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无线光通信,调制,发射功率,带宽,误时隙率
ResearchofModulationfor
OpticalWirelessCommunication
ABSTRACT
FSOisakindoftechniquethatuselaserascarrierwavetodiplextransmitspeech,dataandpictureinformationdirectly.opticalwirelesscommunicationisoneofthemostburgeoningmethodsforwirelesscommunieation,whichsendssignalsusingopticpulse.Anditstransmissionrateisveryhigh.
Thisthesiscarriedthroughthefollowingaspectsofstudy:
1.AnalyzedthechannelandnoisemodelthatsuitableforFSO,
2.incombinationofthecharacteristicoftheatmosphericopticalwirelesschannel,themodulationstructures,transmissioncapacity,powerrequirementandsloterrorrateofthetypicalmodulationschemesasOOK,PPM,DPPM,DPIMandDH-PIMforatmosphericopticalwirelesscommunicationsareanalyzed.
3.TakingPPMforexampletoanalyzetheopticalwirelesschannel’smodulationanddemodulationsystemstructureandworkingprinciple.
4.makeabriefanalysisforDigitalsignalprocessor(DSP)andFieldProgrammableGateArray(FPGA)
Inthispaper,weexpatiatedonthemodulationstructures,transmissioncapacity,powerrequirementandsloterrorrateofthetypicalmodulationschemesasOOK,PPM,DPPM,DPIMandDH-PIMforatmosphericopticalwirelesscommunicationsareanalyzed.TheoreticalanalysisresultsshowthatDPPM,DPIMandDH-PIMaremoreapplicableforthefutureopticalwirelesscommunication.
Keywords:
opticalwirelesscommunication,modulation,emissivepower,bandwidth,sloterrorrate
1绪论1
1.1无线光通信概论1
1.2.1无线光通信原理1
1.2.2无线光通信技术2
1.3无线光通信的优点及其局限性3
1.3.1无线光通信与其他接入技术相比具有如下优点:
3
1.3.2无线光通信的局限性4
1.4应用领域5
1.5无线光通信的起源及发展现状6
1.5.1起源6
1.5.2国内外发展状况6
1.6发展前景7
2信道分析9
2.1信道9
2.1.1信道的分类9
2.2光信道对无线光通信的影响11
2.2.1大气透射率11
2.2.2大气分子的吸收11
2.2.3大气分子的散射12
2.2.4大气折射效应13
2.2.5大气湍流效应13
2.3背景光对信号检测的影响14
2.3.1强背景光引起探测器的饱和14
2.3.2背景光电流引起的散弹噪声使探测器灵敏度降低15
3无线光通信调制方式性能分析16
3.1符号结构16
3.1.1开光键控16
3.1.2单脉冲位置调制(L-PPM)16
3.1.3差分脉冲位置调制(L-DPPM)17
3.1.4数字脉冲间隔调制[12]17
3.1.5双头脉冲间隔调制18
3.2调制方式性能分析19
3.2.1平均发射功率19
3.2.2带宽要求20
3.2.3误时隙率21
3.2.4结论23
4无线光通信调制解调系统结构及方案24
4.1调制解调系统结构及工作原理25
4.2DPS方案26
4.2.1DPS简介26
4.2.2方案设计27
4.3FPGA方案28
4.3.1FPGA简介28
4.3.2方案设计29
4.4DSP与FPGA的结合31
5总结33
致谢34
参考文献35
1绪论
1.1无线光通信概论
