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精彩书摘

第1章无线光通信系统
　　无线光通信，即自由空间光通信（free-spaceoptical，FSO）融合了光纤通信与微波通信的优点，通信容量大又不需要铺设光纤，也无须频谱许可。本章介绍无线光通信系统的模型以及基本概念。
　　1.1无线光通信模型
　　无线光通信端机由光学天线（望远镜）、激光收发器、信号处理单元、自动跟瞄系统等部分组成。发送器的光源釆用激光二极管（laser diode，LD，也称为半导体激光器）或发光二极管（light-emitting diode，LED），接收器主要釆用PIN或APD（avalanche photo diode，雪崩二极管）。无线光通信模型如图1.1所示。
　　1.1.1发射机
　　将信源产生的某种形式的信息（如时变的波形、数字符号等）调制到光载波上，载波（称为光束或光场）通过大气或自由空间发射出去，这就是发射机。发射机包括信道编码、信源编码、调制、光信号放大以及发射天线。
　　信道编码的过程是在源数据码流中加插一些冗余码元，从而达到在接收端进行判错和纠错的目的。降低误码率是信道编码的基本任务。信道编码的本质是增加通信的可靠性，但由于加入了冗余而使有用的信息数据传输率降低。
　　调制是信号的变换过程，是按编码信号的特征改变光信号的某些特征值（如振幅、频率、相位等）并使其发生有规律（这个规律是由信源信号本身的规律所决定的）的变化。这样光信号就携带了信源信号的相关信息。
　　调制可以分为主动调制与被动调制。如果光源和调制信号同在发射端，就是主动调制；如果光源和调制信号不在同一端，就是被动调制，也称为逆向调制（modulating retro-reflector，MRR）。如果对激光器电源进行调制，则称为直接调制；如果对激光器发出的波束进行调制，则称为间接调制，也称为外调制。
　　如果通信距离要求较远，激光器直接输出的光功率不足，则采用光放大器对光信号进行放大。光放大器有半导体光放大器和光纤放大器。
　　发射天线有多天线发射/多天线接收、单天线发射/单天线接收。多天线发射/多天线接收可以抑制大气湍流的影响。
　　1.1.2接收机
　　接收机包括光信号接收天线、空间光-光纤耦合单元、前置放大器、检测器、解调器等。
　　接收天线把发射机发送的光信号收集起来，空间光-光纤耦合是将接收机收集的信号光耦合进光纤中，由光纤探测器实现光电转换。光信号耦合进光纤的过程中会有能量损失。
　　有时耦合进光纤的信号非常微弱，需要采用前置光放大器对其进行预放大后再进行光电转换，这个放大器就是前置放大器。
　　信号检测有探测器直接检测、空间光-光纤耦合检测、分布式检测以及相干检测。光检测器直接接收天线汇集光信号的检测方式称为直接探测。由光电检测器检测空间光耦合进光纤中的信号，就是空间光-光纤耦合检测。由于光纤端面小，光电转换器感光面积小，需要的光信号强度也小，因此空间光-光纤耦合检测的速率高，检测灵敏度也高[1]。
　　1.1.3信道
　　无线光信道包括大气信道、室内信道、紫外光散射信道和水下信道。大气信道是最复杂的信道，大气湍流及复杂气象条件对光信道影响最大。信道传递函数可以表示为
　　（1.1）
　　式中，Ht（f）、Hc（f）和Hr（f）分别表示发射机、信道和接收机的传递函数。对应的时域表达式为
　　（1.2）
　　式中，h（t）、hc（t）和hr（t）分别表示发射机、信道和接收机的单位冲激响应。信道模型如图1.2所示。
　　解调器输入的信号可以表示为
　　（1.3）
　　式中，A（t）表示信道的衰落；s（t）是调制器输出的信号；表示卷积。对于大气激光通信，A（t）主要来源于大气瑞流；对于紫外光非直视通信，A（t）主要由大气分子对紫外光的单次散射以及多次散射产生光强的起伏；对于室内可见光通信，A（t）主要由室内光的反射产生。当不考虑信道衰落的时候，接收信号可以表示为
　　（1.4）
　　式中，是加性高斯分布的白噪声，一般表示接收机探测器及其附属电路的电子噪声。
　　1.2激光光源
　　半导体激光器（LD）是一种能够直接将电能转化为光的固态半导体器件。其他激光器如气体激光器、液体激光器也可以作为光源，但以半导体激光器最为常见。
　　1.2.1半导体激光器的工作原理
