制解调系统。 具体有以下几点内容： 1 ：简单描述了大气激光通信系统的概况和组成，阐述了大气激光通信技术的原理及其关键 技术，对应用大气激光通信具有的优缺点进行讨论，明确了本课题的具体任务； 2 ：重点对d h p 调制解调理论进行研究，并和其它常见调制方式如o o k 、p p m 、d p 整体性能仿真进行比较，并且使用m a = 兀。a b 完成各种调制方式的性能仿真； 3 ：分析了d h p d 订调制方式的信道容量及不同调制方式误码率的仿真； 4 ：根据d | 玎? 调制的特点，使用硬判决解码的方案，并在m a a b 中完成d 玎? 调 制解调短时间内仿真：由于大气信道中噪声的存在，讨论了一种有效的纠错编码方法来完成信 道编码，采用该种方法可以提高信道可靠性： 5 ：从理论上分析d h p 调制解调的原理、特性及实现方案，设计d h p 调制解调系统 的硬件实现结构图，用棚o gm ) l 语言编写相应模块，完成功能仿真和时序仿真； 6 ：对课题进行总结，并对以后的研究工作做了讨论。 8 大气激光通信调制方式分析 2 大气激光通信调制方式分析 本章介绍了几种常用的光强度调制方式，有o o k ( 开关键控) 、p p m ( 脉冲位置调制) 、 m p p m ( 多脉冲位置调制) 、d p 订( 数字脉冲间隔调制) 以及d h p ( 双头脉冲间隔调制) ， 对它们的符号结构进行比较，并对这几种调制方式的平均符号长度、平均发射功率、带宽比较、 传信率等性能进行分析。 2 1 几种不同光信号的调制方式 在大气激光通信中，应用最广泛的是强度调制直接检测( i n t e l l s i 妙m o d u l a d o n i ) 慨t d e t e c 曲n ，m i d d ) 系统，通过对光载波的强度按照所传输的信号进行直接调制。强度调制值 接检测的调制方式，通信时间被分为宽度相同的时间段，每一时间段称为个时隙。常用的光 强度调制方式有o o k ( 开关键控) 、p p m ( 脉冲位置调制) 、m p p m ( 多脉冲位置调制) 、d p ( 数字脉冲间隔调制) 等。本文研究的d h p 订( 双头脉冲间隔调制) 调制解调系统也为强度 调制值接检测系统。 2 1 1 开关键控调制 根据大气激光通信特定的光源和大气信道的特性，光通信系统多采用强度调制直接检测系 统。在强度调制值接检测系统中，应用最多也是最简单的开关键控( o 仃k 叫i 1 1 9 ，o o k ) 调 制方式，只要完成光源闪烁就可以完成调制哪! 。 在o o k 调制方式中，每一比特所需时间内光脉冲处于开或关的状态，“l 信息编码为一 个光脉冲，“o ”信息则编码为无光脉冲，最大比特率直接依赖于光源能达到的开关速率。假定 开关键控的调制数据速率为咫b 矾，开关键控调制方式在瓦= l r 时间间隔内发送光脉冲表示 “l ，在瓦= l 兄时间间隔内不发送光脉冲表示“0 ”，瓦为调制符号时间间隙宽度。o o k 调 制方式简单，易于实现，对激光光源频率的稳定性要求不高，但这种调制方式的缺点是传输效 率( 单位能量传输的信息量) 太低，系统的误码率依赖于接收机和光电探测器的特性；接收机 不可能达到量子极限，功率利用率低，在背景光较强，或进行高速率通信时，调制方式很难保 证通信的可靠性，对发挥光通信的频宽优势具有局限性啪1 。 2 1 2 脉冲位置调制 脉冲位置调制( 叫刚t i o nm o d u l 撕o n ，p p m ) ，是将二进制的m 位数据映射为由2 肘个 时隙组成的且在其中一个时隙处有一个单脉冲信号，用2 m 个时隙中唯一的脉冲所在位置表示 2 m 种信息的比特组合，每组的时隙数目是相同的，这种调制方式降低了功率需求，然而提高 了对带宽的要求b 7 1 。令每个符号所包含的二进制信息位数为m ，称为位分辨率，或者调制阶 数嘲1 。由2 m 个时隙构成的p p m 帧可以代表m 个比特，可见一个p p m 调制符号传送的信息比 特为l o g ：2 村。通常将肘位数据组写成k = ( 2 i ) ，将时隙所在的位置记为三，可以得 出p p m 调制的数据映射关系可以写成啪1 ： = 朋新2 肘- 1 + + ，2 2 1 + l 2 0 三( 0 ，l ，2 ，2 m 一1 ) ( 2 1 ) 调制信号的输出为： 9 西安理工大学硕士学位论文 啪) = 恬识巍黠d t 弦2 ) 式中最( r ) 代表调制信号，忍代表脉冲功率，c 代表时隙的长度。 例如对一个2 位的p p m ： 若m = ( o ，o ) ，则= o ；若m = ( o ，1 ) ，则三= l ； 若m = ( 1 ，o ) ，则三= 2 ；若m = ( 1 ，1 ) ，则三= 3 ； 0 ，l ，2 ，3 分别对应脉冲所在的时隙位置，如图2 1 所示为p p m 调制脉冲示意图嗍。 可以看出，由公式( 2 1 ) 决定的映射关系满足调制的唯一性。 4 互4 t 图2 - lp p i m 调制脉冲不惫图 f 嘻2 - ld 通聊o f p p mm o d u i 劭。dp u l s e 对于输入的二进制信息，p p m 每帧的时隙中只有一个时隙存在光脉冲。相比于o o k 调制， p p m 能量传输率高，具有更强的抗干扰能力，在给定的激光脉冲重复频率下，用很