光通信系統(tǒng)中脈沖位置調(diào)制電路設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</p><p>　　題目：光通信系統(tǒng)中脈沖位置調(diào)制電路設(shè)計(jì)</p><p>　　系 別： 電子信息系 </p><p>　　專 業(yè)： 通信工程 </p><p><b>　　2013年06月</b></p><p>

2、;　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書</p><p>　　1.畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目： 光通信系統(tǒng)中脈沖位置調(diào)制電路設(shè)計(jì) </p><p>　　2.題目背景和意義：調(diào)制與解調(diào)是光通信中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，目前的光通信系統(tǒng)大多設(shè)計(jì)為開關(guān)鍵控(OOK)和曼徹斯特編碼等強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)方式(IM/DD)，這種調(diào)制解調(diào)方式雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但其抗干擾能力差，為了進(jìn)一步

3、提高傳輸通道抗干擾能力，可以采用脈沖位置調(diào)制(PPM)方式，該調(diào)制方式相對(duì)于OOK等其他調(diào)制方式具有低的平均功率和較高的峰值功率，兼?zhèn)浒踩[蔽和信噪比高的特性，因此PPM調(diào)制技術(shù)在自由空間通信(FSO)中被廣泛采用。 </p><p>　　3.設(shè)計(jì)(論文)的主要內(nèi)容(理工科含技術(shù)指標(biāo))

4、：論文分五章來介紹自己的工作。第一章：緒論，介紹光通信的發(fā)展及PPM調(diào)制應(yīng)用于大氣激光通信系統(tǒng)中的必要性；第二章：PPM調(diào)制的基本原理及數(shù)學(xué)模型；第三章：PPM調(diào)制算法的Matlab仿真及PPM調(diào)制算法的建模；第四章：設(shè)計(jì)結(jié)論 第五章：總結(jié)。 </p><p>　　4.設(shè)計(jì)的基本要求及進(jìn)度安排(含起始時(shí)間、設(shè)計(jì)地點(diǎn))： 第1周

5、~第3周 查閱關(guān)于大氣激光通信和PPM調(diào)制方面的資料，并撰寫開題報(bào)告。 </p><p>　　第4周~第6周 學(xué)習(xí)Matlab仿真軟件，并應(yīng)用該軟件對(duì)PPM調(diào)制部分進(jìn)行仿真。

6、 </p><p>　　第7周~第10周 學(xué)習(xí)simulink，搭建PPM調(diào)制算法模型 。 </p><p>　　第11周~第12周 撰寫論文準(zhǔn)備答辯。

7、 </p><p>　　設(shè)計(jì)地點(diǎn)：西安工業(yè)大學(xué)校內(nèi) </p><p>　　5.畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)的工作量要求 撰寫15000字論文 </p><

8、p>　?、?實(shí)驗(yàn)(時(shí)數(shù))*或?qū)嵙?xí)(天數(shù))： 300機(jī)時(shí) </p><p>　?、?圖紙(幅面和張數(shù))*： 無特別要求 </p><p>　?、?其他要求： 三千字英文資料的翻譯

9、 </p><p>　　指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日</p><p>　　學(xué)生簽名： 年 月 日</p><p>　　系主任審批： 年 月

10、 日</p><p>　　說明：1本表一式二份，一份由學(xué)生裝訂入冊(cè)，一份教師自留。</p><p>　　2 帶*項(xiàng)可根據(jù)學(xué)科特點(diǎn)選填。</p><p>　　光通信系統(tǒng)中脈沖位置調(diào)制電路設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　調(diào)制與解調(diào)是大氣激光通信中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)

11、，目前的大氣激光通信系統(tǒng)大多設(shè)計(jì)為開關(guān)鍵控(OOK) 和曼徹斯特編碼等強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)方(IM/DD)，這種調(diào)制解調(diào)方式雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但其抗干擾能力差，為了進(jìn)一步提高傳輸通道抗干擾能力，可以采用脈沖位置調(diào)制(PPM)方式，該調(diào)制方式相對(duì)于OOK等其他調(diào)制方式具有低的平均功率，較高的峰值功率，具有編碼簡(jiǎn)單，能量傳輸效率（每光子傳輸?shù)男畔⒘浚└叩膬?yōu)點(diǎn)。兼?zhèn)浒踩[蔽和信噪比高的特性，因此PPM調(diào)制技術(shù)在自由空間通信(FSO)中被廣泛采用。&

12、lt;/p><p>　　本文主要介紹了PPM調(diào)制技術(shù)在激光通信中的應(yīng)用、原理及其Matlab與 Quartus II的仿真實(shí)現(xiàn) 。其中首先闡述了此種調(diào)制方式發(fā)展的現(xiàn)狀及其在空 間激光通信領(lǐng)域中的應(yīng)用前景，分析了其主要的技術(shù)性能和特點(diǎn)，介紹了PPM調(diào)制方式的基本概念及其在激光通信中的應(yīng)用。然后具體對(duì)3種PPM調(diào)制方式進(jìn)行了分析，并將他們與OOK調(diào)制作了比較，對(duì)比了他們?cè)诩す馔ㄐ胖械膬?yōu)缺點(diǎn)：雖然PPM提高了對(duì)頻帶寬度的要

13、求，但他的能量利用率比較高，抗干擾能力比較強(qiáng)。最后，對(duì)PPM這種調(diào)制方式作了展望并且分析了其中有待改進(jìn)的部分。</p><p>　　關(guān)鍵詞：光通信；空間激光通信；脈沖位置調(diào)制(PPM)；Simulink仿真</p><p>　　Pulse Position Modulation for Spectrum Sliced Transmission</p><p><

14、;b>　　Abstract</b></p><p>　　Modulation and demodulation is one of the key technology of atmospheric laser communication, most of the present atmospheric Laser Communication System is designed for on-

15、off keying OOK and Manchester encoding methods of intensity modulation direct detection of IM/DD, Although this modulation and demodulation method can be implemented simply, but its anti - interference ability is poor. I

16、n order to further improve the transmission channels of anti - interference ability people can use pulse posi</p><p>　　This paper represents the application in space laser communication, the principle and th

17、e simulation of PPM modulation. First, the principles and configurations of space laser communication system are described. Its evolutions and prospects of application in optical communication are introduced, and its mai

18、n technical performances and features are discussed. And introduces the concept of PPM and its application in laser communication. Second, the performance of three PPM modulation modes is anal</p><p>　　Key W

19、ords: Optical Communication; Optical Free-space Communication; Pulse-position Modulation; Simulink Simulation</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><

20、p><b>　　1.1 前言1</b></p><p>　　1.2 激光通信1</p><p>　　1.3 大光通信的概述1</p><p>　　1.3.1 大氣光通信的優(yōu)勢(shì)2</p><p>　　1.3.2 大氣激光通信的關(guān)鍵技術(shù)2</p><p>　　1.4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)

21、展趨勢(shì)4</p><p>　　1.4.1 國(guó)外研究狀況4</p><p>　　1.4.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀5</p><p>　　1.5 大氣激光通信系統(tǒng)中的光調(diào)制解調(diào)技術(shù)6</p><p>　　1.6 本文主要研究?jī)?nèi)容8</p><p>　　2 PPM調(diào)制與解調(diào)的基本原理及數(shù)學(xué)模型9</p>

22、<p><b>　　2.1 概述9</b></p><p>　　2.2 PPM調(diào)制解調(diào)原理9</p><p>　　2.2.1單脈沖位置調(diào)制(PPM)10</p><p>　　2.2.2 差分脈沖位置調(diào)制12</p><p>　　2.2.3多脈沖PPM調(diào)制13</p><p>　