无线光通信(FSO,FreeSpaceOpticalcommunication),是一种新型的宽带接入方式,是光通信和无线通信结合的产物,它不是利用光纤作为传输媒介,而是在空气中利用激光束在太赫兹(THz)光谱范围内传送分组数据,从而达到直接进行语音、数据、图像等信息双向传送的一种技术。
FSO与LMDS的链接结构框架类似,是由置于建筑物顶端货高层但愿窗后的光路连接头(光收发两用机)进行两点定向、实用双工的传输和转发。
[1]早期的研究应用主要是在军用和航天上,随着无线激光通信各个单元技术的不断发展,近年来逐渐应用于商用的地面通信,各个单元技术也在逐步完善,日臻成熟。
1.2无线光通信系统的原理和技术
1.2.1无线光通信原理
无线光通信是利用激光束作为载波,不使用光纤等有线信道的传输介质,而在空气中直接来传输光信息的一种通信方式,也就是利用激光束作为信道在空间直接进行语音、数据、图像等信息双向传输的一种技术,又称为自由空间光通信FSO,FreeSpaceOpticalCommunication。
FSO可分为大气光通信、卫星间光通信和星地光通信。
无线光通信系统包括发射和接收2部分,如图1所示。
图1.1无线光通信原理图
发射部分主要由激光器、调制器和光学天线组成;
接收部分主要由光学接收天线、光电监测器和电信号处理器组成。
将待发送的信息源变换成电信号,然后把这些信号输入光调制器,调制到一个由激光器产生的激光束上,并控制这个载波的某个参数,使它按电信号的规律变化。
于是,激光载波就运载着这些信息已调制激光信号,经过信息处理以后由发射天线发射出去。
接收是发射的逆过程,接收天线接收到已调制的激光信号,送到光检测器取出电信号,然后由信号变换设备恢复出原始信息。
系统中的发射天线和接收天线是由透镜构成的。
发射透镜发射天线能把截面很小的激光束变成截面较大的激光束,方便接收透镜接收天线调整方位并接收信号。
接收透镜接受大面积的激光束,并聚成较小的光斑,起到恢复激光束本来面目的作用。
[2]
1.2.2无线光通信技术
无线光通信是涵盖各种领域的综合性技术,其关键技术主要表现在:
光源及高码率调制技术。
在空间光通信系统中大多可采用半导体激光器或半导体泵浦的YAG固体激光器作为信号光的信标光源,其工作波长为0.8~1.5。
信标光源要求能提供在几瓦量级的连续光或脉冲光,以便在大视场、高背景光干扰下,快速、精确地捕获和跟踪目标,通常信标光的调制频率为几十赫兹或几十千赫兹,以克服背景光的干扰。
信号光源则选择输出功率为几十毫瓦的半导体激光器,但要求输出光束质量好,工作频率高。
高灵敏度抗干扰的光信号接收技术。
空间光通信系统中,,光接收端接收到的信号是十分微弱的,加之在高背景噪声场的干扰情况下,会导致接收端信噪比小于1。
为快速、精确的捕获目标和接收信号,通常采取两方面的措施:
一是提高接收端的灵敏度:
其次是对所接收的信号进行处理,在光信道上采用光窄带滤波器,以抑制背景杂散光的干扰,在电信道上则采用微弱信号检测与处理技术。
精密、可靠、高增益的收、发人线。
为完成系统得双向力_逆跟踪,光通信系统均采用收、发合一天线,隔离度近100%的精密光机组件。
由于半导体激光器光束质量一般较差,要求天线增益要高,另外,为适应空间系统,天线总体结构要紧凑、轻巧、稳定可靠。
快速、精确的捕获、跟踪和瞄准技术。
这是保证实现空问远距离光通信的必要核心技术。
ATP系统通常由以下两部分组成:
一为捕获系统,又称粗跟踪系统。
它是在较大视场范围内捕获目标,捕获范围可达士l°
~20°
或更大。
通常采用阵列CCD来实现,并与带通光滤波器、信号实时处理的伺服执行机构完成粗跟踪,即日标的捕获。
粗跟踪的视场角为几毫弧度,灵敏度约为10pW,跟踪精度为几十毫弧度;
二为跟踪、瞄准系统,又称为精跟踪系统。
该系统得功能是在完成了目标捕获后,对目标进行瞄准和实时跟踪。
通常采用四象限红外探测器QD或Q-APD高灵敏度位置传感器来实现,并配以相应的电子学伺服控制系统。
精跟踪要求视场角为几百微弧度,跟踪精度为几微弧度,跟踪灵敏度大约为几纳瓦。
大气信道的研究。
在地一地、地一空的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、雪、霾、气溶胶等粒子,其几何尺寸与半导体激光波长相近甚至更小,这就会引起光的吸收、散射,特别是在强湍流的情况下,光信号将受到严重干扰,甚至脱靶。
因此,如何保证随机信道条件下系统正常工作,对大气信道的工程化研究是十分重要的。
自适应光学技术可以较好地解决这一问题,并己逐渐走向实用化。
[3]
1.3无线光通信的优点及其局限性
1无须授权执照无线光通信工作频段在365-326THz(光波范围在820-920nm),设备间无射频信号干扰,所以无须申请频率使用许可证。
2安全保密性强激光直线定向传播方式使其发射光束束很窄,方向性非常好,非可视光,夜间也无法发现,因此无法探测到链路的位置,更不存在窃听的可能性,因此数据传递具有保密性,除非其信通道连接路被截断,否则数据不易外泄。
3实施成本相对低廉无须进行昂贵的管道工程建设和维护,实施成本低,造价约为光纤通信工程的1/5.
