内容简介
通信系统中，信号与噪声共同存在，在一定条件下可以相互转化，一般来说噪声是有害的。《无线光通信系统的噪声模型》分析了无线光通信系统中噪声产生的机理，有助于规避噪声导致的不良影响，改善通信系统的性能；从基础理论出发，结合工程实践，探讨了无线光通信系统中噪声产生的机理，建立了无线光通信系统的噪声模型，分析了抑制无线光通信系统噪声的途径。《无线光通信系统的噪声模型》试图为无线光通信的推广应用奠定理论基础，提供实验依据。
精彩书摘
第1章绪论
本章介绍无线光通信噪声模型的研究背景，分析近年来无线光通信系统中噪声模型的研究进展，介绍大气湍流中光波传输特性的国内外进展，*后总结无线光通信系统噪声模型的发展趋势。
1.1研究背景与意义
无线光通信是将数据信息加载到光束上进行传输，光束类似于载波。因此，光通信在信息传递和保密性、传输速率等方面有着明显的优势[1]；同时还能有效克服宽带网络“*后一公里”信息传输技术瓶颈问题，为广大用户提供更便捷的服务[2]。
无线光通信包括卫星间通信的星间光通信，卫星与地面站间通信的星地光通信，固定地面站间通信的地面无线光通信，移动设备与移动站或固定点间通信的车载、舰载、机载无线光通信，以及水下光通信等[2]。无线光通信兼具射频通信和光纤通信的特点，与光纤通信相比，无线光通信系统工作无须铺设光纤，系统架设灵活方便；与微波通信相比，无线光通信设备无须频谱许可，传输速率高，收发装置非常轻便。无线光通信中的传输信号不受电磁波传播的物理限制，能够覆盖更长的距离，传输速率也更快。
大气折射率是指光在真空中的传播速度与光在大气中的传播速度之比。光在大气中传播时，由于大气折射率分布不均匀，光的传播路径不可能总是沿直线，会发生相应的折射现象，从而对光信号在大气信道中的传输造成一定的影响，给发射端和接收端对准带来困难。物理上，空气的密度随着温度、湿度和压力等因素的变化而发生改变，会导致大气折射率的随机起伏和光信号的吸收及散射，造成光信号功率衰减和脉冲展宽，给通信系统带来串扰。此外，当激光在大气中传输时，大气折射率的随机起伏会对在大气中传输的激光产生一定的影响，如光束扩展、光束漂移、光强闪烁、到达角起伏等，从而导致激光通信及其跟踪瞄准系统的精确度和传输距离大幅下降，严重时甚至可能导致激光传输链路的中断[3，4]。图1.1详细描述了大气湍流及其对光通信的影响。
图1.1大气湍流及其对光通信的影响
1.2无线光通信系统噪声模型研究现状
通信系统的作用就是通过信道将信息从信源发送到一个或多个信宿。在无线光通信中，*先将信源所产生的信息输出调制到光载波(光束或光场)上，光载波通过光信道发射出去，这就是光发射机。光发射机包括信源编码、信道编码、调制、光信号放大以及发射天线等环节。随后用光学的方法在接收端对光信号进行收集，并且加以处理，这就是光接收机。光接收机包括光信号收集天线、空间光-光纤耦合单元、前置放大器、检测器、解调器等。
通常情况下，在光场传输的过程中，会存在各种形式的噪声。噪声会对通信系统的性能造成严重影响，因此对这些噪声进行建模和分析是至关重要的。本章将从发射端、信道、接收端三方面对其中引入的各类典型噪声进行逐一分析。典型的无线光通信系统及其噪声分布如图1.2所示。
激光自诞生之日起，人们就积极尝试将其作为一种通信手段。1967年，Brookner等[5]就开始了对金星到地球的空间无线光通信的建模，并对激光在大气中的传输进行了测量[6]。通信理论的发展为无线光通信技术的进步奠定了理论基础。1970年，Karp等[7]对无线光通信理论进行了初步研究。1976年Gagliardi等在《光通信》一书中系统地阐述了无线光通信的原理。半导体激光器的出现解决了光源小型化的问题，1989年，Katz[8]总结了新型激光器在无线光通信中的应用，并对系统模型做了进一步的总结。1994年，Hinton[9]指出集成电路的发展让无线光通信进入了快速发展阶段，大规模集成电路使得复杂算法可方便地应用于无线光通信。