23、　3 基于MATLAB的PPM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)建模仿真15</p><p>　　3.1 MATLAB簡(jiǎn)介15</p><p>　　3.2調(diào)制電路設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.3 PPM解調(diào)模塊設(shè)計(jì)18</p><p>　　4 設(shè)計(jì)結(jié)論23</p><p><b>　　5 結(jié)論25</b

24、></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)26</b></p><p><b>　　致謝27</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明28</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明29</p><p>　　附錄 主要軟件程序30</p

25、><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1 前言</b></p><p>　　激光是20世紀(jì)人類科學(xué)最偉大的成就之一。激光一詞來源于英文的laser，意思既是受激輻射光放大。借助于“光泵”使激活截至的粒子吸收能量后躍遷到高能態(tài)，以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)分布的反轉(zhuǎn)，讓這些處于激發(fā)態(tài)的粒子在初始光信號(hào)的激勵(lì)下

26、產(chǎn)生的受激輻射在光學(xué)“諧振腔”內(nèi)放大和增強(qiáng)，我們就能夠在激光器的輸出端得到一束奇妙的單色光——激光。自1960年研制成世界上第一臺(tái)激光器以來，激光已經(jīng)在科學(xué)，工業(yè)，農(nóng)業(yè)，醫(yī)學(xué)，國(guó)防等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。例如：激光受控核聚變，激光焊接，激光照相，激光跟蹤，激光醫(yī)療，激光制導(dǎo)，激光通信等。從本質(zhì)上說激光也是一種電磁波，它的光譜頻帶寬度約為用于通信的無線電載波頻帶寬度的五萬倍。因而激光比無線電波能容納更多的信息。</p>

27、<p><b>　　1.2 激光通信</b></p><p>　　所謂激光通信，是指利用激光束作為載體進(jìn)行語音、數(shù)據(jù)、圖像信息雙向傳送的一種技術(shù)，它采用信道編碼技術(shù)以改善通信的質(zhì)量。激光具有擴(kuò)散小，相干性和方向性好，光束功率密度大等優(yōu)點(diǎn)。因而適合于保密通信和航天通信，與無線電微波通信相比，激光通信由于其通信容量大，發(fā)射天線體積小，抗射頻，抗電磁脈沖干擾以及反竊聽性能好，特別是抗核破

28、壞能力等優(yōu)點(diǎn)備受軍事和航天領(lǐng)域的青睞。利用光波作為信息載體進(jìn)行光通信的歷史由來已久。早在一百多年前貝爾就獲得了光通信的專利。在兩次世界大戰(zhàn)中也先后出現(xiàn)過光通信機(jī)，但采用的都是普通光源，光的單色性、方向性和相干性都很差[1]，調(diào)制和接收也很困難，從而限制了光通信的發(fā)展。激光通信依據(jù)傳輸技術(shù)的不同，又分為四種：光纖通信、大氣通信、空間通信、水下通信。</p><p>　　1.3 大光通信的概述</p>

29、<p>　　激光通信是指利用激光束作為載波在空間(陸地或外太空)直接進(jìn)行語音利用光波作為信息載體進(jìn)行光通信的歷史由來已久。早在一百多年前貝爾就獲得了光通信的專利。在兩次世界大戰(zhàn)中也先后出現(xiàn)過光通信機(jī)，但采用的都是普通光源，光的單色性、方向性和相干性都很差，調(diào)制和接收也很困難，從而限</p><p>　　制數(shù)據(jù)、圖像信息雙向傳送，而在大氣激光通信系統(tǒng)的信號(hào)傳輸中，信道為隨機(jī)的大氣信道[2]。</p&

30、gt;<p>　　1.3.1 大氣光通信的優(yōu)勢(shì)</p><p>　　大氣激光通信之所以受到人們的重視，與其潛在的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)是密不可分的。這種優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下方面：</p><p>　　a. 無線優(yōu)勢(shì)。大氣激光通信與其他無線電通信手段一樣，具有安裝便捷、使用方便的特點(diǎn)，很適合于在特殊地形、地貌及有線通信難以實(shí)現(xiàn)和機(jī)動(dòng)性要求較高的場(chǎng)所工作，同時(shí)由于無須線路建設(shè)，所以開通周期短、成

31、本低。</p><p>　　b. 容量?jī)?yōu)勢(shì)。由于光波頻率較高，其信息承載能力極強(qiáng)，因而可以利用大氣激光通信系統(tǒng)開通超大容量的無線通信鏈路。</p><p>　　c. 電磁兼容優(yōu)勢(shì)。與其他無線電通信相比，半導(dǎo)體激光大氣通信系統(tǒng)具有不占用寶貴的無線電頻率資源、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而具有很強(qiáng)的軍事應(yīng)用價(jià)值。</p><p>　　d. 保密優(yōu)勢(shì)。激光良好的方向性使其傳

32、輸?shù)臄?shù)據(jù)具有高度保密性，在大氣激光通信中，激光光束的發(fā)散角通常都在μrad或mrad數(shù)量級(jí)，除非其通信鏈路被截?cái)?，否則信息很難被截獲。</p><p>　　e. 尺寸優(yōu)勢(shì)。由于光波波長(zhǎng)短(約零點(diǎn)幾微米到幾十微米)，在提供同樣增益的情況下，其天線尺寸要比微波、毫米波通信天線尺寸小得多，同時(shí)隨著集成光學(xué)和各種集成光波導(dǎo)器件技術(shù)的發(fā)展，光通信終端的體積也將越來越小。</p><p>　　f. 價(jià)

33、格優(yōu)勢(shì)。半導(dǎo)體激光通信系統(tǒng)的容量/價(jià)格比極具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，是一種易于被市場(chǎng)和用戶接受的通信手段。</p><p>　　g. 功耗優(yōu)勢(shì)。由于激光方向性極強(qiáng)，因此光源只需較小的功率即可實(shí)現(xiàn)通信，通信終端功耗很低，易于遠(yuǎn)程饋電。</p><p>　　上述優(yōu)勢(shì)中，無線優(yōu)勢(shì)和容量?jī)?yōu)勢(shì)二者的結(jié)合一方面克服了光纖通信在靈活性方面的缺點(diǎn)，另一方面又解決了無線/微波通信在容量方面的缺點(diǎn)[3]。于是，激光通信成為

34、通信領(lǐng)域中一種最有發(fā)展前途的通信方式。</p><p>　　1.3.2 大氣激光通信的關(guān)鍵技術(shù)</p><p>　　大氣激光通信的關(guān)鍵技術(shù)包括：</p><p>　　高性能激光光源及高碼率調(diào)制技術(shù)</p><p>　　在大氣激光通信系統(tǒng)中主要采用半導(dǎo)體激光器或半導(dǎo)體泵浦的Nd:YAG固體激光器作為信號(hào)光和信標(biāo)光源，工作波長(zhǎng)滿足大氣傳輸?shù)蛽p耗窗

35、口，即0.8-1.5μm的近紅外波段。用于APT 系統(tǒng)的信標(biāo)光源(采用單管或多管陣列組合，以加大輸出功率)要求能提供在幾瓦量級(jí)的連續(xù)光或脈沖光，以便在大視場(chǎng)、高背景光干擾下，快速、精確地捕獲和跟蹤目標(biāo)。用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓庑盘?hào)源則選擇輸出功率為幾十毫瓦的半導(dǎo)體激光器，但要求輸出光束質(zhì)量好，工作頻率高，可達(dá)到幾十MHz至幾十GHz。具體選擇視要求而定。</p><p>　　精密、可靠的光束控制技術(shù)，即系統(tǒng)中的光學(xué)發(fā)射和