4建网速度快只须在通信节点上进行设备安装,不需要埋设光纤等待各种手续上的问题,可以轻而易举的安装在屋顶、屋内、窗外甚至水域上。
工程建设以天、小时为计量单位,尤其适合临时使用和复杂地形中的紧急组网。
对于重新撤换部署也很方便、容易。
5传输协议透明以光为传输媒介,任何传输协议均可容易地叠加上去,对语音、数据、图像等业务可以做到透明传送。
6设备尺寸小由于光波波长短,在同样功能情况下,光收发终端天线的尺寸比微波通信天线尺寸小,功耗低,重量轻。
而且无线通信装置可灵活拆装,移装至其他位置,适于临时、应急的通信。
比如当公司搬迁或临时驻军时,无需重新安装光纤从而节约成本。
7信息容量大光波作为信息载体可以轻易传输高达10Gbt/s的数据码率,能满足大容量信息传输要求。
1.3.2无线光通信的局限性
1只能在视线范围内建立链路两个通信节点之间视距范围内必须无遮挡。
对于中间存在障碍物而不可直视的两点之间的传输,需要建立一个中继站实现连接。
2通信距离受限目前地面民用无线光通信设备所能达到的通信距离一般为6000m,受人眼安全的发射功率、数据数率、天气等条件的限制,实际使用的距离要更短一些。
也可惜通过建立中继站的方法延长传输距离。
3天气影响通信的可靠性天气因素尤其是大雾、沙尘暴等所引起的光的色散、漫反射将影响无线光通信的可靠性。
据测算,当距离在200-500m之间时,全球大部分地区可达到99.999%的通信要求。
4安装点的晃动影响激光对准楼顶晃动(受风力、日光或其他因素影响)将影响两点之间的激光对准,使链路通信质量下降甚至中断。
5意外因素能使通信链路中断点对点及点对多点模式中,如有一条链路被隔断(如飞鸟等经过链路空间),通信会瞬间中断。
[4]
1.4应用领域
FSO应用非常广泛,如何使用取决于用户的需要和业务的具体应用。
[5]
1城域网扩展:
除了在网络核心建设SONET/SDH环路,FSO可用于在现有城域网上向外延伸或者连接新的网络。
2最后1公里接入:
提供本地宽带接入,除了熟知的xDSL,电缆调制解调器和LMDS等无线接入以外,FSO可以在本地网中为最终用户和业务提供高速链接服务。
3企业内部网互联:
企业内部的各网段往往被大楼或大楼间的道路所分隔,FSO设备安装的简易性使它非常适合用来实现企业内部各局域网段的互联,轻松解决大楼问的复杂地貌带来的挖沟布线难题。
这些企业不具备光纤线路,但需要比El或E3史高的速率。
FSO可以取代固定无线接入,适合Ethemet、FDDI等不同协议的网络,提供高达几比特的带宽。
4光纤通信系统的备份:
在对光纤通信设施进行冗余备份设计时,可用FSO作备份链路。
可以通过将几个链路组成多点的格形网络,以提供迁回路由,提高可用性指标。
5无线基站数据回传:
FSO可用来将移动电话天线塔接收的信号回传至有线公用电话网相连的中心交换设备。
6与DWDM设备集成:
与DWDM设备集成后,FSO的传输速率可以得到进一步提高。
虽然用户己拥有环网的一部分,但DWDM和FSO的集成,将使得他们可以组建新的环网。
7快速业务开通:
FSO光纤网络建设迅速、操作简单、灵活性较强,可在临时或应急场合进行快速业务开通。
如灾后通信系统重建以及短期租用的商务办公室或临时野外工作环境等的临时通信系统。
无线光通信的另一种应用是水下激光通信。
目前仅美国、俄罗斯等少数国家进行这项探索性研究,这也是为无线光通信开辟了一种新的应用领域。
如何将FSO应用于电力系统,使其在电力系统通信中发挥作用,这也是一个很有价值的研究方向。
1.5无线光通信的起源及发展现状
1.5.1起源
FSO起源于古代的烽火通信,在2700年前的周幽王时代,就有了利用烽火台通信的方法。
这是人类最早利用无线光通信的典型方式。
