本科毕业设计光通信系统中脉冲位置调制电路设计.docx

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本科毕业设计光通信系统中脉冲位置调制电路设计

西安工业大学北方信息工程学院

本科毕业设计（论文）

题目：

光通信系统中脉冲位置调制电路设计

系别：

电子信息系

专业：

通信工程

班级：

B090310

学生：

田家丰

学号：

B09031017

指导教师：

赵黎

2013年06月

毕业设计（论文）任务书

系别电子信息系专业通信工程班级B090310姓名田家丰学号B09031017

1.毕业设计（论文）题目：

光通信系统中脉冲位置调制电路设计

2.题目背景和意义：

调制与解调是光通信中的一项关键技术，目前的光通信系统大多设计为开关键控（OOK）和曼彻斯特编码等强度调制/直接检测方式（IM/DD），这种调制解调方式虽然实现简单，但其抗干扰能力差，为了进一步提高传输通道抗干扰能力，可以采用脉冲位置调制（PPM）方式，该调制方式相对于OOK等其他调制方式具有低的平均功率和较高的峰值功率，兼备安全隐蔽和信噪比高的特性，因此PPM调制技术在自由空间通信（FSO）中被广泛采用。

3.设计（论文）的主要内容（理工科含技术指标）：

论文分五章来介绍自己的工作。

第一章：

绪论，介绍光通信的发展及PPM调制应用于大气激光通信系统中的必要性；第二章：

PPM调制的基本原理及数学模型；第三章：

PPM调制算法的Matlab仿真及PPM调制算法的建模；第四章：

设计结论第五章：

总结。

4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）：

第1周~第3周查阅关于大气激光通信和PPM调制方面的资料，并撰写开题报告。

第4周~第6周学习Matlab仿真软件，并应用该软件对PPM调制部分进行仿真。

第7周~第10周学习simulink，搭建PPM调制算法模型。

第11周~第12周撰写论文准备答辩。

设计地点：

西安工业大学校内

5.毕业设计（论文）的工作量要求撰写15000字论文

①实验（时数）*或实习（天数）：

300机时

②图纸（幅面和张数）*：

无特别要求

③其他要求：

三千字英文资料的翻译

指导教师签名：

年月日

学生签名：

年月日

系主任审批：

年月日

说明：

1本表一式二份，一份由学生装订入册，一份教师自留。

2带*项可根据学科特点选填。

光通信系统中脉冲位置调制电路设计

摘要

调制与解调是大气激光通信中的一项关键技术，目前的大气激光通信系统大多设计为开关键控（OOK）和曼彻斯特编码等强度调制/直接检测方（IM/DD），这种调制解调方式虽然实现简单，但其抗干扰能力差，为了进一步提高传输通道抗干扰能力，可以采用脉冲位置调制（PPM）方式，该调制方式相对于OOK等其他调制方式具有低的平均功率，较高的峰值功率，具有编码简单，能量传输效率（每光子传输的信息量）高的优点。

兼备安全隐蔽和信噪比高的特性，因此PPM调制技术在自由空间通信（FSO）中被广泛采用。

本文主要介绍了PPM调制技术在激光通信中的应用、原理及其Matlab与QuartusII的仿真实现。

其中首先阐述了此种调制方式发展的现状及其在空间激光通信领域中的应用前景，分析了其主要的技术性能和特点，介绍了PPM调制方式的基本概念及其在激光通信中的应用。

然后具体对3种PPM调制方式进行了分析，并将他们与OOK调制作了比较，对比了他们在激光通信中的优缺点：

虽然PPM提高了对频带宽度的要求，但他的能量利用率比较高，抗干扰能力比较强。

最后，对PPM这种调制方式作了展望并且分析了其中有待改进的部分。

关键词：

光通信；空间激光通信；脉冲位置调制（PPM）；Simulink仿真

PulsePositionModulationforSpectrumSlicedTransmission

Abstract

Modulationanddemodulationisoneofthekeytechnologyofatmosphericlasercommunication,mostofthepresentatmosphericLaserCommunicationSystemisdesignedforon-offkeyingOOKandManchesterencodingmethodsofintensitymodulationdirectdetectionofIM/DD,Althoughthismodulationanddemodulationmethodcanbeimplementedsimply,butitsanti-interferenceabilityispoor.Inordertofurtherimprovethetransmissionchannelsofanti-interferenceabilitypeoplecanusepulsepositionmodulationmethodofPPM,themodulationinOOKothermodulationwithlowaveragepower,highpeakpower,withtheCodesimple,highenergytransmissionefficiencyofPhotontransmissionofinformationadvantages.ThePPMmodulationtechnologyinfree-spacecommunicationsFSOiswidelyadoptedbecauseofitssafetycharacteristicsofsubtleandsignal-to-noiseratio.

