1、大气激光通信系统设计西北工业大学通信原理设计论文题 目： 大气激光通信系统设计 课 程: 通信原理 课 程 老 师: 赵瑞琴 学 院: 航海学院 班 级: 03040902 学生（学号）: 张国宾（2009300848） 日期: 2012 年 6 月 29摘要通过学习通信原理这门课程，对一般通信系统的基本模型有了进一步的了解，在此模型的基础之上设计大气激光通信系统。大气激光通信是以激光作为信息的载体，以自由大气空间作为信息传输的信道。大气激光通信作为一种非常好的无线通信手段，自激光出现以来，众多学者对它做了理论上和实验上的研究。在大气激光通信系统中，由于在传输过程中受到大气散射、折射、湍流等很
2、多因素的影响。会造成激光光能量衰减，光强闪烁，光束随机偏转，能否克服这些影响是大气激光通信推广应用的关键。近年来，大气激光通信技术取得了辉煌的成就，但它受大气环境因素的影响非常严重，因此对大气激光通信信道的研究就显得格外重要。论文首先系统叙述分析了一般通信系统的基本模型以及通信系统的主要性能指标，在此基础上分析大气激光通信系统的设计原理，大气衰减及大气湍流效应大气激光通信系统的影响，重点分析了大气激光通信系统所面临的问题和解决的关键技术，并在此基础上结合通信理论给出信道模型。然后针对信道模型提出相关的技术方案，如自适应光学系统技术。关键词：激光通信；大气信道；误码率；湍流效应；信道； 第一章
3、绪论1.1 引言1.2 未来要研究的课题1.3大气激光通信系统的设计要求1.4 大气激光通信系统的设计指标第二章 一般通信系统的基本模型及主要性能指标2.1背景介绍2.2一般通信系统的基本模型2.3通信系统的分类2.4模拟通信与数字通信系统模型2.5数字通信系统的主要性能指标第三章大气激光通信系统的设计3.1光源3.2激光传输3.3光发射机关键技术3.4光接收机关键技术3.5光学天线技术第四章激光信号大气衰减41大气散射42大气湍流第五章大气激光传输信道模型51接收机本机噪声分析52背景辐射53大气衰减信道54大气湍流信道模型第六章自适应光学系统61光学系统及系统结构62波前校正器63波前传感
4、嚣6.4高速倾斜镜6.5自适应光学系统在大气激光通信中的应用结论参考文献第一章 绪论11、引言大气激光通信又称自由空问光通信，是以激光作为信息的载体，通过天气进行数据、声音、图像传输的通信技术，是激光出现后最先研制的一种通信方式。大气激光通信和光纤通信构成光通信的两大重要部分。大气激光通信与光纤通信相似，区别只是信息传输媒体由光纤变成了大气，并增加了光学系统。因此，激光大气通信可以采用许多光纤通信中的成熟技术。20世纪60年代初，激光的出现为光通信提供了一种理想的光源，由于激光器的光亮度高、方向性强、单色性和相干性好，因而传输距离远，且易于调制和接收，是一种优异的信息载体，因此激光通信得到了较
5、快的发展。尽管70年代低损耗光纤和室温连续工作半导体激光器的研制成功，使大气通信的研究重点转到光纤通信上。但是，由于大气激光通信具有许多光纤通信所没有的优点：良好的安全保密性，由于激光的高指向性使它的发射光束极窄，方向性好。通常激光光束的发散角都在毫弧度，甚至微弧度数量级，因此具有数据传递极高的保密性。无微波频段的许可证，因为大气激光通信的工作频段在350THz，设备间无射频信号干扰，所以目前无需申请频率使用许可证。架设迅速，大气激光通信架设、组网速度快，只须在通信节点上进行设备安装，工程建设以小时或天为计量单位，尤其适合作为光纤通信的应急故障后备及临时构造大容量的通信链路。设备尺寸小，由于光
