强联合大气湍流下到达角起伏时间频率谱分析

考虑到折射率结构常数和传输距离对星地链路激光通信质量的影响,本文在修正Rytov 方法的基础上,根据星地链路的实际情况,建立了强联合大气湍流模型;并采用谱分析法,得出适用于强湍流区的到达角起伏时间频率谱表达式;最后,分析了对流层Kolmogorov湍流和平流层Non-Kolmogorov湍流对星地链路瞄准捕获跟踪的联合影响.结果表明:大气湍流对星地链路激光通信具有显著影响,且对流层的影响远小于平流层;适当增大接收孔径和频率,可以有效降低大气湍流对星地链路稳定性和可靠性的影响,从而提高星地链路的通信质量.     

逆向调制光通信的大气湍流及孔径平均效应

研究了逆向调制光通信回波反射链路中的大气湍流效应及抑制方法。利用相位屏方法模拟大气湍流效应,建立了弱湍流情况下高斯光束在传统无线光通信和逆向调制光通信中的传播模型,对比分析了高斯光束在传统自由空间光通信单向链路和逆向调制光通信双向链路中大气湍流引起的闪烁指数。结果显示大气湍流对逆向调制光通信回波反射链路的影响远大于对传统自由空间光通信中单向链路的影响。还研究了孔径平均效应对逆向调制光通信中回波反射链路中闪烁指数的影响。结果表明,对于逆向调制光通信,大的接收孔径对于大气闪烁的抑制依然有效。     

星地光通信链路大气湍流衰落特性研究

针对大气湍流中gamma-gamma分布的光强起伏,建立了星地光链路的衰落统计模型,研究了不同天顶角星地光通信链路的衰落概率、平均衰落次数及平均衰落时间等关键参数的统计特性.结果表明:减小天顶角和提高接收端探测灵敏度均可以极大的减少衰落概率和平均衰落次数,而不能显著缩短平均衰落时间,星地光链路的平均衰落时间为毫秒量级.     

自适应光学技术在大气光通信系统中的应用进展

大气光通信中大气湍流引起的相位噪声和光强起伏噪声会严重影响通信系统的通信质量,自适应光学补偿可在一定程度上解决问题.常规自适应光学技术对于解决上行链路、下行链路中的湍流扰动问题得到了理论和实验验证.强闪烁现象的存在使得常规自适应光学技术在水平链路中的应用受限,不使用波前传感器的自适应光学技术则为这一问题的解决提供了可能方案.随机并行梯度下降算法是该类自适应光学技术中一种较有应用前途的控制算法.     

指数韦伯信道下带瞄准误差的相干光通信系统中断概率分析北大核心CSCD

为了研究在大气湍流闪烁效应以及瞄准误差共同作用下空间相干光通信系统的中断概率,基于指数韦伯大气湍流衰减信道,建立了基于平衡探测的相干光通信系统模型,给出了系统受大气湍流闪烁效应和瞄准误差影响下信道衰减的概率密度函数,并推导了系统中断概率的闭合表达式。通过数值仿真,分析了湍流强度、波束宽度、抖动偏差对系统中断概率的影响。结果表明:系统中断概率会随着湍流强度的增强和归一化信噪比的降低而增大;当归一化信噪比大于14dB时,可以通过增大波束宽度降低系统中断概率;当抖动偏差大于2时,增大归一化信噪比并不能有效降低系统中断概率。由基于此模型的仿真分析结论可知,选取合适的波束宽度和抖动偏差能降低系统的中断概率,并提高系统的稳定性。     

16km水平激光链路孔径接收条件下信号衰落规律

为了研究远距离水平激光链路接收光强起伏的统计特性,进行了16km水平激光传输实验.介绍了大气闪烁的对数正态与伽马-伽马分布模型,根据实验结果分析了孔径接收下信号衰落的统计规律.实验结果表明:伽马-伽马与对数正态分布在较大孔径接收时都能较好地分析远距离传输的光强起伏分布,而且分别是信号性能的上限与下限.采用何种模型要根据实际接收情况,较小孔径接收时,采用伽马-伽马较为准确.由于孔径平均效应和闪烁饱和效应,10-6衰落几率条件下16km激光链路孔径接收衰落阈值只有6～10dB.     

激光传输湍流大气的折射率起伏双尺度模型

运用Kolmogorov 1941串级湍流模型理论和近似①湍流大气中传输激光束的强度起伏可抽象为大尺度湍涡导致对小尺度湍涡产生强度起伏倍乘性再调制的双尺度过程;②分别由大尺度湍涡和小尺度湍涡产生的光闪烁相互统计独立;③在双尺度模型下,即使在湍流起伏饱和区,用于处理光闪烁的Rytov方法仍然适用.导出了包含湍流内外尺度因子的简化折射率起伏双尺度模型和湍流大气中传输平面波的闪烁孔径平滑因子.结果表明,有限湍流内、外尺度在0.5＜d＜3.5孔径区域增加了闪烁的孔径平滑作用.     

