大气激光通信系统设计

通信原理设计论文1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摘要通信原理设计论文2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；目录通信原理设计论文3第一章绪论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4．1大气散射4．2大气湍流通信原理设计论文4第五章大气激光传输信道模型5．1接收机本机噪声分析5．2背景辐射5．3大气衰减信道5．4大气湍流信道模型第六章自适应光学系统6．1光学系统及系统结构6．2波前校正器6．3波前传感嚣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通信原理设计论文5§1．1、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：①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。②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。③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。④设备尺寸小，由于光波波长短，在同样功能情况下，光收发天线的尺寸比微波通信原理设计论文6通信天线要小得多，同时功耗小，体积小，重量轻。⑤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。§1．2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。通信原理设计论文73)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510eP；3)光发射平均功率50mW；4)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通信原理设计论文8§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。通信原理设计论文9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。通信原理设计论文102)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。§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通信原理设计论文11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。通信原理设计论文122.3.4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。2.3.5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。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.信息源调制器信道解调器收信者噪声信息源调制器信道解调器收信者噪声图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。通信原理设计论文13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