毕业设计－基于ook调制的fso半盲信道估计方法研究

毕业设计－基于ook调制的fso半盲信道估计方法研究内容摘要：

信 宿 无线备份环路 7 价格更高，但在功率、传输距离和视觉安全方面有更好的表现。 1550 纳米的红外光波大部分都被角膜吸收，照射不到视网膜，因此，相关安全规定允许 1550 纳米波长设备的功率可以比 850 纳米波长设备高两个等级。 功率的增大，有利于增大传输距离和在一定程度上抵 消恶劣气候给传输带来的影响 [20]。 若是在室外使用，允许激光器发射功率为几百毫瓦，这些系统一般置于楼顶等高处。 室内使用的激光器发射功率在不同的波长时的功率限制值见表 21。 表 21 发射功率限制值 可见光 红外 红外 红外 发射波长 650nm 850nm 1310nm 1550nm 最大发射功率 808nW 10nW (2) 信号调制 激光是一种光频带内的电磁波，要用激光作为信号的载波，就必须要解决如何将信号、信息加到激光辐射出去的问题，如果用激光通信，就需要将信号加载于激光，由激光“携带”信息通过一定的传输通道送到接收器，再由光接收器鉴别并还原成原来的信息，从而完成通信的目的。 激光光波的电场强度： ℯc（ t） = Ac cos（ ωct+ϕc） () 式 ()中 Ac为振幅； ωc 为角频率； ϕc为相位角。 既然作为信息载体的激光具有振幅、频率、相位、强度、偏振等参量，如果利用某种物理方法改变光载波的某一参量，使其按照调制信号的规律变化，那么，激光就受到了信号的调制，达到了运载信号的目的。 调制方式有内调制和外调制两种。 把被信息信号调制了的电信号直接加到光源上（或电源）上，使光源发出随信息信号变化的光信号称为内调制。 把调制元件（如光电晶体等）放到光源之外，使被信息信号调制了的电信号加到调制晶体上，当光束通过晶体后，其光束中的某个参数（强度、频率、相位、偏振等）随电信号变化而变化，从而成为载有信息的光信号 称为外调制。 无论是外调制还是内调制，每一种调制方法都有各种不同的调制形式，主要有脉冲调幅、脉冲调宽和脉冲调频。 此外内调制还有脉码调制，外调制中有振幅调制、频率调制、脉码调制、偏振调制等。 在光通信中，强度调制使用最普遍，是一种成熟的调制方式。 强度调制是一种使输出激光辐射强度按照调制信号的规律变化的调制方法，其中光载波电场振幅的平方与调制信号成正比 [21]，即 Ac２ ∝ a(t)。 根据无线光通信系统中光端机的特点和技术实现的难易程度，本系统选择光强度调制。 （ 3）电信号接口电平 众所周知，在 TTL 电平， CMOS 电平， ECL 电平中， ECL 电平能传送较高速率的信号，但是 ECL 电平需要正负电源，如果采用单一电源供电，则 ECL 电平就成了 PECL 电 8 平，其传输速度和 ECL 电平一样。 无线光端机要实现高速数据传送，传送速度从 155Mbps 到 ，甚至更高，显然只有 PECL 电平和 ECL 电平才能满足要求。 此外 ECL 电路既可以传送数字信号，又可以传送模拟信号，而 TTL 电平和 CMOS 电平则不行。 以此，我们首选 PECL 电平，其次为 ECL 电平。 至于传送的到底是模拟信号还是数字信号 对光发射模块都一样，只不过是激光器的静态工作点不同而已。 （ 4）光自动功率控制 由于激光器的发射功率会随着激光器的老化，温度的变化等原因而变化。 为了保证激光器能发出稳定可靠的光功率，激光器的驱动部分必须有自动功率控制。 光天线 无线光通信系统的光天线实际就是光学透镜，按照具体情况选取不同的透镜型式。 天线的孔径直接影响了天线的增益，一般来说，孔径越大，增益越大；但是孔径增大，天线体积和重量也要增加，所以应当选取合适的天线孔径。 （ 1） 多光束传输 在点到点的光纤通信中，由于光在光纤中传输，不会受到大气、落叶、雨、雪、雾等环境的影响，但是在自由空间通信中，则会受到这些条件的影响。 