【正文】 點(diǎn)正確接收。多種因素影響其達(dá)不到 %(電信級(jí) )的穩(wěn)定性。晴天對(duì)無(wú)線光通信傳輸質(zhì)量的影響最小，而雨、雪和霧對(duì)傳輸質(zhì)量的影響則較大。國(guó)外為解決這個(gè)難題，一般會(huì)采用更高功率的激光器二極管、更先進(jìn)的光學(xué)器件和多光束來(lái)解決： 城市內(nèi)，由于建筑物的阻隔、晃動(dòng)將影響兩個(gè)點(diǎn)之間的激光對(duì)準(zhǔn)。所以產(chǎn)品要符合眼睛安全標(biāo)準(zhǔn)。本文就以下四個(gè)方面進(jìn) 行簡(jiǎn)要介紹 [8]： 局域網(wǎng)互連應(yīng)用 無(wú)線激光寬帶通信系統(tǒng)的靈活性使它可以應(yīng)用于許多企業(yè)和學(xué)校，例如企業(yè) LAN 到 LAN 的連接、以及校園網(wǎng)。 最后一公里應(yīng)用 多年來(lái)，網(wǎng)絡(luò)線路的投資重心明顯失衡，傾斜于主干光纜及中心地帶，而極少關(guān)注網(wǎng)絡(luò)邊緣的用戶需求。 在移動(dòng)通信中的應(yīng)用 在微波無(wú)線通信中，基站與基站之間數(shù)據(jù)傳輸需要很高的傳輸速度，而由于小區(qū)間干擾的存在，使得必須采用較小的發(fā)射功率，從而制約了數(shù)據(jù)的傳輸速度；而無(wú)線激光通信幾乎沒(méi)有鄰信道干擾，能以更高速的數(shù)據(jù)流傳輸。目前國(guó)內(nèi)外 FSO 研究方向多為提高傳輸可靠性，其次是提高傳輸距離與速率。其主要目的是準(zhǔn)確掌握某地的氣候等通信條件，同時(shí)找到氣象條件影響通信質(zhì)量的規(guī)律，為通信的實(shí)現(xiàn)提供參考數(shù)據(jù)。目前幾大 FSO 生產(chǎn)廠家都有自己的一些自己的專利技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題 [9]。 LightPointe 公司，采用多光束 (四個(gè) )發(fā)射技術(shù)以減小大氣湍流的影響，同時(shí)可以克服鳥(niǎo)類、樹(shù)葉等引起的光路的突然割斷。Airfibier 提出了采用微波 FSO 互為備份的方法提高傳輸可靠性?，F(xiàn)在 FSO 產(chǎn)品的速率從 2M開(kāi)始，形成 多個(gè)系列，比較典型的有 10Mb/s， 100Mb/s， 155Mb/s， 622Mb/s。 無(wú)線激光通信國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展總是與人類文明的發(fā)展歷史緊密相關(guān)的。它是現(xiàn)代接力通信的雛形 ,每個(gè)烽火臺(tái)就是一個(gè)通信中繼站。但由于它易受外界噪聲干擾 ,可靠性不如電纜傳輸而最終沒(méi)投入商用。到了 1960 年 7 月 ,隨著世界上第一臺(tái)紅寶石固態(tài)激光器的出現(xiàn)，光源的頻譜、方向角得到改進(jìn)，從而大大改善了大氣光通信的傳輸性能，大氣光通信研究開(kāi)始起步，并在 20 世紀(jì) 60 年代中期掀起研究熱潮。我國(guó)在 1963 年就開(kāi)始研究大氣激光通信，但由于大氣光通信受氣候變化的影響十分嚴(yán)重，使 4 應(yīng)用受到很大限制。 80 年代后期，一些廠商開(kāi)始從事無(wú)線光通信商用化的開(kāi)發(fā)工作，當(dāng)時(shí)由于傳輸距離和性能的問(wèn)題而告失敗。近幾年來(lái)，隨著摻鉺光纖放大器 ( EDFA)、波分復(fù)用(WDMA)，尤其 是自適應(yīng)光學(xué) (AO) 技術(shù)的發(fā)展很好地解決了大氣湍流問(wèn)題，大氣光通信在傳輸距離、傳輸容量、可靠性等方面都得到了很大改善，適用面也越來(lái)越廣 [10]。美國(guó) CANON 公司 10 年來(lái)一直為終端用戶提供點(diǎn)到點(diǎn) FSO 設(shè)備 [11]。美國(guó) Terabeam 公司則為市場(chǎng)提供了點(diǎn)至多點(diǎn)技術(shù)，可使用 IPOverEthe 技術(shù)通過(guò) Terabeam 自己的當(dāng)?shù)亟尤刖W(wǎng)服務(wù)與互聯(lián)網(wǎng)連接。英國(guó) Cablefree 公司是世界上領(lǐng)先研制及生產(chǎn)先進(jìn)高性能無(wú)線光通信 (FSO)產(chǎn)品的專業(yè)設(shè)備提供商。