现实生活中简单的利用光传递信息的方式仍然在广泛使用,例如红黄绿交通信号灯、旗语等,他们都是利用大气来传播可见光,由人眼来接收。
这些都是非常原始的FSO通信方式。
1880年发明电话的贝尔进行的光电话实验是近代FSO的雏形,实现的通话距离最远达到了213m。
1930年至1932年间,日本在东京的日本电报公司与每日新闻社之间实现了3.6km的自由空间光通信。
1960年美国科学家梅曼发明了红宝石激光器,对自由空间光通信的研究工作产生了重大的影响,研究现代化自由空间光的时代从此开始。
1977年世界上第一条光纤通信系统在美国芝加哥市投入商用,速率为45Mb/s,光纤通信从理论变成现实。
90年代以后,FSO技术开始进入民用领域,主要用于大楼或校园局域网之间的连接、监视摄像头的图像传输等。
近年来,随着“最后一公里”对高带宽、低成本接入技术的迫切需求,FSO在视距传输、宽带接入中有了新的发展机遇,同时由于光通信器件制造技术的飞速发展,无线光通信设备的制造成本大幅下降,FSO得到越来越多的应用。
[6]
1.5.2国内外发展状况
在过去的几年,大部分的FSO系统的设计均处于较短距离100~500m的技术水平,大多采用的是中等功率10~100mW激光二极管或小型光电二极管的低成本解决方案。
[3]由于应用前景广阔,虽然主要的的无线光通信的研发和应用主要在北美和欧洲,如美国的QWEST,英国BT,加拿大NT等公司已开始试用这种系统。
比较典型的有Terabeam-朗讯公司和Airriber-北电公司已经将光无线通信应用于商业服务。
2000年悉尼奥运会上,Terabeam公司成功地使用FSO设备进行图像传送,在西雅图的四季饭店成功的利用FSO设备向客户提供100Mb/s的数据连接
在FSO领域,国外已经开始了将近10年的研究,但是FSO产品真正投入使用也就是最近几年的事情。
在FSO这个领域里,国外几个大的FSO厂家,包括LightPointe公司,AirFiber公司,Canon公司,Terabeam公司。
LightPointe收到Corning和思科系统公司的投资款3千多万美元(现已增值至5千多万美元),而AirFiber则获得大概来自北电网络的5千万美元(现已增值至9千多万美元),朗讯科技则投资了4亿5千万美元的巨款在Terabeam身上(现已增值至5亿8千多万美元),朗讯科技则投资了4亿5千万美元的巨款在Terabeam身上。
纵观整个无线光通信行业,我国仍处于发展在起步阶段,主要是在1998年之后才逐渐发展起来,1999年桂林无线激光通信工程公司生产一套半导体无线激光通信设备,速率可达2Mb/s,最大传输距离10km。
2002年深圳网通采用OpticalAccess设备构建实验系统。
2003年3月河7月,伤害铁通和长城宽带公司分别向Terabeam采购FSCO系统,正式投入建设宽带接入网络,华为技术有限公司与LightPointe公司扩大双方联合战略合作协定,加快向世界各地的ISP和企业客户提供安全、可靠和高速的光无线解决方案。
国内在通信中的光收、发天线之间的瞄准、接受和跟踪技术是无线光通信的难点,也是实现商用的关键,而国内在这方面仍处于比较被动的状况,大多数公司先与国外公司合作,然后采用国外提供的自适应变焦光学技术等来解决问题。
这说明我国在无线光通信技术方面还处于比较落后的被动局面,为了扭转依靠外国先进技术的不利状况,我国应该加快追赶的步伐,大力支持自主开发成果。
[7]
1.6发展前景
宽带应用热的姗姗来迟使很多无线设备供应商的日子很不好过,但无线光通信设备的发展一直呈稳健之势。
虽然光纤技术正得到不断地推广使用,但随着高速本地环路网络互联需求地不断增长,实施光纤网络遭遇到的布线难与成本高的问题日益突出。
OWC技术既能提供类似于光纤的速率,又不需在频谱这样的稀有资源方面有很大的初始投资,因此备受关注也是理所当然的。