临近空间"空-空"激光通信链路传输特性分析

针对临近空间"空-空"激光通信链路的传输特性,进行了较为系统的研究.首先,对比临近空间的"空-地"链路和"空-天"链路,给出了"空-空"链路的大气信道特征:一方面,从大气成分等因素出发,指出了可能造成"空-空"链路大气衰减的3种原因,得到了"空-空"链路的大气衰减信道;另一方面,由相关资料得到"空-空"链路所在空域的大气湍流尺度,再根据大气湍流尺度与激光光束直径的对比关系引发的湍流效应的不同,分析了"空-空"链路的大气湍流信道.其次,重点针对大气湍流效应,进行了仿真计算,得到了光强闪烁方差与通信传输距离、光强闪烁方差与激光波长、到达角起伏方差与传输距离的关系.最后,对计算结果进行了讨论.     

自由空间光通信系统中弱大气湍流引起的相位波动和强度闪烁对DPSK调制系统的影响

大气湍流是自由空间光通信链路系统的主要限制因素。大气湍流造成光束的强度闪烁和相位起伏。因此,基于MZI- DPSK调制,考虑大、小湍流尺度引起的强度闪烁和相位噪声对误码率的影响且强度闪烁满足逆高斯分布和相位波动满足高斯分布。利用分布式天线阵接收技术,研究了大气湍流下自由空间光通信链路的误码率性能,推导了在内外尺度下,分布式天线阵接收的误码率关于相位误差的函数表达式。为了提高误码率的性能,天线阵接收采用了最大比合并技术。仿真结果得出相位误差对误码率的影响很大;内外尺度对误码率的影响可以忽略不计。采用天线阵接收可以降低系统的误码率,提高通信系统的性能,且得出天线阵接收的最佳子天线个数。     

自由空间光通信系统中弱大气湍流引起的相位波动和强度闪烁对DPSK调制系统的影响

大气湍流是自由空间光通信链路系统的主要限制因素。大气湍流造成光束的强度闪烁和相位起伏。因此,基于MZI-DPSK调制,考虑大、小湍流尺度引起的强度闪烁和相位噪声对误码率的影响且强度闪烁满足逆高斯分布和相位波动满足高斯分布。利用分布式天线阵接收技术,研究了大气湍流下自由空间光通信链路的误码率性能,推导了在内外尺度下,分布式天线阵接收的误码率关于相位误差的函数表达式。为了提高误码率的性能,天线阵接收采用了最大比合并技术。仿真结果得出相位误差对误码率的影响很大;内外尺度对误码率的影响可以忽略不计。采用天线阵接收可以降低系统的误码率,提高通信系统的性能,且得出天线阵接收的最佳子天线个数。     

移动平台上空间光通信系统性能研究

针对移动平台空间光通信信道的大气湍流随机性强、指向误差大和链路高动态性等问题,建立适合于移动平台的大气信道模型,并进一步推导出采用脉冲调制(PPM)调制的通信系统端到端信道容量和中断概率的解析表达式。仿真分析了在大气弱湍流、中强湍流两种情况下,信噪比、系统分集、指向误差及通信距离等对通信系统中断概率的影响。结果表明,指向误差不宜超过1mrad;通信距离每增加1km,中断概率上升8~11dB。     

Gamma-Gamma大气湍流中部分相干光通信系统性能研究

部分相干光在湍流大气中传输时,可以有效抑制湍流所引起的光强闪烁效应,从而改善通信链路性能。针对Gamma-Gamma大气湍流信道模型和部分相干光的光束特性,得到了采用OOK调制方式下部分相干光通信系统的平均误码率、中断概率和平均信道容量三个性能指标的解析表达式;在此基础上,分析了光束的空间相干长度和通信距离对通信链路的性能影响。计算结果表明,在相同的大气湍流条件和传输距离下,随着部分相干光的空间相干长度的减小,系统的误码率和中断概率逐步降低,在平均信噪比为30 dB时,系统的误码率可以达到10-5,中断概率低于10-6;另外,系统的平均信道容量会随着光束相干长度的减小而增加,在信噪比等于12 dB时,平均信道容量达到3.8 b/sHz-1。分析结果为部分相干光在湍流大气中实现可靠通信提供了理论依据。     

INNER AND OUTER SCALE EFFECTS ON SCINTILLATION INDEX FOR AN INFRARED LASER PROPAGATING ON EARTH-SPACE PATHS

The effects of the inner-and outer-scale of turbulent atmosphere on the scintillation index for an infrared laser beam propagating through atmospheric turbulence are discussed under the assumption that small-scale irradiance fluctuation is modulated by large-scale irradiance fluctuation on Earth-space paths. A model about the scintillation index with the inner-and outer-scale is developed. A numerical analysis is done by using this model. It is shown that the effect of the inner scale on scintillation index is larger than the outer scale effect for the lesser wavelength wave at visible and infrared band. From moderate to saturation regime, the inner scale effect becomes gradually small; however, the outer scale effect becomes gradually obvious. Under moderate to strong regime, therefore, the effects of the inner-and outer-scale on scintillation index must be considered for theoretical prediction scintillation of an infrared laser beam propagating through turbulent atmosphere on Earth-space paths.     

