（通信与信息系统专业论文）二维wocdma系统多用户检测及信道编码技术的研究.pdf

电子科技大学硕士学位论文 摘要 光码分多址( o p t i c a lc o d ed i v i s i o nm u l t i t ) l ea c c e s s ，0 c d m a ) 技术是目前 光通信研究领域的热点之一。无线光码分多址( w i r e l e s so c d m a ，w o c d m a ) 技术作为无线光通信中很有潜力的一种多址技术，在星间光通信、大气光通信以 及室内光通信中具有广泛的应用前景。 w o c d m a 系统中，预期用户接收的信号受到多用户干扰、接收机噪声以 及由于无线信道的特殊性引入的信道噪声，如背景光噪声、大气湍流噪声等的影 响。 针对信道噪声，本文提出采用信道编码技术改善系统误码率性能。分析了 b c h 码、r s 级联b c h 码对自由空间o c d m a 系统以及t u r b o 码对大气0 c d m a 系统性能的改善，首次推导了信道编码前后二维w - o c d m a 系统的误码率表达 式并进行了数值计算。分析结果表明，信道编码技术能够有效抑制信道噪声对系 统性能的影响。 针对多用户干扰，本文提出采用并行干扰消除检测技术抑制多用户干扰，并 提出了一种基于m p c 0 0 c 二维地址码的新的并行干扰消除检测技术，采用光纤 布拉格光栅即可完成多用户干扰的估计。分析了所提出的检测技术对自由空间信 道以及大气信道o c d m a 系统性能的改善，详细推导了并行干扰消除检测系统 的误码率表达式。数值计算结果表明，本文提出的干扰消除检测器能够有效抑制 w - o c d m a 系统中的多用户干扰，有效增加系统的并发用户数。 最后，得出结论：结合信道编码和多用户检测技术，能够实现大容量 w - o c d m a 通信。 关键词：无线光通信，光码分多址，信道编码，多用户检测，并行干扰消除检测 电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t o 州c a lc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( o c d m a ) t e c h n o l o g yi so n eo fh o t r e s e a r c h p o i n t s i n o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n o c d m at e c h n o l o g yi s 血em o s t p r o s p e c t i v em u l t i p l ea c c e s st e c h n o l o g yi nw 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 ，a sw e l la s i nf i b e ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o n h lw i r e l e s so c d m ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i g n a l st h a tau s e rr e c e i v e sa r e i n t e r f e r e db yt h eo t h e ru s e r ss i g n a l s ( w h i c hi sc a l l e dm u l t i u s e ri n t e r f e r e n c eo r m u l t i a c c e s si n t e r f e r e n c e ，m a i ) a n dc h a n n e ln o i s e ，l i k eb a c k g r o u n dl i g h ta n d a t m o s p h e r i ct u r b u l e n c ei n d u c e db yw i r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l t or e d u c e 也ee f f e c to fc h a n n e ln o i s eo ns y s t e mp e r f o f i n a n c e w e s u g g e s t a d o p t i n gf o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ( f e qt e e h n o l o g y p e r f o r m a n c e so ff r e es p a c e o c d m a s y s t e mu s i