（通信与信息系统专业论文）大气激光通信中正交频分复用技术研究.pdf

大气激光通信中正交频分复用技术研究 1 1 | 摘要 大气激光通信( a t m o s p h e r i cl a s e rc o m m u n i c a t i o n ，a l c ) 是一种以大气为传输媒 介，利用激光作为信号载体来实现点对点、点对多点和多点对多点间语音、数据、图像 信息双向传输的通信技术，它在解决目前宽带网络通信中“最后一公里 问题和应急通 信等方面有着良好的应用前景。 在大气激光通信链路中，由于受到各种恶劣天气的影响，接收到的光信号能量会得 到衰减。此外，大气湍流还会引起光信号强度和相位的随机起伏，导致系统误码率性能 下降。因此，研究高性能的调制解调技术和信道编码技术已成为大气激光通信的重要课 题之一。论文主要从以下几个方面进行了研究： 1 、目前正交频分复用( o f d m ) 技术并没有成功地运用到大气激光通信领域中， 这主要是因为大气激光通信系统采用的是光强度调制，只能传送单极性实信号。鉴于这 种情况，本文采用了一种非对称限幅光正交频分复用( a s y m m e t r i c a l l yc l i p p e do p t i c a l o f d m ，a c o o f d m ) 技术，并把它运用到大气激光通信系统中。在大气湍流信道下， 对该调制方案的性能进行了仿真研究，并和传统的光强度调制技术进行了性能比较。仿 真结果表明在大气湍流( 湍流强度为= 0 2 ) 环境下，非对称限幅光o f d m 系统性能 要分别比直流偏置光o f d m 系统和o o k 系统提高了4 d b 和6 d b ，并且它也是目前光功率 效率最高的调制技术。 2 、在大气激光通信系统中，较高的峰值平均功率比( n 岬r ) 不仅会对系统性能带 来影响，还会对人眼或皮肤造成伤害。针对降低非对称限幅光o f d m 系统高p a p r 的问 题，本文对目前已经提出的降低无线o f d m 系统p a p r 的方法进行了研究，结果发现所 有这些方法都不能直接运用到非对称限幅光o f d m 系统中，因此本文对这些方法迸行了 结构上的改进，并对其性能进行了研究仿真。此外，在综合现有算法优点的基础上，本 文还提出了一种新的降低非对称限幅光o f d m 系统p a p r 的联合算法，通过仿真发现该 联合算法可以获得近5 d b 的p a p r 性能改善，很好地降低了非对称限幅光o f d m 系统的 p a p r 。 3 、由于非对称限幅光o f d m 系统采用的是强度调制直接检测，因此它与无线 o f d m 系统不同，系统只需要符号同步而不需要频率同步。根据非对称限幅光o f d m 符号的特点，本文提出了一种适合于非对称限幅光o f d m 系统的定时同步方法。与目 前存在的定时同步方法相比，该定时同步方法的性能不依赖于训练符号的选取，并且训 哈尔滨工程大学博士学位论文 练符号可以随机生成。并在各种信道环境下对训练符号的自相关性进行了仿真研究，仿 真结果表明该定时同步算法无论在向正确定时点的收敛速度上还是定时估计方差上，都 要优于其它算法，并且在定时估计方差上可以得到近5 d b 的性能改善，大大提高了非对 称限幅光o f d m 系统定时估计精度。 4 、l d p c 码是一种基于稀疏矩阵的线性分组码，其性能可以比t u r b o 码更逼近香农 限。因此，本文将l d p c 码作为信道编码应用到了大气激光通信系统中，并提出了将l d p c 码和非对称限幅光o f d m 强度调制相结合的系统方案，并在大气湍流信道中对该方案进 行了仿真研究。仿真结果表明l d p c 码具有优越的纠错性能，该方案对大气湍流引起的 光强闪烁具有很强的抗干扰能力，可以满足大气激光通信系统的要求。此外，在相同误 码率性能条件下，l d p c 码还降低了平均发射光功率，这对平均发射光功率严格受限的 大气激光通信无疑是至关重要的。 关键词：大气激光通信；非对称限幅光正交频分复用；低密度奇偶校验码；大气湍流 大气激光通信中正交频分复用技术研究 a b s t r a c t a t m o s p h e r i cl a s e rc o m m u n i c a t i o ni s ap o i n tt o p o i n ta n dm u l t i p o i a t - t o - - m u l t i p o i n t c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c ht r a n s m i t sv o i c e ，d a t a , i m a g ei n f o r m a t i o ni na t m o s p h e r eb y t h eu s eo fl a s e r 翘s i g n a lc a r r i e r i nr e c e n ty e a r s ，t h i st e c h n o l o g yh a sr e c e i v e dn o t i c e a b l e a t t e n t i o nd u et oav a r i e t yo fa p p l