无线光纤接入网技术研究

无线光纤接入网技术研究 【摘 要】随着光纤通信技术的发展， 2.5G , 10Gbps 的光纤干线正在不断的向用户延伸，但由于成本和光纤敷设工程上的难道，只有很少的用户直接和光纤干线相连，通常光纤只延伸到了路边,小区;另一方面，许多用户内部的局域网也具有很高的传输速率，一般为 100Mbps 甚至 1Gbps 的以太网。但是光纤干线和局域网间接入系统却是传统的铜缆， ADSL,同轴电缆等，传输速率都在 10Mbps 以下。所以光纤和局域网间“最后一公里”的接入成为解决宽带传输的瓶颈问题。结合光传输媒质的特点、采用无线的接入手段，无线光接入网是解决“最后一公里”问题经济合理的较佳。 本文在比较了各种接入网技术后，重点对新型接入技术，无线光接入作了具体的研究，采用多种调制技术对无线光传输系统的调制、解调技术的原理进行了阐述，对其数学模型进行了分析。并分析了其网络拓扑结构及无线光接入终端间互联以及与其他网络互联技术。 【关键词】无线光接入 OOK 调制 DPSK调制 恒包络调制 扩频调制技术 0 【Abstract】With the development of fiber optic communication technology, it is extended to users that the optic fibre main line of 2.5G-10Gbps is constant, but because cost and optic fibre lay project , few users only linked to with the main line of optic fibre directly, usually the optic fibre has been only extended to the roadside , district; On the other hand, the LAN inside a lot of users has very high transfer rate too, it is generally Ethernet of 100Mbps even 1Gbps. But it is traditional copper cable , ADSL , coaxial cable that the main line and LAN of optic fibre enter the system indirectly,etc., the transfer rate is under 10Mbps. So access of " the last kilometer " becomes and solves the bottleneck problem that broadband is transmitted among optic fibre and LAN. Combining the characteristic only transmitting medium, adoption wireless receiving and starting with section, the wireless mere access network solves better scheme of the problem with rational economy of " the last kilometer ". This paper is after comparing various kinds of access network technology, the focal point, to the new-type access technology, only insert and do concrete research wirelessly, adopt the more technology to explain the modulation of the wireless mere transmission system , principle of demodulation technology, have analysed to its mathematics model. Have analysed its topological structure of network and only insert the interconnected and and interconnected technology of other networks among the terminal stations wirelessly. 