大氣多次散射信道激光通信脈沖傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)室模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于大氣光通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種大氣多次散射信道激光通信脈沖傳輸 的實(shí)驗(yàn)室模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)數(shù)據(jù)通信的要求越來越高。自由空間光通信相 對(duì)于傳統(tǒng)的射頻無線通信具有安全性高、收發(fā)天線尺寸小、無頻帶管制等優(yōu)點(diǎn)，近年來受到 人們的廣泛關(guān)注。對(duì)于工作在地面附近的自由空間光通信系統(tǒng)來說，通信光信號(hào)實(shí)際上是 在大氣信道中傳輸，因此也稱為大氣光通信系統(tǒng)。大氣中的氣溶膠、霾、霧等懸浮微粒會(huì)對(duì) 激光信號(hào)傳輸產(chǎn)生嚴(yán)重的多次散射作用，大氣湍流則會(huì)使激光信號(hào)出現(xiàn)明顯的隨機(jī)起伏。 氣溶膠、霾、霧等大氣懸浮微粒對(duì)激光信號(hào)傳輸產(chǎn)生的多次散射作用導(dǎo)致所謂的多徑效應(yīng)。 對(duì)于開關(guān)鍵控(OOK)調(diào)制信號(hào)來說，調(diào)制后的信號(hào)可看作由一系列脈沖組成，"Γ碼對(duì)應(yīng)的 脈沖的幅值為1，"〇"碼對(duì)應(yīng)的脈沖的幅值為〇;信號(hào)在信道中的傳輸，可以看作是這一系列 脈沖的傳輸;矩形脈沖是在實(shí)際系統(tǒng)中常用的脈沖形狀。多徑效應(yīng)會(huì)引起到達(dá)接收機(jī)的激 光通信脈沖發(fā)生時(shí)間展寬，從而使接收光信號(hào)出現(xiàn)碼間串?dāng)_。與簡(jiǎn)單的功率衰落不同，當(dāng)存 在嚴(yán)重的碼間串?dāng)_時(shí)，即使增加發(fā)射功率，也難以降低通信系統(tǒng)的誤碼率。為了克服碼間串 擾的影響，通常都需要在接收機(jī)中加入信道均衡功能。在研制大氣光通信接收機(jī)的信道均 衡模塊時(shí)，往往需要先在室內(nèi)測(cè)試均衡模塊的性能，在達(dá)到預(yù)定的指標(biāo)后，再到野外大氣環(huán) 境中進(jìn)行測(cè)試。為了能在室內(nèi)測(cè)試特定大氣環(huán)境條件下的大氣光通信接收機(jī)的信道均衡性 能，需要在室內(nèi)模擬出給定大氣環(huán)境條件下的多徑效應(yīng)導(dǎo)致的激光脈沖時(shí)間展寬和湍流導(dǎo) 致的接收光功率隨機(jī)起伏效應(yīng)，并把模擬效果加到光通信接收機(jī)的接收信號(hào)中。相對(duì)于氣 溶膠、霾、霧等大氣懸浮微粒的多次散射作用產(chǎn)生的激光脈沖時(shí)間展寬，大氣湍流導(dǎo)致的激 光脈沖時(shí)間展寬要小得多。因此在模擬激光脈沖經(jīng)包含氣溶膠、霾、霧等大氣懸浮微粒的大 氣信道中的傳輸效應(yīng)時(shí)，大氣湍流導(dǎo)致的激光脈沖時(shí)間展寬可以忽略。對(duì)于特定的多次散 射大氣信道，可以使用蒙特卡洛光線追蹤(MCRT)技術(shù)來模擬計(jì)算信道的時(shí)間沖激響應(yīng)。例 如，發(fā)表在2006年SPIE會(huì)議論文集第6105卷的61050P-1~61050P-12頁的文章就使用蒙特 卡洛光線追蹤技術(shù)來計(jì)算得到含云的多次散射大氣信道的時(shí)間沖激響應(yīng)。如果給定信道的 湍流特性參數(shù)，則利用基于隨機(jī)相位屏的數(shù)值模擬方法，就可以模擬計(jì)算出接收光功率的 時(shí)間起伏特性。本發(fā)明提供一種在室內(nèi)模擬激光脈沖經(jīng)多次散射大氣信道傳輸時(shí)所受的影 響的方法，為光通信接收機(jī)的室內(nèi)性能測(cè)試提供大氣環(huán)境模擬支持。