36、接收天線</p><p>　　在發(fā)射端，由于半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量一般較差，發(fā)散角大，而且水平和垂直兩個(gè)方向發(fā)散角不相等，因此必須進(jìn)行準(zhǔn)直，先將發(fā)散角壓縮到毫弧度級(jí)，然后再通過發(fā)射望遠(yuǎn)鏡進(jìn)一步準(zhǔn)直成微弧度級(jí)光束。在接收端，接收天線的作用是將空間傳播的光場(chǎng)收集并匯聚到探測(cè)器表面。發(fā)射和接收天線的效率及接收天線的口徑都對(duì)系統(tǒng)的接收光功率有重要影響[4]。</p><p>　　高靈敏度高抗干擾的光

37、信號(hào)接收技術(shù)</p><p>　　在大氣激光通信系統(tǒng)中，接收機(jī)接收到的信號(hào)十分微弱，同時(shí)又有高背景噪聲的干擾，會(huì)導(dǎo)致接收端信噪比小于1。為了精確地接收信號(hào)，通常采取的措施有:一是提高接收機(jī)的靈敏度，為了達(dá)到納瓦至皮瓦量級(jí)，需要選擇量子效率高、靈敏度好、響應(yīng)速度快、噪聲小的新型光電探測(cè)器;其次是對(duì)所接收的信號(hào)進(jìn)行處理，為此需采用光窄帶濾波器，如吸收濾光片、干涉濾光片和新型原子共振濾光器等，以抑止背景雜散光的干擾，對(duì)

38、信號(hào)進(jìn)行整型和去噪，根據(jù)所附加的噪聲，應(yīng)設(shè)計(jì)最佳的接收機(jī)以減小系統(tǒng)的誤碼率。</p><p>　　快速、精確的ATP(捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn))技術(shù)</p><p>　　這是保證實(shí)現(xiàn)空間遠(yuǎn)距離光通信，尤其是星際間光通信的必要條件。APT系統(tǒng)通常由兩部分組成:捕獲(粗跟蹤)系統(tǒng)，它是在較大視場(chǎng)范圍內(nèi)捕獲目標(biāo)，捕獲范圍可達(dá)到士1º~±20º或更大；跟蹤、瞄準(zhǔn)(精跟蹤)系統(tǒng)

39、，該系統(tǒng)的功能是在完成目標(biāo)捕獲后，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)和實(shí)時(shí)跟蹤。</p><p><b>　　大氣信道的研究</b></p><p>　　在大氣激光通信系統(tǒng)的信號(hào)傳輸中，涉及的大氣信道是隨機(jī)的，大氣中的氣體分子、雨、霧、雪、霆、氣溶膠等粒子，其幾何尺寸與激光波長(zhǎng)相近甚至更小，會(huì)引起光的吸收、散射，特別是在強(qiáng)湍流的情況下，光信號(hào)將受到嚴(yán)重干擾，引起光束漂移、擴(kuò)展、光強(qiáng)閃爍等

40、，甚至造成脫靶。因此，如何保證在隨機(jī)信道下系統(tǒng)能正常工作，這對(duì)大氣信道的應(yīng)用研究是十分重要的。自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)可以很好的解決這一問題，并已逐漸走向?qū)嵱没痆5]。</p><p><b>　　適當(dāng)?shù)恼{(diào)制解調(diào)方式</b></p><p>　　選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方式、編碼方式以及解調(diào)方式，否則會(huì)對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生很大的影響。</p><p>　　1.4 國(guó)內(nèi)

41、外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　1.4.1 國(guó)外研究狀況</p><p>　　目前，美國(guó)、日本和歐洲多國(guó)在空間激光通信鏈路理論研究和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研制關(guān)鍵技術(shù)方面已取得重大突破，正在加緊進(jìn)行空間光通信工程化系統(tǒng)的研制工作。美國(guó)空間光通信的研究始于20世紀(jì)70年代，主要研究機(jī)構(gòu)有國(guó)家航空和宇航局(NASA)、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室LPL、Ball Aerospace公司以及Lincoln實(shí)驗(yàn)室。

42、</p><p>　　1994年JPL研制成功了OCD(Optical Communications Demonstrator)通信端機(jī)演示系統(tǒng)，數(shù)據(jù)率可達(dá)250Mb/s，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通信波長(zhǎng)為0.8um波段，采用了OOK(On-Off Keying，通斷鍵控)調(diào)制方式，該端機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量小、體積小、功耗小等優(yōu)點(diǎn)[6]。</p><p>　　1997年JPL的激光測(cè)試評(píng)估站LTES系統(tǒng)

43、研制成功，其接收孔徑為20cm，有6個(gè)光學(xué)通道及功率、數(shù)據(jù)(眼圖/誤碼率)、發(fā)散角、跟蹤/捕獲等測(cè)試通道，可以測(cè)試遠(yuǎn)場(chǎng)光束形狀、光束發(fā)散角，數(shù)據(jù)率可達(dá)1.4Gb/s。LTES是一個(gè)高質(zhì)量光學(xué)系統(tǒng)，主要用來定量測(cè)試空間光通信端機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)和性能指標(biāo)，如端機(jī)的信標(biāo)、通信信道的輸出功耗以及超前瞄角度(分辨率可達(dá)到1urad)。</p><p>　　1999年美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)針對(duì)大氣擾動(dòng)對(duì)星地激光通信產(chǎn)生影響的的問題，開

44、展了新型相干陣列探測(cè)系統(tǒng)的研究，其最終研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在一定程度上已能消除激光通信中由于大氣擾動(dòng)和目標(biāo)移動(dòng)所造成的相位起伏和多普勒頻移，同時(shí)解決了光電相位鎖定環(huán)路所造成的最大頻率限制問題。</p><p>　　2000年，JPL成功建立了一套高魯棒APT(Acquisition, Pointing andTracking，捕獲、對(duì)準(zhǔn)、跟蹤)子系統(tǒng)并應(yīng)用于2.5Gb/s UAV-GND光通信鏈路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中。UAV(無

45、人駕駛飛行器)飛行高度參數(shù)為18000m，主要功能為采集地面特殊地形的圖像信號(hào)并回傳給地面50km范圍內(nèi)的激光通信接收端機(jī)，UAV-GND光通信下行鏈路誤碼率設(shè)計(jì)參數(shù)，鏈路使用了1.5um通信波段，系統(tǒng)發(fā)射功率200mW，鏈路設(shè)計(jì)要求飛行器終端抖動(dòng)誤差小于19.5urad，偏置誤差小于14.5urad。光 通信鏈路APT系統(tǒng)采用慣性傳感器抑制由大氣衰減造成的光束抖動(dòng)[7]，其焦平面采用有源曝光控制，可以提供16dB動(dòng)態(tài)范圍，采

46、用了超寬視場(chǎng)角相機(jī)，能夠穩(wěn)定捕獲到地面信標(biāo)，因此，具有較高的魯棒性。</p><p>　　日本是較早進(jìn)行光通信研究的國(guó)家之一，從20世紀(jì)90年代中期以后，日本在空間光通信領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展非常迅速且取得了重大突破。其主要研究機(jī)構(gòu)有NASDA、CRL、NEC以及東芝公司。CLR曾制定了有關(guān)空間激光通信研究的長(zhǎng)期計(jì)劃，按照該計(jì)劃，2002年以前CLR的工作主要是開展0.8um波段、多通道中等碼率(300Mb/s左右)的激光