6、波波长短，在同样功能情况下，光收发天线的尺寸比微波通信天线要小得多，同时功耗小，体积小，重量轻。具有极高的通信容量，理论上用激光作为载波通信，一束光束可以同时传输100亿通话信路，实际上已做到了同时传输几百到几千。多者可达几万路通话信路；由子大气激光通信具有以上优点，各军事大国对激光通信仍有非常浓厚的兴趣，投人了大量的人、财、物，进行研究，研制出了不少激光通信产品。随着电子战的发展和通讯对抗的需求，激光通信倍受青睐，从而推动了激光通信的崛起。 12未来需要研究的课题未来的大气激光通信在原有技术的基础上，重点研究以下几个方面的内容：(1)大功率激光器的研制技术。主要包括：二氧化碳激光器、半导体激
7、光器和二极管泵浦的Nd：YAG激光器。(2)空间目标的捕获、瞄准、跟踪技术。(3)高速率激光调制与高灵敏度激光接收技术。(4)大气环境对激光通信系统的影响及解决方法。 1. 3大气激光通信系统的设计要求：此通信系统需要满足一定要求下设计，具体的要求如下：1) 以激光作为信息的载体，以大气作为传输介质。2) 信道为双向信道，即一方既作为信号的发送方，也作为信号的接收方。3) 传输信道为有线恒参信道。4) 设计中要有各种方案的比较，各环节参数的计算、性能估计、实现框图、波形等。1. 4 大气激光通信系统的设计指标：1) 传输速率：155Mbps；2) 误码率；3) 光发射平均功率50mW； 4)
8、光接收灵敏度不低于-34dBm；5) 常温电功耗不大于6w； 第二章 一般通信系统的基本模型及主要性能指标2. 1背景介绍通信的目的就是互同信息，是指从一个地方向里一个地方进行信息的有效传递。克服距离上的障碍，迅速而准确地传递信息，是通信的任务。人类社会建立在信息交流的基础上，通信是推动人类社会文明、进步与发展的巨大动力。按照人类通讯交流方式与技术的不同，可以把历史划分为五个阶段。第一阶段的通信的方式是语言，人们通过人力、马力以及烽火台等原始通信手段传递信息。第二阶段从发明文字以及邮政通信开始。第三阶段一发明印刷术为标志。第四阶段从电报、电话和广播的发明开始，从此人们进入了电气通信的时代，通信
9、技术得到了迅速的发展。第五阶段为信息时代，随着现代科学技术和现代经济的发展，社会对信息传递、存储和处理的要求愈来愈高，信源的种类越来越多，不仅是语言，还包括数据、图像很文本等。在这第五阶段，通信和计算机已经而且必将更加有机地结合起来。现代通讯系统式信息时代的生命线。从人类信息交流和通信的演化进程可以清楚地体会信息技术的不断发展性。现代信息技术具有强大的社会功能，已经成为21世纪推动社会生产力发展和经济增长的重要因素。信息技术在改变社会的产业结构和生产的同时,也对人类的思想观念、思维方式和生活方式产生着重大而深远的影响。而且电子计算机和通信技术紧密结合，标志着数字化信息时代的到来。由于数字通信有
10、着模拟通讯不可比拟的优势，所以在现实社会中的应用越来越广泛，而且正以惊人的速度发展起来。此次通信原理考试的内容是写一篇数字通信系统设计的论文，作为考试改革的一个试点。这样的考试形式对我们学生发挥和培养能力都有很大的帮助，对我们创新能力的培养也有很大的帮助。通过这篇论文的书写，我们将对数字通信系统的总体设计思路、各个环节的技术方案以及它们各自的技术优缺点和在实践中的应用都会有一个更好的认识，对我们以后再改行业的发展有着非常重大的作用。2. 2一般通信系统的基本模型点对点通信系统的一般模型如图2.1所示，由发射端（信源和发送设备），信道和接收端（接收设备和信宿）三部分组成。 图2.1 通信系统的一
11、般模型通信的任务是完成消息的传递和交换。消息从一地传向另一地的传递，一般需要经过三个部分：发送端、接收端和收发两端的信道。如图2.1所示是通信系统的模型，它包括：1) 信源（也称为发终端）：把各种可能的消息转换为要传输的原始电信号，这个信号称为基带信号。信源分为模拟信源和数字信源。2) 发送设备：又称为发信机。将信源和信道匹配起来，即将信源产生的信号变换为适于信道传输的信号。其变换只要包括调制和编码。编码又包括信源编码和信道编码。3) 信道：信道又称为传输媒介，是传输信号的通道，即传输信号的物理媒介。信道分为无线信道和有线信道两种。有线信道包括明线、对称电缆、同轴电缆及光缆等。无线信道有地波传