i c a t i o n si no v e r c o m i n gt h el a s t - m i l ep r o b l e ma n de m e r g e n c y c o m m u n i c a t i o n sf i e l d i na t m o s p h e r i cl a s e rc o m m u n i c a t i o nl i n k s ，t h er e c e i v e dl i g h ts i g n a le n e r g yi sa t t e n u a t e d d u et oav a r i e t yo fb a dw e a t h e r , a n da t m o s p h e r i ct u r b u l e n c ec a u s e sf l u c t u a t i o n si nb o t ht h e i 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 dl i g h ts i g n a ki m p a i r i n gr i n kp e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，t h e 咖d yo fh i g l lp e r f o r m a n c em o d u l a t i o na n dc h a n n e lc o d i n gt e c h n o l o g yf o rt h ea t m o s p h e r i c l a s e rc o m m u n i c a t i o nh a sb e c o m ea l li m p o r t a n ti s s u e a l le f f o r t sa r ec e n t e r e da sf o l l o w s 1 、o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) h a sn o tb e e nu s e di np r a c t i c a l a t m o s p h e r i cl a s e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h i si sb e c a u s eo f d ms i g n a l sa l eb i p o l a r , w h i l ei n a t m o s p h e r i cl a s e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mt h a tu s ei n t e n s i t ym o d u l a t i o n ( i m ) ，o n l yu n i p o l a r s i g n a l sc a l lb et r a n s m i t t e d b a s i n go r lt h i ss i t u a t i o n ，w ea d o p ta s y m m e t r i c a l l yc l i p p e do p t i c a l o f d mt e c h n o l o g ya n da p p l yi tt ot h ea t m o s p h e r el a s e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m f o rt h ec a s e o fa l la t m o s p h e r i ct u r b u l e n c ec h a n n d ，w ec o m p a r ea s y m m e t r i c a l l yc l i p p e do p t i c a lo f d m m o d u l a t i o na n dc o n v e n t i o n a lo p t i c a li n t e n s i t ym o d u l a t i o nt e c h n i q u e s ，a n ds i m u l a t i o nr e s u l t s s h o w st h a tt h ep e r f o r m a n c eo fa s y m m e t r i c a l l yd i p p e do p t i c a lo f d ms y s t e mh a su pt o4 d b a n d6 d bi m p r o v e m e n tt h a nd cb i a s e do p t i c a lo f d ma n do o ki na t m o s p h e r i ct u r b u l e n c e ( t u r b u l e n c ei n t e n s i t y = 0 2 ) c h a n n e l i th a sr e c e n t l yb e e ns h o w nt h a ta s y m m e