　　半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的发光器件。常用工作物质有硫化镉（CdS）、砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、硫化锌（ZnS）等。由于工作物质结构上的差异而导致产生激光的具体过程会有不同。激励方式有电子束激励、电注入和光泵浦三种形式。半导体激光器可分为单异质结、双异质结（doubleheterojunction，DH）、同质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。半导体激光器的基本结构是双异质结平面条形结构，如图1.3所示。所谓异质结，是指由两种带隙宽度不同的半导体材料组成的P-N结（也可能是P-P或N-N结）。普通P-N结也称为同质结[2]。
　　粒子数反转（populationinversion）是激光产生的前提。两能级间受激辐射概率与两能级粒子数差有关。通常处于低能级E的原子数大于处于高能级E的原子数，这种情况下不产生激光。要产生激光就必须使高能级（及）上的原子数目大于低能级（馬）上的原子数目，因为高能级（及）上的原子多而发生受激辐射，导致光增强（也叫作光放大）。为了达到这个目的，必须设法把处于基态的原子大量激发到亚稳态E，处于高能级E的原子数就可以大大超过处于低能级E的原子数。这样就在两个能级之间实现了粒子数的反转。
　　激光器必须有增益介质、谐振腔和泵浦源，才可以在一定条件下产生激光。同质结LD对半导体材料的要求是重掺杂而且必须是“直接带隙”的半导体材料。电子由导带跃迁至价带，受激辐射将起主导作用，发出的光就是激光。由于重掺杂，简并半导体的有源区束缚电子和空穴的能力较弱，需要很大的注入电流密度才能实现粒子数反转，所以难以实现室温下连续工作，只能在低温下工作。为了降低电流密度阈值，人们研究了单异质结和双异质结半导体激光器。不同半导体材料的带隙差也使有源区的折射率高于邻近的介质，这样使光子也限制在有源区内，载流子和光子的束缚使得激光器的阈值电流密度大幅度下降，从而实现了室温连续工作。
　　1.2.2半导体激光器的基本特性
　　半导体激光器是以一定的半导体材料为工作物质而产生受激发射作用的器件。其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转。当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用[3]。半导体激光器的激励方式主要有三种：电注入式、光泵式和高能电子束激励式。电注入式半导体激光器一般是由砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟（InP）、硫化锌（ZnS）等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射；光泵式半导体激光器一般以N型或P型半导体单晶（如GaAS、InAs、InSb等）为工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励；高能电子束激励式半导体激光器以N型或者P型半导体单晶（如PbS、CdS、ZhO等）为工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。半导体激光器是阈值器件，当注入电流小于阈值电流时，谐振腔增益不足以克服损耗，有源区内不能实现粒子数反转，自发辐射占主导地位，发出普通的荧光，与LED相似；随着注入电流增大，达到阈值后，有源区内实现了粒子数反转，受激辐射占主导地位，发出谱线尖锐、模式明确的激光。半导体激光器对温度很敏感，其输出功率随温度变化很大，其原因主要是半导体激光器的外微分量子效率和阈值电流都随温度而变化。
　　半导体激光器是以半导体材料为工作物质的一类激光器件。它除了具有激光器的共同特点外，还具有以下特点：体积小、重量轻、驱动功率和电流较低、效率高、工作寿命长、可直接电调制、易于与各种光电子器件实现光电子集成。
　　1.2.3非线性校正
　　激光器是具有阈值特性的非线性器件，其非线性会在调制信号的激励下产生谐波失真。
　　1.静态非线性对副载波调制的影响