47、通信關(guān)鍵技術(shù)研究，并在此基礎(chǔ)上1.5um波段條件下的高碼率(1.2Gb/s)通信實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行研究。預(yù)計(jì)到2010年，激光通信系統(tǒng)應(yīng)能達(dá)到20Gb/s，以上的大容量通信能力。</p><p>　　1995年6月，日本用“菊花-6”(EST-VI)技術(shù)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星與美國(guó)的大氣觀測(cè)衛(wèi)星成功地進(jìn)行了雙向激光數(shù)字通信，在相距3.2x104km距離上成功地通話8min。同年7月，EST-VI又實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星與地面站的雙向光通信。同年

48、11月至次年5月，EST-VI/LCE還與美國(guó)JPL成功地進(jìn)行了衛(wèi)星與地面站間的光通信實(shí)驗(yàn)，在37800km距離上實(shí)現(xiàn)了傳輸碼率為1024Mbit/s、誤碼率達(dá)10-6的通信。EST-VI/LCE激光通信演示系統(tǒng)是自由空間激光通信技術(shù)的研究史上高度成功的范例之一，大大加快了空間光通信的實(shí)用化進(jìn)程[8]，并證明，空間光通信計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)采用國(guó)際間有關(guān)技術(shù)的合作是十分重要和必要的。</p><p>　　2000年日本研制

49、出了用于國(guó)際空間站(ISS)對(duì)地的雙向超高速光通信端機(jī)LCDE(Laser Communication Demonstration Equipment)，其上行碼率為1.2Gb/s，下行碼率為2.5Gb/s，使用1.55um的通信波長(zhǎng)，功耗﹤115W，質(zhì)量﹤90kg。</p><p>　　歐洲航天署(ESA)20世紀(jì)80年代后期開始確立了一項(xiàng)宏偉計(jì)劃SILEX (Semiconductor Laser Inter

50、-Satellite Link Experiment)系統(tǒng)研制計(jì)劃，該計(jì)劃的目的是在兩顆衛(wèi)星間建立實(shí)驗(yàn)性的激光通信鏈路，其中高軌道(GEO)終端機(jī)置于ESA的ARTEMIS同步衛(wèi)星上，低軌道(LEO)終端將載于法國(guó)的地球觀測(cè)衛(wèi)星SPOT4上。SILEX計(jì)劃重點(diǎn)是研究衛(wèi)星光通信光發(fā)射和接收端機(jī)等關(guān)鍵技術(shù)。</p><p>　　ESA從1996年起開始研制新一代衛(wèi)星光通SROIL(Short Range Optica

51、lInter satellite Link)。SROIL終端采用半導(dǎo)體激光泵浦的YAG激光器作為光源，接收系統(tǒng)采用零差探測(cè)，系統(tǒng)探測(cè)靈敏度較高，設(shè)計(jì)鏈路通信數(shù)據(jù)率可達(dá)1.2Gb/s，終端質(zhì)量最小可達(dá)8kg。</p><p>　　2005年12月9ESA ARTEMIS衛(wèi)星與日本KIRARI衛(wèi)星（屬于日本OICETS 計(jì)劃實(shí)驗(yàn)內(nèi)容）實(shí)現(xiàn)了首次雙向光學(xué)鏈路通信，這是全球首次成功實(shí)現(xiàn)星間雙向激光通信實(shí)驗(yàn)。參與該次實(shí)驗(yàn)的

52、日本心KIRARI衛(wèi)星運(yùn)行在610km 高度的低地球軌道上，它與定位36000km 高度靜地軌道上的ARTEMIS衛(wèi)星相45000km，兩星以每秒幾千米的相對(duì)速度運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　1.4.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀</p><p>　　國(guó)內(nèi)的空間激光通信的研究相對(duì)起步較晚。在國(guó)內(nèi)，從事空間激光通信研究的單位主要是中國(guó)空間技術(shù)研究院、中國(guó)科學(xué)院的研究所和長(zhǎng)春理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京大學(xué)

53、為代表的一些高校。長(zhǎng)春理工大學(xué)主要研究了飛機(jī)與衛(wèi)星間高速、輕型激光鏈路通信總體技術(shù)。驗(yàn)證其關(guān)鍵技術(shù)，建立飛機(jī)與地面間激光通信鏈路，研制機(jī)載與地面激光通信終端演示驗(yàn)證試驗(yàn)樣機(jī)，完成了飛機(jī)與地面間激光鏈路通信演示。研究機(jī)載激光通信終端總體技術(shù)，例如APT 技術(shù)、高速率的通信光調(diào)制與發(fā)射技術(shù)、抗干擾與激光弱信號(hào)探測(cè)技術(shù)等;驗(yàn)證機(jī)載激光通信平臺(tái)適應(yīng)性技術(shù)；分析、研究大氣信道特性與適應(yīng)性技術(shù)?，F(xiàn)階段為實(shí)際鏈路的試驗(yàn)階段，進(jìn)行野外動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)[9]。&

54、lt;/p><p>　　目前國(guó)內(nèi)在激光通信理論、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)仿真、關(guān)鍵技術(shù)突破、實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作等方面均取得了不少成果。</p><p>　　1.5 大氣激光通信系統(tǒng)中的光調(diào)制解調(diào)技術(shù)</p><p>　　在大氣激光通信系統(tǒng)中，光信號(hào)調(diào)制方式的選擇一般應(yīng)遵循如下準(zhǔn)則。</p><p>　　(1) 發(fā)射的平均光功率：大氣激光通信系統(tǒng)中對(duì)發(fā)射

55、端的激光功率提出了非常嚴(yán)格的要求。因此，在以給定的數(shù)據(jù)率獲得要求的誤碼率的前提條件下，根據(jù)所需求的平均光功率的大小，可以直觀地判斷調(diào)制技術(shù)的優(yōu)劣，需要的平均光功率越小，這種調(diào)制技術(shù)就越有效。</p><p>　　(2) 帶寬效率：應(yīng)用在大氣激光通信中的接收機(jī)器件，一般都是大面積的光電探測(cè)器，這就限制了接收機(jī)的帶寬。由于大氣沿傳輸路徑使光波產(chǎn)生多徑散射，這對(duì)接收機(jī)的帶寬效率又提出了更高的要求，因此，我們需要尋求的調(diào)

56、制技術(shù)，要求有較高的帶寬效率。</p><p>　　(3) 抗多徑散射效應(yīng)：嚴(yán)重的多徑散射會(huì)引起碼間串?dāng)_，符號(hào)速率越高，多徑散射效應(yīng)引起的碼間串?dāng)_越嚴(yán)重。嚴(yán)格地說，任何的激光脈沖調(diào)制技術(shù)都會(huì)產(chǎn)生碼間串?dāng)_，但是，我們可以通過均衡、格型編碼、最優(yōu)檢測(cè)等方法來消除碼間串?dāng)_。</p><p>　　目前，大氣激光通信系統(tǒng)多采用強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)[9]IM/DM方式。應(yīng)用于IM/DD系統(tǒng)的調(diào)制方式有很

57、多種，常用的有OOK(開關(guān)鍵控)、PPM(脈沖位置調(diào)制)、DPIM[10] (數(shù)字脈沖間隔調(diào)制)和DPPM(差分脈沖位置調(diào)制)等。</p><p>　　最一般的形式是開關(guān)鍵控(OOK)和曼徹斯特編碼。在OOK系統(tǒng)中，通過在每一個(gè)比特間隔內(nèi)使光源脈沖開或關(guān)對(duì)每個(gè)比特進(jìn)行發(fā)送。這是調(diào)制光信號(hào)最基本的形式，只需通過光源閃爍即可完成編碼調(diào)制[10]。開關(guān)鍵控OOK調(diào)制方式具體地分為非歸零NRZ(Not Return Ze

