无线光通信卷积交织与编码的实验及仿真研究文档格式.docx
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convolutionalcoding;
turbulence;
outdoorex—
periment
l引言
无线光通信作为一种新型的通信技术,拥有微
波通信和光纤通信的优点,无须频率申请,也不需
要铺设光纤,大大缩短建设周期和降低成本,并且
能够提供高速,安全的无线通信需要,有望成为下
一
代宽带接入,低造价通信的最佳选择之一.
但是光信号通过大气传输时不仅会受到大气
衰减的影响,大气湍流也会引起接收光强的起伏变
化,并伴有随机的深衰落.考虑到无线光通信是功
率受限系统,以及发射功率对人眼安全的保证,信
道编码技术比如BCH分组纠错编码结合块交织IjJ,
收稿日期:
2005—07一l3;
修回日期:
2006一l2一ll
基金项目:
国家自然科学基金资助项目（60240420237,60572002）
FoundationItem:
TheNationalNaturalScienceFoundationofChina（60240420237,60572002）
通信第28卷
RS码与随机交织等应用于无线光通信的研究逐
步得到了重视,文献【3】在理论上给出了OOK调制
的一些差错控制编码的上界性能分析.目前理论上
将信道编码用于无线光通信系统的研究居多是基
于信道的无记忆性,或者采用的信道模型比较简
单,另外真正将信道编码技术应用于外场实际数字
激光通信系统的性能分析还不多见.
本文针对无线光通信实际系统的设计需要,分
析了大气光信道的特点,采用卷积交织结合（1/2,
7）卷积编码的方案用于无线光通信系统,对其进
行了系统建模和仿真研究;
并进一步完成了无线光
通信装置包括实验光机和通信电路的研制,设计了
OOK方式调制785nm半导体激光器的方案用于室
外无线光通信实验系统;
对一些关键技术比如帧设
计,同步捕捉等也做了实验分析,给出了室外无线
光通信的外场实验结果等.
2无线光通信系统链路模型
无线光通信系统大多采用强度调制/直接检测
方式,其光路示意图如图1.通信系统在发射端将
OOK调制的光信号直接通过大气信道传输;
在接收
端接收到的光信号由光电探测器完成光电转换,进
而实现解调判决.光电探测器的检测输出电平为
“
r（t）=÷
_（es+）ge+d（t）+li（t）
（1）唧
其中,PP分别为接收的信号光功率和背景光功
率;
为探测器的量子效率;
q.为电子电荷;
nadd（t）
和nmulti（t）分别是探测器输出的加性噪声和乘性噪
声,该乘性噪声与接收光功率有.接收端对信
号,.（f）进行采样,当电平信号大于预设阈值时,信
号判决为”1”,否则是”0”.
翌I接收光学—
-l毡喜I装置
图1无线光通信光路不葸图
实际上接收信号的光功率Ps会受到通信的传
输距离和天气状况的影响,当激光器的发射功率为
P,传输距离为d时,接收的光功率在数学上可表
示为
es=Ls.（d）e-~a（）
（2）
式
（2）右边的各项按顺序分别对应空间几何损耗,大
气衰减及大气湍流效应的影响,其中O”V为大气衰减
因子,与大气能见度有关,为接收光强的对
数强度方差.另外太阳光和其他背景光也会影响系
统的通信性能,系统分析时背景光可看作固定的噪
声源.
半导体激光器输出的椭圆高斯光束其光强分
布理论上可表示为【6
（,,,）=,.exp[一2（/32/+/蟛）】/（）
（3）
其中,,分别表示,Y方向的发散角;
是
光束平面的任一点在X,Y方向与光轴的夹角.
激光器的调制光信号通过自由空间传输时,设
各种光学损耗为,（,）处接收面积为AR,则
有
..（d）=
2exp[一22/+/）】
（4）
大气信道除了对传输的光信号存在散射吸收
衰减外,另一个对无线光通信影响较大的是大气湍
流效应,即大气的折射率随空间和时间作无规则的
变化,这种动态特性随机的改变传输光波的参量,
从而造成光强闪烁.无线光通信系统,在弱闪烁条
件下,其接收光强一般服从对数正态分布.依据
Rytov理,引,接收平面上某点光强,相对于均值
的概率密度函数为
=
志唧『.-（+I（5）
其中,i=—J_,&
lt;
&
gt;
为平均接收光强;
设通信波
长为,大气折射率结构常数为c,点接收条件
下光强,的对数强度方差为
=1.232（2rt/A）d”（6）
由于无线光通信接收机一般是有限孔径接收,
光强闪烁还存在孔径平均效应,式（6）应进一步
修正为In{1+Alexp（）一1l},A为孔径平均因子.LL-JillJJ
大气湍流会引起接收光强的起伏变化,并伴有
缓慢变化的深衰落,通常传统的无线光通信系统具
有一定的出射功率裕量.由于激光器高功率输出不
经济,而且出于人眼安全等因素考虑,输出光功率
第4期宋效正等:
无线光通信卷积交织与编码的实验及仿真研究?