自 1997 年使用以來(lái)， 2700 套 Cablefree 的 FSO 系列產(chǎn)品已安裝在世界 45 個(gè)國(guó)家，廣泛應(yīng)用在各個(gè)不同的領(lǐng)域 [13]。 90 年代初，我國(guó)開(kāi)始進(jìn)行衛(wèi)星激光通信的研究，并列為國(guó)家的八五和九五預(yù)研項(xiàng)目。 90 年代后期，華中科 技大學(xué)、上海光機(jī)所、電子部 34 所、光電技術(shù)研究所、清華同方等單位先后開(kāi)展了大氣光通信技術(shù)及產(chǎn)品的研究和開(kāi)發(fā)。清華同方 [16]推出了面向未來(lái)的無(wú)線光鏈路的自由空間通信產(chǎn)品 OWLink E100、 OWLink E200，它提供了可以無(wú)縫集成到已有以太網(wǎng)的 10/100M 以太網(wǎng)接口，工作波長(zhǎng)： 785nm；通信距離：3Km；最大光 發(fā)射功率： 40mW 2。產(chǎn)品主要性能參數(shù)是，速率： 10Mb/s；工作波長(zhǎng)：850nm；通信距離： l4Km；光發(fā)射功率： 330mW。其傳輸速率可以 5 達(dá)到 622Mb/s，通信距離可以達(dá)到 2Km，自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度為 ，響應(yīng)時(shí)間為 。 本文主要針對(duì)基于 OOK調(diào)制的 FSO半盲信道估計(jì)算法進(jìn)行了研究，全文內(nèi)容安排如下： 第 1 章簡(jiǎn)要介紹了無(wú)線光通信的概念，分析了無(wú)線光通信系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，并說(shuō)明無(wú)線光通信的研究方向和發(fā)展現(xiàn)狀。著重考慮了大氣對(duì)光的衰減效應(yīng)和大氣湍流效應(yīng)。 . 第 4 章主要進(jìn)行了基于 OOK 調(diào)制的 FSO 半盲信道估計(jì)算法的仿真研究，針對(duì) MATLAB的仿真結(jié)果進(jìn)行分析 和討論。 6 第二章 無(wú)線光通信系統(tǒng)大氣信道特性理論分析 無(wú)線光通信系統(tǒng)的構(gòu)成 無(wú)線光通信是光纖通信和無(wú)線通信二者技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，具有類似于無(wú)線通信和光纖通信的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在發(fā)射端，信源信息首先由編碼器進(jìn)行編碼，送電發(fā)射機(jī)調(diào)制，然后再將該信號(hào)調(diào)制到由激光器產(chǎn)生的光載波上，并通過(guò)光學(xué)發(fā)射天線將已調(diào)制的光信號(hào)發(fā)射到大氣空間。本文主要討論由光發(fā)射模塊、光接收模塊、光學(xué)天線 (透鏡組和濾波片 )及無(wú)線備份環(huán)路 (可選 )組成的小型無(wú)線光通信系統(tǒng)，其原理框圖如圖 21 所示。在這部分我們必須考慮光發(fā)射模塊與光管理模塊的電信號(hào)接口問(wèn)題，光源的選擇，光的調(diào)制解調(diào)形式，激光波長(zhǎng)的選擇；光功率自動(dòng)控制，光的多路傳送方式，光功率的大小及誤碼率等技術(shù)指標(biāo)，激光器與光纖的耦合或激光器與光學(xué)天線的耦合等。經(jīng)過(guò)人們多年研究，發(fā)現(xiàn)有兩種工作波長(zhǎng)的激光具有較小的傳輸損耗： 850 納米和 1550 納米。 1550 納米波長(zhǎng)的設(shè)備信 源 光發(fā)射模塊 光學(xué)發(fā)射天線 光學(xué)接收天線 光接收模塊 信 宿 無(wú)線備份環(huán)路 7 價(jià)格更高，但在功率、傳輸距離和視覺(jué)安全方面有更好的表現(xiàn)。功率的增大，有利于增大傳輸距離和在一定程度上抵 消惡劣氣候給傳輸帶來(lái)的影響 [20]。室內(nèi)使用的激光器發(fā)射功率在不同的波長(zhǎng)時(shí)的功率限制值見(jiàn)表 21。激光光波的電場(chǎng)強(qiáng)度： ?c（ t） = Ac cos（ ωct+?c） () 式 ()中 Ac為振幅； ωc 為角頻率； ?c為相位角。