【Key words】 Wireless Optical Access Pulse Position Modulation on-off keying DPSK spread spectrum 1 目 录 前 言 ........................................................................ 4 第一章 绪 论 ................................................................. 5 第一节 研究背景 ........................................................... 5 第二节 研究现状 ........................................................... 5 一、国内外研究动态 ..................................................... 5 二、无线接入技术前景展望 ............................................... 5 第二章 接入网技术概述 ......................................................... 7 第一节 常见接入网概述 ..................................................... 7 一、接入网分类 ......................................................... 7 第二节 无线光接入网技术特点 ................................................ 9 第三节 无线光接入网关键技术 .............................................. 10 一、光源及高码率调制技术 .............................................. 10 二、ATP技术 ........................................................... 10 三、探测技术和信号处理技术 ............................................ 11 四、抗衰落技术: ...................................................... 11 第三章 无线光接入的调制解调技术 .............................................. 14 第一节 无线光传输系统的线性调制解调技术 .................................. 14 一、PPM调制 ........................................................... 14 二、开关键控(OOK)调制 ............................................... 17 三、差分相移键控DPSK调制 ............................................. 18 第二节 恒包络调制技术 ..................................................... 19 一、二进制移频健控2FSK ................................................ 20 二、最小移频健控MSK ................................................... 20 第三节 扩频调制技术 ...................................................... 21 一、直接序列扩频 ...................................................... 21 二、跳频扩频(FHSS) .................................................. 