15?
也受限,我们研究将卷积交织结合（1/2,7）卷积编
码的方案用于无线光通信系统.卷积交织器J相对
于块交织和随机交织器,所需的存储空问降低4倍,
交织延迟也能降低一半;
另外一般低信噪比时,卷
积编码比同等复杂度的分组码有更好的性能.为了
方便对通信系统的性能进行评估和相关的理论仿
真研究,根据无线光信道的特征,地面无线光通信
系统的建模如图2所示,在此基础上也完成了相应
的外场无线光通信实验系统,以进一步检验无线光
通信系统的性能.
图2无线光通信系统模型
3实验系统设计和研制
无线光通信的实验系统装置如图3所示,发射
和接收光学望远镜采用收发分离式,这样可以降低
干扰;
而且实验装置能够自由调节方位,通过一个
单筒望远镜很容易实现光路对准;
此外通信光机利
用基座的重量和固定的三角支架降低周围环境抖
动对光束的影响.
图3无线光通信实验系统装置
外场无线光通信实验系统的原理框图如图4所
示.信源经过码率为1/2的卷积编码后,信道的数
据传输速率达到34.368Mbit/s.为了使衰落造成的
突发错误离散化,通过合理控制eplc6FPGA的大
容量双端口RAM的读写地址即可实现（16,4096）
的Fernoy型J比特卷积交织设计.交织后的二进
制数据流,OOK方式调制激光器,调制光束经过准
直系统从光机的发射端输出,然后经远处角锥棱镜
反射后,此光束再次进入光机的接收系统,接着完
成光电检测,信号的时钟同步和数据判决等.
误
码
观
测
..............L
『
毳r]
发射
光学
系统
篓HH
图4外场无线光通信系统原理图
为了保证接收端正确解比特交织和Viterbi译
码,该系统采用了帧同步技术设计}】州.在进行比特
卷积交织时,帧头和编码后的第一信息比特从交织
器的第一行输出,直通.只要选择帧的长度和比特
卷积交织器的支路延迟数目成简单的关系,接收端
就能够快速恢复数据信息流.室外实验表明,采
用帧格式的无线光通信传输系统,帧长不宜过大,
否则失步将会带来误码扩展,选择编码后的帧长
为1024bit.帧同步设置了相应的帧同步校核和帧同
步保护计数器,实际的同步保护在适当的同步位置
的左右处又略微扩大lbit搜索窗口,即在3bit宽窗
口内再进行搜索u¨
.实验证明这种设计是可行的,
能够保持通信链路长时间的低误码观测.
外场实验过程中,无线光通信的通信质量是根
据接收端误码观测和接收信号的强弱检测进行实
时度量.误码检测仪基于灌码同步思想设,由
FPGA硬件实现;
误码检测方式是对每10万个传输
的信息比特为单位统计误码个数,前一个误码统计
数据将在下一个误码统计过程中,从串口传送到微
机保存,以便进一步实现对数据的后续分析与统计.
这种误码检测方式既能观察无线光通信的局部误码
特性,也有利于进行长时间平均误码率的计算.
4通信系统仿真和外场实验结果分析
通信系统仿真的参数选择与外场实验系统的
测量参数相一致.外场无线光通信实验系统的发
射,接收光机放置在北京大学无线光通信实验室的
阳台上,而角锥反射棱镜置于理科楼群阳台距光机
约250m处,这样光束往返传输距离约500m.
在室内光学平台上用785nm的激光器测量的
角锥棱镜的光反射率是0.80左右;
发射望远镜的输
出为椭圆高斯光束,X,Y方向的发散角（全角）分
别为3.2mrad,2.2mrad,望远镜出瞳损耗为0.5;
接
收天线直径为6cm,接收损耗为0.35;
室外背景光
接收为3nW;
根据文献[12]的实验观测条件,估测
室外的大气湍流强度约在=5.0em的弱湍
流区域附近;
大气能见度约为4km;
编码后的通信
速率为34.368Mbit/s.
图5是通信模型所给出的理论仿真误码率曲线
和外场实验结果的比较.通信系统的卷积编码采用
（1/2,7）硬判决Viterbi译码,比特卷积交织为（16,
4096）.从图5可见,理论仿真结果和外场实验数
据能够较好的吻合,当误码率为10时卷积编码结
合（16,4096）比特卷积交织应用于室外无线光通
信系统,相对于没有采用交织器的情况下大约有
1.4dB的编码增益.系统仿真和外场实验结果都表
明,将设计的差错控制编码应用于无线光通信室外
系统,确实可以提高通信质量.不过外场实验系统
的通信性能稍差于仿真结果,这有可能来源于实际
通信系统的定时误差,以及实际大气信道对光信号
的影响比所建模型更复杂等原因.