58、ro)碼與歸零RZ(Return Zero)碼兩種編碼格式。OOK調(diào)制方式的NRZ碼是在“1”比特時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)送光脈沖，在“0”比特時(shí)間間隔內(nèi)不發(fā)送光脈沖；RZ碼則是在“1”比特的前半個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)送光脈沖，在“0”比特時(shí)間間隔內(nèi)不發(fā)送光脈沖。因此，NRZ碼與RZ碼的比特速率是相同的，但是RZ 碼的激光器調(diào)制速率高，較NRZ碼節(jié)省一半的功率。</p><p>　　在曼徹斯特編碼中，序列中每一比特由2個(gè)開關(guān)脈沖組成

59、。通常，光源由編碼脈沖波形進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，同時(shí)直接檢測(cè)接收機(jī)對(duì)強(qiáng)度調(diào)制后信號(hào)進(jìn)行解碼，是大氣激光通信系統(tǒng)調(diào)制方式中最簡(jiǎn)單、最一般的方式。但是它的功率效率很低，受背景光的影響較大，信噪比很難提高，在光信號(hào)經(jīng)過長(zhǎng)距離的大氣衰減后己經(jīng)變的很微弱的情況下，這種調(diào)制方式無法保證通信的可靠性與全天候，且通信速率很難提高，不能很好的發(fā)揮光通信的頻寬優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　DPIM(Digital Pulse Interval

60、 Modulation)調(diào)制方式中每個(gè)符號(hào)所包含的時(shí)隙數(shù)是變化的而不是固定的，并可分為無保護(hù)時(shí)隙和有保護(hù)時(shí)隙兩種。有保護(hù)時(shí)隙的DPIM調(diào)制方式大多采用一個(gè)保護(hù)時(shí)隙，這樣能有效地減少碼間串?dāng)_的影響，該調(diào)制方式的符號(hào)SK(k為符號(hào)所表示的十進(jìn)制數(shù))的時(shí)隙個(gè)數(shù)為k+2，脈沖在每個(gè)符號(hào)的起始時(shí)隙上，后加一個(gè)保護(hù)空時(shí)隙，再加上k個(gè)空時(shí)隙表示信息。當(dāng)接收端解調(diào)時(shí)，在判斷接收到脈沖時(shí)隙后，只需要數(shù)脈沖時(shí)隙后的空時(shí)隙個(gè)數(shù)，再減1就可以了。因此DPIM在

61、接收端只需要時(shí)鐘同步而不需要符號(hào)同步，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　在PPM(Pulse Position Modulation)系統(tǒng)中，采用斷續(xù)的周期性光脈沖作為載波，載波受到調(diào)制信號(hào)的控制，脈沖時(shí)間位置隨之發(fā)生變化而傳遞信息。簡(jiǎn)單來說，它是一種使激光器發(fā)射的激光脈沖的調(diào)制方式。在激光通信中，采用PPM調(diào)制方式可以在給定的激光脈沖重復(fù)頻率下，用最小的光平均功率達(dá)到最高的數(shù)據(jù)傳輸率，理論上可達(dá)100

62、0Mb/s。這大大降低了對(duì)激光器發(fā)射功率的要求。當(dāng)然PPM也存在一定的缺點(diǎn)，比如提高抗干擾能力的同時(shí)，付出的代價(jià)是增加了對(duì)帶寬的需求。</p><p>　　高碼率調(diào)制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)空間光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一?？臻g光通信要實(shí)現(xiàn)高功率、廣距離的通信，這就要求發(fā)射機(jī)激光器的超高速率調(diào)制。脈沖位置調(diào)制(PPM)是一種適合大氣激光通信的調(diào)制方式，它的能量傳輸效率高，抗干擾能力強(qiáng)、編碼電路簡(jiǎn)單。相比于OOK調(diào)制方式，它大大降低

63、了對(duì)發(fā)射端激光平均功率的要求，可取得較好的平均功率效率。PPM(Pulse Position Modulation)調(diào)制由于其較高的功率利用率在空間光通信系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。選擇合適的調(diào)制解調(diào)方式對(duì)大氣激光通信系統(tǒng)的性能有很大的影響。目前，應(yīng)用于近地大氣激光通信系統(tǒng)中的PPM調(diào)制的研究卻較少[11]，尤其在國(guó)內(nèi)只有較少的科研單位涉及這一領(lǐng)域的研究。因此，應(yīng)用于大氣激光通信系統(tǒng)中的PPM調(diào)制及解調(diào)技術(shù)是一個(gè)較新的研究領(lǐng)域。</p>

64、;<p>　　1.6 本文主要研究?jī)?nèi)容</p><p>　　本文根據(jù)PPM 的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了PPM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，主要做了以下工作。</p><p>　　第一章：論文的前言介紹了當(dāng)前激光通信的概況以及課題研究的背景，并介紹大氣激光通信的發(fā)展及PPM調(diào)制與解調(diào)應(yīng)用于大氣激光通信系統(tǒng)中的必要性，對(duì)大氣激光通信的調(diào)制技術(shù)做了簡(jiǎn)單的比較和分析，并選擇了PPM作為本通信系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)方式

65、；</p><p>　　第二章：介紹了PPM調(diào)制與解調(diào)的基本原理及數(shù)學(xué)模型，并對(duì)三種PPM調(diào)制方式的性能進(jìn)行了分析；</p><p>　　第三章：利用工程上常用的計(jì)算功能強(qiáng)大，模擬環(huán)境優(yōu)良的MATLAB軟件進(jìn)行PPM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的建模仿真，得到仿真圖形，初步驗(yàn)證設(shè)計(jì)思路的正確性，確定實(shí)現(xiàn)解調(diào)功能所需的各個(gè)功能模塊；</p><p>　　第四章：對(duì)以上工作的過程及結(jié)果

66、進(jìn)行，總結(jié)，并對(duì)今后的工作提出展望。</p><p>　　2 PPM調(diào)制與解調(diào)的基本原理及數(shù)學(xué)模型</p><p><b>　　2.1 概述</b></p><p>　　脈沖位置調(diào)制(PPM, Pulse Position Modulation )最早由Pierce JR提出并應(yīng)用于空間通信。在激光通信中，采用這種調(diào)制方式，可以在給定的激光脈

67、沖重復(fù)頻率下，用最小的光平均功率達(dá)到最高的數(shù)據(jù)傳輸率，系統(tǒng)框圖如圖2.1所示。</p><p>　　2.2 PPM調(diào)制解調(diào)原理</p><p>　　PPM是利用脈沖的相對(duì)位置來傳遞信息的一種調(diào)制方式，其原理是:將一段時(shí)間分成M等分，每等分稱為一個(gè)時(shí)隙(slot)，在一幀時(shí)間內(nèi)的某個(gè)時(shí)隙發(fā)出一個(gè)脈沖。這一幀時(shí)間就是一個(gè)PPM信號(hào)。它包括M個(gè)長(zhǎng)度均為τ秒的時(shí)隙和一個(gè)停滯時(shí)間(或稱保護(hù)時(shí)間)，可

68、見，PPM調(diào)制是將脈沖調(diào)制到某一幀的對(duì)應(yīng)時(shí)隙位置的過程，某幀內(nèi)脈沖與幀首時(shí)間間隔為t=TD。信息傳輸速波形如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 一幀PPM信號(hào)示意圖</p><p>　　數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)制成PPM信號(hào)，就可以通過信道發(fā)送，但又不可能無限制連續(xù)發(fā)送，所以我們將其分組，類似于其他通信方式中的打包，送完一組數(shù)據(jù)，接著發(fā)送結(jié)束符。這里同步頭和結(jié)束符也同樣打包，也要經(jīng)過編碼，這樣接