12、播、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、人造卫星中继以及各种散射信道等。4) 噪声源：噪声源是信道中自身存在的噪声和分散在通信系统各处噪声的集中表示，噪声源对整个通信系统都有着很大的影响，是通信系统中的重要的制约因素。5) 接收设备：接收设备又称收信机。作用是把接收到的信号进行反变换，即解调和解码等，其主要任务是从带有干扰的的接收信号中正确无误地恢复出原基带信号。6) 信宿：信宿是传输信息的归结点，其作用是将复原后的原始信号转换成相应的消息。上述模型概括地反映了通信系统的共性，根据我们的研究对象和所关心的问题，将会在这个模型的基础上做适当的变动。本课设的主要内容都是围绕通信系统模型而展开的。
13、2.3通信系统的分类通信系统的分类方法很多，这里仅列出由通信系统模型所引出的分类。并对模拟通信系统和数字通信系统做详细的介绍，对其他的简要概述。2.3.1 按消息的物理特征分类根据消息的物理特征的不同，有电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统等各种通信系统。这些通信系统 可以是专用的，但通常是兼容的或并存的。由于电话通信最为发达，因而其他通信常常借助于公共的电话通信系统进行。例如电报通信通常是从电话话路中划分出一部分频带传送，或者是用一个话路传送多路电报。又如，随着电子计算机发展而迅速增长起来的数据通信，近距离时多用专线传送，而远距离时则常常借助电话通信信道传送。未来的综合数字
14、通信网中，各种类型的消息都能在一个统一的通信网中传输、交换和处理。2.3.2 按调制方式分类 根据是否采用调制，可将通信系统分为基带传输和调制传输。 基带传输是将未经调制的信号直接传送，如音频市内电话、数字信号基带传输。调制传输是对各种信号变换方式后传输的总称。2.3.3 按传送方式分类传送多路信号有三种复用方式，即频分复用、时分复用、码分复用。频分复用是用频谱搬移的方法使不同的信号占据不同的频率范围；时分复用是用脉冲调制的方法使不同的信号占据不同的时间区间；码分复用则是用一组正交的脉冲序列分别携带不同信号。2.3.4 按传输媒介分类 按传输媒介，通信系统可分为有线（包括光纤）和无线两类。2.
15、3.5 按传输信号的特征分类 变换后的信号与消息之间必须建立单一的对应关系，否则在接收端就无法恢复出原来的消息。调制时消息携带在正弦波或脉冲序列的某个参量或几个参量上，按参量的取值方式可将信号分为模拟信号和数字信号。模拟信号中参量的取值范围是连续的，因此可有无限多个取直。数字信号中携带消息的参量仅可取有限个数值。按照信道中所传输的是模拟信号还是数字信号，可以相应的把通信系统分成两大类。2. 4模拟通信与数字通信系统模型通信系统传输的消息是多种多样的，如符号、文字、语声、图像等。一般把消息分为两类：第一类为离散消息（数字消息），如符号、数据、文字等;第二类为模拟消息（连续消息）。如语声、图像等。
16、2. 4. 1模拟通信系统信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，其组成可有一般通信系统略加改变而成，如图2.2.图2.2 模拟通信系统的模型模拟信号是指时间和幅度上连续的信号。如图2.3（a）所示。图2.3 模拟信号和数字信号比较对与模拟通信系统，它主要包含两种重要变换，即把连续消息变换成电信号（发送端信息源完成）和把电信号恢复成最初的连续消息（收端受信者完成）。又信源输出的电信号（基带信号）具有频率较低的频谱分量，一般不能直接作为传输信号而送到信道中去，模拟基带传输系统很少采用。一般要对传输的信号进行调制，即将基带信号转换成频带适合信道传输的信号，这一变换由调制器完成；在接受端同样需经相