据统计,即使在通信发达的美国,几乎90%的办公大楼与业务提供商之间也没有光纤连接,因为用光纤连接是非常昂贵的。
根据AirFiber公司的分析,在美国,如采用OWC的网络结构配置,每大楼的成本约为2万美元,平均链路长度为55米,最长为200米,只需2--3天就能安装完毕。
相反,如用光纤连接大楼,则每大楼需5-20万美元,通常需要4-12个月才能连通。
因此,与光纤线路相比,OWC系统不仅安装方便、建设迅速,而且成本低,大约是光纤到大楼成的1/10-1/3.到目前为止,OWC己被多家电信运营商应用于商业服务网络。
于过去的激光大气通信有很大的不同,目前OWC是具有高度发达的光纤通信技术平台,引入望远镜式光学天线后以大气为传输介质,应用目标是5km内的视距通信。
作为与现有光纤通信系统和网络兼容的光通信技术,应用于宽带接入网、城域网、企业网、校园网、军用战术通信网、应用通信系统、光纤通信的延伸系统在通过江河、海岛与大陆、海岛与海岛等应用中,可以利用和移植现有的光放大、波分复用、全光插分复用和交叉连接等技术,是光纤通信的补充。
相比较而言,OWC最适宜用来组建高速本地网或用作现有光纤网络的备份。
我国电信、移动、联通、网通、铁通、吉通等传统和新兴电信运营商,除了电信有接入网以外,包括电信在内都没有可支持高清晰度视频的宽带接入网和城域网,而城域网和接入网是电信运营商向全社会提供电信服务必备通道和聚集利润的漏斗,必然会被高度重视,宽带接入网和城域网的建设高潮将在HDTV等宽带信息业务的驱动下于近期到来,OWC在宽带接入网和城域网建设中将会有广阔的市场前景。
OWC的另外一个大市场是没有光纤连接的中小企业。
我们有理由相信兼有光通信和无线通信优势的OWC技术会有迷人的广阔前景。
[8]
2信道分析
2.1信道
在通信系统中,信道是很重要的一部分。
信道是所传信息的载体(消息)的具体形式所要通过的通道或媒质。
信息是抽象的,但信道是具体的。
在信息系统中,信道的主要作用是传输与存储信息,而在通信系统中则主要是传输信息。
[9]
2.1.1信道的分类
信道可从不同的角度加以分类,但归纳起来有4类:
即从工程的物理背景即传输媒介的类型:
从数学上的描述方式即信一号与干扰描述方式:
从信道本身的物理性质即信道参量性质:
从用户的类型,是单用户还是多用户加以分类;
还可以根据信道的记忆特性加以分类。
下面分别加以简介:
按传输媒介的类型划分明线(已逐步淘汰)固体介质市内电话的对称电缆有线信道电缆小同轴波导长途电话混合介质中同轴光缆
传输媒介类型长波中波短波超短波无线信道(空气介质)视距接力微波卫星电缆散射通信光波
按照决定信道的信号与干扰的类型与描述进行分类离散--数字信道信号类型连续?
模拟信道半连续或半离散
信号与干扰类型无干扰无源热噪声线性叠加干扰有源散弹噪声干扰类型天电脉冲干扰有干扰交调
乘性干扰衰落码间干扰
按信道的物理性质信道的统计特性分类
恒参信道时不变信道
信道参量性质变参(随参)信道线性时变信道非线性时变信道
按用户类型分类二用户信道点对点通信或两端信道
用户类型
多用户信道通信网或多端信道
按信道的记忆特性分类无记忆信道
记忆特性
有记忆信道
其中无记忆信道是指信道输出集Y仅与当前输入集X有关,而与过去集X无关;
有记忆信道是指信道的输出集Y不仅与当前输入集X有关,而且与前面的输入集X有关。
2.2光信道对无线光通信的影响
在无线光通信系统中,信道为光信道。
在传输过程中,自由空间链路的功率预算和整体性能很大一部分是由自由空间衰耗决定的,另外还包括由空气引起的吸收、反射、散射、闪烁。
自由空间衰减为在接收器检测面上所接收
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