n gb c h c o d e sa n dr sc o d e sc o n c a t e n a t i n gb c hc o d e s a sw e l l a sp e r f o r l l a n c e so fa t m o s p h e r i c0 c d m as y s t e mu s i n gt 盯b oc o d e sa r ea l l a l y z e d r e s u l t ss h o wt l l a tf e cc a r le l i m i n a t et h ee 疏c to fc h a n n e ln o i s ee r i e c t i v e l y t or e d u c em ee r i e c to fm a io ns y s t e mp e r f o f i n a n c e ，m u l t i u s e rd e t e c t i o ni s i n t r o d u c e d a m o n ga l lk i n d so f m u l t i u s e rd e t e c t i o nt e c h n o l o g i e s p a r a l l e li n t e r f e r e n c e c a n c e l l a t i o n ( p i c ) i ss u g g e s t e d ：s i n c ec o n v e n t i o n a lp i cr e c e i v e ri sn o tp r a c t i c a li n o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，an e ws t r u c t u r eo fp i cr e c e i v e rb a s e do ns y s t e mw i 出 【p c o o ci sd e v e l o p e d p e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n tu s i n gt h ep r o p o s e dp i cr e c e i v e r i s a n a l y z e d i nf r e e s t ) a c e0 c d m as y s t e ma n da t m o s p h e r i co c d m as y s t e m p r o p o s e dp i cr e c e i v e ri sp r o v e dt ob ee f f e c t i v ei ne l i m i n a t i n gm a i f i n a l l y , w ec o n c l u d et h a th i 吐b i tr a t ea n d1 0 wb e ro c d m ac o m m u n i c a t i o n s y s t e mc a nb er e a l i z e dw i t hf e ca n dm u l f i - u s e rd e t e c t i o n k e yw 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 ，o p t i c a lc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( o c d m a ) ，c h a n n e le n c o d i n g ，m u l t i - u s e rd e t e c t i o n ，p a r a l l e li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ( p i c ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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作了明 确的说明并表示谢意。 签名：i 垒：! 坠日期：2 0 0 5 年1 月1 9 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：j 争上1 日期：2 0 0 5 年1 月1 9 日 电子科技大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章引言 c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，码分多址) 技术是一种扩频通信技 术。它在一定程度上来源于香农的信息论，即在高斯信道中，当传输系统的信噪 比s 下降时，可用增加系统传输带宽形的办法来保持信道容量不变。