2010年，Wolf等[10]指出无线光通信在与电信网融合的过程中，副载波调制将成为主流。同时，我国的无线光通信研究也从专项技术研究阶段上升为系统研究阶段。2004年，柯熙政等[11]系统地研究了无线光通信系统中信源、信道和信宿各部分的数学模型，并指出通信编码对提升系统性能的重要性。2010年，姜会林等[12]对空间激光通信系统做出总结，针对飞行平台的自动捕获、对准与跟踪系统做了详细阐述。2015年，Yu等[13]总结了我国星地激光通信的发展，详细介绍了卫星激光通信终端的设计、空间光束的预瞄和捕获、卫星轨道的预测等技术。这些研究表明，我国无线光通信领域内的研究趋于完善。无线光通信各部分噪声模型的研究虽然已经相当深入，但是仍处于孤立研究阶段，缺乏统一的系统噪声模型。因此，为了研究无线光通信系统的噪声模型，下面从信源、信道和信宿三方面入手，详细阐述与之相关的噪声模型的研究进展。
1.2.1信源噪声
根据系统发光、调制设备的不同，无线光通信系统的信源噪声可以分为无线激光通信系统的激光器光源噪声和以发光二极管(light-emitting diode，LED)为光源的可见光通信(visible light communication，VLC)中LED调制信号光中的噪声。当通信信号调制激光器发光时，信源噪声大体可分为两部分：一是激光器自身固有的热噪声，二是
目录
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前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 无线光通信系统噪声模型研究现状 2
1.2.1 信源噪声 3
1.2.2 信道噪声 5
1.2.3 信宿噪声 8
1.3 大气湍流模型研究现状 9
1.3.1 大气湍流效应 9
1.3.2 大气湍流模型研究进展 10
参考文献 13
第2章 光电探测器及其噪声模型 23
2.1 光电探测器 23
2.1.1 光电探测器及其分类 23
2.1.2 光电探测器的性能指标 26
2.2 光电探测器噪声模型 28
2.2.1 信源噪声 28
2.2.2 光电倍增管 29
2.2.3 雪崩光电探测器 32
2.2.4 PIN光电探测器 35
2.2.5 四象限探测器 38
2.2.6 量子点红外探测器 42
2.2.7 平衡探测器 44
2.2.8 双平衡探测器 46
2.3 光电探测器噪声 49
2.3.1 光电探测器的噪声来源 49
2.3.2 典型光电探测器噪声模型 51
参考文献 57
第3章 大气湍流 65
3.1 湍流的形成 65
3.2 大气折射率起伏 67
3.3 大气折射率结构常数 68
3.4 大气湍流功率谱模型 70
3.4.1 Kolmogorov谱 71
3.4.2 Tatarskii谱 72
3.4.3 von Karman谱 74
3.4.4 Greenwood-Tarazano谱 75
3.4.5 Hill谱 76
3.4.6 Andrews谱 77
3.4.7 non-Kolmogorov谱 78
3.4.8 随高度变化的湍流谱 80
3.5 信源噪声模型 81
3.5.1 激光器相对强度噪声模型 81
3.5.2 激光器相位噪声模型 82
3.6 信道噪声模型 82
3.6.1 Log-normal分布 83
3.6.2 Gamma-Gamma分布 84
3.6.3 负指数分布 85
3.6.4 Malaga分布 85
3.6.5 柯氏分布 86
3.7 信宿噪声模型 88
3.7.1 泊松噪声模型 88
3.7.2 倍增噪声模型 88
3.7.3 热噪声模型 89
3.7.4 光电探测器放大噪声模型 89
3.7.5 散粒噪声模型 90
3.7.6 相位噪声模型 90