为了保证可靠通信，用多路激光同时发射和接受，即可以减小每路激光通信的光功率又可以实现多点接收，增大接收机接收的光信号强度，从而减少误码率，提高通信质量。 为了既能够显著提高通信质量，又可以避免无线光端机成本大幅增加，合适的选取通信路数就尤为重要。 用四路激光同时发射和接收，可以很好的提高系统性能，而光学天线体积增幅不大 [22]。 示意如图 22。 图 22 激光的多路发射示意图 光接收模块 光接收模块和光发射模块一样，也是光通信系统的核心部件。 光接收模块由光电探测器和放大、处理电路两个主要部分组成。 光电探测器的主要功能是检测出已被信息调制过的光信号并将它转换成电信号，它相当 分路器 信号 激光驱动器 激光驱动器 激光驱动器 激光驱动器 光天线 光天线 光天线 光天线 9 于微波通信系统中的检波。 用于光通信的光电探测器主要有两种，一种是 PIN 光电二极管（ PINP），另一种是雪崩光电二极管（ APD）。 光通信用光电探测器的主要要求是：高的灵敏度，低的噪声，快的响应速度，足够的带宽，对温度变化不敏感，尺寸小并能与光纤匹配，价格合理，寿命长。 由 PIN 光电二极管和雪崩光电二极管的特点可知，雪崩光电二极管的响应速度和和光电转换效率都比 PIN 光电二极管好，而且雪崩二极管是具有自己增益功能的光电器件，但是需要高压发生器，不过权衡利弊 APD 管还是无线光端机的首选光敏元件 [24]。 在光接收机中，由于光电探测器的输出电信号通常比较小，必须经放大才能使用。 放大和处理 电路的作用是将微弱的电信号放大并作适当处理。 在光接收机中，最常使用的放大器是 GaAs 场效应晶体管（ FET），称之为 FET 放大器。 在光接收机中为了知道光输入功率和光输入损耗情况，还应设置光输出监视和告警电路。 考虑到成本和灵敏度，应将四路光信号相加后送到 APD 管。 此外，光接收模块与光发射模块一起协调工作，共同完成通信任务。 典型的基于 APD 管的光接收模块电路原理如图 23： 图 23 光接收模块电路图 光电检测器是一种功率检测器件，其输出信号功率正比于光电检测器所收集到的瞬时场强。 强度调制的解调为包络检波法，直接根据门限判决。 在大气激光通信系统的信号传输中，涉及的大气信道是随机的。 大气中的气体分子、水雾、气溶胶、霾等粒子的几何尺寸与半导体激光波长相近甚至更小，这就会引起吸收、散射等大气衰减效应；大气的湍流运动会引起光斑的漂移和闪烁等大气湍流效应。 大气湍流效应对激光在大气中传输具有很大的影响，在强湍流影响下，光信号受到严重干扰甚至脱靶，造成较大的误码率和短时间通信中断，严重影响无线光通信稳定性和可靠性 [25]。 因此，研究大气随机信道对激光传输的影响，用有效的手段克服大气的干扰，保证在随机信道条件下系统的正常工作，对无线光通信来说也 是十分必要和紧迫的。 大气信道模型 在近地光通信系统信号传输中，大气信道是随机的。 大气中气体分子、水雾、雪、气溶胶等粒子，几何尺寸与激光波长相近甚至更小，这就会引起光的吸收和散射，特别在强湍流情况下，光信号将受到严重干扰。 而对于大气对激光通信信号干扰的分析，研究主要集中在APD 预放 主放及信号指示 高压发生器及温度检测 光信号 输出 10 大气的吸收和散射，直到近年来才开始对大气湍流引起的闪烁、光束漂移、扩展以及大气色散等问题进行研究，而这些因素都会影响接收端信号的信噪比，从而影响系统的误码率和通信距离、通信带宽。 因此，大气信道模型的研究对于设计一个优良的无线光通信系 统具有巨大的理论价值。 (1) 对数正态分布模型 对数正态分布是依据 Rytov 将对数振幅涨落 χ 表示为许多独立贡献的叠加，由中心极限定律得出闪烁满足对数正态分布规律 [30]。 分析如下： 当一束光线沿 z 方向传播，遇到漩涡即出现散射过程时，接收机所接收到的光强分布与散射的性质有关。 