对于任 意给定的信噪比，可以用增大传输带宽来获得较低的信息差错率。扩展频谱技术 正是利用这一原理，用高速率的扩频码来达到扩展待传输的数字信息带宽的目 的。在c d m a 系统中，扩频后的信号带宽远大于原始数据信号，能量被均匀分 布到扩频带宽上，类似于白噪声。系统的每一用户被分配一特殊的伪随机地址码， 以较低的功率传送各自的信号，所有用户的信号在时间、频率上重叠在同一信道； 而接收方以与发送方相同的地址码对接收信号进行解码，恢复数据。 由于c d m a 具有抗干扰、保密性、网络协议简单、随机接入、软容量等特 点，早先大量应用于军事领域，近几十年更是广泛应用卫星通信和移动通信。特 别是在第三代移动通信( 3 g ) 中的应用，欧美以及日本一些发达国家已经率先 实现了商用。 在光通信领域中，多址技术主要有t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ， 时分复用) 、w d m ( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x ，波分复用) 和c d m a 三种。 t d m a 是将信道分成一系列的时隙，这些时隙按指定分配给各用户或按需动态 地分给各用户，各个发射机定时依次查询并发送数据，依靠全网同步，接收端接 收与预期发送者相关时隙的信息。w d m 是用不同的波长区分不同的用户信号。 最先提出w d m 并不是出于多用户的考虑，提出w d m 只是为了充分利用光纤 所提供的巨大带宽。1 9 9 4 年e d f a ( 掺铒光纤放大器) 成功商用化后，w d m 才 引起了人们的广泛注意并成为当今光通信的主流。c d m a 是用不同的地址码区 分不同的用户。将光通信与c d m a 技术相结合，是目前光通信研究领域的热点。 o c d m a 不仅可以保留c d m a 技术在射频通信中所具有的优点，而且还可以利 用光波的巨大带宽呻j 。 本文研究的是基于无线光信道，分为自由空间信道、大气信道的o c d m a 系统相关技术研究。 在c d m a 系统中，由于地址码的不完全正交性，非零互相关系数会引起各 用户间的相互干扰，称之为多址干扰( m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ，m a i ) 。 o c d m a 系统也不例外。目前的非相干光通信系统一般采取强度调制直接探测 电子科技大学硕士学位论文 ( i m d d ) 方式，o c d m a 系统普遍采用的是相关性较差的单极性地址码，系统 中的多用户干扰是限制系统容量的最主要的因素，误码率将随着系统用户数的增 加而急剧恶化。因而，采取积极措施抑制多用户干扰是o c d m a 系统面临的一 个重要问题。此外由于无线信道的特殊性，背景光噪声、大气湍流噪声等信道噪 声同样制约着系统的通信性能，因而有必要采取措施抑制这些噪声对系统性能的 影响。 1 _ 2 国内外发展动态 o c d m a 技术的研究可以追溯到上个世纪7 0 年代末，但由于相关光器件的 发展水平使得o c d m a 的前景并不明了，用于地址码的编解码器、超短时间光 门限器件、超短脉冲光源以及宽光谱光源一直是制约o c d m a 进一步发展的关 键。随着w d m 的发展，光器件有了极大的发展，比如具有高速调制性能的宽光 谱光源、高速光开关、f b g ( 光纤布拉格光栅) 、a w g ( 阵列波导光栅) 等都有 了极大的发展，上个世纪9 0 年代中后期以来，o c d m a 技术逐渐成为光通信研 究的热点。美国和日本等发达国家走在了o c d m a 技术的研究前沿。国内外对 o c d m a 技术的研究绝大多数是基于光纤信道，而基于无线信道的相对很少。 在对o c d m a 技术进行研究的初期，大部分研究都是基于时域编码的非相 干o c d m a 的实现，此类系统中，只能采用单极性地址码，双极性码不能直接 采用。而单极性码无论在容量还是正交性上都不及双极性码。此外人们还提出了 谱域编码的o c d m a 通信系统。而在这类系统中，系统所容纳的用户数受可分 辨波长的限制。因此，人们又提出了将时域与频域结合的二维o c d m a 编码方 案，可以大大改善系统的码容量以及码字的相关特性。本文要研究的即是基于此 类二维地址码的o c d m a 系统。 用于抑制o c d m a 系统多用户干扰的技术主要有光限幅器技术( o p t i c a lh a r d l i m i t e r ) 和多用户检测技术。早在1 9 8 9 年，j a s a l e h i 已提出将光限幅器引入基 于o o c ( o p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e ，光正交码) 的o c d m a 系统 1 1 ；1 9 9 6 年，t o h t s u k i 提出将光限幅器用于抑制非相干时域o c d m a 系统中的多用户干扰1 2 j 。 