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本方法所需的設(shè)備如圖1所示，包括激光器101、電光調(diào)制器A102、電光調(diào)制器 B103、光學(xué)發(fā)射模塊104、驅(qū)動(dòng)控制電路模塊A105、控制計(jì)算機(jī)A106、驅(qū)動(dòng)控制電路模塊 B107、控制計(jì)算機(jī)Bl 08、光通信接收機(jī)301。從激光器101發(fā)出的激光信號(hào)入射到電光調(diào)制器 A102的光信號(hào)輸入端。控制計(jì)算機(jī)A106的輸出信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)控制電路模塊A105進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn) 換后傳送到電光調(diào)制器A102的電信號(hào)輸入端。電光調(diào)制器A102的輸出光信號(hào)入射到電光調(diào) 制器B103的光信號(hào)輸入端?？刂朴?jì)算機(jī)B108的輸出信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)控制電路模塊B107進(jìn)行數(shù)/ 模轉(zhuǎn)換后傳送到電光調(diào)制器B103的電信號(hào)輸入端。電光調(diào)制器B103的輸出光信號(hào)經(jīng)光學(xué)發(fā) 射模塊104發(fā)射到空間信道201中，并傳輸?shù)焦馔ㄐ沤邮諜C(jī)301的接收孔徑中。
[0004] 本方法的技術(shù)方案是:根據(jù)要在室內(nèi)模擬的多次散射大氣信道的散射特性參數(shù)、 傳輸距離和接收機(jī)幾何參數(shù)，利用蒙特卡洛光線追蹤技術(shù)計(jì)算得到要在室內(nèi)模擬的多次散 射大氣信道的時(shí)間沖激響應(yīng)函數(shù)h(t)的離散數(shù)值解A001，如圖2所示;離散數(shù)值解AOOl為一 個(gè)數(shù)據(jù)序列A002,數(shù)據(jù)序列A002中的每個(gè)數(shù)表示時(shí)間沖激響應(yīng)函數(shù)的一個(gè)采樣值，參見圖2 中的實(shí)心圓點(diǎn)，數(shù)據(jù)序列A002的第一個(gè)元素對(duì)應(yīng)的采樣時(shí)刻為0,數(shù)據(jù)序列A002中的任意兩 個(gè)相鄰的元素表示的采樣值對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔為At。根據(jù)要在室內(nèi)模擬的多次散射大氣信 道的湍流特性參數(shù)、發(fā)射光束參數(shù)、傳輸距離、垂直路徑風(fēng)速和接收機(jī)幾何參數(shù)，利用基于 隨機(jī)相位屏的激光大氣端流傳輸數(shù)值模擬方法模擬激光在大氣端流中的傳輸;每隔時(shí)間△ τ就從發(fā)射端開始，模擬一次激光經(jīng)包含湍流的大氣信道傳輸后到達(dá)接收端的光束橫截面 光強(qiáng)分布Α003,并在接收機(jī)孔徑內(nèi)對(duì)光束橫截面的光強(qiáng)進(jìn)行積分求和，得到接收機(jī)實(shí)際收 到的信號(hào)光功率Α004,再計(jì)算信號(hào)光功率Α004與發(fā)射端的激光發(fā)射功率Α005的比值Α006; 通過連續(xù)模擬很多次激光經(jīng)包含湍流的大氣信道的傳輸過程，可以得到比值Α006的一個(gè)時(shí) 間序列Α007;時(shí)間序列Α007對(duì)應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)度為Δτ與時(shí)間序列Α007的元素個(gè)數(shù)的乘積;在進(jìn) 行數(shù)值模擬時(shí)要求A τ小于Greenwood時(shí)間常數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到電光調(diào)制器Α102的透光 率T隨驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)V的變化關(guān)系曲線CURl，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到電光調(diào)制器B103的透光率T 隨驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)V的變化關(guān)系曲線CUR2,如圖3所示。