图5理论仿真和外场实验的误码率曲线
但是从图5也可以看出,不论仿真误码率曲线
还是实验误码率曲线都有”上翘”的现象,在图6
中的编码和卷积交织1曲线,这种”上翘”尤其比
较明显,即随着发射光功率的增加,系统的误码率
曲线呈缓慢降低趋势.通过观察无线光通信的局部
误码特性发现,这是由于光信号的深衰落造成的.
大气湍流对光信号的影响比较复杂,在发射光功率
较低时,接收光功率既有随机的短时间衰落特征,
也会随机伴有缓慢变化的较长时问的深衰落.由于
设计的交织器能够有效地离散大气湍流引起的短
时间衰落,且随着发射光功率的增加,加性噪声和
乘性噪声引起的随机错误也逐渐降低,所以图5中
在开始阶段增大发射功率,通信系统的误码率下降
较快.但是随着发射光功率的增加,光信号的深衰
落对系统的影响逐渐变成主要的因素.当大气湍流
所致深衰落出现时,即使提高发射功率,由于固定
阈值的硬判决,这种深衰落依然存在较长的突发误
码,这使得所设计的交织深度不能克服这些较长的
突发错误,导致误码率降低比较缓慢.该现象在仿
真系统和外场实验中都有观察,有效的解决方式之
是需要增大卷积交织器的交织深度.
图6是在上述信道仿真条件不变的条件下,卷
积编码依然采用（1/2,7）硬判决Viterbi译码设计,
不过卷积交织设计成（16,16384）即交织深度增大
4倍,所得的通信系统的误码率理论曲线.图6中
比特卷积交织1为（16,4096）,卷积交织2为（16,
】6384）.
平均发射光功;
~K/mW
图6不同交织深度下的误码率理论曲线
从图6可以看出卷积交织与卷积编码应用到无
线光通信系统能够明显的提高通信性能,尤其系统
采用比特卷积交织器2时,由于交织深度增加,误
码率曲线已经没有”上翘”现象,而且当误码率为
10时,相对于采用交织器1的通信系统有0.8dB的
额外编码增益,相对于不采用交织器时其编码增益
达到2.2dB;
在误码率为10-6时,采用卷积交织器2
相对于不采用交织器时,约有2.54dB的编码增益.
5结束语
无线光信道因大气湍流效应会损害通信系统
的性能.为了克服这种影响,本文首先对无线光信
道进行分析,进行了无线光通信系统的仿真研究,
I7?
并进一步在理论研究的基础上,把信道编码技术应
用到室外无线通信实验系统.仿真和实验结果都较
好地表明,在弱湍流区域,无线光通信系统采用卷
积编码结合（16,4096）比特卷积交织技术,相对
于无交织情况,在误码率10时,有大约1.4dB的
编码增益.无线光通信系统可以通过纠错编码和交
织技术降低大气湍流的影响,改善通信质量.
此外,外场的实验结果也显示系统的误码率曲
线呈缓慢降低趋势,研究发现这是由于在大气信道
下接收光功率会伴有缓慢变化的深衰落,设计的交
织器不能有效的克服这些较长的突发错误.进一步
的仿真研究表明,随着交织深度的增加,无线光通
信系统的通信质量逐步改善,交织器（16,16384）
相对交织器（16,4096）,在误码率为10时,约
有0.8dB的额外编码增益,相对于不采用交织器,
其编码增益达到2.2dB.因此,增大交织器的交织
深度能够有效地抑制大气造成的深衰落,提高无线
光通信的性能.
不过随着交织深度的增加,交织器设计的复杂
度和交织延迟也随之增加,尤其在高码率通信时,
交织器寻址的复杂计算量也使得交织速度成为技
术瓶颈.根据本文的研究结果,我们正在设计新的
交织方式提高交织速度和交织性能,以适应高码率
无线光通信系统的需要,从而实现高速,低复杂度
的无线光通信系统.
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作者简介
宋效正（1980一）,男,安徽蒙城人,
北京大学信息科学技术学院电子学系博士
生,主要研究方向为无线光通信卫星光通
信.
刘璐（1977一）,男,湖南株洲人,北
京大学讲师,主要研究方向为无线光通信
精密测控.
汤俊雄（1941一）男,湖南浏阳人,北
京大学教授,博士生导师,主要研究方向
为卫星光通信无线光通信,新型量子器件,
光电子器件等.
…
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