飞机对卫星激光通信上行链路建模与功率分析Modelinga

2008年1月JournalonCommunicationsJanuary2008第29卷第1期通信学报Vol.29No.1飞机对卫星激光通信上行链路建模与功率分析陈纯毅1，杨华民1，佟首峰2，姜会林2（1.长春理工大学计算机科学技术学院，吉林长春130022；2.长春理工大学空间光电技术研究所，吉林长春130022）摘要：针对飞机对卫星激光通信上行链路，对背景光、激光大气传输衰减、接收器的接收效率和光强起伏等影响链路性能的因素进行了理论建模和分析；在此基础上，考虑OOK调制和直接检测并结合APD的Webb-Gaussian模型，建立了链路误码率模型。通过数值仿真，得出误码率与入射到APD上的信号光功率之间的关系；分析发现误码率随信号光功率的增加而下降，并且下降速率与信号光功率近似满足对数线性关系。最后，计算得出了链路误码率达到10-7时，发射端所需的最小出瞳功率为0.873W。关键词：激光通信；链路；误码率；功率分析；卫星中图分类号：TN929.12文献标识码：A文章编号：1000-436X(2008)01-0125-07ModelingandpoweranalysisforuplinkoflasercommunicationbetweenairplaneandsatelliteCHENChun-yi1,YANGHua-min1,TONGShou-feng2,JIANGHui-lin2(1.ComputerSchool,ChangchunUniversityofScienceandTechnology,Changchun130022,China;2.InstituteofTechnologyofSpaceOpticalCommunication,ChangchunUniversityofScienceandTechnology,Changchun130022,China)Abstract:Aimingattheuplinkoflasercommunicationbetweenairplaneandsatellite,thefactorsincludingtheambientlight,thelossoflaserpropagatinginatmosphere,thereceivingefficiencyofreceiverandthelaserintensityfluctuation,whichallcanaffectthelinkperformance,weretheoreticallymodeledandanalyzed.Onthebasisofthemodelingandanalyzing,alinkbiterrorrate(BER)modelwasproposedbyconsideringon-off-keying(OOK)modulationanddi-rect-detectioncombinedwiththeWebb-Gaussianapproximationofavalanchephotodiodedetector(APD).AnumericalsimulationwasperformedandtherelationshipbetweenBERandsignallaserpowerincidentonAPDwasgot.ItshowsthatBERdecreaseswhilethelaserpowerincreasesandanapproximatelylog-linearrelationshipbetweendecreasingspeedofBERandlaserpowercanbeobtained.Finally,theminimaltransmittingpower,0.873W,attransmitterwascomputedaslinkcouldachieve10-7BER.Keywords:lasercommunication;link;biterrorrate;poweranalysis;satellite1引言以微波为载波的传统卫星通信技术已经越来越满足不了人们对通信速率的要求。激光通信系统具有大通信容量、高传输码率、保密性能好以及相对于其他波段通信系统体积小、重量轻的优点,其已成为目前大容量空间通信最具竞争力的解决方案。由于激光在地面附近所受到的大气衰减和湍流的影响非常严重，地面站与卫星间直接进行激光通信存在比较大的困难。解决此难题的办法之一就是利收稿日期：2006-12-25；修回日期：2007-10-15基金项目：国家高技术研究发展计划（“863”计划）基金资助项目（2003AA712014）FoundationItem:TheNationalHighTechnologyResearchandDevelepmentProgram(863Program)(2003AA712014)·126·通信学报第29卷用飞机接收地面站信号，然后再飞到云层外，在飞机与卫星之间进行激光通信。飞机与卫星间激光通信系统的接收端通常采用雪崩光电二极管（APD）探测器来探测光信号。APD的输出分布通常用Webb密度函数来近似，而APD的暗电流噪声和热噪声则可近似为Gaussian分布附加在散弹噪声上，因此APD的输出的精确分布应该用两个随机变量的卷积来表示，称为Webb-Gaussian分布[1]。在通信过程中，空间背景光、大气、收发双方间的瞄准误差以及APD的各种噪声等因素都会对通信系统的误码率产生影响。在设计通信系统时，必须充分地考虑到上述各种因素的影响，首先根据系统的误码率指标来计算出发射端的最小出瞳功率，然后再确定发射端激光器的输出功率大小。针对飞机对卫星激光通信上行链路，本文分别对空间背景光辐射、激光大气传输衰减、接收器的接收效率、大气湍流引起的激光光强起伏等问题进行理论建模和分析；考虑OOK调制和直接检测，并结合APD的Webb-Gaussian模型，本文建立了飞机对卫星激光通信上行链路的误码率模型。