調(diào)制方式有內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制兩種。把調(diào)制元件（如光電晶體等）放到光源之外，使被信息信號(hào)調(diào)制了的電信號(hào)加到調(diào)制晶體上，當(dāng)光束通過(guò)晶體后，其光束中的某個(gè)參數(shù)（強(qiáng)度、頻率、相位、偏振等）隨電信號(hào)變化而變化，從而成為載有信息的光信號(hào) 稱為外調(diào)制。此外內(nèi)調(diào)制還有脈碼調(diào)制，外調(diào)制中有振幅調(diào)制、頻率調(diào)制、脈碼調(diào)制、偏振調(diào)制等。強(qiáng)度調(diào)制是一種使輸出激光輻射強(qiáng)度按照調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化的調(diào)制方法，其中光載波電場(chǎng)振幅的平方與調(diào)制信號(hào)成正比 [21]，即 Ac２ ∝ a(t)。 （ 3）電信號(hào)接口電平 眾所周知，在 TTL 電平， CMOS 電平， ECL 電平中， ECL 電平能傳送較高速率的信號(hào)，但是 ECL 電平需要正負(fù)電源，如果采用單一電源供電，則 ECL 電平就成了 PECL 電 8 平，其傳輸速度和 ECL 電平一樣。此外 ECL 電路既可以傳送數(shù)字信號(hào)，又可以傳送模擬信號(hào)，而 TTL 電平和 CMOS 電平則不行。至于傳送的到底是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào) 對(duì)光發(fā)射模塊都一樣，只不過(guò)是激光器的靜態(tài)工作點(diǎn)不同而已。為了保證激光器能發(fā)出穩(wěn)定可靠的光功率，激光器的驅(qū)動(dòng)部分必須有自動(dòng)功率控制。天線的孔徑直接影響了天線的增益，一般來(lái)說(shuō)，孔徑越大，增益越大；但是孔徑增大，天線體積和重量也要增加，所以應(yīng)當(dāng)選取合適的天線孔徑。為了保證可靠通信，用多路激光同時(shí)發(fā)射和接受，即可以減小每路激光通信的光功率又可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)接收，增大接收機(jī)接收的光信號(hào)強(qiáng)度，從而減少誤碼率，提高通信質(zhì)量。用四路激光同時(shí)發(fā)射和接收，可以很好的提高系統(tǒng)性能，而光學(xué)天線體積增幅不大 [22]。 圖 22 激光的多路發(fā)射示意圖 光接收模塊 光接收模塊和光發(fā)射模塊一樣，也是光通信系統(tǒng)的核心部件。 光電探測(cè)器的主要功能是檢測(cè)出已被信息調(diào)制過(guò)的光信號(hào)并將它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，它相當(dāng) 分路器 信號(hào) 激光驅(qū)動(dòng)器 激光驅(qū)動(dòng)器 激光驅(qū)動(dòng)器 激光驅(qū)動(dòng)器 光天線 光天線 光天線 光天線 9 于微波通信系統(tǒng)中的檢波。光通信用光電探測(cè)器的主要要求是：高的靈敏度，低的噪聲，快的響應(yīng)速度，足夠的帶寬，對(duì)溫度變化不敏感，尺寸小并能與光纖匹配，價(jià)格合理，壽命長(zhǎng)。在光接收機(jī)中，由于光電探測(cè)器的輸出電信號(hào)通常比較小，必須經(jīng)放大才能使用。在光接收機(jī)中，最常使用的放大器是 GaAs 場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ FET），稱之為 FET 放大器?？紤]到成本和靈敏度，應(yīng)將四路光信號(hào)相加后送到 APD 管。 典型的基于 APD 管的光接收模塊電路原理如圖 23： 圖 23 光接收模塊電路圖 光電檢測(cè)器是一種功率檢測(cè)器件，其輸出信號(hào)功率正比于光電檢測(cè)器所收集到的瞬時(shí)場(chǎng)強(qiáng)。 在大氣激光通信系統(tǒng)的信號(hào)傳輸中，涉及的大氣信道是隨機(jī)的。大氣湍流效應(yīng)對(duì)激光在大氣中傳輸具有很大的影響，在強(qiáng)湍流影響下，光信號(hào)受到嚴(yán)重干擾甚至脫靶，造成較大的誤碼率和短時(shí)間通信中斷，嚴(yán)重影響無(wú)線光通信穩(wěn)定性和可靠性 [25]。 