1 9 9 4 年，m b r a n d t - p e a r c e 等人将多用户检测技术( m u l t i - u s e rd e t e c t i o n ，m u d ) 用于抑制时域非相干o c d m a 系统的多用户干扰1 3 j ，采用的是非线性的多级检 测器。理论分析表明，与传统的相关检测器相比，多级检测器能够容纳更多的并 发用户数，而复杂度远远低于理论上的最佳多用户检测器。1 9 9 5 年，l b n e l s o n 通过误码率性能及渐进效率两方面分析了解相关检测器对时域非相干o c d m a 系统性能的改善1 4 j ，同样证明了多用户检测技术在抑制多用户干扰方面的有效 性。国内对o c d m a 系统多用户检测技术的研究相对较少，核心期刊上仅见2 0 0 2 2 电子科技大学硕士学位论文 年张海滨发表的基于频谱相位编码的光纤o c d m a 系统多用户检测技术文章 【2 4 i ；本实验室此前研究了解相关检测技术在w - o c d m a 系统中的应用，走在国 内相关领域的研究前沿。 1 9 9 3 年，j gz h a n g 等提出了将线性分组码引入o c d m a 系统，证明纠错 码技术能够改善系统的误码率性能 5 1 ；此后，j ，yk i l n ，c a r g o n ，t o h t s u k i 等 将t u r b o 码应用到o c d m a 系统中，进一步改善系统性能【“。国内在这一领域 的研究较少，核心期刊上仅见2 0 0 2 年吉建华等发表的b c h 码对光纤快跳频 o c d m a 系统性能改善的研究结果【3 0j 。 w - o c d m a 技术研究文献始见于1 9 9 4 年。1 9 9 4 年，j m h e l m i r g h a n i 发表 了基于光正交码( o o c 码) 的室内红外o c d m a 性能分析研究成果叫；k s a y o n o 等于2 0 0 1 年发表了大气信道的o c d m a 演示实验系统的实验框图及实验数据， 但并未给出系统性能的理论分析p 2 j ；o h t s u l dt 于2 0 0 2 发表了基于o o c 码的大 气信道维o c d m a 系统的性能分析研究成果【”j 。而国内仅本实验室开展了 w o c d m a 相关技术的研究工作。 w - o c d m a 技术的研究主要集中在基于一维地址码的系统性能分析方面， 在公开发表的期刊上未见有采用多用户检测技术和信道编码技术的系统性能分 析的相关文献。本文将多用户检测技术和信道编码技术引入二维w - c d m a 系统， 希望在这一新的研究领域作一些探索性的工作。 1 3 本课题的来源和研究意义 本课题来源于国家自然科学基金资助项目，项目名称为快速二维无线光 c d m a 技术研究，项目编号：6 0 2 7 2 0 0 6 。本文研究的是w 一0 c d m a 系统关键技术 中的多用户检测和信道编码技术。 w - o c d m a 技术的研究尚处于初始阶段。多用户干扰和信道噪声是限制 o c d m a 系统容量的关键因素，必须采取措施加以抑制。目前，尚未见有关于多 用户检测技术以及信道编码对w - o c d m a 系统性能改善的理论分析的公开发表 文献，因而具有重要的研究意义。 o c d m a 技术以及相关的光学器件还很不成熟，但是由于o c d m a 的技术 优点，被认为是组建全光局域网的关键技术。0 c d m a 的应用领域主要集中在组建 全光局域网和用于码分路由。无线光c d m a 通信系统可应用于适合使用无线光 通信的所有场合，如卫星光通信，城市居民小区网及保密小区网，不宜于铺缆、 架线的城市高楼间、江河对岸等特殊场合的点对点、一点对多点，以及室内无线 局域网等多种通信方式的应用中。w - o c d m a 以其技术优势，在未来的光通信 领域中必将具有广泛的应用前景。 电子科技大学硕士学位论文 1 4本文结构 本文共分五章，第一章介绍o c d m a 的技术背景和发展状况，分析o c d m a 技术的特点，关键技术和应用领域，并分析了本课题的研究意义。第二章分析自 由空间信道以及大气信道二维o c d m a 系统性能，给出了噪声概率统计特性以 及详细的误码率推导过程，并根据得到的理论分析结果给出了一些数值计算结 果，对得到的误码率曲线图进行了详细分析。第三章分析采用信道编码的 w - o c d m a 系统性能，分析了b c h 码、r s 码级联b c h 码对自由空间o c d m a 系统性能的改善以及t u r b o 码对大气信道0 c d m a 系统性能的改善。第四章分 析并行干扰消除检测对、- o c d m a 系统性能的改善。本文提出了一种新型的针 对m p c i o o c 二维地址码的编解码器结构，分析了所提出的检测器结构对自由空 间信道以及大气信道o c d m a 系统性能的改善。