最后，对上述模型进行了数值仿真，得出入射到APD上的信号光功率与误码率间的关系；通过仿真计算得出了链路误码率达到10-7时，发射端所需要的最小出瞳功率。2链路信道模型飞机对卫星激光通信系统链路信道模型如图1所示。通信数据比特流经过编码器编码后，由激光调制器把数据加载到光信号上，再经发射光学系统发射出去；通信光在空间信道中传输时会受到大气衰减和大气湍流的影响；由于激光扩束和收发双方间的瞄准误差等原因，接收光学系统收到的光信号存在很大的衰减。图1通信链路信道发射光学系统的发射功率为Pt，激光信号经过空间信道的传输，被接收光学系统接收，不考虑湍流影响时，入射到APD探测器上的信号光功率Ps=Ptτaηrτr，其中，τa为大气透过率，ηr为接收器的接收效率，τr为接收光学系统透过率。由于大气湍流会引起激光光强的随机起伏，所以实际的信号光功率Ps是一个随机量，其服从一定的概率分布。APD探测器的输出x中包含信号光电子引起的散弹噪声和暗电流与热噪声电流引入的噪声。入射到APD探测器上的背景光（功率为Pb）会在其总输出中加入附加的散弹噪声。APD的输出作为阈值判决器的输入，阈值判决器比较APD的实际输出和判决阈值之间的大小，以解调出发射端所传送的编码后的数据；最后，经由译码器译码得到最终接收数据。3空间背景光辐射对于飞机对卫星激光通信上行链路来说，由于星载光接收器指向地球，故其接收到的背景光主要来源于地球对太阳光的反射所形成的扩展背景辐射。扩展背景辐射常用辐射谱函数L(λ)来描述，它定义为在波长λ处单位带宽上、每单位面积光源辐射到单位立体角内的功率。由于光电探测器固有的散弹噪声特性，入射到其上的直流背景光会表现为噪声。背景光的影响可以建模为一直流信号对探测器均方根噪声的影响。背景光功率可用下面的公式来描述[2]：bfvrec()∆PLΩAλλ=(1)其中，L(λ)为背景光源的辐射谱函数，∆λ为滤光片的带宽，Arec为接收器的接收面积，Ωfv为接收器的视场所张的立体角。当接收器的视场角θv很小时，其对应的立体角为2fvπ2π1cos24vvθθΩ⎡⎤⎛⎞=−≈⎢⎥⎜⎟⎝⎠⎣⎦(2)这里使用文献[3]中给出的由云对日光的反射形成的扩展背景光源数据来分析星载光接收器所接收到的背景光，其辐射谱密度函数曲线如图2所示。图2云对日光反射形成的背景辐射的谱密度函数随波长的变化关系第1期陈纯毅等：飞机对卫星激光通信上行链路建模与功率分析·127·可以得出，当波长λ为810nm时，背景光源的辐射谱密度为1.88×10−4W/(m3·sr)。4空间信道衰减4.1大气衰减飞机对卫星进行激光通信时，由于飞机处于大气层中，所以通信激光的传输会受到大气的影响。另外，由于激光所经过的大气层的特性随海拔高度的升高而不断变化，所以研究大气对激光通信的影响必须考虑海拔高度因素。大气主要对通信激光的传输产生衰减和闪烁效应；衰减效应使得激光的功率减小，闪烁效应使得激光的功率围绕某个值作上下波动。激光在大气中传输时的衰减服从Bouguer-Lambert定律[4]：a00exp()dzIllIτα⎡⎤==−⎢⎥⎣⎦∫(3)其中，τa为大气透过率，I为受到大气衰减影响后的光强，I0为真空中传输时的光强，z为激光传输距离，α(l)为消光系数。瑞利散射消光系数依赖于激光的波长λ和折射率指数n；折射率指数n随大气密度ρ的变化而不断改变；大气密度ρ是大气压强p和温度T的函数。瑞利散射消光系数可以表示为[4]223NN4NN8π(1)(,,)113bkTnpTppRTαλλρ⎡⎤⎛⎞−⎢⎥=+−⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎣⎦(4)其中，大气常数R为287.05J/(kg-1·K)，Boltzmann常数kb为1.38066×10-23J/K，nNN为海平面折射率指数，ρNN为海平面大气密度。使用美国标准大气模型[5]，根据式（4）可以得出瑞利散射消光系数随海拔高度的变化曲线（假设海平面附近的折射率系数为1.0003，海平面大气密度为1.225kg/m3），如图3所示。图3消光系数随海拔高度h的变化曲线4.2接收器的接收效率在飞机对卫星激光通信中，由于接收器口径比激光光斑小很多，以及收发双方存在瞄准误差等原因，接收器收到的光功率相对于发射端发射的功率来说存在很大的衰减。假设发射激光为高斯光束，则在与发射端相距为z处的接收平面上的光强分布函数为[1]22vhvh222bb88()(,,)expπtPIzzψψψψθθ⎡⎤+=−⎢⎥⎣⎦(5)其中，Pt为激光的发射功率，ψv和ψh分别为俯仰和方位方向上发射端的瞄准角误差，θb为激光束散角。由于飞机与卫星间激光通信的距离非常远，接收面上的光斑半径远大于接收器口径，故可以认为接收器口径内光强近似不变，则接收器收到的光功率为22recvhr222bb88()expπtPAPzψψθθ⎡⎤+≈−⎢⎥⎣⎦(6)其中，接收器的接收面积22rec0vhcosAAφφ=+，A0为接收器口径面积，vφ和hφ为接收端的瞄准误差，22vhcos1φφ+≈，其对接收光功率的影响非常小。接收器的接收效率为22recvhrr222tbb88()expπAPPzψψηθθ⎡⎤+==−⎢⎥⎣⎦(7)5大气湍流引起的光强随机起伏表征大气湍流强弱程度的物理量是折射率结构常数Cn2，其反映了激光在大气中传输时所受到湍流影响的强弱。飞机对卫星激光通信中，通信激光在大气层中的传输范围一般为从海拔大约10000m到太空。由于海拔越高，大气层的大气密度越小，其对激光传输所产生的湍流效应也相应地减小，所以对于激光大气斜程传输来说，折射率结构常数Cn2为一个与海拔高度相关的量。本文使用Hufnagel-Valley折射率结构常数模型来分析激光传输的闪烁效应[6]2251016HV()0.00594(/27)(10)exp(/1000)2.710exp(/1500)exp(/100)nChvhhhAh−−=−+×−+−(8)其中，h为海拔高度（单位为m），AHV为地面附近折射率