　　输入电流与输出光功率之间关系的I-L特性曲线可以用来表征激光器的非线性失真。如图1.4所示，非线性失真可以简单地概括为在无失真信号的激励下，输出响应信号在时域中产生了波形畸变，在频域中则出现了新的谐波分量。
　　2.I-L特性预失真补偿
　　假设激光器输出光功率P与驱动电流I的关系为
　　（1.5）
　　假设预失真器产生的预失真信号为
　　（1.6）
　　预失真器的基本原理：在信号电压增加的过程中，激光器前端的预失真模型使经过激光器的电流更快增加，同时抵消激光器在电流增大时光功率增长的幅度比电流增长的幅度小的那部分非线性失真。通过预失真模型和激光器的共同作用后，输出光功率与输入电流之间保持线性变化关系[4]。
　　如图1.5所示，原输入信号通过耦合器分成三路：一路为主通道oI（处理基波成分），另两路为副通道（处理二、三阶失真成分）。假定两路副通道的增益相同，预失真器就可看作副通道产生的信号。主通道通过时延直接进入合路器，副通道通过衰减器、反相器和滤波器后由合路器输出，然后将输出的三路合成信号通过激光器，此时激光器的输出光功率变为
　　（1.7）
　　式中
　　将式（1.7）转化为幂级数展开式：
　　（1.8）
　　式中
　　（1.9）
　　（1.10）
　　（1.11）
　　由式（1.9）～式（1.11）可计算出消除二阶非线性失真的条件为
　　（1.12）
　　消除三阶非线性失真的条件为

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目录
前言
第1章　无线光通信系统　1
1.1　无线光通信模型　1
1.1.1　发射机　1
1.1.2　接收机　2
1.1.3　信道　2
1.2　激光光源　3
1.2.1　半导体激光器的工作原理　3
1.2.2　半导体激光器的基本特性　4
1.2.3　機性校正　5
1.3　半导体激光器和光电探测器的响应特性　7
1.3.1　半导体激光器的响应特性　7
1.3.2　PIN光电探测器的响应特性　11
1.4　表面等离激元　16
1.4.1　表面等离激元　16
1.4.2　表面等离子体结构　16
1.4.3　结论　19
1.5　信号检测　19
1.5.1　直接检测　20
1.5.2　直接检测极限　21
1.6　光放大器　21
1.6.1　光放大器的分类　22
1.6.2　掺铒光纤放大器　23
1.6.3　半导体光放大器　24
1.7　空间光-光纤耦合技术　24
1.7.1　单透镜耦合　24
1.7.2　光纤阵列耦合　25
1.7.3　特种光纤耦合　26
1.8　光学天线与望远镜　26
1.8.1　折射式望远镜　27
1.8.2　反射式望远镜　27
1.8.3　折反射望远镜　28
1.8.4　收发一体化光学天线　29
1.8.5　一点对多点发射天线　29
1.9　总结与展望　31
思考题一　31
习题一　31
参考文献　36
第2章　相干光通信　38
2.1　相干光通信的基本原理　38
2.1.1　基本原理　38
2.1.2　零差探测　40
2.1.3　外差探测　41
2.1.4　调幅信号的外差探测　41
2.1.5　双平衡探测　42
2.2　相干调制与解调　43
2.2.1　相干系统的光调制　43
2.2.2　相干解调　45
2.2.3　系统性能　48
2.3　影响检测灵敏度的因素　49
2.3.1　相位噪声　49
2.3.2　强度噪声　49
2.3.3　偏振噪声　50
2.3.4　相干光通信系统的关键技术　50
2.3.5　检测灵敏度的极限　50
2.4　光外差检测的空间相位条件　51
2.4.1　空间相位条件　51
2.4.2　光外差检测的频率条件　54
2.4.3　光外差检测的偏振条件　55
2.5　自适应光学波前校正　55
2.5.1　波前畸变校正系统　55
2.5.2　波前测量和波前校正　56
2.5.3　无波前测量系统　61
2.5.4　波前传感与坏点剔除　61
2.6　总结与展望　64
思考题二　64
习题二　64
参考文献　68
第3章　调制、解调与编码　69
3.1　调制技术　69
3.1.1　基本概念　69
3.1.2　模拟调制与数字调制　70
3.1.3　直接调制与间接调制　70
3.1.4　内调制与外调制　70
3.2　外调制技术　71
3.2.1　电光调制　71
3.2.2　声光调制　75