22 三、跳时扩频(THSS) .................................................. 22 第四章 无线光接入网的组网技术 ............................................... 23 第一节 微波,无线光接入网络拓扑 ......................................... 23 第二节 光纤,无线光接入网络拓扑 ......................................... 25 2 第三节 激光无线接入网络拓扑 ........................................... 26 一、网状拓扑方式 ...................................................... 26 二、星形拓扑方式 ...................................................... 27 第五章 无线接入网的新热点技术分析 ............................................ 28 结论 ......................................................................... 32 结束语 ..................................................... 错误～未定义书签。45 35 参考文献 ..................................................................... 3 前 言 随着通信市场日益开放，电信业务正向数据化、宽带化、综合化、个性化飞速发展，各运营商之间的竞争日趋激烈。而竞争的基本点就在于接入资源的竞争，如何快速、有效、灵活、低成本提供客户所需要的各种业务成为运营商首要考虑的问题。而无线接入方式在一定程度上满足了运营商的需要。 1 无线接入不需要专门进行管道线路的铺设，为一些光缆或电缆无法铺设的区域提供了业务接入的可能，缩短了工程项目的时间，节约了管道线路的投资。 2 随着接入技术的发展，无线接入设备可以同时解决数据及语音等多种业务的接入。 3 可根据区域的业务量的增减灵活调整带宽。 4 可十分方便的进行业务迁移、扩容。在临时搭建业务点的应用中优势更加明显。 常用无线接入在结构上大致上可分为 2 种类型，一种是局端设备之间通过无线方式互联，相当于中继器。另外一种是用户终端采用无线接入方式接入局端设备。 典型的接入模型如下图所示: 4 第一章 绪 论 第一节 研究背景 21世纪是信息社会的时代，由信息技术、信息传送、信息资源所构成的信息产业将成为生产力的基本要素。社会对信息的需求推动了信息产业的发展，迫切要求各种专业信息系统共同经过一个信息网络，能使任何人在任何地点、任何时间，将文本、声音、图像、电视信息传送给任何地点的任何人。从整个电信网角度来看，可以将全网络划分为公众电信网和用户驻地网? PN )两大块，用户驻地网属于用户自己，公众电信网又分为核心网和接入网。核心网提供高速公众传送通道，接入网是这个通道的“最后一公里”，他主要解决如何将图像、数据、语音等多种业务综合传送到用户的问题。与核心网相比，接入网具有业务密度低、缺乏经济规模、成本差异大、运行环境恶劣、技术更新慢等缺点。同时由于电信业务向高速、宽带、大容量方向发展，核心网已经经历了几代更新发展，这就势必对接入网提出不断发展更新的要求。 本文研究目的主要有二:一是采用脉冲位置的技术对无线光传输系统的调制、解调技术 的原理进行了分析，并建立其数学模型;二是分析其网络拓扑结构及无线光接入终 端间互联以及与其他网络互联技术。 第二节 研究现状 一、国内外研究动态 事实上，在激光刚刚问世时，将激光用于大气通信想法就随之产生，但是由于大气信道的特殊性，使得此项技术一直停滞不前。进入,,年代，很多国家和地区的研究相继停止，但是仍然有人在不断的探索。随着半导体激光器的问世，激光在大气中传输进行通信逐渐进入实用阶段。 近年来，国外无线光通信技术已相较成熟，相应产品已有较广应用，美国波音公司和一些较大的通讯公司都在采用无线光接入方案。朗讯公司已开发出,×,(, Gb , S 的无线光通信系统。在国内，中科院光电所凭借光电科技优势，引进并消化国外先进技术，研发成功JTWS,I型无线激光通信机。