Thispaperrepresentstheapplicationinspacelasercommunication,theprincipleandthesimulationofPPMmodulation.First,theprinciplesandconfigurationsofspacelasercommunicationsystemaredescribed.Itsevolutionsandprospectsofapplicationinopticalcommunicationareintroduced,anditsmaintechnicalperformancesandfeaturesarediscussed.AndintroducestheconceptofPPManditsapplicationinlasercommunication.Second,theperformanceofthreePPMmodulationmodesisanalysed.Theadvantagesanddisadvantagesoftheapplicationofthethreemodulationsinspacelasercommunicationsystemisalsogiveninthispaper.AndweusetherequirementsofOOKasabaselineforthecomparison.WeobservethatPPMhashigherpowerefficiencythanothersattheexpenseofincreasedpeakpowerandelectricalbandwidthrequirements,MeanwhileintroducethefundamentalknowledgeoftheMATLABandSimulink.Finally,IprospectthegoodforegroundandanalogythedisadvantageofPPMmodulation.

KeyWords:

OpticalCommunication;OpticalFree-spaceCommunication;Pulse-positionModulation;SimulinkSimulation

1绪论

1.1前言

激光是20世纪人类科学最伟大的成就之一。

激光一词来源于英文的laser，意思既是受激辐射光放大。

借助于“光泵”使激活截至的粒子吸收能量后跃迁到高能态，以实现粒子数分布的反转，让这些处于激发态的粒子在初始光信号的激励下产生的受激辐射在光学“谐振腔”内放大和增强，我们就能够在激光器的输出端得到一束奇妙的单色光——激光。

自1960年研制成世界上第一台激光器以来，激光已经在科学，工业，农业，医学，国防等领域得到越来越广泛的应用。

例如：

激光受控核聚变，激光焊接，激光照相，激光跟踪，激光医疗，激光制导，激光通信等。

从本质上说激光也是一种电磁波，它的光谱频带宽度约为用于通信的无线电载波频带宽度的五万倍。

因而激光比无线电波能容纳更多的信息。

1.2激光通信

所谓激光通信，是指利用激光束作为载体进行语音、数据、图像信息双向传送的一种技术，它采用信道编码技术以改善通信的质量。

激光具有扩散小，相干性和方向性好，光束功率密度大等优点。

因而适合于保密通信和航天通信，与无线电微波通信相比，激光通信由于其通信容量大，发射天线体积小，抗射频，抗电磁脉冲干扰以及反窃听性能好，特别是抗核破坏能力等优点备受军事和航天领域的青睐。

利用光波作为信息载体进行光通信的历史由来已久。

早在一百多年前贝尔就获得了光通信的专利。

在两次世界大战中也先后出现过光通信机，但采用的都是普通光源，光的单色性、方向性和相干性都很差[1]，调制和接收也很困难，从而限制了光通信的发展。

激光通信依据传输技术的不同，又分为四种：

光纤通信、大气通信、空间通信、水下通信。

1.3大光通信的概述

激光通信是指利用激光束作为载波在空间（陆地或外太空）直接进行语音利用光波作为信息载体进行光通信的历史由来已久。

早在一百多年前贝尔就获得了光通信的专利。

在两次世界大战中也先后出现过光通信机，但采用的都是普通光源，光的单色性、方向性和相干性都很差，调制和接收也很困难，从而限

制数据、图像信息双向传送，而在大气激光通信系统的信号传输中，信道为随机的大气信道[2]。

1.3.1大气光通信的优势

大气激光通信之所以受到人们的重视，与其潜在的应用优势是密不可分的。

这种优势主要体现在以下方面：

a.无线优势。

大气激光通信与其他无线电通信手段一样，具有安装便捷、使用方便的特点，很适合于在特殊地形、地貌及有线通信难以实现和机动性要求较高的场所工作，同时由于无须线路建设，所以开通周期短、成本低。