分析结果证明了所提出的检测 器结构在抑制多用户干扰方面的有效性。第五章是全文的工作总结，并提出了对 后续工作的建议。 电子科技犬学硕士学位论文 第二章二维w - 0 c d m a 系统性能分析 在对o c d m a ( o p t i c nc d m a ) 技术进行研究的初期，大部分研究都是基 于时域编码的非相干o c d m a 的实现，此类系统中，双极性码不能直接采用， 只能采用单极性地址码，如光正交码( o p t i c a lo t l l o g o n a lc o d e ，o o c ) 。在时域 编码o c d m a 系统中，用户的地址码是在时域上进行扩频的( 0 ，1 ) 序列【1 】，用 户的比特数据中的一个光脉冲编码称为k ( 单极性地址码的码重) 个光脉冲，这 k 个光脉冲在时间轴上的位置是由地址码决定的，如图2 1 所示。 图2 1 时域非相干o c d m a 数据格式 一一一 时? n角爿 时向 妈片周期正 图2 2 二维o c d m a 的数据格式 时域扩展系数f = 瓦g ，瓦是比特周期，t 是码片周期，f 为地址码的码 长。经时域编码后，系统的工作速率是原来的f 倍。在这种系统中，为了增加系 统同时容纳的用户数，通常的实现方法是增加码长，即增加扩频因子，因而对编 解码器的工作速率提出了很高的要求。为了克服这一问题，人们又提出了将时域 与频域结合的二维0 c d m a 编码方案，即对每一个光脉冲使用不同的波长，在 时域和频域同时进行编码，通过这种技术达到缩短码长和改善码字相关性，改善 系统性能的目的。二维o c d m a 系统的数据格式如图2 2 所示。 文献1 1 1 l 中提出了使用多波长二维光正交码( m w o o c s 或者称为 2 d o o c ) ，本章即是分析基于m w o o c s 的码片同步系统误码率性能，针对不 同的信道特性，分析二维w - 0 e d m a 的系统性能。典型的o c d m a 通信系统结构 如图2 3 所示。 一一一皇三型苎查兰堕圭堂堡堡塞 图2 3o c d m a 系统结构框图 2 1 基于m w o o c s 的二维0 c d m a 系统 二维光正交地址码的码字可以由一个聊胆的矩阵表示，具体可表示为 m n ，k ，乃，九) ，其中m 为可用的波长数，h 为码字的码长，足为码重，即分布 在矩阵中的“i ”的个数，( f ，) = 1 表示第，个光脉冲用第f 个波长传输。以和五 分别是码字的自相关限和互相关限： ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 其中，x 。 0 ，1 ) 是码字矩阵中第衍亍、第j 列的元素，o 表示模n 和运算。本文 主要考虑自相关限和互相关限均为1 的二维方阵码( f f ，k ，1 ，1 ) 。根据撞击法， 由一维( f ，k ，1 , 1 ) 0 0 c 码衍生的二维护x f ，k , 1 ，1 ) 码，两个码字之间的平均撞击率 彳为f l l j ：可z k 2 2 f 2 。可以得到j 。的概率密度函数为： 删：芝1 伽一p p j 也一f l ( 2 1 3 ) z = o 式中，p = 可“k 2 2 f 2 ，艿g ) 为单位冲击函数。因而，仅考虑多用户干扰时， 系统的误码率只： 凡：蹦凡，( 1 一p p ( 2 1 4 ) 。f = 7 h 这种情况下，判决的最佳门限应该设为码重k 。 光通信系统具有体积小、重量轻、带宽大等特点，在星间大容量通信链路以 力 1 ，式( 2 2 3 ) 趋近于高斯型概率包络： 糌赢舞e 坤 一镊 娩z 们 k 2 值较低时式( 2 2 6 ) 偏离式( 2 2 3 ) ，当七：大于5 0 时式( 2 2 6 ) 给出较为准 8 电子科技大学硕士学位论文 确的近似。由于信号计数通常超过这个值，式( 2 2 6 ) 可以当作真实p ：) 的一 个合理的近似【9 】。 因此，背景光噪声、a p d 接收机暗电流噪声以及热噪声均为相互独立的高 斯噪声。由概率论可知，相互独立的高斯噪声之和仍为高斯分布。因此，我们将 广义信道噪声( 包括自由空间信道背景光噪声和a p d 接收机噪声) 最终等效为 高斯噪声。 2 2 2 大气信道噪声分析 激光在大气中传输时受到大气分子吸收、气溶胶散射以及大气湍流的影响， 具体有光强衰减、光强起伏、波束扩展、到达角起伏等。对于强度调制直接探 测( i m d d ) 的大气激光通信系统，影响系统性能的最主要的因素是光强度的起 伏，即是由于大气湍流引起的光强闪烁。 对于i m d d 系统，接收光功率p ( f ) 可以表示为： e ( t ) = x ( o 只( f ) ( 2 2 7 ) 式中，只0 ) 是末考虑闪烁条件下的接收光功率，x ( f ) 代表由大气引起的光 强闪烁，是一个平稳随机过程。 