t r i c a l l y c l i p p e do p t i c a l o f d mi sm o r ee f f i c i e n ti nt e r m so fo p f i c mp o w e rt h a no t h e ro p t i c a l m o d u l a t i o nt e c h n i q u e s 2 、i na t m o s p h e r i cl a s e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h eh i l g hp e a k - t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ( p a p r ) w i l ln o to n l yh a v ea i li m p a c to ns y s t e mp e r f o r m a n c e ，b u ta l s oh a v ed a m a g et ot h e h u m a ne y eo rs k i n t os o l v eh i 曲p a p ro fa s y m m e t r i c a l yd i p p e do p t i c a lo f d m s y s t e m ， 哈尔滨下程大学博士学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ii i 一i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i s o m es o l u t i o n st h a th a v e b e e np r o p o s e df o rw i r e l e s so f d ms y s t e mh a v eb e e ns t u d i e d b u ta l l t h e s em e t h o d sc a l ln o tb ed i r e c t l ya p p l i e dt ot h ea s y m m e t r i c a l l yc l i p p e do p t i c a lo f d m s y s t e m ，b e c a u s et h ea s y m m e t r i c a l l yc l i p p e do p t i c a lo f d ms y s t e ms i g n a l sa r er e a l i nt h i s p a p e r , t h e s em e t h o d sh a v eb e e na d a p t e d ，a n dp e r f o r m a n c eo ft h e s em e t h o d si sa n a l y z e d i n a d d i t i o n ，b a s i n go nt h ea d v a n t a g e so fe x i s t i n ga l g o r i t h m s ，an e wj o i n ta l g o r i t h m i sp r e s e n t e d s i m u l a t i o n sr e s u l t ss h o wt h a tt h ej o i n ta l g o r i t h mg a l la c h i e v en e a r5 d bp e r f o r m a n c e i m p r o v e m e n t ，a n dc a nr e d u c et h ep a p ro fa s y m m e t r i c a l l yc l i p p e do p t i c a lo f d ms y s t e m e f f i c i e n t l y 3 、i na s y m m e t r i c a l l y c l i p p e do p t i c a lo f d m , u n l i k er f o f d m ，1 1 0f r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o ni sr e q u i r e db e c a u s et h es i g n a l su s e di na s y m m e t r i c a l l yc l i p p e do p t i c a lo f d m a r ei n t e n s i t ym o d u l a t e d i nt h i sp a p e ran e wt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o nm e t h o dd e s i g n e df o rt h e c h a r a c t e r i s t i c so fa s y m m e t r i c a l l yc l i p p e do p t i c a lo f d mi s p r e s e n