无线光通信中调制解调系统的研究毕业论文

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1、无线光通信中调制解调系统的研究毕业论文 毕 业 论 文 无线光通信中调制解调系统的研究 无线光通信中调制解调系统的研究 摘要 无线光通信是指利用激光束作为载波在空间直接进行语音、数据、图像信息双向传送的一种技术。 无线光通信是一种新兴的无线通信方式,它将传输的信息调制在光脉冲上,在THz光谱范围内传输信息,具有很高的数据传输速率。 本论文通过研究进行以下几个方面: 1.分析了适合于空间光通信系统的信道和噪声模型。 2. 在对五种典型无线光通信调制方式?OOK、PPM、DPPM、DPIM 和DH-PIM 的调制结构进行分析的基础上,结合大气无线光信道特点,分析比较了这五种调制方式的平均发射功率、

2、带宽需求和误时隙率。 3. 以PPM为例分析了无线光通信的调制解调系统结构及工作原理。 4. 简单分析了数字信号处理器DSP方案及现场可编程门阵列器件FPGA。 本文重点阐述了五种典型的无线光通信的调制方式,分析其特点,并比较了这五种调制方式,理论分析与仿真结果表明:DPPM、DPIM 和DH-PIM 更具有优势,更适合于未来无线光通信系统。 关键词 : 无线光通信,调制,发射功率,带宽, 误时隙率 Research of Modulation forOptical Wireless CommunicationABSTRACT FSO is a kind of technique that u

3、se laser as carrier wave to diplex transmit speech,data and picture information directly. optical wireless communication is one of the most burgeoning methods for wireless communieation,which sends signals using optic pulse. And its transmission rate is very high. This thesis carried through the fol

4、lowing aspects of study: 1. Analyzed the channel and noise model that suitable for FSO, 2. in combination of the characteristic of the atmospheric optical wireless channel, the modulation structures, transmission capacity, power requirement and slot error rate of the typical modulation schemes as OO

5、K, PPM, DPPM, DPIM and DH-PIM for atmospheric optical wireless communications are analyzed. 3. Taking PPM for example to analyze the optical wireless channels modulation and demodulation system structure and working principle. 4. make a brief analysis for Digital signal processor(DSP)and Field Progr

6、ammable Gate Array(FPGA) In this paper, we expatiated on the modulation structures, transmission capacity, power requirement and slot error rate of the typical modulation schemes as OOK, PPM, DPPM, DPIM and DH-PIM for atmospheric optical wireless communications are analyzed. Theoretical analysis res

7、ults show that DPPM, DPIM and DH-PIM are more applicable for the future optical wireless communication. Key words : optical wireless communication, modulation, emissive power, bandwidth, slot error rate目录1 绪论11.1 无线光通信概论11.2.1 无线光通信原理11.2.2 无线光通信技术21.3 无线光通信的优点及其局限性31.3.1 无线光通信与其他接入技术相比具有如下优点:31.3.2

8、 无线光通信的局限性41.4 应用领域51.5 无线光通信的起源及发展现状61.5.1 起源61.5.2 国内外发展状况61.6 发展前景72 信道分析92.1 信道92.1.1 信道的分类92.2光信道对无线光通信的影响112.2.1 大气透射率112.2.2 大气分子的吸收112.2.3大气分子的散射122.2.4大气折射效应132.2.5 大气湍流效应132.3背景光对信号检测的影响142.3.1强背景光引起探测器的饱和142.3.2背景光电流引起的散弹噪声使探测器灵敏度降低153 无线光通信调制方式性能分析163.1 符号结构163.1.1 开光键控163.1.2 单脉冲位置调制(L-

9、PPM)163.1.3 差分脉冲位置调制(L-DPPM)173.1.4 数字脉冲间隔调制12173.1.5 双头脉冲间隔调制183.2 调制方式性能分析193.2.1 平均发射功率193.2.2 带宽要求203.2.3 误时隙率213.2.4 结论234 无线光通信调制解调系统结构及方案244.1 调制解调系统结构及工作原理254.2 DPS方案264.2.1 DPS简介264.2.2 方案设计274.3 FPGA方案284.3.1 FPGA简介284.3.2 方案设计294.4 DSP与FPGA的结合315 总结33致 谢34参 考 文 献351 绪论1.1 无线光通信概论 无线光通信(FS