大量理论分析表明，湍流大气中传播的激光的对数幅度z = i n ( a a 。) ( a 为 幅度，以为归一化因子) 服从高斯分布。实验数据显示弱湍流中光束的幅度服 从l o g n o r m a l 分布，即对数正态分布，其概率密度函数为【1 2 】： 舭，：志懿p 卜攀 l ( 2 2 8 ) 式中，盯，2 是光强闪烁方差的对数，对于弱湍流的平面波，仃；= 1 2 4 c 。2 盯以z ， 一 其中，q 是大气折射率结构常数，1 , 2 = 兰兰是波数，z 是传播距离。强湍流的理 论研究尚无统一的结论。本文研究的大气信道0 c d m a 系统是基于对数正态分布的 弱湍流大气闪烁数学模型。 综上所述，对于自由空间信道o c d m a 系统，考虑的系统噪声为多用户干 扰、背景光噪声以及a p d 接收机噪声；对于大气信道o c d m a 系统，考虑的系 统噪声为多用户干扰、大气闪烁、背景光噪声以及a p d 接收机噪声。 9 电子科技大学硕士学位论文 2 3 自由空间信道二维0 c d m a 系统误码率性能分析 由于自由空间信道( 深空信道) 是非随机信道，光脉冲在信道中传输时，主 要的干扰是来自太阳的背景光的干扰。因而，对于基于自由空间信道w - o c d m a 通信系统，本文主要考虑多用户干扰、背景光噪声以及a p d 的接收机噪声。系 统的接收机框图如图2 4 所示。 r 邓 l 二_ j 0 图2 4 系统接收机框图 图中r o ) 为接收信号；c 。o ) 为第 个用户的地址码序列；( r ) 为背景光噪声；疋 为地址码码片间隔；比特时间间隔瓦= 门：( f 为地址码码长) ：乙为第以个用 户的a p d 积分输出。为了便于分析，图中的相关运算过程在光电转换以后实现 ( 实际使用中可以通过无源光学器件光纤延迟线实现) 。由于解扩前后背景光的 特性未发生改变，背景光噪声( f ) 在解扩以后加入。 2 3 1 系统误码率性能分析 文献【1 】分析得出，对于o c d m a 系统，码片异步系统的误码率性能优于码 片同步系统。本文考虑基于码片同步系统的系统误码率性能上限。根据文献【1 0 】， a p d 检测器在时间间隔( f ，t + t o ) 内，其平均吸收的光子数目为丑正，五为地址 码序列中发送光脉冲时的光子吸收率， 五：监( 2 3 1 ) 。 形 只为一个码片间隔内的接收光功率，r 为a p d 的量子效率，h 为普朗克常数，厂 为工作光频率。考虑到光电检测过程中存在的背景光噪声、暗电流噪声以及消光 比，a p d 总的光子吸收率五可表示为： 。f五+ 九+ i , b e 扣u 3 | me + a n + lb e 1 0 票薹嚣霪乌) 旺s 不发送光脉冲( 空号l 。 电子科技大学硕士学位论文 其中，五如( 2 3 1 ) 式所示，九表示由背景光o ) 引起的光子吸收率，厶序表 示由a p d 的体漏电流( 略电流的部分，光电检测过程中经雪崩放大) 引起的 光子吸收率，e 为电子电量，m 。为消光比。 第九个用户在比特时f + n 隔瓦内a p d 的积分输出可以表示为： z 。= 軎f4 p d ( 4 + 。o ) 饥。糖 ( 2 3 3 ) z 。近似为高斯随机变量【1 0 1 。由于l = 月：，将积分时间分为f 个码片间隔。 信号在a p d 探测之前先经过了与地址码序列相乘的解扩处理，因而只有与地址 码序列对应的世个码片时隙被选通。在k 被选通的时隙，个用户总共贡献了 n k 个脉冲( “0 ”或“1 ”) 。用l 表示在k 个选通时隙，来自其他n 1 个用户的 干扰( 多用户干扰，m u l f i u s e r a c c e s si n t e r f e r e n c e ，m a d 叠加， k l = i 。 ( 2 3 4 ) l - l i 。表示多用户干扰对地址码序列中第k 个传号光脉冲的撞击次数。假设用户发送 数据“l ”，则足+ l 个传号以丑。的光子吸收率被吸收，( n k 一( k + j 。) ) 个空号以 旯：m 。的光子吸收率被吸收。考虑到系统存在的背景光噪声、体漏电流、表面 漏电流以及热噪声，因此，a p d 的积分输出z 。的条件概率密度函数为： 其中， p 乙) 5 丽1 8 h 懈 i t 。= e l 【( 臣+ l 玩+ ( 五w 一僻+ j 。) ) 一m 。 ( 2 _ 3 5 ) + f ( 九+ l p ) + + f 乏，e ( 2 3 6 ) 盯矗= g 2 e t 【( k + l ) ，k + ( = 一( k + j 。) ) 2 j m 。 + f c k + j 。e ) l + f ( r j 。e + 盯i ) ( 2 3 7 ) 其中，g 为a p d 增益，凡为a p d 的体漏电流，l 为a p d 的表面漏电流，e 为 附加噪声因子： e = 谚g + ( 2 1 g ) 1 一k 毋) ( 2 3 8 ) 电子科技大学硕士学位论文 这里，k 够为a p d 的有效电离率。