t e d c o m p a r e dw i t h e x i s t i n gs y n c h r o n i z a t i o nm e t h o d s ，t h ep e r f o r m a n c eo fp r o p o s e dt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n m e t h o dd o e sn o td e p e n do nt h es e l e c t i o no ft h et r a i n i n gs y m b o l sa n dt r a i n i n gs y m b o l sc a l lb e r a n d o m l yg e n e r a t e d t h ea u t o c o r r e l a t i o np r o p e r t i e so ft h et r a i n i n gs y m b o la r es t u d i e di n v a r i o u sc h a n n e lc o n d i t i o n sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o di nt e r m so f t h ec o n v e r g e n c er a t et of i g h tt i m i n gp o i n to rt h ev a r i a n c eo nt h et i m i n ge s t i m a t i o n ，i sb e t t e r t h a no t h e ra l g o r i t h m s ，a n dt h ev a r i a n c eo nt h et i m i n ge s t i m a t i o nc a l lb ec l o s et o5 d b p e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h en e wt i m i n g s y n c h r o n i z a t i o nm e t h o di se f f e c t i v ei na s y m m e t r i c a l l yc l i p p e do p t i c a lo f d ms y s t e m 4 、l o wd e n s i t yp a r i t yc h e c kc o d e sa r el i n e a rb l o c kc o d e sb a s i n go ns p a r s em a t r i x ，a n d t h ep e r f o r m a n c eo fl d p ci sm o r en e a rs h a n n o nl i m i tt h a nt u r b oc o d e s t h e r e f o r e ，l d p ca s c h a n n e lc o d i n gi sa p p l i e di n t ot h ea t m o s p h e r i cc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n dan e wp r o g r a mi n w h i c hl d p ci sc o m b i n e dw i t ha s y m m e t r i c a l l yc l i p p e do p t i c a lo f d mi n t e n s i t ym o d u l a t i o ni s p r o p o s e d t h en e wp r o g r a m i ss i m u l a t e di nt h ea t m o s p h e r i ct u r b u l e n c ec h a n n e l n e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tl d p cc o d e sh a v ee x c e l l e n t 豇 r o rc o r r e c t i o nc a p a b i l i t i e s t h e a b o v es c h e m eh a ss t r o n ga n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t yt ol i g h ti n t e n s i t yf l u c t u a t i o nc a u s e db y a t m o s p h e r i ct u r b u l e n c ea n dc a ns a t i s f yt h en e e do fa t m o s p h e r i cl a s e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 大气激光通信中正交频分复用技术研究 u n d e rt h