b.容量优势。

由于光波频率较高，其信息承载能力极强，因而可以利用大气激光通信系统开通超大容量的无线通信链路。

c.电磁兼容优势。

与其他无线电通信相比，半导体激光大气通信系统具有不占用宝贵的无线电频率资源、抗电磁干扰能力强等优点，因而具有很强的军事应用价值。

d.保密优势。

激光良好的方向性使其传输的数据具有高度保密性，在大气激光通信中，激光光束的发散角通常都在μrad或mrad数量级，除非其通信链路被截断，否则信息很难被截获。

e.尺寸优势。

由于光波波长短（约零点几微米到几十微米），在提供同样增益的情况下，其天线尺寸要比微波、毫米波通信天线尺寸小得多，同时随着集成光学和各种集成光波导器件技术的发展，光通信终端的体积也将越来越小。

f.价格优势。

半导体激光通信系统的容量/价格比极具竞争优势，是一种易于被市场和用户接受的通信手段。

g.功耗优势。

由于激光方向性极强，因此光源只需较小的功率即可实现通信，通信终端功耗很低，易于远程馈电。

上述优势中，无线优势和容量优势二者的结合一方面克服了光纤通信在灵活性方面的缺点，另一方面又解决了无线/微波通信在容量方面的缺点[3]。

于是，激光通信成为通信领域中一种最有发展前途的通信方式。

1.3.2大气激光通信的关键技术

大气激光通信的关键技术包括：

（1）高性能激光光源及高码率调制技术

在大气激光通信系统中主要采用半导体激光器或半导体泵浦的Nd:

YAG固体激光器作为信号光和信标光源，工作波长满足大气传输低损耗窗口，即0.8-1.5μm的近红外波段。

用于APT系统的信标光源（采用单管或多管阵列组合，以加大输出功率）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。

用于数据传输的光信号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，可达到几十MHz至几十GHz。

具体选择视要求而定。

（2）精密、可靠的光束控制技术，即系统中的光学发射和接收天线

在发射端，由于半导体激光器光束质量一般较差，发散角大，而且水平和垂直两个方向发散角不相等，因此必须进行准直，先将发散角压缩到毫弧度级，然后再通过发射望远镜进一步准直成微弧度级光束。

在接收端，接收天线的作用是将空间传播的光场收集并汇聚到探测器表面。

发射和接收天线的效率及接收天线的口径都对系统的接收光功率有重要影响[4]。

（3）高灵敏度高抗干扰的光信号接收技术

在大气激光通信系统中，接收机接收到的信号十分微弱，同时又有高背景噪声的干扰，会导致接收端信噪比小于1。

为了精确地接收信号，通常采取的措施有:

一是提高接收机的灵敏度，为了达到纳瓦至皮瓦量级，需要选择量子效率高、灵敏度好、响应速度快、噪声小的新型光电探测器;其次是对所接收的信号进行处理，为此需采用光窄带滤波器，如吸收滤光片、干涉滤光片和新型原子共振滤光器等，以抑止背景杂散光的干扰，对信号进行整型和去噪，根据所附加的噪声，应设计最佳的接收机以减小系统的误码率。

（4）快速、精确的ATP（捕获、跟踪和瞄准）技术

这是保证实现空间远距离光通信，尤其是星际间光通信的必要条件。

APT系统通常由两部分组成:

捕获（粗跟踪）系统，它是在较大视场范围内捕获目标，捕获范围可达到士1º~±20º或更大；跟踪、瞄准（精跟踪）系统，该系统的功能是在完成目标捕获后，对目标进行瞄准和实时跟踪。

（5）大气信道的研究

在大气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、雨、雾、雪、霆、气溶胶等粒子，其几何尺寸与激光波长相近甚至更小，会引起光的吸收、散射，特别是在强湍流的情况下，光信号将受到严重干扰，引起光束漂移、扩展、光强闪烁等，甚至造成脱靶。

因此，如何保证在随机信道下系统能正常工作，这对大气信道的应用研究是十分重要的。

自适应光学技术可以很好的解决这一问题，并已逐渐走向实用化[5]。

（6）适当的调制解调方式

选择适当的调制方式、编码方式以及解调方式，否则会对系统的性能产生很大的影响。

1.4国内外研究现状和发展趋势

1.4.1国外研究状况

目前，美国、日本和欧洲多国在空间激光通信链路理论研究和实验系统研制关键技术方面已取得重大突破，正在加紧进行空间光通信工程化系统的研制工作。

美国空间光通信的研究始于20世纪70年代，主要研究机构有国家航空和宇航局（NASA）、喷气推进实验室LPL、BallAerospace公司以及Lincoln实验室。