3.7.7 1/f噪声模型 91
3.8 光信号在大气湍流中的传输特性 91
3.8.1 大气衰减对光传输的影响 91
3.8.2 大气湍流对激光传输的影响 95
参考文献 101
第4章 大气湍流噪声测量实验 104
4.1 大气湍流噪声 104
4.1.1 理论推导 104
4.1.2 大气湍流噪声对光通信性能的影响 105
4.2 实验方法与测量链路 113
4.2.1 实验方法 113
4.2.2 测量链路 113
4.3 大气湍流对激光传输的影响 115
4.3.1 光强概率密度分布 115
4.3.2 偏斜度与陡峭度 117
4.3.3 大气折射率结构常数 119
4.4 大气湍流对光通信性能的影响 122
4.4.1 中断概率 122
4.4.2 衰落概率 123
4.5 孔径平滑效应及实验 124
4.5.1 孔径平滑效应 124
4.5.2 孔径平滑实验 130
参考文献 135
第5章 大气湍流抑制方法 137
5.1 抑制大气湍流的关键技术 137
5.1.1 大孔径接收技术 137
5.1.2 部分相干光传输技术 139
5.1.3 分集技术 142
5.1.4 自适应光学技术 144
5.2 抑制大气湍流的实验 149
5.2.1 多光束传输技术实验 149
5.2.2 自适应光学波前校正技术实验 152
5.3 发展趋势与总结展望 154
5.3.1 发展趋势 154
5.3.2 总结展望 155
参考文献 156
第6章 可见光通信路径损耗模型 163
6.1 可见光通信信道理论 163
6.1.1 信道脉冲响应 163
6.1.2 信道直流增益 164
6.1.3 均方根延迟扩展 165
6.2 车联网可见光通信系统模型分析 166
6.2.1 接收端半视场角 166
6.2.2 光电探测器和透镜与半视场角的关系 169
6.2.3 发射端视场 170
6.3 车联网可见光路径损耗模型 172
6.3.1 直视传输分析 172
6.3.2 反射分量分析 175
6.3.3 路径损耗模拟 176
6.4 可见光通信不同天气衰减 177
6.4.1 雨天衰减 177
6.4.2 雾天衰减 180
6.4.3 雪天衰减 184
6.4.4 沙尘天气衰减 186
6.5 不同路段和天气条件下的实验测量 188
6.5.1 不同路段实验测量数据及分析 188
6.5.2 雨天测量数据及分析 190
6.5.3 雾天测量数据及分析 192
6.5.4 雪天测量数据及分析 193
6.5.5 数据统计特性 195
6.6 不同天气条件下的通信性能分析 196
6.6.1 不同车辆距离接收光功率 196
6.6.2 不同车辆距离接收信号误码率 199
6.6.3 信噪比与误码率之间的关系 202
6.7 总结与展望 204
6.7.1 总结 204
6.7.2 展望 205
参考文献 206
第7章 水下无线光通信信道模型 208
7.1 海水信道特性
试读
第1章绪论
本章介绍无线光通信噪声模型的研究背景，分析近年来无线光通信系统中噪声模型的研究进展，介绍大气湍流中光波传输特性的国内外进展，*后总结无线光通信系统噪声模型的发展趋势。
1.1研究背景与意义
无线光通信是将数据信息加载到光束上进行传输，光束类似于载波。因此，光通信在信息传递和保密性、传输速率等方面有着明显的优势[1]；同时还能有效克服宽带网络“*后一公里”信息传输技术瓶颈问题，为广大用户提供更便捷的服务[2]。
无线光通信包括卫星间通信的星间光通信，卫星与地面站间通信的星地光通信，固定地面站间通信的地面无线光通信，移动设备与移动站或固定点间通信的车载、舰载、机载无线光通信，以及水下光通信等[2]。无线光通信兼具射频通信和光纤通信的特点，与光纤通信相比，无线光通信系统工作无须铺设光纤，系统架设灵活方便；与微波通信相比，无线光通信设备无须频谱许可，传输速率高，收发装置非常轻便。无线光通信中的传输信号不受电磁波传播的物理限制，能够覆盖更长的距离，传输速率也更快。