盯。2 为热噪声方差： 盯。2 = 2 k 。t ( e 2 r 。) ( 2 3 9 ) 其中，t 。为波尔兹曼常数，t 为接收机的噪声温度，r l 为接收机的负载电阻， 8 为电子电量。 假设用户发送数据0 ”，则f 。个传号以 的光子吸收率被吸收，( n k 一，。) 个 空号以z , i m 。的光子吸收率被吸收。考虑到系统存在的背景光噪声、体漏电流、 表面漏电流以及热噪声，因此，a p d 的积分输出z 。的条件概率密度函数为： 既( z li , 扣= 。) 。丽1 e h 。7 止嘻( 2 _ 3 1 。) 其中， 。= g 疋口。五+ ( k 。) 以m 。+ f + ，。e ) 】+ f t ，e ( 2 3 1 1 ) 盯。2 。= g2 e t p 。丑+ ( 匿一，。) x ；u 。+ f 魄+ 。肛) 】+ f 旺，肛+ 砖) ( 2 3 1 2 ) 对于判决电路，如果乙，则判决为发送端发送数据1 ，反之，则判为“0 ”。 则误码率只： 只= p ( o 溅= f ) f p 乙( z i l , , b = o ) d z ( 2 如) + p ( 1 境= f ) p 乙( z 1 1 。，b = 1 k 设先验等概，p ( o ) = p ( 1 ) = 1 2 ，结合_ 也= r ) = 筹( _ 1 p ( 1 一p ) + j ，则： 只斗种1 p ”+ 7 ( q ( 鼍群 一q ( 鼍焉删 ( 2 3 1 4 ) 其中，p 2 足2 2 f 2 ，q g ) = f 去8 。2 止出a 需要指出的是，由于判决的统计量 是在瓦的时间间隔内积累的电子数，因而判决门限劢也是电子数( 最佳门限与 具体采用的地址码序列、接收光功率、并发用户数、背景光计数以及接收机噪声 有关，需要通过仿真确定) ，如图2 5 所示。 电子科技大学硕士学位论文 2 3 2 数值计算结果及分析 根据公式( 2 3 1 4 ) ，本文给出了系统的误码率随判决门限、随用户数以及随 接收光功率变化的仿真曲线。系统地址码为( 5 7 x 5 7 ，8 ，1 ，1 ) 的m w o o c s 系统参数取值如表2 1 所示【1 0 1 ： 表2 1 系统参数取值 图2 5 是误码率随判决门限的变化曲线，用户数据比特率r 。= 1 g b p s ，接收 光功率只= 一3 0 d b m 。图中两条曲线对应不同的系统并发用户数，不同的系统参 数对应不同的最佳判决门限t h ( 门限砌为电子计数，在实际应用中可以通过 t h = z h 瓦转化为电流，e 为电子电量，瓦为比特时间间隔) 。 判挟门限t h 图2 5 误码率随判决门限t h ( 电子记数) 的变化曲线 电子科技大学硕士学位论文 由图2 5 可见，最佳判决门限与系统参数有关，不同的系统参数( 如接收光 功率、用户数等) 对应不同的最佳判决门限。另外，由图可以明显看到并发用户 数为5 的系统性能大大优于并发用户数为2 0 的系统。这是由于用户数的增加， 期望用户受到的多用户干扰随之加重，因而系统性能恶化。可见多用户干扰严重 影响系统的误码率性能。 图2 6 是误码率随用户数的变化曲线，曲线上的每一点均对应于最佳判决门 限，曲线1 、2 、3 、4 、5 分别对应于接收光功率只= 一3 0 d b m 、一2 5 d b m 、2 0 d b m 、 一1 5 d b m 以及仅考虑多用户干扰时系统的误码率曲线。图2 7 是误码率随接收光 功率的变化曲线，曲线上每一点均对应于最佳门限，曲线1 、2 、3 对应的用户数 分别为1 0 0 、5 0 、2 5 。由图2 6 、2 7 可以看到：随着接收光功率的增加，接收 机噪声( 暗电流、热噪声) 以及背景光噪声对系统的影响减弱，即误码率性能得 到改善；当光功率达到一定值以后( 选取本文中的参数，只“一1 2 d b m ) ，接收机 噪声及背景光噪声可以忽略，误码率曲线与仅考虑多用户干扰的情况基本重合， 在此基础上再增加光功率，误码率性能保持不变。即考虑系统中存在的多用户干 扰、接收机噪声和背景光噪声，图2 6 中的曲线5 是码片同步系统误码率性能的 下限。由图2 7 可以明显看到误码率饱和线。饱和线对应的误码率等同于系统仅 考虑多用户干扰时，特定的系统并发用户数对应的误码率。也即在特定的系统并 发用户数条件下，当光功率足够大，能够抑制系统中的背景光噪声、接收机噪声 时，此时限制系统性能的主要因素为多用户干扰；若要增加系统的并发用户数， 必修采用干扰抑制技术( 如多用户检测技术、信道编码技术等) 。 图2 6 误码率随用户数的变化曲线 ( 对应不同的接收光功率只) 1 4 电子科技大学硕士学位论文 图2 7 误码率随接收光功率只的变化曲线 ( 对应不同的用户数n ) 由于星间光通信链路传输距离大，光脉冲在传输过程中的几何损耗很严重， 到达接收机的光功率较小，因而系统中的背景光噪声、a p d 接收机噪声对系统 性能的影响相当严重。