10、O,Free Space Opticalcommunication),是一种新型的宽带接入方式,是光通信和无线通信结合的产物,它不是利用光纤作为传输媒介,而是在空气中利用激光束在太赫兹(THz)光谱范围内传送分组数据,从而达到直接进行语音、数据、图像等信息双向传送的一种技术。FSO与LMDS的链接结构框架类似,是由置于建筑物顶端货高层但愿窗后的光路连接头(光收发两用机)进行两点定向、实用双工的传输和转发。1早期的研究应用主要是在军用和航天上,随着无线激光通信各个单元技术的不断发展,近年来逐渐应用于商用的地面通信,各个单元技术也在逐步完善,日臻成熟。1.2 无线光通信系统的原理和技术1.2.1

11、无线光通信原理 无线光通信是利用激光束作为载波,不使用光纤等有线信道的传输介质,而在空气中直接来传输光信息的一种通信方式,也就是利用激光束作为信道在空间直接进行语音、数据、图像等信息双向传输的一种技术,又称为自由空间光通信 FSO, Free Space Op ticalCommunication 。FSO可分为大气光通信、卫星间光通信和星地光通信。无线光通信系统包括发射和接收2部分,如图1所示。图1.1无线光通信原理图 发射部分主要由激光器、调制器和光学天线组成; 接收部分主要由光学接收天线、光电监测器和电信号处理器组成。将待发送的信息源变换成电信号,然后把这些信号输入光调制器,调制到一个由

12、激光器产生的激光束上,并控制这个载波的某个参数,使它按电信号的规律变化。于是,激光载波就运载着这些信息 已调制激光信号 ,经过信息处理以后由发射天线发射出去。接收是发射的逆过程,接收天线接收到已调制的激光信号,送到光检测器取出电信号,然后由信号变换设备恢复出原始信息。 系统中的发射天线和接收天线是由透镜构成的。发射透镜发射天线能把截面很小的激光束变成截面较大的激光束,方便接收透镜接收天线调整方位并接收信号。接收透镜接受大面积的激光束,并聚成较小的光斑,起到恢复激光束本来面目的作用。21.2.2 无线光通信技术 无线光通信是涵盖各种领域的综合性技术,其关键技术主要表现在:光源及高码率调制技术。在

13、空间光通信系统中大多可采用半导体激光器或半导体泵浦的YAG固体激光器作为信号光的信标光源,其工作波长为0.81.5。信标光源要求能提供在几瓦量级的连续光或脉冲光,以便在大视场、高背景光干扰下,快速、精确地捕获和跟踪目标,通常信标光的调制频率为几十赫兹或几十千赫兹,以克服背景光的干扰。信号光源则选择输出功率为几十毫瓦的半导体激光器,但要求输出光束质量好,工作频率高。 高灵敏度抗干扰的光信号接收技术。空间光通信系统中,光接收端接收到的信号是十分微弱的,加之在高背景噪声场的干扰情况下,会导致接收端信噪比小于1。为快速、精确的捕获目标和接收信号,通常采取两方面的措施:一是提高接收端的灵敏度:其次是对所

14、接收的信号进行处理,在光信道上采用光窄带滤波器,以抑制背景杂散光的干扰,在电信道上则采用微弱信号检测与处理技术。 精密、可靠、高增益的收、发人线。为完成系统得双向力_逆跟踪,光通信系统均采用收、发合一天线,隔离度近100%的精密光机组件。由于半导体激光器光束质量一般较差,要求天线增益要高,另外,为适应空间系统,天线总体结构要紧凑、轻巧、稳定可靠。 快速、精确的捕获、跟踪和瞄准技术。这是保证实现空问远距离光通信的必要核心技术。ATP系统通常由以下两部分组成:一为捕获系统,又称粗跟踪系统。它是在较大视场范围内捕获目标,捕获范围可达士l20或更大。通常采用阵列CCD来实现,并与带通光滤波器、信号实时

