光束閃爍及瞄準(zhǔn)誤差對(duì)無線光通信鏈路影響機(jī)理的研究.pdf

1、無線光通信技術(shù)是一種近年來得到迅速發(fā)展的新型無線寬帶通信技術(shù)。對(duì)于室外無線通信環(huán)境，該技術(shù)與現(xiàn)有的光纖通信技術(shù)和微波通信技術(shù)相比，具有搭建周期短、無需鋪設(shè)光纜、成本低、頻帶寬、體積小、通信保密性好等一系列優(yōu)點(diǎn)。然而，由于無線光通信鏈路均處在開放的自由空間中，鏈路易受到各種空間物質(zhì)的影響。大氣湍流引起的光束閃爍效應(yīng)是對(duì)鏈路造成影響的主要因素，這種效應(yīng)會(huì)引起信號(hào)光振幅和相位的隨機(jī)變化，進(jìn)而影響通信質(zhì)量。另一方面，鏈路還受到瞄準(zhǔn)誤差（即接收端

2、和發(fā)送端之間的光束不對(duì)準(zhǔn)誤差）的極大影響，這種誤差通常是由于固定平臺(tái)的隨機(jī)抖動(dòng)引起的，如樓頂上安裝的固定平臺(tái)會(huì)由于樓宇的晃動(dòng)而引起隨機(jī)抖動(dòng)。由于信號(hào)光束較窄，光束的瞄準(zhǔn)誤差會(huì)增加鏈路的誤碼率，影響了鏈路的通信質(zhì)量。因此，光束閃爍及瞄準(zhǔn)誤差大大限制了無線光通信技術(shù)的推廣及應(yīng)用，深入地研究這兩種因素對(duì)通信鏈路性能的影響機(jī)理及探討抑制這些因素的方法具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　　本文首先對(duì)光束閃爍影響下，鏈路通信性能進(jìn)行了研究，

3、進(jìn)而深入地研究了光束閃爍及瞄準(zhǔn)誤差聯(lián)合效應(yīng)下鏈路的通信性能及空間分集系統(tǒng)在抑制聯(lián)合效應(yīng)方面的性能特點(diǎn)。全文主要包括以下幾方面的研究內(nèi)容：
　　首先，本文介紹了無線光通信技術(shù)的原理，綜述了國內(nèi)外無線光通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和研究進(jìn)展，同時(shí)闡述了光束大氣傳輸理論的發(fā)展、大氣湍流引起的光束閃爍以及固定平臺(tái)抖動(dòng)引起的瞄準(zhǔn)誤差對(duì)無線光通信鏈路影響機(jī)理的研究現(xiàn)狀。從理論上，研究了大氣光傳輸?shù)南嚓P(guān)理論與計(jì)算方法，給出了大氣層信道的結(jié)構(gòu)，對(duì)大氣湍流的

4、性質(zhì)、自由空間光傳輸及大氣光傳輸?shù)幕纠碚撨M(jìn)行了細(xì)致地分析及闡述。
　　其次，本文深入地研究了光束閃爍效應(yīng)對(duì)無線光通信鏈路的影響?；谫が?伽瑪分布的信道模型，考慮直接探測(cè)系統(tǒng)常用的四種調(diào)制方式，即OOK，PPM，DPIM和CPolSK，推導(dǎo)了四種調(diào)制方式的包誤碼率解析形式表達(dá)式，并在此基礎(chǔ)上分析了四種調(diào)制方式的性能差異；對(duì)于相干探測(cè)方式，從接收光子平均數(shù)的角度出發(fā)，探討了CPolSK相干探測(cè)與CPolSK直接探測(cè)相比所具有的性能

5、優(yōu)勢(shì)。
　　第三，本文研究了不同調(diào)制方式下無線光通信系統(tǒng)單一接收孔徑尺寸的差異量，提出了用于分析CPolSK和OOK調(diào)制方式下孔徑量化差異的理論模型，分析了不同通信波長、鏈路距離及接收信噪比的情況下兩種調(diào)制系統(tǒng)接收孔徑尺寸的差異，為實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的理論分析數(shù)據(jù)。
　　第四，本文系統(tǒng)地研究了光束閃爍及瞄準(zhǔn)誤差聯(lián)合效應(yīng)下無線光通信鏈路的性能，分析了聯(lián)合效應(yīng)下的信道模型，將一些重要的系統(tǒng)參數(shù)納入性能分析中，建立了用于分

6、析系統(tǒng)信道容量的理論模型，推導(dǎo)出了可應(yīng)用于直接探測(cè)系統(tǒng)和相干探測(cè)系統(tǒng)的具有解析形式的信道容量公式，分析了兩種系統(tǒng)在不同的系統(tǒng)參數(shù)下所具有的性能特點(diǎn)，分析表明，系統(tǒng)的信道容量明顯地受到聯(lián)合效應(yīng)的影響，增加探測(cè)器的尺寸，增大發(fā)射功率，減小波束的寬度均能有效的增加系統(tǒng)的信道容量。在給定發(fā)射功率的情況下，研究了信道容量最優(yōu)化的問題。不同于以往的理論研究，本文提出了直接探測(cè)系統(tǒng)信道容量最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法，并基于該方法給出了最優(yōu)的系統(tǒng)參數(shù)。
　

7、　第五，為了抑制光束閃爍及瞄準(zhǔn)誤差的聯(lián)合效應(yīng)，本文研究了一種抑制技術(shù)，即空間分集技術(shù)?；贙分布信道模型，分別從接收分集和發(fā)送分集兩方面研究，分析了光束閃爍效應(yīng)下空間分集系統(tǒng)的性能，并建立了用于分析光束閃爍及瞄準(zhǔn)誤差聯(lián)合效應(yīng)下空間分集鏈路性能的理論模型，分別給出了發(fā)送分集及三種不同的合并方式（OC、EGC和SC）下的接收分集系統(tǒng)誤碼率計(jì)算公式，通過數(shù)值仿真的方法探討了空間分集技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。
　　本文的研究工作對(duì)無線光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具