国家重点实验室无线光通信系统综述Introduction to Optical Wireless Communication Systems报告人：刘增基资料提供：易湘岳鹏尚韬姚明旿ISN国家重点实验室2012年3月1国家重点实验室无线光通信系统综述•概述•无线光通信链路的组成和基本原理•无线光通信的信道特征•无线光通信系统的信息传输技术•无线光通信的捕获瞄准跟踪（APT）技术•无线光通信系统的研究与发展（举例）2国家重点实验室无线光通信系统概述定义与分类•定义：无线光通信系统是以光波为信息载体的无线通信系统。
•按工作波段可分为红外光通信、可见光通信、紫外光通信。
信紫外光通信•按应用环境可分为室内光通信、近地大气激光通信、地对空/空对地光通信、空对空光通信、水下光通信。
光通信水下光通信3国家重点实验室无线光通信系统概述特点（1）•无需申请频率使用许可证，频谱资源丰富申率许谱富4国家重点实验室无线光通信系统概述特点（2～10）•拥有光纤传输的宽带性能•传输隐蔽性和安全性好•抗电磁干扰能力强•快速链路部署，建网速度快（与光纤比）•设备尺寸小（与微波比）•对上层协议透明•实施成本相对低廉•大气激光通信受气象条件（特别是雾）影响较大般采用定向天线（束散角为几毫弧度至几十微•一般采用定向天线（束散角为几毫弧度至几十微弧度），需要自动捕获瞄准跟踪（APT）系统。
5国家重点实验室无线光通信系统概述应用场景•室内LED可见光无线局域网•近地大气激光通信用于切不便于铺设光用于一切不便于铺设光缆或光缆中断的场合，实现宽带接入、基站互联、点对点专用链路及组网通信。
站互联点对点专用链路及组网通信•卫星激光通信，包括星际通信和星地通信。
•深空激光通信•蓝绿激光对潜通信6国家重点实验室无线光通信链路的组成线信•点对点无线光通信双向链路由光发射机及天线、光波信道、光接收机及天线以及电的控制终端等设备组成光接收机及天线以及电的控制终端等设备组成。
•光发射机（E/O ）：实现光载波的产生、调制、功率放大。
光发射天线实现已调光载波的定向发射•光发射天线：实现已调光载波的定向发射。
•光接收天线：聚集已调光载波的能量。
）：将接收的光信号转换为电基带信号•光接收机（O/E ）：将接收的光信号转换为电基带信号。
•电控制终端设备：实现双向通信控制及用户信息的收发。
光电电光发射机光接收机光接收天线光发射天线波信道控制终控制终7端端光发射机光接收机光接收天线光发射天线国家重点实验室无线光通信的基本原理•发端（E/O）：载有信息的基带电信号对特定波长的光载波进行调制，变换为已调光信号，然后通过光学天线向特波进行调制变换为已调光信号然后通过光学天线向特定的空间和方向发射光波。
传播：源点发射的光波经过空间的传播到达目的点。
•传播：源点发射的光波经过空间的传播到达目的点•收端（O/E）：通过光学天线接收微弱的已调光信号，通过检测（解调）、放大等处理还原为基带电信号。
•调制方式：直接调制（内调制）、间接调制（外调制）•光源：光电二极管（LED）、激光器（LD）•光检测器：PIN、APD、光电倍增管、CCD•光学天线：球面镜或非球面镜调制传播解调基带电信号已调光信号微弱光信号基带电信号8国家重点实验室无线光通信的信道特征（1）几何衰减光波自由空间传播θ（能量扩散）衰减，发收国家重点实验室无线光通信的信道特征（2）大气衰减效应•光波在大气层中传播的过程中势必受到大气分子（H O、CO）和气溶胶粒子（雨、雪、雾、霾22等粒子）的吸收和散射。
般情况下气溶胶粒子的吸收作用和气体分子的•一般情况下气溶胶粒子的吸收作用和气体分子的散射作用不明显，可忽略不计，而通过选择合适的大气窗口波段也可以避免气体分子的吸收；的“大气窗口”•主要考虑气溶胶粒子的散射引起的衰减。
•不同气象条件下的衰减系数和能见度的关系如下表所示。
•大气衰减与波长的关系（后述）大气衰减与波的关系10国家重点实验室无线光通信的信道特征（2）大气衰减效应衰减系数和能见度的关系（波长1550nm）气象状态能见距离V 衰减系数-1对数衰减系-1 (km)数(dBkm)无线光通信的信道特征国家重点实验室（2）大气衰减效应衰减系数对数衰减系能见距离V(km-1) 数(dBkm-1)1km 2.3291-10.1152国家重点实验室无线光通信的信道特征（2）大气衰减效应衰减与波长的关系衰减与波长的关系：3913.91)()()0.550.55m V δδλλμ−−=国家重点实验室无线光通信的信道特征（3）大气湍流效应•当激光束直径远小于湍流尺度时，湍流使光束产当激光束直径远小于湍流尺度时湍流使光束产生随机偏折，而产生光束漂移。
•当激光束直径与湍流尺度差不多时，湍流使光束当激光束直径与湍流尺度差不多时湍流使光束截面发生随机偏转，形成到达角起伏，在光探测器的光敏面上将出现像点抖动。
器的光敏面上将出现像点抖动•当激光束直径远大于湍流尺度时，激光束截面内包含许多涡旋，使光束的强度和相位在空间和时使光束的强度和相位在空间和时间上出现随机变化。
湍流的效应不是孤立存在的湍流尺度在一定范•湍流的效应不是孤立存在的，湍流尺度在一定范围内分布，不同尺度的湍流各自起相应的作用。
14国家重点实验室无线光通信的信道特征（3）大气湍流效应•当激光束直径远大于湍流尺度时，激光束截面内包含许多涡旋，它们具有不同的折射率。