桂林电子工业学院、华中科技大学、武汉邮电科学研究院也长期致力无线光接入技术研究。 二、无线接入技术前景展望 通信网络的发展决定无线接人技术的发展方向。未来的通信网将向综合化、宽带化、智 5 能化方向发展。电信网、Intemet网、CATV网互相融合已成为大势所趋。通信网络除提供电话业务外，还要提供视频、高速数据、多媒体业务。最终实现个人通信的目标:即实现任何人在任何时间、地点与其他任何人进行任何种类的信息交流。 无线接人在未来的通信网中占有十分重要的位置，无线接人技术必然向综合化、宽带化、智能化方向同步发展。今后(可能获得快速发展的技术有: 1、高速无线接入 (1)卫星宽带接人系统:即实现卫星系统宽带化，包括同步轨道卫星系统和中低轨道移动卫星系统(是个人通信系统的重要组成部分。 (2)第三代蜂窝移动通信系统:即宽带CDMA蜂窝系统，有非常大的系统容量，全球漫游，提供多媒体服务(数据速率达2Mbps等(也是个人通信系统的重要组成部分。 (3)无线局域网(WLAN):采用无线接人的计算机通信网络，传输计算机数据。未来的WLAN要求提供更高速率和支持无线ATM(4)吉比特速率的室内无线系采用多载波调制和均衡技术或窄波束技术克服多址效应影响，提高室内无线系统的传输速率。 2、无线ATM ATM即异步传送模式，是宽带网络的基础。无线ATM主要支持与固定的ATM技术兼容的无线宽带业务和终端移动性两种功能。其基本技术包含无线接人和移动ATM，前者是通过无线介质扩展ATM业务(后者支持终端移动的能力。 3、多址技术、自适应天线和多用户 检测研究自适应天线(包括智能天线系统)、新的多址方式(如CDMA,PRMA)和多用户检测技术，进一步提高系统容量。 4、 软件无线电 这是智能多模式终端技术的进步发展，是无线系统数字化的新阶段，亦是今后个人通信的关键技术。 6 第二章 接入网技术概述 第一节 常见接入网概述 一、接入网分类 无线接入指从程控交换节点到用户终端全部或部分采用无线手段的接入技术，即用无线传输代替接入网的全部或部分。向用户终端提供电话、数据和视频服务。无线接入系统的组成如下图,它包括四个模块:用户台、基站、基站控制器,,,、网络管理系统NMS。 Q3 NMS 无线基站 用户台 基站控制器 交换机 无线基站 用户台 V5 图2.1 无线接入系统组成 无线接入网按出现年代分:20世纪70年代的第一代系统，即一点到多点微波系统;80年代的第二代系统，即基于模拟蜂窝的系统;90年代的第三代系统(即基于数字蜂窝的系统。应该指出，这三代系统都是属于窄带无线接入。按接入方式分有:纯双绞线铜缆接入网、混和光纤同轴电缆网(HFC)、xDSL(HDSL、ADSL、VDSL)、综合业务数字网(ISDN)、无线接入网和全光纤接入网。 1、双绞线铜缆接入网 双绞线铜缆接入网是各国电信运营公司花费大量投资建起来的庞大网络资源，价值上千亿美元，决不会轻易放弃。目前的经济性能表明，对于较短或较少的用户线要求，双绞线铜缆仍然是经济的。因而对于已建成铜缆网的地区和少量的用户线需求，电话公司会继续采用铜缆。新的铜缆用户线技术(例如用户增容系统HDSL以及ADSL和VDSL)的出现和应用也会在一定程度上延缓双绞线铜缆网的技术寿命。 2、混和光纤,双绞线铜缆网 这种接入方案结合运用铜缆和光纤，发挥各自特长，是最有希望的接入网技术方案之一。在提供新用户线方面，其经济性已经可以与纯双绞线铜缆相比。传统的电话运营公司在修复一定规模的铜缆接入网是会越来越多的采用这种方案。而新的竞争者则很可能会采用混和方案来提供新的用户线。诸如光纤到路边(FTTC)和光纤到远端(FTTR)都属于这种混和方案，未来的交换式数据图像(SDV)业务也是以这种方案为基础的，可以认为这是铜缆向未来纯光纤网过渡的理想方案之一。特别式由FTTC与VDSL相结合的方案提供了一种现实经济的宽带 7 接入方式。 3、混和光纤,同轴电缆网 这种混合方案是由CATV网演变而来，是一种新型的接入网技术，不仅能提供窄带电话业务，也能提供宽带图像业务，其经济性较好，尤其是在交互式图像业务普及率不太高的很有吸引力。绝大多数有线电视公司都会逐渐采用这种方案，不少电话运营公司也开始采用这种技术应付市场竞争。显然，这种技术越普及，新敷设的双绞线铜缆会越来越少，而光缆和同轴电缆会越多，光纤向用户侧推进速度会加快。很多国际组织和论坛正在对下一代的结合MPEG,,和ATM的数字HFC系统进行化，这将进一步推动其发展。 4、纯光纤网 纯光纤网指光纤直接连到用户，中间没有其他传输煤质应用场合，又可划分光纤到办公室(FTTO)和光纤到家(FTTH)。