69、收機(jī)捕獲同步信號(hào)后，開始解調(diào)隨后的脈沖信號(hào)，直到收到結(jié)束標(biāo)志表明一組數(shù)據(jù)接收完畢在每一幀周期時(shí)間段里又分為傳信時(shí)段和靜默時(shí)段。</p><p>　　在數(shù)字PPM通信中信源經(jīng)過編碼，首先要有一個(gè)同步信號(hào)，為接收端提供同步信息，稱之為同步頭。數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)制成PPM信號(hào)就可以通過信道發(fā)送，但又不可能無限制連續(xù)發(fā)送，所以我們將其分組，類似于其他通信方式中的打包，送完一組數(shù)據(jù)接著發(fā)送結(jié)束符。這里同步頭和結(jié)束符也同樣打包，也要經(jīng)

70、過編碼，這樣接收機(jī)捕獲同步信號(hào)后，開始解調(diào)隨后的脈沖信號(hào)直到收到結(jié)束標(biāo)志。表明一組數(shù)據(jù)接收完畢[12]。在每一幀周期時(shí)間段里又分為傳信時(shí)段和靜默時(shí)段（保護(hù)段）更具體的講，我們是根據(jù)時(shí)隙脈沖在傳信時(shí)段的不同位置表示不同信息的。</p><p>　　脈沖位置調(diào)制主要有三種形式：?jiǎn)蚊}沖位置調(diào)制（L-PPM），差分脈沖位置調(diào)制（L-DPPM）和多脈沖位置調(diào)制（Multi-PPM）。下面分別介紹這三種脈沖位置調(diào)制的原理和數(shù)

71、學(xué)模型。</p><p>　　2.2.1單脈沖位置調(diào)制(PPM)</p><p>　　在數(shù)字PPM通信系統(tǒng)的發(fā)送端，編碼器把二進(jìn)制的n位數(shù)據(jù)組映射為由L=個(gè)時(shí)隙上的某一個(gè)時(shí)隙處的單個(gè)脈沖信號(hào)。把每個(gè)由1個(gè)時(shí)隙構(gòu)成的這樣的符號(hào)稱為一個(gè)信息幀。發(fā)射端在特定的時(shí)隙中將信號(hào)以光脈沖的形式發(fā)射出去，接收端探測(cè)到光脈沖后判斷其所屬時(shí)隙，然后恢復(fù)出信號(hào)。PPM符號(hào)的幀結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。</p&g

72、t;<p>　　圖2.3 PPM符號(hào)的幀結(jié)構(gòu)</p><p>　　L-PPM碼組的位數(shù)是固定的L位，其中一位為1，其他位都為0。因此，一個(gè)L位的PPM調(diào)制信號(hào)傳送的信息比特為可以通過計(jì)算得到。如果將n位數(shù)據(jù)組寫成為M=（m1，m2，…mn），而將光脈沖所在的時(shí)隙位置記為l，則單脈沖PPM調(diào)制的映射編碼關(guān)系Φ \* MERGEFORMAT 可以寫成[13]：</p><p>

73、　　Φ:ｌ=ｍ1+2ｍ2+ +2ｍｎ ∈{0,1, ,ｎ-1} (2.1)</p><p>　　例如，對(duì)于一個(gè)4-PPM調(diào)制：</p><p>　　若M=(0,0)，則l=0； 若M=(1,0)，則l=1；</p><p>　　若M=(0,1)，則l=2； 若M=(1,1)，則l=3；</p><

74、;p>　　0、1、2、3分別對(duì)應(yīng)脈沖所在的時(shí)隙位置，其中PP代表平均發(fā)射光功率，Tc為時(shí)隙長(zhǎng)度，脈沖示意圖如圖2.4所示。</p><p>　　圖2.4 脈沖調(diào)制示意圖</p><p>　　可以看出，公式(2.1)決定的映射Φ是一一映射，滿足調(diào)制唯一性的要求。對(duì)于一個(gè)碼元速率為Rb= 1/Tb的數(shù)字基帶信號(hào)，它對(duì)理想低通信道帶寬的要求是B=Rb/2。假設(shè)OOK信號(hào)的碼元速率為Rb=

75、1/Tb，L-PPM信號(hào)的碼元速率為Rb=1/Tb，在要求傳信率相同的情況下，有：TbL= Tblog2L，所以B=(log2L)/L。一般，L=2n，n為整數(shù)?？梢?，L-PPM調(diào)制對(duì)帶寬的要求比OOK要大。但是，對(duì)于一個(gè)應(yīng)用L-PPM調(diào)制的光通信系統(tǒng)，它的平均光發(fā)送功率為P1/L，P1是碼元為1時(shí)的發(fā)送光功率。而應(yīng)用OOK調(diào)制的光系統(tǒng)(不歸零碼)，在1和0出現(xiàn)概率相同的情況下，平均光發(fā)送功率為P1/2。這一點(diǎn)對(duì)于一些用光作為通信載體的

76、手持設(shè)備，便攜式終端特別有利。分析表明，PPM的功率及頻帶利用率兩者之間的折中率較好[13]。比較不同調(diào)制方式的一個(gè)參數(shù)是單位傳信率，即每秒每赫茲傳輸比特?cái)?shù)γ。</p><p>　　γ=·(bit·s-1·Hz-1) (2.2)</p><p>　　式中R是傳輸速率(bit·s-1)；B是信號(hào)帶寬(Hz)。

77、</p><p>　　在光通信中,激光器通常工作于脈沖狀態(tài)，脈沖持續(xù)時(shí)間為τ，相應(yīng)的信號(hào)帶寬定義為</p><p>　　B(Hz)=(s) (2.3)</p><p>　　對(duì)于占空比為rp的OOK調(diào)制碼元,則它的單位傳信率是</p><p>　　γp= = rｐ

78、 (2.4)</p><p>　　對(duì)于單脈沖L-PPM調(diào)制，若時(shí)隙數(shù)為L(zhǎng)=2ｎ，占空比同樣為rp，則2n個(gè)時(shí)隙的寬度為TPPM =2n*rp。因此,相應(yīng)的單位傳信率為</p><p><b>　　(2.5)</b></p><p>　　從(2.4)式和(2.5)式可以看出，在相同傳信率時(shí)，

79、單脈沖PPM調(diào)制要求傳輸碼率比OOK調(diào)制高，相應(yīng)的帶寬也大。</p><p>　　2.2.2 差分脈沖位置調(diào)制</p><p>　　差分脈沖位置調(diào)制(DPPM)是一種在單脈沖PPM調(diào)制基礎(chǔ)上改進(jìn)的調(diào)制方式。前文提到，對(duì)于一個(gè)L-PPM碼組，它的位數(shù)是固定的L位，其中一位為1，其他的位都為0。而L-DPPM的碼組位數(shù)是不定的，它是由一串低電平后跟著一位高電平構(gòu)成，如圖2.5所示。</p

80、><p>　　圖2.5 差分脈沖位置調(diào)制示意圖</p><p>　　從圖中可知，DPPM調(diào)制信號(hào)將PPM調(diào)制信號(hào)的一個(gè)碼組中高電平以后的信號(hào)全部去掉?？梢姡瑢?duì)于L-DPPM信號(hào)與L-PPM信號(hào)仍然有相同的分析。一個(gè)L-DPPM碼組傳輸?shù)男畔⒈忍睾鸵粋€(gè)L-PPM碼組相同，都為log2L比特。但是在相同傳信率的情況下，DPPM調(diào)制比PPM調(diào)制占用的信道帶寬少，而與OOK調(diào)制相比，它的平均光發(fā)送功率