3.2.3　磁光调制　77
3.3　逆向调制　79
3.3.1　“猫眼”效应　79
3.3.2　逆向调制原理　80
3.3.3　“猫眼”逆向调制系统　82
3.3.4　逆向调制的传输特性　83
3.4　类脉冲位置调制　85
3.4.1　类脉冲位置调制原理　85
3.4.2　同步技术　90
3.5　光源直接调制　92
3.5.1　单端转差分部分　92
3.5.2　电平调整部分　93
3.5.3　激光器驱动部分　94
3.5.4　光反馈原理　97
3.6　副载波强度调制　98
3.6.1　副载波强度调制原理　98
3.6.2　BPSK副载波调制　99
3.6.3　FSK副载波调制　101
3.6.4　互调失真与载噪比　103
3.7　正交频分复用　105
3.7.1　基本原理　105
3.7.2　OFDM中离散傅里叶变换实现　107
3.7.3　保护间隔和循环前缀　109
3.7.4　峰均功率比及其降低方法　111
3.8　空时编码　111
3.8.1　空时编码的演变　112
3.8.2　无线光通信中的空时编码　114
3.8.3　无线光通信中的空时译码　115
3.9　信道编码　116
3.9.1　信道编码及其分类　116
3.9.2　线性纠错码　116
3.9.3　卷积码　117
3.10　总结与展望　120
思考题三　120
习题三　120
参考文献　123
第4章　大气信道、信道估计与信道均衡　126
4.1　大气衰减效应　126
4.1.1　大气衰减系数与透过率　126
4.1.2　大气分子吸收与散射　127
4.1.3　大气气溶胶粒子吸收与散射　128
4.1.4　大气窗口　129
4.1.5　衰减系数估算　129
4.1.6　传输方程　130
4.2　大气湍流模型　130
4.2.1　大气湍流　131
4.2.2　大气湍流信道模型　132
4.2.3　Log-normal湍流模型　132
4.2.4　Gamma-Gamma湍流模型　136
4.2.5　负指数分布湍流模型　139
4.2.6　大气结构常数　140
4.2.7　大气湍流引起的误码率　141
4.3　分集接收　142
4.3.1　*大比合并　143
4.3.2　等增益合并　143
4.3.3　选择合并　143
4.4　信道估计　144
4.4.1　信道估计的概念　144
4.4.2　*小二乘信道估计算法　145
4.4.3　MMSE准则的信道估计　145
4.5　信道均衡　145
4.5.1　码间干扰与信道均衡　146
4.5.2　时域均衡　146
4.5.3　线性均衡　147
4.6　大气湍流对于误码率的影响　149
4.7　总结与展望　151
思考题四　151
习题四　152
参考文献　156
第5章　白光LED通信　158
5.1　LED发光原理　158
5.1.1　白光　LED　158
5.1.2　LED发光原理　158
5.1.3　白光LED发光原理　159
5.1.4　白光LED发光模型　160
5.2　车联网环境可见光通信系统的背景光噪声模型　161
5.3　可见光通信系统乘性噪声模型　165
5.4　光源*优化布局　167
5.5　室内可见光信道　169
5.6　接收机与检测技术　171
5.6.1　接收机前端　172
5.6.2　接收阵列设计　174
5.7　可见光通信的上行链路　175
5.7.1　射频上行链路　175
5.7.2　红外光上行链路　175
5.7.3　激光上行链路　176
5.7.4　可见光上行链路　176
5.8　可见光通信定位技术　176
5.8.1　光信号接收强度定位法　177
5.8.2　指纹识别定位法　177
5.8.3　LED标签(LED-ID)定位法　177
5.8.4　可见光成像定位技术　177
5.9　总结与展望　177
思考题五　178
习题五　178
参考文献　180
第6章　水下光通信　184
6.1　概述　184
6.2　水下激光通信系统　185
6.2.1　水下激光通信原理　185
6.2.2　水下信道　185
6.2.3　水下激光通信的特点　186
6.3　激光对潜通信　186
6.3.1　激光对潜通信的形式　186
6.3.2　各介质层的传输　187
6.3.3　时间扩展　189
6.3.4　能量方程　189
6.4　复眼接收天线　190
6.4.1　LED光源在水中的传输模型　190