es a m eb e rp e r f o r m a n c e ，l d p cc a nr e d u c et h ea v e r a g et r a n s m i t t e do p t i c a lp o w e r , w h i c hi sv e r yi m p o r t a n ti na t m o s p h e r i cl a s e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw h e r et h ea v e r a g e o p t i c a lp o w e r i ss t r i c t l yl i m i t e d k e y sw o r d s ：a t m o s p h e r i cl a s e rc o m m u n i c a t i o n ；a s y m m e t r i c a l l yc l i p p e do p t i c a lo f d m ； l o w d e n s i t yp a r i t yc h e c kc o d e s ；a t m o s p h e r i ct u r b u l e n c e 第l 章绪论 1 1 研究背景及课题来源 第1 章绪论 在上世纪末的光纤通信网络发展热潮中，光纤骨干网络的建设一直是人们关注和厂 家投入的重点。经过多年的努力，我国多数城市已基本实现光纤到路边( f t t c ) 、光纤 n 4 , 区( f t t z ) 的架构，光纤骨干网建设基本成型。进入2 1 世纪，人们开始将目光投 向了从路边、小区到用户，即从骨干网到客户终端那所谓的“最后一公里，它已经成 为光纤宽带接入的瓶颈。所谓“最后一公里”瓶颈，是指随着信息技术的飞速发展，原 有的网络所采用的以铜为导体的电接入方式，让光信息流进入终端前一刻不得不变成了 电信息流，从而使得信息传输速度大为降低n 1 。为了使用户最终能够摆脱窄带的瓶颈约 束，各种技术与方案层出不穷，数字用户线路( d s l ) 、电缆调制解调器，光纤和微波 通信等方案已经得n t 不同程度的普及与应用。从目前的网络环境看，它们不失为较好 的选择，但也存在着相应的缺点：d s l 只能够为用户提供1 4 4 k b i t s 的接入速率，其带宽 太低，因此d s l 不能算是解决“最后一公里瓶颈问题的最可行的解决方案；虽然电缆 调制解调器可以提供约3 0 m b i t s 的接入速率，但是多个用户必须分享同一根电缆，当多 个用户同时使用时，分配给每个用户的接入速率就大大降低了；可以通过为每个用户铺 设光纤来解决接入的瓶颈问题，但光纤较长的敷设周期及高额投资限制了其普及，一旦 用户离开，通信业务提供商连收回成本都会变得十分困难；微波技术目前已经日渐成熟， 但这种接入方式需要高额的初始投资( 频谱许可证) ，对通信业务提供商而言，这种接 入技术并不经济瞳1 。与此同时，本世纪初一种新的无线连接传输技术逐渐成型，这就是 被称做大气激光通信技术。大气激光通信是一种近地面无线激光通信，它不是把数据流 封装在光纤内，而是把大气作为传输介质进行数据传输，因此大气激光通信又被称为虚 拟光纤通信口儿钔。大气激光通信是一种非常有发展潜力的宽带接入技术，它可以完全解 决“最后一公里 瓶颈问题，尤其是在人口密集的城市地区儿6 】【7 】。大气激光通信系统的 光收发射机可以安装在建筑物的屋顶或窗户上，当与本地的通信中心进行通信时，通信 中心可以为每个用户提供单独的无线光通信链路。从个人用户到通信中心的视线距离一 般应该保持在低于1 公里，但在具有许多高层公寓的大城市，这个通信距离将要小于1 0 0 米阳儿n 们。大气激光通信具有保密性好，抗干扰性强、通信容量大、安装灵活，开通方 便快捷、费用低廉等特点，并且可以应用在不适宜敷设光纤的环境中，因此大气激光通 哈尔滨工程大学博士学位论文 信是解决宽带接入最后一公里的最佳方式。 由于大气激光通信是以大气为传输介质，而大气不是一个理想的光通信信道，各种 恶劣天气都会对传输的激光信号产生不利的影响，系统的误码率性能取决于大气环境。 这一直是大气激光通信技术在市场上没有得到广泛推广的重要原因。鉴于这种情况，及 对高质量、高速率的信息传输的需求背景，本文对大气激光通信中调制解调技术和信道 编码技术进行了研究。 本课题的研究来源于国家自然科学基金“激光通信信号接收新方法研究 ( 项目编 号：6 0 6 0 2 0 0 7 ) 。 1 2 大气激光通信国内外研究概况 1 2 1 国外研究状况 目前，美国、欧洲和日本在大气激光通信链路理论研究和实验系统研制方面已取得 重大突破，目前正在加紧进行大气激光通信系统工程化的研制工作。 美国大气激光通信的研究始于2 0 世纪7 0 年代，主要研究机构有国家航空和宇航局 ( n a s a ) 、喷气推进实验室( j e tp u l s i o nl a b ，j p l ) 、l u c e n t 公司和a s 臼o t e r r a 公司， 其研究技术水平处于世界领先地位。