FTTO方式指至少需要几十条几百条用户线的企业用户网，这种场合只要容量超过一定数目光纤是经济合算的。FTTH方式是指居民用户一般仅需一至两条用户线短期内经济欠佳，但却是长远的发展方向和最佳解决方案。 5、光纤接入网 光纤接入网采用光纤传输系统所支持的接入链路群共享相同的网络侧接口。光接入网从系统配置上分为无源光网络(PON)和有源光网络(AON)。典型接入网类型如前所述的纯光纤接入的FTTH和FTTO，以及一些综合解决方案如HFC和FTTC、FTTR。光纤接入网可以充分利用光纤传输带宽大、衰减小、抗干扰能力强的优势，使得整个通信系统性能得到质的飞跃。近段时间，以高速光传输技术、宽带光接入技术、节点光交换技术、智能光联网技术为核心，并面向IP互联网应用的光波技术已构成了今天的光纤通信研究的热点。SDH和DWDM设备在光纤接入网中的不断延伸应用，使得光接入网已经成为一个趋于完善的网络。但是光接入网在经济性能和建网工程的复杂性上的弱点是无法克服的。无法达到无线接入网的建网灵活且不受地域限制相比。 6、无线接入网 无线接入网具有接入灵活、实用范围广泛等特点，采用移动接入的无线接入网用户可以在一定范围或者超大范围移动。目前，无线接入网分为: (,)移动通信系统 移动通信系统由第一代模拟制式到第二代数字制式，第三代以CDMA技术为基础的移动通信也即将商用，第四代移动通信系统正在实验中，,年后将面世。 (2)无线本地环路系统 有线固定电话用户以无线方式接入公用电话网称为无线本地环路系统。此方式比较经济、 8 现实，它不但降低了维护成本，缩短了建设周期，同时设备扩容方便，特别适合远离城市的边远地区。GSM标准、CDMA、FDMA、TDMA技术也被应用在无线本地环路中。无线本地环路主要针对固定无线用户接入，因此其工作频率不与公众移动通信网相同，主要分布在,(,GH,,,(,GH,之间的频段。一点多址微波通信设备，实际上就是一种典型的无线本地环路设备，它一般采用TDMA时分多址方式，中心站通过用户与公用电话网联接，通过全向天线与分布在周围的外围站通信，提供固定电话服务。 (,)无绳电话系统 是有线固定电话终端的延伸，无绳电话系统的突出特点是灵活方便。这类固定的无线终端可以同时带有几个无线子机，子机除和母机通话外，子机之间还可以通信。一类工作频率一般在,,MH,，天线覆盖在,,,米左右。另一类如DECT、PHS等标准的无绳电话系统工作频率在,,,MH,,,(,GH,。 (,)移动卫星接入系统 通过同步卫星实现移动通信联网是一种理想的无线接入方式，可以真正实现任何时间、任何地点、任何人的移动通信。这种系统通常需要卫星运行在低轨道，并且需要较多的卫星，投资很大。卫星接入系统的最大特点是利用卫星通信的多址传输方式。为全球用户提供大跨度、大范围、远距离的漫游和机动灵活的移动通信服务，是陆地移动通信系统的扩展和延伸，在边远的地区、山区、海岛、受灾区、远洋船只、远航飞机等通信方面更具有独特的优越性。 (,)无线局域网 无线局域网(Wireless LAN，简称WLAN)是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。它不受电缆束缚，可移动，能解决因有线网布线困难等带来的问题，并且组网灵活，扩容方便，与多种网络标准兼容，应用广泛等优点。WLAN既可满足各类便携机的入网要求，也可实现计算机局域网远端接入、图文传真、电子邮件等多种功能。近段时间以来，无线局域网应用和研究正逐步成为一个热点。例如MMDS(多路多点分配业务)和LMDS，其中LMDS因为能提供宽带双向数据传输而得到迅速发展。 第二节 无线光接入网技术特点 无线光接入网将无线光通信技术与接入网技术需求有机的结合起来，充分利用无线光通信技术优势，完成各种数据业务(IP业务，视频，电话业务)的接入，体现一种全新的接入网理念。可以实现光纤不便延伸到所谓最后一公里的宽带接入，具有如下优点: 1、无线接入网的成本与传输距离无关，对用户密度等因素不敏感(特别适于距离稍长、用户密度不高的地区。 9 2、运营成本低，取消了铜线分配网和铜线分接线，无需人员修复设备线路，减少这部分费用。 3、扩容方便，采取逐步增加投资的方式可以更准确地跟踪用户需求的增长，扩容方便而且资金回收快。 4、组网灵活、安装迅速、建设周期短。 5、安全性好、抗灾能力强。对地震、水灾等，无线系统比有线系统的抗灾能力强，同时灾毁后易于修复。 