大气折射率是指光在真空中的传播速度与光在大气中的传播速度之比。光在大气中传播时，由于大气折射率分布不均匀，光的传播路径不可能总是沿直线，会发生相应的折射现象，从而对光信号在大气信道中的传输造成一定的影响，给发射端和接收端对准带来困难。物理上，空气的密度随着温度、湿度和压力等因素的变化而发生改变，会导致大气折射率的随机起伏和光信号的吸收及散射，造成光信号功率衰减和脉冲展宽，给通信系统带来串扰。此外，当激光在大气中传输时，大气折射率的随机起伏会对在大气中传输的激光产生一定的影响，如光束扩展、光束漂移、光强闪烁、到达角起伏等，从而导致激光通信及其跟踪瞄准系统的精确度和传输距离大幅下降，严重时甚至可能导致激光传输链路的中断[3，4]。图1.1详细描述了大气湍流及其对光通信的影响。
图1.1大气湍流及其对光通信的影响
1.2无线光通信系统噪声模型研究现状
通信系统的作用就是通过信道将信息从信源发送到一个或多个信宿。在无线光通信中，*先将信源所产生的信息输出调制到光载波(光束或光场)上，光载波通过光信道发射出去，这就是光发射机。光发射机包括信源编码、信道编码、调制、光信号放大以及发射天线等环节。随后用光学的方法在接收端对光信号进行收集，并且加以处理，这就是光接收机。光接收机包括光信号收集天线、空间光-光纤耦合单元、前置放大器、检测器、解调器等。
通常情况下，在光场传输的过程中，会存在各种形式的噪声。噪声会对通信系统的性能造成严重影响，因此对这些噪声进行建模和分析是至关重要的。本章将从发射端、信道、接收端三方面对其中引入的各类典型噪声进行逐一分析。典型的无线光通信系统及其噪声分布如图1.2所示。
激光自诞生之日起，人们就积极尝试将其作为一种通信手段。1967年，Brookner等[5]就开始了对金星到地球的空间无线光通信的建模，并对激光在大气中的传输进行了测量[6]。通信理论的发展为无线光通信技术的进步奠定了理论基础。1970年，Karp等[7]对无线光通信理论进行了初步研究。1976年Gagliardi等在《光通信》一书中系统地阐述了无线光通信的原理。半导体激光器的出现解决了光源小型化的问题，1989年，Katz[8]总结了新型激光器在无线光通信中的应用，并对系统模型做了进一步的总结。1994年，Hinton[9]指出集成电路的发展让无线光通信进入了快速发展阶段，大规模集成电路使得复杂算法可方便地应用于无线光通信。2010年，Wolf等[10]指出无线光通信在与电信网融合的过程中，副载波调制将成为主流。同时，我国的无线光通信研究也从专项技术研究阶段上升为系统研究阶段。2004年，柯熙政等[11]系统地研究了无线光通信系统中信源、信道和信宿各部分的数学模型，并指出通信编码对提升系统性能的重要性。2010年，姜会林等[12]对空间激光通信系统做出总结，针对飞行平台的自动捕获、对准与跟踪系统做了详细阐述。2015年，Yu等[13]总结了我国星地激光通信的发展，详细介绍了卫星激光通信终端的设计、空间光束的预瞄和捕获、卫星轨道的预测等技术。这些研究表明，我国无线光通信领域内的研究趋于完善。无线光通信各部分噪声模型的研究虽然已经相当深入，但是仍处于孤立研究阶段，缺乏统一的系统噪声模型。因此，为了研究无线光通信系统的噪声模型，下面从信源、信道和信宿三方面入手，详细阐述与之相关的噪声模型的研究进展。
1.2.1信源噪声
根据系统发光、调制设备的不同，无线光通信系统的信源噪声可以分为无线激光通信系统的激光器光源噪声和以发光二极管(light-emitting diode，LED)为光源的可见光通信(visible light communication，VLC)中LED调制信号光中的噪声。当通信信号调制激光器发光时，信源噪声大体可分为两部分：一是激光器自身固有的热噪声，二是