其中，j p l 被公认为在大气激光通信领域的研究成 就最突出， 19 9 4 年j p l 研制成功了o c d ( o r t i c a lc o m m u n i c a t i o nd e m o n s t r a t o r ) 通信 端机演示系统，它主要用于超远距离星地激光通信，传输速率为2 5 0 m b i t s ，该实验系 统采用开关键控( o o k ) 调制方式和0 8 5 1 m a 通信光波长。1 9 9 8 年2 月，l u c e n t 公司制 造了一套1 0 g b i t s 的大气激光通信实验系统，最大极限通信距离可以达到5 k m 。为了消 除建筑物摆动对大气激光通信系统的影响，a s t r o t e r r a 公司在该系统中加入自动跟踪系 统，采用内置相机获得方向的变化量，并反馈给电子执行单元，这样以保持光束的准直 性。1 9 9 8 年8 月，l u c e n t 公司和a s t r o t e r r a 公司对大气激光通信系统的原型机进行了测 试，传输距离为2 5 k m ，数据传输2 5 g b i t s 1 1 o2 0 0 0 年，l u c e n t 公司又进行了4 0 g b i t s 密集波分复用4 4 公里大气激光通信实验，在2 0 0 1 年则进行了目前通信容量最大的通信 系统实验，采用光纤放大器，可以在2 0 0 m 的通信距离，实现2 0 g b i t s 至1 6 0 g b i t s 码率 的数据通信。 欧洲主要的光通信研究机构是欧洲航天署( e s a ) ，参与研究的还有m a t r am a r c o n i s p a c e 公司、o e r l i k o n c o n t r a v c s 公司等。e s a 在1 9 7 7 年夏天就开展了关于空间高数据 率激光链路调制器评估的科研工作，这标志着e s a 长期涉足空间光通信领域研究的开 2 第l 章绪论 始。e s a 从1 9 8 5 年开始实施s i l e x 计划，其主要目的是在实验的基础上，研制并验证 所有有关卫星间激光通信的单元技术和系统技术。s i l e x 系统1 羽n 蛐小1 5 m 町是欧洲第一个 完整意义上的星间激光通信系统，也是世界上首次实验成功的星间激光通信系统。在此 基础上，法国的s p o t - 4 地球观测卫星与静止轨道e s a a r t e m i s 通信卫星在s i l e x 计 划框架下顺利建立了光通信链路，该系统传输距离4 5 0 0 0 k m ，系统采用了波长范围为 7 9 7 。8 5 3 n m 的半导体激光器，激光器平均输出功率为6 0 r o w ，光束发散角为1 0 1 6 r t r a d ， 并完成了5 0 m b i t s 的图像数据激光传输实验，系统误码率小于1 0 - 9 。e s aa r t e m i s 卫 星与日本k i r a r i 卫星于2 0 0 5 年1 2 月实现了首次双向光学链路通信，这是全球首次成 功实现的星间双向激光通信实验。 日本是较早进入大气激光通信研究的国家之一，从2 0 世纪9 0 年代中期以后，日本 在空间光通信领域内的发展非常迅速且取得了重大突破，主要进行卫星间的空间光束跟 踪技术研究，以及地空激光通信技术的理论和实验研究。其主要研究机构有宇航开发 事业署0 n a t i o n ms p a c ed e v e l o p m e n ta g e n c yo fj a p a n ，n a s d a ) 、通信研究实验室 ( c o m m u n i c a t i o nr e s e a r c hl a b ，c r l ) 、n e c 以及东芝公司。有代表性的系统是n a s d a 支持的l u c e ( l a s e ru t i l i z i n gc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t ) 系统和c r l 研制的激光通信设 备( l a s e r c o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t ，l c e ) 口钉n 叭1 9 1 。l c e 设备装在日本的e t s v i 卫星上， 1 9 9 5 年与美国大气观测卫星在3 2 0 0 0 k m 距离上成功进行了8 分钟的双向激光数字通信。 1 9 9 5 年7 月，e t s - v i 实现了卫星与地面站之间的双向光通信。1 9 9 5 年1 1 月至1 9 9 6 年5 月，e t s - v i l c e 还与美国j p l 成功地进行了卫星与地面站之间的光通信实验，在 3 7 8 0 0 k m 距离上实现了传输速率为1 0 2 4 m b i f f s 、误码率为l o - 6 的通信。e t s v i l c e 激 光通信演示系统是自由空间激光通信技术的研究史上高度成功的范例之一，大大加快了 空间光通信的实用化进程。 1 2 2 国内研究状况 国内大气激光通信的研究相对起步较晚，但在国家大力发展空间技术的背景下取得 了很大的进步。据不完全统计，国内有电子科技大学、哈尔滨工业大学、电子科技集团 3 4 所、中国科学院上海光学精密机械研究所、中科院成都光电技术研究所、武汉大学等 单位对大气激光通信技术和系统进行了不同程度的深入研究，在大气激光通信整机研制 或大气信道专利技术研制方面取得了丰富的成果。