第三节 无线光接入网关键技术 无线光接入网主要有以下关键技术: 一、光源及高码率调制技术 光源问题一直是困扰自由空间光通信的关键问题之一。在无线光通信中，背景光的干扰很强，所以在通信过程中需要大功率光源，调制速率又要尽可能高。同时，光源的调制需要采用纠错技术，尽可能减少误码和突发误码。目前，光源主要采用800 nm和1 550 nm波段的光源。前者研究时间早，器件比较成熟，此外还能有效的兼容现有的光纤通信系统;采用1 550 nm的优点是光源调制速率高，波长稳定，可以采用EDFA提升功率。在无线光通信系统中多采用强度调制一直接检测(IM—DD)方式，系统能够比较简单的实现。采用的编码方式多为开关键控(OOK)编码和曼彻斯特编码方式。在实际应用中，采用曼彻斯特编码方式的接收码率通常比采用OOK要低。主信号采用幅度调制ASK,OOK或DPPM方式，信标光采用CW 方式，调制频率为几十到几百kHz。 二、ATP技术 由于空间光通信的光束的发散角较小，只有几个毫弧度，微小的震动、强风吹动都会使光束发生偏离，且在安装调试的时候也有相当的难度，甚至有些时候目标或者载体本身就是运动的。此时，存在的问题就是如何动态地捕获目标、实时地跟踪目标的运动以及补偿自身载体的运动，如何使光束对得更准使得接收探测器的信号强度最大等等。ATP即高精确的捕获(Acquisition)、跟踪(Track—ing)和瞄准(Pointing)技术，是保证实现空间远距离光通信(尤其是星际间光通信)的必要核心技术。 ATP系统主要包括两个子系统: ?预对准系统:根据预先设定的通信方向。控制光束方向，使其能较为准确地对准光接收器;?跟踪系统:可分为粗跟踪系统和精跟踪系统。在不同视角,视场范围内捕获目标，并对目标跟踪，然后将目标控制在跟踪能够实现的范围内，始终使系统处于最佳接收位置。 10 粗跟踪系统常采用CCD来实现，并与带通光滤波器、信号实时处理的伺服执行机构完成粗跟踪目标的捕获，其捕获范围可达?1。,?20。或更大。精跟踪系统通常采用四象限红外探测器QD或Q— APD高灵敏度位置传感器来实现，并配以相应的电子学伺服控制系统，其要求现场角为几百微弧度，跟踪精度为微弧度，跟踪灵敏度为微几mw。 三、探测技术和信号处理技术 在无线光通信系统中，光接收端接收到的光信号非常微弱，再加上高背景噪声场地干扰，导致接收到信号的信噪比过低。采用新型光电探测器件提高接收端机的灵敏度，并在电信道上采用微弱信号检测与处理技术，可以有效地解决这一问题。抗背景噪声和器件暗电流的技术实际的通信过程中背景光相当复杂，包括有稳定漫射型背景、周期性背景及集中性背景等。为提高系统的抗背景噪声能力，可采用光学滤波的方法。提高接收系统的信噪比。如若所用的波长和外界干扰的波长有重叠，此滤波的方法无法实现分离。此时就要采用调制的方法。对于克服暗电流影响，调制的方法也较为适用。对于成熟的信号光收发系统其内部自带有成熟的调制技术，信标光系统中也可设计一套简易的调制系统，来最大限度的改善信噪比。此方法的出发点是考虑在干扰的杂散光多为自然光或人工照明，其特点是其亮度和方位变化是缓慢的，在信标光探测器上造成的响应为直流和低频信号(PSD)或者是亮度和位置较为固定的光斑(CCD)。如对信标光光进行周期方波调制，接收端可以采用差值的方法，使有信标光时候的量和无信标光时候的量相减，这样就消除了基本上不随时间变化的背景噪声和暗电流所产生的量。PSD位敏探测器件的基电流一般都很大，室温下10×1 Omm的PSD的暗电流有200nA，最终使得系统的灵敏度只有一20dBm左右。采用方波调制时，接收端可以通过数字锁相技术、模拟锁相技术、同步积分等原理把微弱的脉冲信号从背景噪声和暗电流中提出来并最终得出由信标光产生的光电流的大小。这些方法可以提高系统20dB左右的探测灵敏度。 四、抗衰落技术: 无线信道具有时变多经衰落特性，克服多径衰落的技术有调频技术、信道的分集接收技术和和自适应均衡技术。 1、分集技术 空间分集技术是利用多条只有具有近似相等的平均信号强度和相互独立衰落特性的信号路径来传输相同信息，并在接收端对这些信号进行合并，以便降低多径衰落的影响，改善传输的可靠性。分集技术可通过频域、时域和空域等方法来实现，具体包括空间分集、时间分集和频率分集等几种方法。 (1)空间分集 11 空间分集是在发端使用一幅发射天线，按收端使用多幅接收天线，并且接收天线的间隔足够大,从而保证各接收天线输入信号的哀落特性相互独立。采用分集接收合并技术使输出较强的有用信号，降低了传插因素的影响，由于深哀落不可能同时发生,分集便能把衰落效应降低到最小。