15、处理的伺服执行机构完成粗跟踪,即日标的捕获。粗跟踪的视场角为几毫弧度,灵敏度约为10pW,跟踪精度为几十毫弧度;二为跟踪、瞄准系统,又称为精跟踪系统。该系统得功能是在完成了目标捕获后,对目标进行瞄准和实时跟踪。通常采用四象限红外探测器QD或Q-APD高灵敏度位置传感器来实现,并配以相应的电子学伺服控制系统。精跟踪要求视场角为几百微弧度,跟踪精度为几微弧度,跟踪灵敏度大约为几纳瓦。 大气信道的研究。在地一地、地一空的激光通信系统的信号传输中,涉及的大气信道是随机的。大气中的气体分子、水雾、雪、霾、气溶胶等粒子,其几何尺寸与半导体激光波长相近甚至更小,这就会引起光的吸收、散射,特别是在强湍流的情况

16、下,光信号将受到严重干扰,甚至脱靶。因此,如何保证随机信道条件下系统正常工作,对大气信道的工程化研究是十分重要的。自适应光学技术可以较好地解决这一问题,并己逐渐走向实用化。3 1.3 无线光通信的优点及其局限性1.3.1 无线光通信与其他接入技术相比具有如下优点: 1无须授权执照 无线光通信工作频段在365-326THz(光波范围在820-920nm),设备间无射频信号干扰,所以无须申请频率使用许可证。 2安全保密性强 激光直线定向传播方式使其发射光束束很窄,方向性非常好,非可视光,夜间也无法发现,因此无法探测到链路的位置,更不存在窃听的可能性,因此数据传递具有保密性,除非其信通道连接路被截断

17、,否则数据不易外泄。 3实施成本相对低廉 无须进行昂贵的管道工程建设和维护,实施成本低,造价约为光纤通信工程的1/5. 4建网速度快 只须在通信节点上进行设备安装,不需要埋设光纤等待各种手续上的问题,可以轻而易举的安装在屋顶、屋内、窗外甚至水域上。工程建设以天、小时为计量单位,尤其适合临时使用和复杂地形中的紧急组网。对于重新撤换部署也很方便、容易。 5传输协议透明 以光为传输媒介,任何传输协议均可容易地叠加上去,对语音、数据、图像等业务可以做到透明传送。 6设备尺寸小 由于光波波长短,在同样功能情况下,光收发终端天线的尺寸比微波通信天线尺寸小,功耗低,重量轻。而且无线通信装置可灵活拆装,移装至

18、其他位置,适于临时、应急的通信。比如当公司搬迁或临时驻军时,无需重新安装光纤从而节约成本。 7信息容量大 光波作为信息载体可以轻易传输高达10Gbt/s的数据码率,能满足大容量信息传输要求。1.3.2 无线光通信的局限性 1只能在视线范围内建立链路 两个通信节点之间视距范围内必须无遮挡。对于中间存在障碍物而不可直视的两点之间的传输,需要建立一个中继站实现连接。 2通信距离受限 目前地面民用无线光通信设备所能达到的通信距离一般为6000m,受人眼安全的发射功率、数据数率、天气等条件的限制,实际使用的距离要更短一些。也可惜通过建立中继站的方法延长传输距离。 3天气影响通信的可靠性 天气因素尤其是大

19、雾、沙尘暴等所引起的光的色散、漫反射将影响无线光通信的可靠性。据测算,当距离在200-500m之间时,全球大部分地区可达到99.999%的通信要求。 4安装点的晃动影响激光对准 楼顶晃动(受风力、日光或其他因素影响)将影响两点之间的激光对准,使链路通信质量下降甚至中断。 5意外因素能使通信链路中断 点对点及点对多点模式中,如有一条链路被隔断(如飞鸟等经过链路空间),通信会瞬间中断。4 1.4 应用领域 FSO应用非常广泛,如何使用取决于用户的需要和业务的具体应用。5 1城域网扩展:除了在网络核心建设SONET/SDH环路,FSO可用于在现有城域网上向外延伸或者连接新的网络。 2最后1公里接入:

20、提供本地宽带接入,除了熟知的xDSL,电缆调制解调器和LMDS等无线接入以外,FSO可以在本地网中为最终用户和业务提供高速链接服务。 3企业内部网互联:企业内部的各网段往往被大楼或大楼间的道路所分隔,FSO设备安装的简易性使它非常适合用来实现企业内部各局域网段的互联,轻松解决大楼问的复杂地貌带来的挖沟布线难题。这些企业不具备光纤线路,但需要比El或E3史高的速率。FSO可以取代固定无线接入,适合Ethemet、FDDI等不同协议的网络,提供高达几比特的带宽。 4光纤通信系统的备份:在对光纤通信设施进行冗余备份设计时,可用FSO作备份链路。可以通过将几个链路组成多点的格形网络,以提供迁回路由,提

