《深空光通信》PPT课件.ppt

深空光通信 导师 王汝言指导老师 赵辉学生 王钦波 目录 背景介绍深空光通信的关健技术关健技术中关注的点后续工作 2 什么是深空通信 深空通信是相对于 近空通信 而言的 近空通信 指的是地球轨道上运行的航天器与地球上的实体之间的通信 通信距离为数百至数万公里 深空通信指的是地球上的实体与离开地球卫星轨道进入太阳系的航天器之间的通信 通信距离达几十万 几亿至几十亿公里 3 深空通信的特点 通信距离极其遥远 链路损耗大 接收信号极其微弱 接收信噪比低 由于信号传输距离及其遥远 导致信号传输时延很长 航天器上的通信系统要求具有极高的可靠性 由于深空探测器平台大小的限制 发射天线增益有限 信道为AWGN 加性高斯白噪声 模型 4 为什么要在深空通信中引入光通信 具有更小的发射接收天线 通信组件体积更小 重量更轻 能量集中在很窄的光波束范围内 具有很高的调制带宽 这将直接增加通信的容量 提高通信速率 5 目录 背景介绍深空光通信的关健技术关健技术中关注的点后续工作 6 深空光通信的关健技术 深空光通信技术除了有一般光通信技术的特点外 因为其应用环境的特殊性而有自己的特殊要求 下面给出一些制约深空光通信技术发展的关键技术 7 1 光束准直及天线技术 由于光束传送距离远 发射功率有限 因此要求激光发射光束非常小 且必须进行准直 发射和接收天线的效率及接收天线的孔径都对系统的接收功率有重要影响 对空基的航天器 如卫星来说则不可能把光学天线的孔径做很大 一般只有几十厘米 至于执行深空探测任务的航天器则更要求天线的尺寸是越小越好 制造大孔径的光学天线 需要很高的造价 制造小孔径的光学天线又必须保证发射接收的效率 所以光学天线技术对于未来在深空探测领域应用光通信技术十分重要 是直接关系通信质量以及航天器尺寸的关键性技术 8 2 高码率调制 高能量转换效率的光发射技术 星间光通信系统具有远距离高码率特点 这对光发射模块提出了很高的要求 一方面要求激光器有很好的性能 输出的激光应具有单纵模 基横模 线宽小的特性 保证激光器在高码率调制下啁啾系数小 另一方面要求激光器的功率要高 因此需要解决激光器高功率与高调制速率这一矛盾 此外 光源的热稳定性 频率稳定性以及工作寿命等性能都是需要解决的技术 目前研究较多的是主振荡功率放大器 MOPA 以及掺杂光纤放大器 DFA 3 高灵敏度和高抗干扰性的光信号接收技术 10 在深空光通信系统中 接收机接收到的信号十分微弱 同时又有高背景噪声的干扰 为了精确的接收信号 通常采用提高接收机灵敏度和对接收信号进行处理的办法 首先光电探测器的性能直接影响到系统的误码率以及灵敏度性能 对于深空这种距离远 噪声影响较大的信道来说 高量子效率 QE 高响应速度以及很低的暗电流噪声的探测器无疑成了追求的目标 现在运用及研究最多的是雪崩光电二极管 APD 类的探测器件 也提出了一种新型的光子计数探测器阵技术 其次是对接收的信号进行处理 为此需采用光窄带滤波器 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 4 调制与编码技术 调制与信道编码技术的引入可以很好的提高系统的功率利用率 频带利用率以及误码率性能 光通信中最普遍的调制方式是开关健控调制 OOK 但是其功率利用率很低 现在在空间光通信中应用最多的是脉冲位置调制 PPM 但是它在带宽以及传输容量方面尚有不足 现在又提出了许多像差分脉冲位置调制 DPPM 和数字脉冲间隔调制 DPIM 这样的调制方式 信道编码的引入极大地改善了系统的误码性能 深空探测通信中的 黄金搭配 卷积码与RS码的级联被引入到了光通信中 目前研究的作为Turbo码其中一种的串联卷积码与PPM的联合应用已经得到了香农限制仅0 7dB的成果 还有就是LDPC码 11 5 捕获 瞄准和跟踪技术 APT 在空间中进行无线的激光通信 要求通信的两个终端必须精确对准 这样才能保证通信的正常进行 空间中的航天器都有其固定的运行轨道 但受各种因素的影响会发生微小的偏移 有时甚至是较严重的偏移 而且航天器产生自振动 使得对光学终端快速和精确地捕获 瞄准和跟踪成为深空光通信成功与否的决定性因素以及影响通信性能优劣的重要因素 在未来 它还是深空光通信中最为重要的关键技术 内容目录 背景介绍深空光通信的关健技术关健技术中关注的点后续工作 13 关健技术中关注的点 调制信道编码ATP 常用的调制方式OOK PPM DPIM DH PIM DH PIM是DPIM调制方式的改进形式 DH PIM的调制方式和DPIM相类似 但采用两种起始脉冲 DH PIM与其它几种调制方式的比较 各调制方式与发射端信息比特的对应关系 平均功率需求 平均带宽需求 信道容量 深空通信的编码 深空通信中比较成熟的编码方式包括线性分组码 循环码 卷积码和交织编码 Turbo码和LDPC码可以较大地提高编码增益 也是深空通信中常用的编码方式 此外 还采用级联码以及编码和调制相结合的编码调制方式 深空通信中可采用以下级联码 RS码 外码 卷积码 内码 译码采用维特比译码 LDPC 外码 Turbo码 内码 CCD图像探测器 四象限探测器 A B C D 0 A C B D 0 目录 背景介绍深空光通信的关健技术关健技术中关注的点后续工