1994年JPL研制成功了OCD（OpticalCommunicationsDemonstrator）通信端机演示系统，数据率可达250Mb/s，该实验系统通信波长为0.8um波段，采用了OOK（On-OffKeying，通断键控）调制方式，该端机具有结构简单、质量小、体积小、功耗小等优点[6]。

1997年JPL的激光测试评估站LTES系统研制成功，其接收孔径为20cm，有6个光学通道及功率、数据（眼图/误码率）、发散角、跟踪/捕获等测试通道，可以测试远场光束形状、光束发散角，数据率可达1.4Gb/s。

LTES是一个高质量光学系统，主要用来定量测试空间光通信端机的关键技术和性能指标，如端机的信标、通信信道的输出功耗以及超前瞄角度（分辨率可达到1urad）。

1999年美国佛罗里达大学针对大气扰动对星地激光通信产生影响的的问题，开展了新型相干阵列探测系统的研究，其最终研究设计的系统在一定程度上已能消除激光通信中由于大气扰动和目标移动所造成的相位起伏和多普勒频移，同时解决了光电相位锁定环路所造成的最大频率限制问题。

2000年，JPL成功建立了一套高鲁棒APT（Acquisition,PointingandTracking，捕获、对准、跟踪）子系统并应用于2.5Gb/sUAV-GND光通信链路实验系统中。

UAV（无人驾驶飞行器）飞行高度参数为18000m，主要功能为采集地面特殊地形的图像信号并回传给地面50km范围内的激光通信接收端机，UAV-GND光通信下行链路误码率设计参数，链路使用了1.5um通信波段，系统发射功率200mW，链路设计要求飞行器终端抖动误差小于19.5urad，偏置误差小于14.5urad。

光通信链路APT系统采用惯性传感器抑制由大气衰减造成的光束抖动[7]，其焦平面采用有源曝光控制，可以提供16dB动态范围，采用了超宽视场角相机，能够稳定捕获到地面信标，因此，具有较高的鲁棒性。

日本是较早进行光通信研究的国家之一，从20世纪90年代中期以后，日本在空间光通信领域内的发展非常迅速且取得了重大突破。

其主要研究机构有NASDA、CRL、NEC以及东芝公司。

CLR曾制定了有关空间激光通信研究的长期计划，按照该计划，2002年以前CLR的工作主要是开展0.8um波段、多通道中等码率（300Mb/s左右）的激光通信关键技术研究，并在此基础上1.5um波段条件下的高码率（1.2Gb/s）通信实现技术进行研究。

预计到2010年，激光通信系统应能达到20Gb/s，以上的大容量通信能力。

1995年6月，日本用“菊花-6”（EST-VI）技术实验卫星与美国的大气观测卫星成功地进行了双向激光数字通信，在相距3.2x104km距离上成功地通话8min。

同年7月，EST-VI又实现了卫星与地面站的双向光通信。

同年11月至次年5月，EST-VI/LCE还与美国JPL成功地进行了卫星与地面站间的光通信实验，在37800km距离上实现了传输码率为1024Mbit/s、误码率达10-6的通信。

EST-VI/LCE激光通信演示系统是自由空间激光通信技术的研究史上高度成功的范例之一，大大加快了空间光通信的实用化进程[8]，并证明，空间光通信计划的实现采用国际间有关技术的合作是十分重要和必要的。

2000年日本研制出了用于国际空间站（ISS）对地的双向超高速光通信端机LCDE（LaserCommunicationDemonstrationEquipment），其上行码率为1.2Gb/s，下行码率为2.5Gb/s，使用1.55um的通信波长，功耗﹤115W，质量﹤90kg。

欧洲航天署（ESA）20世纪80年代后期开始确立了一项宏伟计划SILEX（SemiconductorLaserInter-SatelliteLinkExperiment）系统研制计划，该计划的目的是在两颗卫星间建立实验性的激光通信链路，其中高轨道（GEO）终端机置于ESA的ARTEMIS同步卫星上，低轨道（LEO）终端将载于法国的地球观测卫星SPOT4上。