21、高可用性指标。 5无线基站数据回传:FSO可用来将移动电话天线塔接收的信号回传至有线公用电话网相连的中心交换设备。 6与DWDM设备集成:与DWDM设备集成后,FSO的传输速率可以得到进一步提高。虽然用户己拥有环网的一部分,但DWDM和FSO的集成,将使得他们可以组建新的环网。 7快速业务开通:FSO光纤网络建设迅速、操作简单、灵活性较强,可在临时或应急场合进行快速业务开通。如灾后通信系统重建以及短期租用的商务办公室或临时野外工作环境等的临时通信系统。无线光通信的另一种应用是水下激光通信。目前仅美国、俄罗斯等少数国家进行这项探索性研究,这也是为无线光通信开辟了一种新的应用领域。如何将FSO应用

22、于电力系统,使其在电力系统通信中发挥作用,这也是一个很有价值的研究方向。 1.5 无线光通信的起源及发展现状1.5.1 起源 FSO起源于古代的烽火通信,在2700年前的周幽王时代,就有了利用烽火台通信的方法。这是人类最早利用无线光通信的典型方式。现实生活中简单的利用光传递信息的方式仍然在广泛使用,例如红黄绿交通信号灯、旗语等,他们都是利用大气来传播可见光,由人眼来接收。这些都是非常原始的FSO 通信方式。1880年发明电话的贝尔进行的光电话实验是近代FSO的雏形,实现的通话距离最远达到了213 m。1930年至1932年间,日本在东京的日本电报公司与每日新闻社之间实现了3.6 km的自由空间

23、光通信。1960年美国科学家梅曼发明了红宝石激光器,对自由空间光通信的研究工作产生了重大的影响,研究现代化自由空间光的时代从此开始。1977年世界上第一条光纤通信系统在美国芝加哥市投入商用,速率为45 Mb/s,光纤通信从理论变成现实。90 年代以后,FSO技术开始进入民用领域,主要用于大楼或校园局域网之间的连接、监视摄像头的图像传输等。近年来,随着“最后一公里”对高带宽、低成本接入技术的迫切需求,FSO在视距传输、宽带接入中有了新的发展机遇,同时由于光通信器件制造技术的飞速发展,无线光通信设备的制造成本大幅下降, FSO 得到越来越多的应用。61.5.2 国内外发展状况 在过去的几年,大部分

24、的FSO系统的设计均处于较短距离100500 m的技术水平,大多采用的是中等功率10100mW 激光二极管或小型光电二极管的低成本解决方案。3由于应用前景广阔,虽然主要的的无线光通信的研发和应用主要在北美和欧洲,如美国的QWEST,英国BT,加拿大NT等公司已开始试用这种系统。比较典型的有Terabeam-朗讯公司和Airriber-北电公司已经将光无线通信应用于商业服务 。2000年悉尼奥运会上,Terabeam公司成功地使用FSO设备进行图像传送,在西雅图的四季饭店成功的利用FSO设备向客户提供100 Mb/s的数据连接 在FSO领域,国外已经开始了将近10年的研究,但是FSO产品真正投入

25、使用也就是最近几年的事情。在FSO这个领域里,国外几个大的FSO厂家,包括LightPointe公司,AirFiber 公司,Canon 公司,Terabeam 公司。LightPointe收到Corning和思科系统公司的投资款3千多万美元(现已增值至5千多万美元),而AirFiber则获得大概来自北电网络的5千万美元(现已增值至9千多万美元),朗讯科技则投资了4亿5千万美元的巨款在Terabeam身上(现已增值至5亿8千多万美元),朗讯科技则投资了4亿5千万美元的巨款在Terabeam身上。 纵观整个无线光通信行业,我国仍处于发展在起步阶段,主要是在1998年之后才逐渐发展起来,1999年桂林无线激光通信工程公司生产一套半导体无线激光通信设备,速率可达2Mb/s,最大传输距离10k