对空间分集而言,分集的支路数越大，分集效果越好。但当/分集的支路数较大(M>3}时，分集的复杂性增加。 (2)时间分集 时间分集就时将给定信号在时间上相隔一定的间隔重复传输多次,只要时问间隔大于相干时间,就可以得到多条独立的分集支路。由于相干时间是与移动台的运动速度成反比,因此,当移动台处于静止状态时,时间分集基本上不起作用。 Rake接收分集是将时间分集在宽带移动系统中的应用的一种形式，Rake接收机通过多个相关检测器接收多径信号中各路信号，对他们同相处理后进行分集合成。QualmmCDMA系统利 用基站和移动台的Rake接收机完成时间分集与合并，从而达到抗多径干扰的目的。 (3)频串分集 频率分集是将要传输的信息分别以不同的载频发射出去,只要载频的间隔大于相干带宽,那么在接收端就可以得到衰落特性不相关的信号,与空间分集相比,减少了天线的数目。但缺点是要占用更多的频谱资源,在发端需要多部发射机。在接收端取得多条相互独立的支路信号后,可以通过合并技术来得到分集增益。合并技术有选样式合并、最大比合并、等增益合并以及开关合并。 ?选择式合并是在各分集支路接收的信号中，通过选择逻辑选取具有最高基带信噪比的支路信号作为输出信号 ?最大合并比是对各分集支路的按收信号加权.权值的大小与接收信号的强度成正比，然后进行同相合并。最大比合并的输出信噪比等于各路信噪比之和，这种方法的抗衰性特性是最佳的。 ?等增益合并是最大合并的一种特殊情况，即将各支路信号先同相后后相加，加权系数取值为1。其性能仅次于最大比合并，易于实现。 ?开关合并是监视接收信号的瞬时包络，即将2个支路信号的包络与预定的门限开关电平相比较，保持某个信号值，当其中一支路信号包络降低到门限开关电平以下时，转换到另一支路的较强信号上。 2、自适应均衡技术 码间干扰是在移动无线信道中传输高速率数据的主要障碍，是由无线信号的时变多径传 12 播引起的，采用自适应均衡技术可以克服码间干扰。其目的是根据信道的特性，按照某种最佳准则来设计均衡器的特性,使得经过信道传输的收端信号与发端信号之间达到最佳匹配。因此，自适应均衡能够实时地跟踪移动通信信道的时变特性，自适应地进行补充，使其接近不失真传输要求。 13 第三章 无线光接入的调制解调技术 无线接入技术在无线传输中一般多使用频谱效率高、抗干扰性强的数字调制技术技术。数字调制最简单的是二进制调制，即调制信号是二进制数字信号,因而载波的幅度、频率或相位只有两种变化状态。在无线接入系统中常用的数字调制方案可分为线性调制技术、恒包络调制技术和扩频调制技术。 线性调制技术方案有PPM、ook、QPSK、MPSK、MQAM等;恒包络调制技术有MSK、MGSK、2FSK等;扩频调制技术包括直接序列扩频、跳频扩频和跳时扩频。 第一节 无线光传输系统的线性调制解调技术 在数字无线光系统，我们采用脉冲直接强度调制，光脉冲的产生是通过激光器的开断来实现的，当发送信息为“1”码时，激光器发出光脉冲，“0”码时激光器完全关闭。本文中假定进入光无线系统是数字信息，数字信息经过编码处理后是一连串的01码序列，最简单的调制方式就是将01序列脉冲直接对激光器进行强度调制，当输入信息为“1”时，激光器发出一个宽度为1/Rb、强度为2P的脉冲;输入信息为“0”时，激光器完全关闭，这就是非归零的开关键控调制(OOK,NRZ)。开关键控调制简单可靠，但是针对无线光传输大气信道，背景噪声的影响和空间衰减大，OOK调制功率利用率不高，通常会采用脉冲位置调制(PPM)。 一、PPM调制 1、PPM调制原理 从其他网络、接入点或者用户传送来的待传送数字01码序列信息，不管是否经过纠错编码，如果采用PPM调制，就有一个数字的01序列映射为另一种01数字序列的过程，这也可以看着是一个编码过程。假设有一帧L位的二进制信息，在对应的代码序列可能是00„..0(共 LL位)到11„..1(共L位)中的任意一个，那么对应的十进制整数就为0至(2,1)中的任意 LLL一个，如果我们将这一帧时段划分位2个时隙，从0到(2,1)依次对应于第一个到第2个时 L隙，那么也可以用代码序列00„..0(共L位)到11„.1(共L位)去对应第一个到第2个时隙，这就是数字PPM调制的原理。 14 图3.1数字PPM调制含静默时段帧时隙结构图 图3.1为一个含静默时段的PPM帧结构图。假设通信系统的通信时间被分成宽度为T的周期时间段,每时段称为PPM一帧，每帧时间T分成M个时隙，每个时隙宽度T′为T/M秒，其中前Q个时隙称为传信时段Tq(=QT’,2LT’)，后D个时隙不传信息称为静默时段(dead time)Td(=DT′)，在发端激光源每隔时间T在其传信时段Tq中的一个时隙打开(其余时隙关闭)，发送一个脉冲信号，脉冲宽度为τ。