SILEX计划重点是研究卫星光通信光发射和接收端机等关键技术。

ESA从1996年起开始研制新一代卫星光通SROIL（ShortRangeOpticalIntersatelliteLink）。

SROIL终端采用半导体激光泵浦的YAG激光器作为光源，接收系统采用零差探测，系统探测灵敏度较高，设计链路通信数据率可达1.2Gb/s，终端质量最小可达8kg。

2005年12月9ESAARTEMIS卫星与日本KIRARI卫星（属于日本OICETS计划实验内容）实现了首次双向光学链路通信，这是全球首次成功实现星间双向激光通信实验。

参与该次实验的日本心KIRARI卫星运行在610km高度的低地球轨道上，它与定位36000km高度静地轨道上的ARTEMIS卫星相45000km，两星以每秒几千米的相对速度运动。

1.4.2国内研究现状

国内的空间激光通信的研究相对起步较晚。

在国内，从事空间激光通信研究的单位主要是中国空间技术研究院、中国科学院的研究所和长春理工大学、哈尔滨工业大学、北京大学为代表的一些高校。

长春理工大学主要研究了飞机与卫星间高速、轻型激光链路通信总体技术。

验证其关键技术，建立飞机与地面间激光通信链路，研制机载与地面激光通信终端演示验证试验样机，完成了飞机与地面间激光链路通信演示。

研究机载激光通信终端总体技术，例如APT技术、高速率的通信光调制与发射技术、抗干扰与激光弱信号探测技术等;验证机载激光通信平台适应性技术；分析、研究大气信道特性与适应性技术。

现阶段为实际链路的试验阶段，进行野外动态实验[9]。

目前国内在激光通信理论、系统设计和计算机仿真、关键技术突破、实验演示系统设计制作等方面均取得了不少成果。

1.5大气激光通信系统中的光调制解调技术

在大气激光通信系统中，光信号调制方式的选择一般应遵循如下准则。

（1）发射的平均光功率：

大气激光通信系统中对发射端的激光功率提出了非常严格的要求。

因此，在以给定的数据率获得要求的误码率的前提条件下，根据所需求的平均光功率的大小，可以直观地判断调制技术的优劣，需要的平均光功率越小，这种调制技术就越有效。

（2）带宽效率：

应用在大气激光通信中的接收机器件，一般都是大面积的光电探测器，这就限制了接收机的带宽。

由于大气沿传输路径使光波产生多径散射，这对接收机的带宽效率又提出了更高的要求，因此，我们需要寻求的调制技术，要求有较高的带宽效率。

（3）抗多径散射效应：

严重的多径散射会引起码间串扰，符号速率越高，多径散射效应引起的码间串扰越严重。

严格地说，任何的激光脉冲调制技术都会产生码间串扰，但是，我们可以通过均衡、格型编码、最优检测等方法来消除码间串扰。

目前，大气激光通信系统多采用强度调制/直接检测[9]IM/DM方式。

应用于IM/DD系统的调制方式有很多种，常用的有OOK（开关键控）、PPM（脉冲位置调制）、DPIM[10]（数字脉冲间隔调制）和DPPM（差分脉冲位置调制）等。

最一般的形式是开关键控（OOK）和曼彻斯特编码。

在OOK系统中，通过在每一个比特间隔内使光源脉冲开或关对每个比特进行发送。

这是调制光信号最基本的形式，只需通过光源闪烁即可完成编码调制[10]。

开关键控OOK调制方式具体地分为非归零NRZ（NotReturnZero）码与归零RZ（ReturnZero）码两种编码格式。

OOK调制方式的NRZ码是在“1”比特时间间隔内发送光脉冲，在“0”比特时间间隔内不发送光脉冲；RZ码则是在“1”比特的前半个时间间隔内发送光脉冲，在“0”比特时间间隔内不发送光脉冲。

因此，NRZ码与RZ码的比特速率是相同的，但是RZ码的激光器调制速率高，较NRZ码节省一半的功率。

在曼彻斯特编码中，序列中每一比特由2个开关脉冲组成。

通常，光源由编码脉冲波形进行强度调制，同时直接检测接收机对强度调制后信号进行解码，是大气激光通信系统调制方式中最简单、最一般的方式。

但是它的功率效率很低，受背景光的影响较大，信噪比很难提高，在光信号经过长距离的大气衰减后己经