6.4.2　复眼透镜光学接收天线的结构　192
6.5　发射端恒流驱动　196
6.5.1　大功率LED驱动主控电路　196
6.5.2　主控芯片　197
6.5.3　NMOS管驱动电路　199
6.5.4　LED灯珠　200
6.6　光在海水中的传输特性　200
6.6.1　光学特性　200
6.6.2　吸收特性　201
6.6.3　散射特性　203
6.7　非直视传输　205
6.7.1　NLOS传输覆盖范围　205
6.7.2　散射链路模型　212
6.8　总结与展望　215
思考题六　215
习题六　215
参考文献　216
第7章　紫外光通信　219
7.1　紫外光及其信道特性　219
7.1.1　紫外光　219
7.1.2　紫外光的特点　219
7.1.3　紫外光大气信道　220
7.1.4　紫外光大气信道特性　221
7.2　紫外光非直视传输特性　223
7.2.1　椭球坐标系　223
7.2.2　紫外光散射通信的过程　224
7.2.3　非直视散射特性　226
7.3　日盲紫外光非直视通信组网　227
7.3.1　无线Mesh通信网络　227
7.3.2　无线紫外光Mesh通信网络　228
7.4　总结与展望　229
思考题七　230
习题七　230
参考文献　230
第8章　捕获、瞄准和跟踪技术　231
8.1　APT系统　231
8.1.1　APT的概念　231
8.1.2　APT的工作原理　232
8.2　自动捕获　233
8.2.1　开环捕获模式　234
8.2.2　扫描方式　235
8.2.3　捕获单元性能指标　239
8.3　自动跟踪　240
8.3.1　跟踪系统　240
8.3.2　复合轴控制系统　241
8.3.3　粗跟踪单元精度分析　242
8.3.4　精跟踪光束伺服单元　242
8.4　发射-接收端非共光轴快速对准　242
8.4.1　问题的提出　242
8.4.2　快速对准方案　243
8.5　瞄准误差对通信性能的影响　246
8.5.1　光功率衰减模型　246
8.5.2　指向误差条件下高斯光束几何衰减模型　248
8.5.3　指向误差下平均几何衰减模型　250
8.6　总结与展望　251
思考题八　251
习题八　251
参考文献　253
第9章　部分相干光传输　254
9.1　光束的基本#数　254
9.1.1　发射光束　254
9.1.2　互相干函数　255
9.1.3　光束的扩展、漂移与强度起伏　259
9.2　部分相干光模型　260
9.2.1　部分相干光描述　260
9.2.2　部分相干光波束　263
9.3　光束在大气湍流中的传输　264
9.3.1　光束的扩展与漂移　264
9.3.2　水平传输光束的漂移与扩展　269
9.3.3　斜程传输光束的漂移与扩展　273
9.3.4　到达角起伏　275
9.3.5　光束漂移与扩展对通信系统的影响　279
9.4　总结与展望　280
思考题九　281
习题九　281
参考文献　284
第10章　未来的通信技术　286
10.1　X射线空间通信　286
10.1.1　X射线通信背景　286
10.1.2　X射线通信系统　287
10.1.3　发展方向与展望　290
10.2　轨道角动量复用通信　290
10.2.1　涡旋光束　290
10.2.2　涡旋光束的产生　292
10.2.3　轨道角动量复用通信系统　295
10.3　中微子通信　298
10.3.1　中微子　298
10.3.2　中微子通信原理　298
10.3.3　中微子通信系统　299
10.3.4　中微子通信的关键技术　299
10.3.5　中微子通信的特点　300
10.4　引力波通信　300
10.4.1　引力波的探测　301
10.4.2　引力波的产生　303
10.4.3　引力波探测的主要困难　303
10.5　太赫兹波通信　304
10.5.1　太赫兹波及其优点　304
10.5.2　太赫兹波发射天线　305
10.5.3　太赫兹波探测器　306
10.5.4　太赫兹波调制器　307
10.5.5　太赫兹波在大气中的传输　308
10.6　总结与展望　309
思考题十　309
习题十　310
参考文献　310

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