[0005] 在控制計(jì)算機(jī)A106的內(nèi)存中創(chuàng)建一個(gè)包含MXNdN2-I個(gè)元素的一維數(shù)組ASIG，M表 示要模擬傳輸?shù)拇a元個(gè)數(shù)，Ni表示每個(gè)碼元對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)，N2表示數(shù)據(jù)序列A002的元素個(gè) 數(shù);把數(shù)組ASIG的第1個(gè)至第N 2-I個(gè)元素設(shè)置為0;生成一個(gè)長(zhǎng)度為M的隨機(jī)0/1序列A008，序 列A008的每個(gè)元素隨機(jī)地取值為0或者1;對(duì)從1到M的所有整數(shù)i，即I < i < M，作如下操作： 如果序列A008的第i個(gè)元素為0，則把數(shù)組ASIG的第N2+( i-1) X N1個(gè)至第N2-l+i X N1個(gè)元素 的值設(shè)置為〇，否則把數(shù)組ASIG的第N2+( i-1) XN1個(gè)至第N2-l+i XN1個(gè)元素的值設(shè)置為1;在 控制計(jì)算機(jī)A106的內(nèi)存中創(chuàng)建一個(gè)包含M X N1個(gè)元素的一維數(shù)組OSIG;對(duì)從N2到M X NdN2-I 的所有整數(shù)j，即N2 < j < MXNdN2-I，作如下操作
表示數(shù)據(jù) 序列A002的第k個(gè)元素的值，ASIG[j-k+l]表示數(shù)組ASIG的第j-k+Ι個(gè)元素的值，把E賦值給 數(shù)組OSIG的第j-N2+l個(gè)元素。
[0006] 把數(shù)組OSIG的值最大的元素的值賦給AMAX;對(duì)于數(shù)組OSIG的每個(gè)元素 BOOl，執(zhí)行 如下操作:令元素 BOOl等于元素 BOOl除以AMAX得到的值。把序列A007的值最大的元素的值 賦給BMAX;對(duì)于序列A007的每個(gè)元素 B002，執(zhí)行如下操作：令元素 B002等于元素 B002除以 BMX得到的值。
[0007] 在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬時(shí)，首先使激光器101、電光調(diào)制器A102、電光調(diào)制器B103、光學(xué) 發(fā)射模塊104、驅(qū)動(dòng)控制電路模塊A105、控制計(jì)算機(jī)A106、驅(qū)動(dòng)控制電路模塊B107、控制計(jì)算 機(jī)B108、光通信接收機(jī)301正常工作;然后同時(shí)在控制計(jì)算機(jī)A106和控制計(jì)算機(jī)B108上執(zhí)行 控制信號(hào)輸出操作。
[0008]在控制計(jì)算機(jī)A106上執(zhí)行的控制信號(hào)輸出操作如下：
[0009] 令m=l，控制計(jì)算機(jī)A106每隔時(shí)間Δ t就做如下工作：
[0010] StepOOl:把數(shù)組OSIG的第m個(gè)元素的值賦給變量Ql;根據(jù)變化關(guān)系曲線⑶Rl，計(jì)算 透光率T等于變量Ql時(shí)對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)V的值CSl;
[0011] Step002:將值CSl輸出給驅(qū)動(dòng)控制電路模塊A105生成相應(yīng)的控制電信號(hào)，以控制 電光調(diào)制器A102的透光率；
[0012] Step003:m=m+1;如果 m>MXNi，則令 m=l。
[0013]在控制計(jì)算機(jī)B108上執(zhí)行的控制信號(hào)輸出操作如下：
[0014] 令s = l，NUM等于序列A007的元素個(gè)數(shù)，控制計(jì)算機(jī)B108每隔時(shí)間Δ τ就做如下工 作：
[0015] SteplOl:把序列Α007的第S個(gè)元素的值賦給變量