17、反的变换恢复出基带信号信息，它由解调器完成，经过调制后的信号通常称为以调信号。已调信号有三个基本特性：携带有消息、适合在信道中传输和具有较高频率成分。2.4.2数字通信系统信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统。数字信号是在时间和幅度上都是离散值的信号，与模拟信号想对应，如图2.3（b）所示数字通信系与模拟通信系统相比，数字通信系统具有以下主要优点：1) 抗干扰能力强，无噪声积累。因数字信号以0、1两个数码形式传输，被噪声干扰和经衰减后的数字信号，在没恶化到不可正确判断之前，可用再生的方法恢复成原来的信号。只要再生设备设定位置适当，可认为噪声干扰不会对传输信号产生不良影响，即不会出现噪声积累
18、。因而数字传输适用较远距离传输，也能适应性能差的信道2) 保密性强，易于实现检错纠错。数字信号是模拟信号经过信源编码后形成的。它本身已具有一定的保密性，同时数字信号便于码型转换，进行加密处理，还可通过信道编码实现检错，纠错功能。3) 数字通信可以综合传递各种消息，使通信系统功能增强。也便于建立综合通信网数字传输和数字交换结合，有利于传输和交换多种业务的数字信息，实现多种业务信息的综合通信。为建立综合业务数字网ISDN提供必要条件。4) 设备可集成，微型化由于设备多数属于数字电路，可采用集成元件，能做到集成度高，体积小，耗电低和成本低，且便于生产和维护。但数字传输也有缺点，它与模拟信号传输相比，
19、占用传输频带宽，如传输一路数字化语音信息占64khz的带宽，而传输一路模拟信息只需占4khz的带宽。同时数字信号传输过程中，需要严格的同步。随着数字集成技术的发展，各种中、大规模集成器件的体积不断减小，加上数字压缩技术的不断完善，数字通信设备体积将会越来越来小。并且随着微波和卫星信道及光线信道的迅速发展（它们有很宽的带宽），使占用传输频带宽的矛盾逐渐缩小。因而数字传输的应用日益广泛。2. 5数字通信系统的主要性能指标衡量数字通信的质量指标，包括信息传输的有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性等。对于一个通信系统，要求起主导和决定作用的是有效性和可靠性这两个指标，这也是衡量通信系统好坏的两个指标
20、。有效性是通信系统中传输信息速率的表征，二可靠性是通信系统传输信息质量的表征。传输速度越快，有效性越高；传输信号月准确，可靠性越高。在通信系统中，人们总是希望传输信息既快又准确，既有效又可靠。然而有效性和可靠性两者却是矛盾的。所以在一般情况下，依据实际系统要求采取相对统一的办法，即在满足一定可靠性指标下，尽量提高消息的传输速率，即有效性；或者，在维持一定有效性条件下，尽可能提高系统的可靠性。2. 51 有效性1) 码元传输速率数字通信是用有限个数字波形来代表信息的，每秒钟所传输的数字波形的数目就是传输速度，即码元传输速度，又可称为码元速率或波形速率，有符号表示，单位为波特（Baud）。2) 消
21、息传输速率信道的传输效率通常是以每秒所传输的信息量多少来衡量。信息传输速率是指每秒传送的信息量。信息量的度量单位是“比特”（bit），一个二进制码元（一个“1”或一个“0”）所含的信息量是一个“比特”，所以信息传输速率的单位是比特/秒(bit/s)或bps。3) 频带利用率 数字通信系统的效率不仅要看它们的信息传输速率，还要看传输这种信息所占的信道频带的宽度。通信系统所占用的频带愈宽，传输信息的能力应该愈大。所以真正用来衡量数字通信系统传输效率的有效性指标应当是单位频带内的传输速率。频带利用率可以表示为： 2. 52 可靠性 衡量数字通信系统可靠性的指标，具体可用信号在传输过程中出错的概率来表