81、要小。顯而易見，DPPM調(diào)制后的信號(hào)數(shù)據(jù)量是不確定的，這限制了DPPM在某些系統(tǒng)中的應(yīng)用[14]。在下面對(duì)DPPM單位傳信率的分析中，我們假定送來調(diào)制的信息元中1出現(xiàn)的概率P(1)和0出現(xiàn)的概率P(0)是相等的，并且在一個(gè)L-DPPM碼組的任一位時(shí)隙上出現(xiàn)1的機(jī)會(huì)都相同。那么對(duì)于占空比為rp的DPPM信號(hào)，它的碼元速率為R=1/T=rp/τ，信號(hào)帶寬B=1/τ。因?yàn)橐粋€(gè)碼組包含的碼元位數(shù)是不定的，所以這里只能得出L-DPPM一個(gè)碼組的平

82、均碼元位數(shù)。這樣，平均一個(gè)碼組的時(shí)段寬度為</p><p>　　TDPPM = (2.6)</p><p>　　所以，DPPM調(diào)制的單位傳信率是</p><p>　　rDPPM = = (2.7)</p><p>　　需要說明的是這個(gè)單位傳信率只是統(tǒng)計(jì)意義上的單位傳信率。在具體

83、某一段時(shí)間內(nèi)，1和0出現(xiàn)的次數(shù)可能是不同的,經(jīng)DPPM調(diào)制后輸出信號(hào)碼流量可能是時(shí)變的。</p><p>　　2.2.3多脈沖PPM調(diào)制</p><p>　　多脈沖PPM調(diào)制方式是將ｎ個(gè)二進(jìn)制的信息元映射為有Ｍ個(gè)時(shí)隙組成的時(shí)段上的多個(gè)脈沖。比如雙脈沖PPM調(diào)制，如圖2.6所示。</p><p>　　圖2.6 多脈沖位置調(diào)制示意圖</p><p&g

84、t;　　若記2脈沖位置分別是，則可描述為</p><p>　　() = Φ() (2.8)</p><p>　　其中 ∈ { 0 , 1 , K , M –1 }, ∈{0,1} 。</p><p>　　由于PPM調(diào)制信號(hào)是時(shí)間序列，脈沖位置也就是時(shí)間的先后，因此，多脈沖PPM調(diào)制可以按多個(gè)脈沖的組合或排列方式分

85、為多脈沖組合和多脈沖排列PPM，這種排列或組合的種類表征了它們各自的傳信能力。對(duì)于多脈沖排列PPM，各個(gè)脈沖應(yīng)有不同的特征，如選取不同的電平值，或是不同的脈寬等。由于這種調(diào)制方式在實(shí)現(xiàn)上較為復(fù)雜，所以一般很少用到。</p><p>　　對(duì)于多脈沖組合 PPM方式，記 I = 2m 個(gè)時(shí)隙上 k 脈沖 PPM的組合種類為NCk(m)，則有</p><p>　　NCk(m) =

86、 (2.9)</p><p>　　多脈沖的傳信能力隨著k的增加而不斷變大。它的單位傳信率可以寫為</p><p>　　γkPPM= (2.10)</p><p>　　其中[NCk(m)]是指取值最接近NCk(m)但比NCk(m)要小的數(shù)。</p><p>　　由于M-PPM(Pu

87、lse-Position-Modulation)(M為時(shí)隙數(shù))的功率利用率可以做的比較高，所以在深空通信，光纖通信合適內(nèi)紅外無線通信等一些功率比較珍貴的通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用；而且在最近提出的一些無線和光通信的標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)PPM也有很多的采用。但是，在現(xiàn)有的對(duì)PPM信號(hào)接收機(jī)的研究中，一般是基于對(duì)觀測(cè)到的光檢測(cè)起的輸出在每個(gè)時(shí)隙內(nèi)的積分值所進(jìn)行的分析，而對(duì)給予全數(shù)字PPM接收機(jī)中每時(shí)隙多次抽樣的樣值進(jìn)行分析的情況則很少見到。</p

88、><p>　　由上面的分析可以看出，L-PPM調(diào)制和L-DPPM調(diào)制與一般的OOK調(diào)制相比，都有不同程度的帶寬擴(kuò)張。多脈沖PPM調(diào)制和前2種PPM調(diào)制不同，選擇合適的脈沖數(shù)可以減小帶寬擴(kuò)張甚至沒有帶寬擴(kuò)張，并且可以在相同傳輸速率情況下，比OOK調(diào)制有更高的傳信率。它們的平均發(fā)送光功率都有所降低。此外，L-PPM和多脈沖PPM解碼需要碼組同步時(shí)鐘來確定一個(gè)碼組的開始和結(jié)束，而DPPM不需要[15]。 與OOK調(diào)

89、制方式相比，L-PPM、L-DPPM和多脈沖PPM這三種PPM調(diào)制方式，具有更高的傳信率和更高的光功率利用率。而且從上面的分析可以看出，Multi-PPM比L-PPM和L-DPPM所需的帶寬更小，L-DPPM占用的信道帶寬比L-PPM小，但是Multi-PPM和L-DPPM實(shí)現(xiàn)起來都比L-PPM復(fù)雜得多，且解調(diào)比較困難，因此本課題選擇L-PPM作為大氣激光通信的調(diào)制實(shí)現(xiàn)方式。</p><p>　　3 基于MAT

90、LAB的PPM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)建模仿真</p><p>　　3.1 MATLAB簡(jiǎn)介</p><p>　　MATLAB是一種用于科學(xué)工程計(jì)算的高效率高級(jí)語言。MATLAB原先作為矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matri Laboratory），是提供使用LINPACK和EISPACK矩陣軟件包接口的。后來它[23]逐漸發(fā)展成通用科學(xué)計(jì)算，圖示交互系統(tǒng)和程序設(shè)計(jì)語言。</p><p>　　

91、與BASIC，F(xiàn)ORTRAN，C/C++等語言相比，MATLAB語言的語法規(guī)則簡(jiǎn)單，更貼近人的思維方式。用MATLAB編寫程序[25]，猶如在一張演算紙上排列公式和求解問題一樣效率高，因此被稱為“演算紙式的”科學(xué)工程算法語言。</p><p>　　隨著MATLAB版本的不斷更新，其功能越來越強(qiáng)，使他在猶如一般數(shù)值計(jì)算，數(shù)字信號(hào)處理，系統(tǒng)識(shí)別，自動(dòng)控制，震動(dòng)理論，時(shí)序分析與建模，優(yōu)化設(shè)計(jì)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，化學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)，

92、動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)，特殊函數(shù)和圖形領(lǐng)域表現(xiàn)出一般高級(jí)語言難以比擬的優(yōu)勢(shì)[26]，并可以方便的用于幾乎所有的科學(xué)和工程計(jì)算的各個(gè)方面?？梢哉f，MATLAB不僅是一種編程語言，而且廣義上是一種語言開發(fā)系統(tǒng)。</p><p>　　Simulink是一個(gè)動(dòng)態(tài)仿真集成環(huán)境，也是一個(gè)模擬工具，其文件擴(kuò)展為.mdl。它是MATLAB的一個(gè)附加組件，用來提供一個(gè)系統(tǒng)的建模動(dòng)態(tài)仿真工作平臺(tái)。他一般可以附加在MATLAB上同時(shí)安裝，也有獨(dú)

93、立安裝的版本。根據(jù)Simulink功能模塊函數(shù)庫中不同模塊的功能屬性[28]，MATLAB將其放置在不同的子庫里，用戶可以在MATLAB的各種幫助里察看，也可以察看相關(guān)的技術(shù)文檔。Simulink使用模塊組合的方法來使用戶能夠快速，準(zhǔn)確地創(chuàng)建系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型，特別對(duì)于復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，它的效果更為明顯。Simulink模型[29]可以用來模擬線性或非線性，連續(xù)或離散或者兩者混合模型，也就是說他可以用來模擬幾乎所有可遇到的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。<