在最简单的情况下 (即只考虑一次散射 )，电场振幅可以写成： u = ua + ur +iui () 式中 ua为平均场； ur 和 ui 为随机场的实部和虚部；波场为： E = (ua +ur + iui)exp(〈χ〉+ χI +i〈S〉) () 若 ur 和 ui 来自大量随机散射的总效应，则根据中心极限定理。 他们应为高斯随机变量。 按照散射的性质， ur 和 ui是不相关的，并且具有相同的方差。 令 A 为波的振幅，并假定 ua为实数，则有 Α = |E| = (ua2 +2uaur +ur2 +ui2)1 2⁄ () 〈I〉 = 〈A2〉 = ua2 +ς2 () ς2 = 〈ur2〉+ 〈ui2〉 = 2〈ur2〉 () 若 ur = ui = 0，则强光闪烁的概率分布即为对数正态分布。 取对数振幅 χ的均值为 〈χ〉，标准偏差为 ςχ的高斯随机变量，则有 Pχ(χ) = 1√2πςxexp{−(χ。 〈χ〉)22ςχ2} () 为了求出振幅 A = A0exp(χ)的概率密度函数，引入概率变换 PA(A) = Pχ(χ = lnA)|dχdA| () 以及 dχ dA⁄ = 1/A，则有 PA(A) = 1√2πςχAexp{− .lnAA0。 〈χ〉/22ςχ2 } () 其中 A0为常数，类似地，由 PI(I) = PA(A = √I)|dAdI| () 可以求出强度 I = A2的概率密度函数 11 PI(I) = 1√8πςχIexp{−.ln II0。 2〈χ〉/28ςχ2 } () 其中 I = I02，式 ()表明，大气闪烁的幅度特性由接收平面上某点光强 I 的对数强度方差 ςI2表征。 对数振幅 A 的起伏服从正态分布，对数辐射强度的起伏也服从正态分布，即激光闪烁信号为对数正态分布，其概率密度函数如图 24， 25 所示。 图 24 对数正态分布概率密度曲线 12 图 25 对数正态分布概率密度曲线 （ 2） K 分布模型 正态分布模型很好的符合了弱湍流环境下低阶归一化光强的实验测量数据，并且由于其概率密度函数比较简单，易于建模仿真，因此正态分布模型被广泛应用于大气信道的理论分析中。 但是随着湍流强度的增加正态分布模型与实验测量数据有很大的偏差。 在这种情况下，光波的辐射场可以被近似为 0 均值的高斯分布，因此光强分布近似于负指数分布。 注意的是负指数分布被认为是光强分布的极限分布，所以负指数分布只适合于饱和区 [31]。 目前有很多模型被建立来模拟大气湍流对光波传输的影响，其中 K 分布被广泛的接受，用以模拟强湍流对光波的传输影响。 K 分布最初用来模拟微波通信中海面信道，但是后来发现 K 分布与强湍流条件下的实验数据很好符合 [32]。 在 K 分布模型中，光强的条件分布服从负指数分布： f(I|b) = 1b exp(−I b⁄ ), I 0 () 其中 b 为平均光强， b = 〈I〉是一个随机变量。 由概率公式可得： f(I,b) = f(I b⁄ ) ∙ f(b) () f(I) = ∫ f(I|b):∞0 f(b)db, I 0 () 其中 f (b)为平均光强的分布函数，被认为服从 Gamma 分布 (即Γ分布 ) 13 f(b) = α(αb)α−1Γ(α) exp(−αb), b 0 , 𝛼 0 () 其中 Γ (α)为 Gamma 函数 (τ 函数 )， α为值恒为正的参数，取决于大气湍流。 由以上分析可以得出 p (I)的分布函数为 f(I) = 2αΓ(α)(αI)(α。 1) 2⁄ Kα。 1(2√αI), I 0 , 𝛼 0 () 其中 KP(x)为修正的第二类贝塞尔函数。 正是由于贝塞尔函数的存在，光强分布的 pdf 被称为 K 分布。 其概率密度函数如图 26 所示。 图 26 K 分布概率密度曲线 在 K 分布。