22、述，即用差错率来衡量。差错率越大，可靠性越差。差错率通常有一下两种来表示方法。1) 码元差错率在数字通信系统中（尤其是在信道中）存在噪声干扰，接收到的数字码元可能会发生错误，而使通信的可靠性受到影响。对于数字通信系统的可靠性指标主要用误码率Pe来衡量。误码率的定义的接收端收到的错误码元数在发送端发出总码元数中所占的比例。误码率定义为接收端收到的错误码元数在发送端发出总码元数中所占的比例。用公式表示为：2) 信息差错率信息差错率简称误信率，它是指接受错误的信息量在传送信息总量中所占的比例，或者说，它是码元的新西兰在传输系统中被丢失的概率。用表达式可表示为：第三章大气激光通信系统的设计31光源光源
23、是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换成光信号。作为光源的发光器件应满足以下的基本条件：(1)体积小；(2)可以调制，调制特性好；(3)可靠性高，不仅要求工作寿命长，工作稳定性好，而且要求互换性好；(4)温度特性好，当温度变化时，其输出的光功率及工作波长的变化应在允许的范围。；目前，光通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极管和发光二极管，都满足以上条件。32激光传输 大气传输激光通信系统是由两台激光通信机构成的通信系统，它们相互向对方发射被调制的激光脉冲信号（声音或数据），接收并解调来自对方的激光脉冲信号，实现双工通信。图1所示的是一台激光通信机的原理框图。由图可见，本系统可传递语音以及进
24、行计算机间数据通信。受调制的信号通过功率驱动电路使激光器发光，这样载有语音信号的激光通过光学天线发射出去。接收是另一端的激光通信机通过光学天线将收集到的光信号聚到光电探测器上，将这一光信号转换成电信号，再将这一光信号放大，用阈值探测方法检出有用信号，再经过解调电路滤去基频分量和高频分量，还原出语音信号，最后通过功放经耳机接收，完成语音通信。当开关K掷向下时，可传递数据，进行计算机间通信，这相当于一个数字通信系统。它由计算机、接口电路、调制解调器、大气传输信道等几部分组成33光发射机关键技术图31光发射机框图发射机是光通信的重要组成部分，它的功能是将电信号转换成光信号发送出去，31为发射机的理框
25、图，主要由光源和驱动电路组成，还可以附加一些辅助电路。原对发射机的主要要求有：(1)输出尽可能大的稳定光功率：输出光功率越大，系统可传输的距离越长或系统所允许的损耗越大(2)具有尽可能小的非线性失真：光源的非线性是产生非线性失真的主要因素(3)为了更好的保护激光头，控制输出功率，设计电路时可以增加自动功率控制电路和自动温度控制电路，使激光头更有效的工作34光接收机关键技术光接收机是光通信中必不可少的组成部分，它的性能好坏是整个光通信系统性能的综合反应。光接收机电路主要包括光电检测器和放大器，其作用就是将接收到的微弱光信号转换成电信号，随后放大。对于强度调制的数字光信号，在接收端采用直接检测方式
26、时，光接收机的主要组成如图32所示图32光接收机框图它由光电检测器，前置放大器，主放大器和均衡器构成光接收机的线性通道，以完成光、电转换，把信号放大到判决电路所需的信号电平。此外，它还通过自动增益控制电路控制主放大器的增益，使光发射机有教宽的动态范围。35光学天线技术光学天线系统作为大气激光通信的重要组成部分，是非常值得我们观注和研究的。光学天线系统包括发射天线和接收天线。发射天线系统的主要功能是压缩光束发散角，对光束进行准直和扩束：接收天线系统的作用是接收微弱光信号并汇聚到检测测器表面，增大检测器的有效接收面积、光学天线性能的优劣直接影响到通信的可靠性。大气激光通信系统的发射与接收天线都是采