图2 8 是采用不同的m w o o c s 系统误码率曲线，用户数 据比特率r 。= 1 5 5 m b p s ，接收光功率只= 一3 5 d b m 。 图2 8 误码率随用户数的变化曲线 ( 对应不同的地址码) 曲线1 、2 是考虑多用户干扰、背景光噪声以及a p d 接收机噪声的误码率曲 线，对应的地址码分别为( 5 7 x 5 7 ，8 ，l ，1 ) 、( 7 3 x 7 3 ，9 ，1 ，1 ) 的m w o o c s ， 电子科技大学硕士学位论文 曲线上每一点均对应于最佳判决门限，在误码率小于1 0 4 的条件下，能够同时容 纳的并发用户数分别为7 和1 0 ，即系统的总容量分别为l ，0 9 2 g b p s 、1 5 5 6 g b p s ； 曲线3 、4 是仅考虑多用户干扰的系统误码率曲线，对应的地址码分别为( 5 7 x5 7 ， 8 ，1 ，1 ) 、( 7 3 7 3 ，9 ，1 ，1 ) 的m w o o c s ，能容纳的用户数分别是3 6 、6 6 ， 即系统的总容量分别为5 6 1 6 g b p s 、】0 2 9 6 g b p s 。由此可见，考虑了系统中存在 的背景光噪声、a p d 接收机的暗电流噪声以及热噪声，系统的总容量与仅考虑 多用户干扰的理想情况有很大的差异。为了克服这些噪声，增加系统容量，可以 在系统中采用纠错编码技术1 5 1 。 2 4 大气信道二维0 c d m a 系统误码率。眭能分析 对于大气信道o c d m a 系统，考虑的系统噪声为多用户干扰、大气闪烁、 背景光噪声以及a p d 接收机噪声。在大气激光通信系统中，由于湍流的影响， 门限的判定极为复杂，需要随时进行调整，本节分析的是基于脉冲位置调制 ( p u l s ep o s i t i o nm o d u l a t e ，p p m ) n3 m 1 的大气信道二维o c d m a 的误码率性能。 2 4 1 调制方式 目前应用于i m d d 系统中的调制方式由很多种，其中最一般的方式是开关 键控( o o k ) 。在o o k 系统中，通过在每一比特时间间隔内使光源脉冲开或关 对每个比特进行发送，这是调制光信号最基本的形式。为了进一步提高传输通道 的抗干扰能力，应用于大气信道的光通信系统很多采用了脉冲位置调制( p u l s e p o s i t i o nm o d u l a t e ，p p m ) 3 - 1 “。 p p m 是一种正交调制方式，单脉冲位置调制( m p p m ) 是将一个二进制的月 位数据组映射为2 ”( m = 2 “) 个时隙组成的时间段上的某一个时隙处的单个脉 冲信号。可见，一个m - p p m 调制信号每发送一个光脉冲对应的传输比特是 l 0 9 2 m 。 例如对于一个4 - p p m 调制，则每发送一个光 脉冲对应的传输比特数是2 。若比特序列为( o ，0 ) ， 则对应在第0 个时隙发送光脉冲；若比特序列为( 0 ， 1 ) ，则对应在第1 个时隙发送光脉冲；若比特序列 为( 1 ，o ) ，则对应在第2 个时隙发送光脉冲；若 比特序列为( 1 ，1 ) ，则对应在第3 个时隙发送光 脉冲。时隙0 、1 、2 、3 分别对应的位置如图2 9 图2 94 - p p m 的时隙位置 所示。图中瓦为原始比特序列中一个比特所占用的时间。 1 6 电子科技大学硕士学位论文 对于o c d m a 系统，设地址码的码长为f ，码片时间间隔为t 。 瓦。分别为o o k 调制、p p m 调制时的比特时间间隔，则 t = 了t b o o k = 学 则： 设瓦僦、 ( 2 4 1 ) 五洲2 f t c 棚“o o k2 去。亩 q 4 。2 = 器心删= 亡= 酉l 0 9 2 m 汜。 可见，在相同的码片时间间隔的条件下，采用o o k 调制的比特传输速率是4 p p m 赫悯去瓴 但是对于一个p p m 调制系统，它的平均发送光功率为p 。l o g ：m ( 设只是 码元为“1 ”的时候的发送光功率) ，而对于o o k 调制系统( 非归零码) ，在“0 ”、 “1 ”先验等概的条件下，平均的发送光功率为e 2 。因而p p m 调制的平均发送 光功率为o o k 调制的2 l o g ：m 。 由此可见，在相同的系统容量和码片间隔的条件下，p p m 调制没有优势； 而在系统的平均功率受限的条件下，p p m 则有明显的优势。此外，在o c d m a 系统中，o o k 解调时需要将瓦时间间隔内的解扩输出与判决门限作比较，大于 判决门限则判为1 ，反之则判为“0 ”。在大气激光通信系统中，由于湍流的影 响，门限的判定极为复杂，需要随时进行调整。且p p m 解调则不同，是通过比 较每个p p m 时隙与地址码的相关输出，选择最大的时隙作为p p m 调制的发送光 脉冲时隙，从而确定发送的信息比特序列，避免了判决门限的设定，具有较强的 抗干扰能力。