大氣信道模型 在近地光通信系統(tǒng)信號(hào)傳輸中，大氣信道是隨機(jī)的。而對(duì)于大氣對(duì)激光通信信號(hào)干擾的分析，研究主要集中在APD 預(yù)放 主放及信號(hào)指示 高壓發(fā)生器及溫度檢測(cè) 光信號(hào) 輸出 10 大氣的吸收和散射，直到近年來(lái)才開(kāi)始對(duì)大氣湍流引起的閃爍、光束漂移、擴(kuò)展以及大氣色散等問(wèn)題進(jìn)行研究，而這些因素都會(huì)影響接收端信號(hào)的信噪比，從而影響系統(tǒng)的誤碼率和通信距離、通信帶寬。 (1) 對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型 對(duì)數(shù)正態(tài)分布是依據(jù) Rytov 將對(duì)數(shù)振幅漲落 χ 表示為許多獨(dú)立貢獻(xiàn)的疊加，由中心極限定律得出閃爍滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布規(guī)律 [30]。在最簡(jiǎn)單的情況下 (即只考慮一次散射 )，電場(chǎng)振幅可以寫(xiě)成： u = ua + ur +iui () 式中 ua為平均場(chǎng)； ur 和 ui 為隨機(jī)場(chǎng)的實(shí)部和虛部；波場(chǎng)為： E = (ua +ur + iui)exp(?χ?+ χI +i?S?) () 若 ur 和 ui 來(lái)自大量隨機(jī)散射的總效應(yīng)，則根據(jù)中心極限定理。按照散射的性質(zhì)， ur 和 ui是不相關(guān)的，并且具有相同的方差。 取對(duì)數(shù)振幅 χ的均值為 ?χ?，標(biāo)準(zhǔn)偏差為 ?χ的高斯隨機(jī)變量，則有 Pχ(χ) = 1√2π?xexp{?(χ。?χ?/22?χ2 } () 其中 A0為常數(shù)，類似地，由 PI(I) = PA(A = √I)|dAdI| () 可以求出強(qiáng)度 I = A2的概率密度函數(shù) 11 PI(I) = 1√8π?χIexp{?.ln II0。對(duì)數(shù)振幅 A 的起伏服從正態(tài)分布，對(duì)數(shù)輻射強(qiáng)度的起伏也服從正態(tài)分布，即激光閃爍信號(hào)為對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)如圖 24， 25 所示。但是隨著湍流強(qiáng)度的增加正態(tài)分布模型與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)有很大的偏差。注意的是負(fù)指數(shù)分布被認(rèn)為是光強(qiáng)分布的極限分布，所以負(fù)指數(shù)分布只適合于飽和區(qū) [31]。 K 分布最初用來(lái)模擬微波通信中海面信道，但是后來(lái)發(fā)現(xiàn) K 分布與強(qiáng)湍流條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很好符合 [32]。 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)為平均光強(qiáng)的分布函數(shù)，被認(rèn)為服從 Gamma 分布 (即Γ分布 ) 13 f(b) = α(αb)α?1Γ(α) exp(?αb), b 0 , ?? 0 () 其中 Γ (α)為 Gamma 函數(shù) (τ 函數(shù) )， α為值恒為正的參數(shù)，取決于大氣湍流。1) 2? Kα。正是由于貝塞爾函數(shù)的存在，光強(qiáng)分布的 pdf 被稱為 K 分布。 圖 26 K 分布概率密度曲線 在 K 分布假設(shè)下，閃爍指數(shù)具有以下形式 αI2 = 1+2 α? () 由此可以得出只有在 α→∞的條件下，閃爍指數(shù)值為 1，而在其他時(shí)候值都超過(guò)了 1。為了將 K 分布模型加以修改以適應(yīng)于弱湍流情況， 和 提出了 IK 分布模型 [33]。 和 提出了對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型 [34]，其模型等效于用一對(duì)數(shù)正態(tài)分布函數(shù)調(diào)制一個(gè)指數(shù)分布。 和 等人提出了對(duì)數(shù)正態(tài)萊斯分布 [35]，也稱為 Beckmamm’ s 概率函數(shù)。r)√2πωs ∫