光波入射到这些气团后发生折射，从而使光波经过多条传播路径到达接收点，后发生折射从而使光波经过到达接收点这些射线产生干涉，从而使光束的强度和相位在空间和时间上出现随机变化。
光强的随机起伏（闪烁），表现为接收信号的快衰落。
在采用较大孔径接收天线的条件下，观察到的衰落深度可达20～30dB；衰落频率可达几十Hz 。
光斑发收15国家重点实验室无线光通信的信道特征（3）大气湍流效应接收信号快衰落记录样品16（数值越大，信号越弱）4km国家重点实验室无线光通信的信道特征（3）大气湍流效应17弱湍流国家重点实验室无线光通信的信道特征（3）大气湍流效应Gamma 模型认为光强闪烁是大尺度涡旋元和小尺度涡旋元联合作用的结果。
归一化y 分别为大尺度和小尺度涡旋元引起的光强起伏随机过程，分别服从参数为α和β的Gamma 分布，可推导出服从Gamma-布()/2)αβαβ++国家重点实验室无线光通信的信道特征）系统中的噪声－－背景光噪声是一种外部噪声，其光生噪声电流的均方值为种外部噪声其光生噪声电流的均方值为+2x B国家重点实验室无线光通信的信道特征）系统中的噪声－－量子噪声电流均方值（与接收光功率成正比）均值+(2)x B国家重点实验室无线光通信的信道特征）系统中的噪声－－暗电流噪声均方值+B2)x国家重点实验室无线光通信的信道特征）系统中的噪声－－热噪声热噪声（含前置放大器噪声）的电流均方值含前置放大声的电流均方值/kTFB Ri国家重点实验室无线光通信的信道特征（5）接收信噪比指的检输端接收信功率与，指的是光检测器输出端接收电信号功率与噪声功率之比，即2222s i s i R i=号功率＝声功率信号电流的均方值国家重点实验室无线光通信系统的信息传输（1）调制与解调的一般性讨论目前激光器发出的光载波的频率准确度和频谱纯度相位抖动不足以支持相干解调故目前常用（相位抖动）还不足以支持相干解调，故目前常用的数字调制方式有：•强度调制/直接检测（IM/ID）：（1）OOK（On-Off Keying）,其码型为NRZ或RZ；（2）PPM（Pulse Position Modulation）。
P l P iti M d l ti）•相对相移键控/差分相干解调（DPSK/DC）•二次调制：基带电信号对射频副载波进行数字调制，射频副载波再对光载波进行模拟强度调制。
24国家重点实验室无线光通信系统的信息传输（2）OOK 调制与解调•NRZ-OOK ：“0”码－－不发射功率；•RZ-OOK ：“0”码－－不发射功率；“1”码发射功率为2KPt “1”码－－发射功率为2P t “1”码－－发射功率为2KPt K是占空比的倒数K ＝2RZ-OOK 的带宽利用率有所降低，但其功率利用率有所提高。
如以NRZ-为基准规定其带宽需求为所需的发射光功率为占空比为OOK 为基准，规定其带宽需求为1，所需的发射光功率为0dB ，占空比为1/K 的RZ-OOK 的归一化带宽需求为K ，功率需求为。
以50%RZ-OOK 为例，其所需带宽是NRZ-OOK 的两倍，所需平均光功率NRZ OOK 15dB 105log (1/)K 25比NRZ-OOK 少1.5dB 。
在衰落信道中，需要采用判决门限自动调整技术国家重点实验室无线光通信系统的信息传输（3）PPM 调制与解调调制将•L-PPM 调制：将M 个比特的组合映射成为L ＝2M 个时隙组成的PPM 符号，用单脉冲的位置区分不同的符号，因此一L PPM 个比特信息个L-PPM 符号可携带M 个比特信息。
4-PPM00011110•L-PPM 解调：按正交波形最佳接收方法进行解调，接收端需要产生相应的S i (t),因此需要实现时隙同步和符号同步。
在以帧为单位的数字信息传输中，可通过前导序列的训练来达到所需的同步26来达到所需的同步。
国家重点实验室L-PPM 的最佳解调原理积分取样S 0(t)积分取样择大并串基带PPM S 1(t)………判变信号决换S L-1(t)积分取样在符号结束时刻取样判决并27在符号结束时刻取样判决，并将积分值清零国家重点实验室无线光通信系统的信息传输（3）PPM 调制与解调•L-PPM 的性能对于平均功率受限的L-PPM ，调制阶数的增加会引起峰值发射功率成L 倍的增加和带宽需求成倍的增加，而接/log L L 收机的噪声功率是与带宽成正比的，所以也成倍增加显然峰值发射功率的增加2g 2/log L L 加。
显然峰值发射功率的增加速度大于噪声功率的增加速度，无湍流下平均发射功率与带L 的增加可以起到提高信噪比，节省发射功率的作用。
28宽效率的关系国家重点实验室无线光通信系统的信息传输（4）SIM 调制与解调SIM •（副载波强度调制）基本原理将数字基带信号先调制到一个射频载波上，再用已调的射频载波对光载波进行强度调制在接收端直接检测生成电频载波对光载波进行强度调制，在接收端直接检测生成电射频载波，在电域完成解调。
例：BPSK SIM 大气激光通信系统框图（注：实用的是2DPSK ）29为了提高功率利用率，副载波可采用单边带（SSB+C ）国家重点实验室无线光通信系统的信息传输（4）SIM 调制与解调•BPSK SIM 的性能始终优于要达到OOK ，要达到10-9误码率，当=0.02时，2R σBPSK SIM 比OOK 节省了2dB 信噪比；当=0.1时，BPSK SIM 比2R σOOK 节省了4dB 信噪比。