94、;/p><p>　　Simulink沒有單獨(dú)的語言，但他提供了S函數(shù)規(guī)則。所謂的S函數(shù)規(guī)則可以是一個(gè)M文件，F(xiàn)ORTRAN程序，C或C++語言程序等，通過特殊的語法規(guī)則使之能夠被Simulink模型調(diào)用。S函數(shù)使Simulink更加充實(shí)，具有更強(qiáng)的處理能力。</p><p>　　綜上所述，Simulink就是一種開放性的，用來模擬線性非線性的以及連續(xù)</p><p>　

95、　獲離散或者兩者混合的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的強(qiáng)有力的系統(tǒng)仿真工具。</p><p>　　每個(gè)Simulink模塊都具有三個(gè)基本元素：輸入變量，狀態(tài)變量和輸出變量。Simulink在仿真時(shí)把以上變量地?cái)?shù)學(xué)關(guān)系時(shí)對(duì)應(yīng)不同的仿真階段，他們分別是計(jì)算模塊的輸出，更新離散狀態(tài)量或計(jì)算連續(xù)狀態(tài)的微分。在仿真的開始和結(jié)束時(shí)，還包括初始化階段和結(jié)束任務(wù)階段，Simulink模塊的基本元素如圖3.1所示。</p><p&g

96、t;　　圖3.1 Simulink模塊的基本元素</p><p><b>　　3.2調(diào)制電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　應(yīng)用MATLAB軟件中的Simulink 進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是單脈沖位置調(diào)制(L-PPM)，可以對(duì)任意2n進(jìn)制位置調(diào)制的動(dòng)態(tài)仿真。</p><p>　　PPM 調(diào)制系統(tǒng)組成：信號(hào)源（source）、PPM 調(diào)制

97、子系統(tǒng)（p_modulate1和fashe1）、示波器、高斯白噪聲信道。調(diào)制系統(tǒng)如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2 PPM 調(diào)制系統(tǒng)框圖</p><p>　　信號(hào)源輸出的是一系列隨機(jī)二進(jìn)制的信息，是由一個(gè)S-函數(shù)構(gòu)成。</p><p>　　PPM解調(diào)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能：1、從信道中提取脈沖位置信息。2、將位置信息按照相應(yīng)的映射關(guān)系轉(zhuǎn)換為n 源數(shù)據(jù)組。3、實(shí)

98、現(xiàn)并串轉(zhuǎn)換，輸出二進(jìn)制信息。實(shí)現(xiàn)這些功能的模塊為p_modulate1 和fashe1，模塊‘p_modulate1’的任務(wù)是計(jì)算二進(jìn)制序列分組后的脈沖位置l。程序流程圖如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 p_modulate1 子程序流程圖</p><p>　　S-函數(shù)初始化時(shí)采樣時(shí)間間隔為 T32=N*T31/(2*2n)（表示輸出波形中每一幀t有 2*2n個(gè)時(shí)隙 t=TD

99、+2n，即其中有TD=2n*t個(gè)保護(hù)時(shí)隙。輸出波形后延遲一幀），存儲(chǔ)器賦初值l=0，i=1，c=1。仿真激光器輸出脈沖具有窄而強(qiáng)的特點(diǎn)，可將輸出脈沖的幅值設(shè)為3，這樣能更好的體現(xiàn)激光在傳輸過程中具有良好的抗噪聲性能的優(yōu)點(diǎn)。模塊‘fashe1’根據(jù)上一模塊計(jì)算出的位置信息l 在相應(yīng)的時(shí)隙產(chǎn)生光脈沖。模塊‘fashe1’輸出子程序流程圖如圖3.4所示。</p><p>　　圖3.4 模塊‘fashe1’輸出子程序流程

100、圖</p><p>　　3.3 PPM解調(diào)模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　jieshou1模塊具有濾波功能，即除去經(jīng)過高斯信道后信號(hào)中的噪聲，并探測(cè)出信號(hào)中脈沖所在的時(shí)隙數(shù)，將此時(shí)隙數(shù)作為結(jié)果輸出。模塊流程圖如圖3.5所示。</p><p>　　圖3.5 Jieshou1模塊流程圖</p><p>　　jieshou1模塊實(shí)現(xiàn)功能的具體流程：&

101、lt;/p><p>　　設(shè)立5個(gè)變量存儲(chǔ)函數(shù)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。u_data(1)用來存儲(chǔ)輸入信號(hào)此時(shí)的脈沖幅度值，u_data(2)設(shè)立一個(gè)初值0，u_data(3)存儲(chǔ)此時(shí)的時(shí)隙數(shù)，u_data(4)存儲(chǔ)最大脈沖值出現(xiàn)時(shí)的時(shí)隙u_data(5)存儲(chǔ)將時(shí)隙數(shù)值經(jīng)過處理后的數(shù)值。</p><p>　　第一部分：u_data(3)初值設(shè)為1，當(dāng)u_data(3)數(shù)值小于33時(shí)，不斷進(jìn)行循環(huán)，比

102、較u_data(1)與u_data(2)的數(shù)值大小，將大值賦給u_data(2)。通過此冒泡法，得出在一個(gè)循環(huán)中，u_data(1)存儲(chǔ)的各個(gè)脈沖值的最大值，存入變量u_data(2)中；并且當(dāng)此最大值出現(xiàn)時(shí)，將此時(shí)的時(shí)隙數(shù)值存儲(chǔ)于u_data(4)中。</p><p>　　第二部分：當(dāng)u_data(3)數(shù)值等于33時(shí)，即一個(gè)循環(huán)結(jié)束時(shí)，將u_data(3)值重新置為1，并判斷此循環(huán)函數(shù)的輸出值。若此時(shí)的u_da

103、ta(2)小于判決電平，則u_data(5)為0；若大于判決電平，則將最大電平出現(xiàn)時(shí)的時(shí)隙數(shù)u_data(4)減去16再減去1，即得出此脈沖時(shí)隙所代表的信息數(shù)據(jù)值，將此值存于u_data(5)中。</p><p>　　上面兩段程序結(jié)束后，重新回到程序頭部，將u_data(5)的值賦給變量sys，并將此sys值輸出，然后重新開始第一部分程序的循環(huán)。經(jīng)過處理的圖像如圖3.6所示。</p><p&g

104、t;　　圖3.6 經(jīng)過jieshou1模塊處理后的波形</p><p>　　在波形圖3.5中，我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)幀的延遲，這是由于程序在一個(gè)循環(huán)結(jié)束后才輸出數(shù)值。因?yàn)橹挥刑幚硗暌粋€(gè)幀的信號(hào)以后才能判斷出此幀信號(hào)所包含的數(shù)據(jù)信息，在下一幀開始時(shí)輸出，所以，這一幀的延遲是無法避免的。p_demodulate1模塊流程圖如圖3.7所示。</p><p>　　圖3.7 p_demodulate1模塊流程

105、圖</p><p>　　p_modulata1模塊實(shí)現(xiàn)將十進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為四位二進(jìn)制串行數(shù)據(jù)，并進(jìn)行輸出的功能。</p><p>　　p_modulata1模塊實(shí)現(xiàn)功能的具體流程：</p><p>　　u_data(2)的初值為1，u_data(1)存儲(chǔ)jieshou1模塊處理后的輸出數(shù)據(jù)sys。將u_data(1)的值除以并進(jìn)行取整，得出四位串行數(shù)據(jù)的最高位數(shù)值并進(jìn)