Tq中的Q个时隙位置对应Q个符号,每个符号传递LogQ bit的二进制信息。设置静默时段Td是由激光器和信道的特性决定的，Td的长度要大2 于脉冲激光器重建粒子数反转需要的最小重复周期，否则激光器不能正常工作，同时要选取Td避免信道色散引起的帧间符号干扰。 图3.1所示的Q元PPM信号以后记为Q-PPM，决定它的结构参数是时隙宽度T′、传信时隙数Q、静默时隙数D和脉冲宽度τ。当脉冲宽度τ小于时隙宽度T′时，这Q个信号集在时间上是正交的，但当脉冲宽度τ大于时隙宽度T′,信号集就失去了正交性。 2、PPM调制的带宽和功率利用率 在无线光接入系统中，大气信道对传输光功率衰减较大，采用PPM调制方式，对于系统的功率利用率有明显的改善，在含有静默时段的PPM调制中，带宽利用率通过优化PPM的参数也会有所改善。我们采用OOK—NRZ调制方式作为参照来分析PPM调制的性能。 无静默时段PPM调制的带宽和功率利用率如果在PPM帧结构中不加入静默时段的情况，则一个L位的二进制信息段对应于时隙数为Q,2L，帧时段长度为T=QT’，则信息传输率 Rb=L/T=logQ/T=logQ/QT′bit/s 22 每个时隙的传信量 Cp=RT′=logQ/Qbit/chip 2 对于OOK调制，一帧中的传信时段仅一个时隙，它利用该时隙的脉冲有无(即开关)来传递信息，它一帧的传信量为2bit/s，每时隙的传信量Co,2bit/chip。所以，PPM调制和OOK调制的带宽利用率之比 15 Cp/Co=logQ/2Q 2 对于任意Q>1，PPM的带宽利用率都低于OOK，所以在无静默时段的PPM调制中，是以付出带宽为代价的。至于功率利用率，假设在相同的时段内T内，PPM脉冲在时隙Tˊ中的占空比为1，峰值功率为P，则PPM帧的平均功率为 M Pp=P/Q M 而在同样传送L位信息的OOK，在时段T内，OOK的时隙宽度为T/L(L=logQ)，也假设占2 ，峰值功率为P，OOK帧的平均功率就为 空比也为1M Po=P/L M PPM和OOK在同一帧时段内的平均功率之比为LogQ/Q，只要Q大于2，则PPM的功率利2 用率就要比OOK高。因此，在PPM调制中可以利用峰值功率较高的激光器，从而在大气信道中传输可靠性提高。 3、PPM无线光传输系统的解调技术 经过大气散射信道来PPM调制信号经过光探测器、前置放大电路和线性信道后进行判决解调，通过对信号解调的分析，我们可以得出系统的误码率特性。 采用直接强度调制的数字无线光接入系统中，如果背景光噪声较低，信道模型一般抽象为泊松信道,泊松计数速率为(λs(t)，λn)，λs(t)是散弹噪声计数速率，和探测器探测到的瞬时光功率成比例，λn是背景噪声的计数速率，和背景噪声成比例。但是当λn足够大时，且系统采用宽带探测器时，探测器的散粒噪声可以认为是加性高斯白噪声(AWGN)再加上一个直流偏置。图3.2表示无线光接入系统的信道模型: 图3.2 N(t)IM/DD无线光信道模型 X(t)是发射光功率，Y(t)是探测器的瞬时电流。X(t)和Y(t)间是一个线性通道，其脉冲响应是h(t)。同样，信道也可以用频率响应来表示: 16 通常情况下，即使接收端的信号光经过滤光片后，其背景光噪声仍然较大，因此，采用上述AWGN模型是正确和便利的。和其他AWGN信道一样，传送信号是功率受限的，必须满足: x(t)?0x(t)?P(4,1,15) 这样，光探测器探测到的光信号就是光发送信号的线性过程再加上高斯白噪声，且光探测器输出的光电流正比于光探测器探测到的信号。 二、开关键控(OOK)调制 二进制开关键控(OOK)是用在光纤传输的直观的简单调制方案。它是以单极性不归零码序列来控制正弦载波的开启与关闭。 1、 信号的产生 ,(t-nT) b(t)= g(t-nT) saanbnTbook(t) ,,脉冲成 形低通 a取值1或0 单极性不归零码矩形脉冲序列 n滤波器 ACOSt ,c 图3.3 OOK信号产生 如图，二进制序列a取值1或0，T为二进制符号间隔，发送脉冲成形低通滤波器的冲激nb 响应为g(t)(为简便，设其为单极性不归零脉冲)二进制序列a通过脉冲成形低通滤波后的Tn 基带信号为b(t)= g(t-nT)(-论文

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