27、用透镜系统。351发射光学天线发射天线的作用是对光束进行准直并将其发送到接收机上，并使接收端获得足够的光功率。大气激光通信的传输方程可表示为 , 分别为发射光功率和接收机检测到的光功率：分别为发射天线效率和接收天线效率， L为传输距离，a为大气衰减系数，为接收天线的直径，为光源发射角。由上式可知接收机接收到的光功率与光源的发射角平方成反比，因此光源发射角必须足够小。接收机才能获得足够的功率。发射天线主要功能是压缩光束的发散角。发射天线总是设计成接近衍射极限，因为这样可以得到最小的光斑。发射天线既可设计成折射系统，也可设计成反射系统。352接收光学天线接收天线既可以是折射系统也可以是反射系统。它
28、用来接收直径为Dr的孔径范围内的光束功率，并将其聚焦在一个小的面积上。聚焦面积要比探测器的接收面积小一些，以便允许接收机瞄准有一定的误差。光电探测器放在接收天线的焦点上，接收天线的直径越大，接收的光功率越强。增加天线的直径不仅可以增加平均信号强度，而且还可以减小衍射现象。第四章激光信号大气衰减41大气散射大气对激光束的衰减是大气激光通信的主要损耗。原因是大气成份中的气溶胶粒子和气体分子对激光束进行吸收和散射。气溶胶粒子包括散布在空气中的固体及液体颗粒，例如水滴、冰晶、灰尘和有机物等。它们的直径范围在几个分子大小到20p m。对气溶胶粒子的研究表明，气溶胶粒子对光信号的吸收作用不是很明显，但是云
29、、雾等气溶胶粒子对光信号的散射作用是十分显著的。云、雾散射是波长在300nm到25000nm的光束传播的严重障碍。大气中的水分子、二氧化碳分子、臭氧分子及氧气分子是造成大气吸收的主要成份。这些气体分子的电子吸收带在紫外波段且较弱，而它们的振一转吸收光谱在红外波段且较强。由于大气激光通信所采用的激光波长多为近红外，因此在选择通信波长的时候要使用吸收带以外的波段。大气分子造成的散射遵循瑞利散射理论，散射系数其中为波长。由于与波长的4次方成反比，所以在近红外的情况下，由大气气体分子造成的瑞利散射是很小的。 我们前面的分析是基于大气折射率均匀分布，且大气相对静止。实际上，大气中存在着气流的扰动，我们称
30、之为大气湍流。大气湍流会造成局部大气温度和折射率的随机变化，从而使接收端的光强产生随机起伏。而由大气湍流引起的信道损耗可以称它为随机损耗，下面我们对湍流对大气激光通信的随机影响作定性分析。42大气湍流湍流使大气中产生了折射率不同的空气团，这些空气团随着体积的大小不同将对光束产生不同的影响。如果不同折射率气团的体积大于光束直径，那么光束偏移将是造成接收信号起伏的主要原因，如图41所示。图41由大于光束直径的折射率不同的气团偏移光束遣成接收信号起伏我们知道半导体激光器发射的激光为高斯光束，所以当接收光斑的中心在接收端随机偏移时，接收到的光功率也会随机起伏。如果空气团的体积与光束直径相当或者小于光束
31、直径，那么光束会被散射，更严重的是造成多径传播，使接收光功率发生起伏。如图42所示。图42光束受体积小于或等于光束的气团散射而产生接收功率起伏在由湍流产生的多径传播的随参信道中，就每条路径而言它的衰减和时延都是随机变化的，因此多径传播后的接收信号将是衰减和时间都随时间变化的各路径信号的合成。第五章大气激光传输信道模型大气对光束传输的影响主要是大气的吸收、散射造成的能量衰减和大气湍流产生的附加调制，因而工程上常将大气信道划分为大气衰减信道和大气湍流信道。在实际的光通信系统中，光信号经发射端发出后，穿过大气到达接收端，接收机将它进行光电转换，经放大整形等一系列过程后才由时钟提取判别电路将信号还原，此外，接收端接收到的光信号除发射出的光还有外来辐射的光，因此信号的还原不仅受到大气的影响还将受到接收机内部噪声及背景噪声影明。因此我们不仅要考虑大气对激光传输造成的影响，还要考虑接收机本机噪声和背景噪声的影响。51接收机本机噪声分析接收机本机噪声包括散粒噪声等。(1)散粒噪声光生电流是一种随机产生的电流，散粒噪声是接收检测器件本身引起的噪声，它围绕着一个平均统计值而起伏，这种无规则的起伏就是散粒噪声。