电子科技集团3 4 所早在1 9 9 7 年曾派 人到国外学习先进的激光通信技术，之后组建了大气激光通信技术攻关小组。经过多年 哈尔滨工程大学博士学位论文 的努力，该所已经成功地开发了一系列的大气激光通信设备，其数据传输速率从 2 m 2 5 g b i t s ，通信距离可达4 k m ；工作波长有8 5 0 n m 和1 5 5 0 n m ；光发射功率小于 4 0 m w 。中科院成都光电技术研究所利用自身在光学器件上的优势，并结合国外公司先 进的激光器技术，开发出了工作波长为8 5 0 n m ，可以传输1 4 k m 的产品。该产品的数 据传输速率为1 0 m b i t s ，光发射功率为3 3 0 r o w 。2 0 0 3 年，中科院上海光机所推出了 具有自动跟踪功能的大气激光通信样机，自动跟踪系统采用双波长同光路接收镜筒和高 灵敏度探测器，实现灵敏的伺服跟踪，并简化了大气激光通信系统的机械结构啪3 。该样 机的通信距离可以达到2 k m ，数据传输速率可达6 2 2 m b i t s ，自动跟踪系统的跟踪精度 为0 1 m r a d ，响应时间为0 2 s 。武汉大学在2 0 0 2 年完成了4 2 m b i t s 的多业务大气激光通 信试验，并在2 0 0 4 年完成了全空域大气激光通信自动跟踪伺服系统实验。 1 3 大气激光通信系统的组成及关键技术 光接收天线 图1 1 大气激光通信系统组成框图 f i g1 1b l o c kd i a g r a mo fa t m o s p h e r i cl a s e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 要实现激光在大气中的通信传输须具备三个基本环节：光发射机、光接收机以及捕 获、跟踪和瞄准子系统( a c q u i s i t i o np o i n t i n ga n dt r a c k i n g ，a p t ) 胁3 。大气激光通信 系统中光发射机的主要组成有：l 、信号输入、处理和调制器；2 、激光器；3 、光学发 射系统。其中核心是激光器，激光器需要两支，一支是信标激光器，一支是信号激光器。 大气激光通信系统中光接收机的主要组成有：1 、接收光学系统；2 、光探测器；3 、低 噪声前置放大器、信号处理及解调器。大气激光通信系统中的a t p 是一个光、机、电结 合的精密综合技术。由于激光信号的发散角非常小，因此信号的捕获、跟踪和瞄准是一 个非常困难的过程。a t p 控制子系统的主要目的是保持光发逍接收终端精确定向嘲o 4 第l 苹绪论 光发射机、光接收机以及a t p 控制子系统这三部分紧密配合，缺一不可。通过对大气激 光通信系统的组成结构的分析可知，大气激光通信主要包括以下六个方面的关键技术 【儿2 4 】 ( 1 ) 调制解调技术与信道编码。 ( 2 ) 激光器技术。 ( 3 ) 光学收发天线与精密、可靠的光束控制技术。 ( 4 ) 高灵敏度抗干扰的光信号接收技术。 ( 5 ) 快速、高精确的捕获、跟踪和瞄准技术。 ( 6 ) 大气信道中的自适应光学技术。 1 4 大气激光通信技术的优势和需要解决的问题 大气激光通信作为宽带通信的接入方式之一，综合了光纤通信和无线电通信的优 点，与目前常用的微波通信、光纤通信及毫米波接入等通信技术相比，其主要的技术优 势为 ( 1 ) 无需频率申请 大气激光通信工作在无需频率管制的光频，其工作频段为3 2 6 一- , 3 6 5 t h z ，比微波频 率高3 5 个数量级，这一频段目前没有开设业务，不存在电磁干扰的问题，不会与其 它的传输信号发生干扰，无需像无线电通信那样申请频率许可证嘶1 。 ( 2 ) 发射光束窄，方向性好，能量密度高 光波衍射极限发散角正比于波长。设系统使用的光波长为力，发射天线的孔径为d ， 光波衍射极限发散角为乡，则 护= 1 2 2 2 d( 1 1 ) 激光波长大致在微米和亚微米量级，比微波波长d , 3 5 个数量级，因此，一般条件 下，激光波束比微波波束的发散角小3 5 个量级，较窄的发散光束意味着在相同传输信 道及相同发射功率条件下，在相同传输距离处的接收光束具有较高的能量密度，这将为 减小接收机设计难度创造一定的条件；也为减少系统功率、适应长距离传输提供了基本 条件。 ( 3 ) 高度的保密性，设备间相互干扰少 根据电磁波波谱图可知，光通信波谱包括可见光和不可见光两部分，目前大量使用 的0 8 p x n 一1 5 5 1 x r n 波段光通信属于不可见光通信，因此，通信传输的可见性来讲，大气 哈尔滨工程大学博士学位论文 激光通信具有一定的保密性。由于激光束很窄，特别对于空间应用来讲，对不可见窄光 束的捕捉或截取非常困难。同时，和微波、毫米波通信相比较，大气激光通信具有视距 传输的特点。所谓视距传输就是光束在传输过程中，一般条件下在发射、接收端之间所 建立的链路通信信道中应不存在和传输光束直径相当或大于传输光束直径的遮挡物，否 则，通信链路将被中断。 激光的频率极高，普通电磁干扰的方法无法对其进行破坏；同时激光也不会对其他 电子设备造成干扰。 ( 4 ) 组网速度快 大气激光通信组网速度快，只需在通信点上进行设备安装，工程建设以小时或天为 计量单位，适合临时使用和复杂地形中的紧急组网，重新撤网部署也很方便。因此，当 发生自然灾害或事故而使常规光纤通信中断时；当河流、湖泊、港湾、岛屿或其它自然 因素阻碍光纤敷设时；当出现地广人稀、条件恶劣、技术上或经济上不宜敷设光纤时； 当不宜采用或限制使用射频通信( 如机场、电站等地方) 时，大气激光通信就可以提供 经济有效快速的解决方案，提供包括语音、数据、有线电视和因特网的接入汹1 。 ( 5 ) 协议的透明性 大气激光通信产品属于物理层设备，与上层协议无关，因而任何传输协议均可很容 易的叠加上去，对语音、数据、图像等业务都可以做到透明传送。 ( 6 ) 光天线尺寸小，端机体积小 根据电磁波理论中的波长同比定理，用于电磁波发射、传输及接收的器件的尺寸与 波长成正比。因此，大气激光通信系统涉及到的诸如收发光学天线、发射部件、接收部 件等器件的尺寸相对较小，端机整体体积可以设计制作的较小，整体体积小型化的特点 将使其非常适合于在空间环境中应用。系统接收、发射天线孔径大小与天线增益之间的 关系模型可以比较典型地说明大气激光通信具有的以上特点。 光学天线增益一般定义为从天线发射的光波强度与相同辐射功率条件下理想的各 向同性辐射强度的比值。令激光发散角为口，发射天线孔径为d ，对于无遮挡型光学天 线系统，在光轴上( 秒= 0 ) 的发射天线对数增益为q ，则 g f ：1 0 1 0 9 g ( o ) 一1 0 l o g 浮娑) ( 1 2 ) 以。 如果通过接收天线接收的光束可以作为平面波进行处理，即接收光束的能量分布为 均匀分布，令接收天线孔径为a ，则在上述假设前提条件下的接收天线对数增益g r 为 6 第l 苹绪论 g ，= l o l o g 洋) 2 ( 1 3 ) 对以上有关发射及接收天线增益与天线尺寸之间的关系模型的分析可知，由于光波波长 较短，在相同增益条件下，大气激光通信系统光天线大小的设计尺寸可比微波、毫米波 通信天线尺寸小很多。 ( 7 ) 频带宽，传输信息容量大 微波频率大致在数g h z 到数十g h z 量级，而激光的频率大致在数百t h z 量级，比 微波基频高3 5 个数量级，光波作为信息载体可以传输几十g b i t s 的数据码率，甚至更 高。大气激光通信接入与光纤接入有近似的带宽容量，目前已经商用的光无线通信设备， 最高速率已达2 5 g b i t s ，实验室里最高传输速率已达到1 6 0 g b i t s 。 尽管大气激光通信具有以上众多优点，但同时它也存在许多需要解决的问题： ( 1 ) 大气随机信道对光波传输的影响 地球大气层中充斥着许多被地球引力束缚的大气气体分子和大气气溶胶粒子，大气 激光通信链路中激光传输将通过全部近地大气层，并在传输过程中与这些粒子、分子相 互作用，从而产生和形成激光传输大气效应影响，这种影响体现为光场传输波前的幅度 效应和空间相位效应。幅度效应表现为随时间变化的光场，包括功率损耗、功率波动、 频率滤除；空间效应表现为光束传输方向改变、光束扩展以及波前相位变化、相位相干 性变化等饼1 。上述效应具有随时间、空间变化的特点，且对不同光学系统的影响各不相 同，在一定条件下，有些湍流效应会严重阻碍系统正常设计性能的发挥。目前来讲，这 种影响是阻碍大气激光通信实用化的最主要原因之一。 ( 2 ) 通信距离受限 尽管大气激光通信具有发射光束窄、能量密度高的特点，但是在远距离传输条件下， 光波束还是会随传输距离的增加而慢慢变宽，超过一定距离后光接收机探测接收到的光 能量一般都比较微弱或难以被接收端正确接收，因此信号传输质量与通信距离的矛盾非 常突出。目前研究表明，通信距离在l k m 以下时大气激光通信系统才能获得最佳的效率 和质量。 ( 3 ) 高精度、高概率、快速的光束对准 大气激光通信在保密通信及电子对抗领域得到广泛重视的重要原因之一是大气激 光通信具有发射光束窄的特点。对于不可见光窄光束的捕获或截取非常困难，但是对目 标的捕获却是建立和维护大气激光通信链路的基本条件。但即使在系统对准以后，由于 大气激光通信的收发设备一般都安装在高的建筑物之上，因此建筑物自身的摆动和大风 7 哈尔滨工程大学博士学位论文 都会造成光路的偏移，这样大气激光通信质量就很难得到保障。因此如何实现高精度、 高概率、快速的光束对准是目前实现大气激光通信链路的关键之一，但它也是一个技术 难点。 ( 4 ) 激光的安全问题 由于大气激光通信使用激光传输，超过一定功率的激光可能对人眼或皮肤产生影 响，所以安全问题一直受到人们的广泛关注。对大气激光通信系统要制定严格的国际标 准以保证人眼或人体的安全。 1 5 论文的主要工作及结构安排 本课题主要研究了大气激光通信中光正交频分复用技术的相关问题，并取得了一些 研究成果，论文研究的主要内容安排如下： 第1 章较为详细地介绍了国内外大气激光通信的发展动态，同时描述了大气激光 通信系统组成及关键技术。此外，还阐述了大气激光通信技术的优势及劣势。 第2 章分析了激光信号在大气信道中传输时，各种大气环境对激光信号传输质量 的影响。其中，重点研究了大气对光信号能量的衰减效应和大气湍流效应。此外，在大 气湍流信道下研究了光束传输问题，分别给出了强、弱大气湍流环境下