Simulation of the effects of atmospheric scintillation on digital transmissions at centimeter and millimeter wavelengths

This paper describes the simulation of the effects of scintillation on digital transmissions. The scintillation is modelled by atmospheric turbulent cells whose parameters are determined by comparison with measured scintillation events. The effects of the cells crossing the communication link on the amplitude of the received signal are calculated as well as the transfer function. A complete communication link is simulated and the BER is calculated for different frequencies. The model can be used up to 100 GHz but this paper is focused on frequencies presently used in satellite communications.     

弱湍流信道无线光通信分集接收合并技术

为了克服大气湍流所造成的信道衰落效应,分析了在弱湍流信道模型下基于强度检测脉冲位置调制方式的自由空间光通信空间（FSO）分集接收系统模型,推导了无分集系统的误时隙率计算公式。然后以此作为参考,在独立同分布的情况下,采用数值仿真的方法,分别对比分析了最大比合并（MRC）、等增益合并（EGC）和选择性合并（SC）的误时隙率性能。结果表明,3种合并技术中,误时隙率性能改善最优的是MRC,其次是EGC,而SC的改善性能最差,但是SC实现相对容易。利用分集接收合并技术可以有效改善FSO系统的性能,并且具有较好的抗大气信道衰落能力,在无线光通信中将有一定的应用前景。     

大气无线光通信系统中数字脉冲间隔调制研究

基于光强闪烁的大气无线光通信系统模型,研究了数字脉冲间隔调制(DPIM)方式的差错性能,分析了符号结构、发射功率、带宽需求等问题,并与 OOK(开关键控)和 PPM(脉冲位置调制)调制方式进行比较。理论和仿真研究结果表明,DPIM 调制方式较 PPM 方式有较高的功率效率和较少的带宽需求,特别是在系统实现上相对于 PPM 大大简化。因此 DPIM 应用于无线光通信系统具有一定优势。     

湍流大气外尺度对波束地-空传播闪烁影响研究

根据在中度和强湍流大气条件下引入空间频率滤波函数的修正Rytov方法,从理论上给出了地-空斜程路径上从弱到强起伏下包含湍流内、外尺度效应的激光高斯波束闪烁指数模型.该模型在相应的条件下分别可转变为波束波水平视距路径传播的闪烁模型和平面、球面波的闪烁指数模型.应用该模型,分析了湍流内、外尺度对波束波地-空路径传播时闪烁指数的影响.结果表明,在中度起伏条件下,内尺度对闪烁的影响是相当显著的,而外尺度的影响较小;从中到强起伏区,随着湍流强度的增加或传播距离的增加,外尺度影响逐渐的增大;在强起伏区,外尺度的影响已达到与内尺度影响具有同样的程度.因此,对于光波束在较强湍流中传播或在大气中传播路径较长时,对光波束闪烁预测不但要考虑内尺度效应,而且也要考虑外尺度效应.     

Effects of light propagation in middle intensity atmospheric turbulence

The purpose of this report is to present an experimental study of the effects of light propagation through atmospheric turbulence.Free space optical communication is a line-of-sight technology that transmits a modulated beam of visible light through the atmosphere for broadband communication.The fundamental limitations of free space optical communications arise from the environment through which it propagates.However these systems are vulnerable to atmospheric turbulence, such as attenuation and scintillation, Scintillation is due to the air index variation under the temperature effects.These factors cause an attenuated receiver signal and lead to higher bit error rate (BER).An experiment of laser propagation was carried out to characterize the light intensity through turbulent air in the laboratory environment.The experimental results agree with the calculation based on Rytov for the case of weak to intermediate turbulence.Also, we show the characteristics of irradiance scintillation, intensity distribution and atmospheric turbulence strength.By means of laboratory simulated turbulence, the turbulence box is constructed with the following measurements: 0.5 m wide, 2m long and 0.5m high.The simulation box consists of three electric heaters and is well described for understanding the experimental set up.The fans and heaters are used to increase the homogeneity of turbulence and to create different scintillation indices.The received intensity scintillation and atmosphere turbulence strength were obtained and the variation of refractive index, with its corresponding structure parameter, is calculated from the experimental results.     

Pointing error effects on performance of free-space optical communication systems using SC-QAM signals over atmospheric turbulence channels

In this paper, we theoretically analyze pointing error effects on performance of free-space optical (FSO) communication systems using subcarrier intensity quadrature amplitude modulation (SC-QAM) signals over atmospheric turbulence channels. Unlike previous studies, we take into account both atmospheric turbulence channels and the pointing error effect. In order to model atmospheric turbulence channels, we employ a log-normal distribution for weak-to-moderate turbulent condition and a gamma–gamma distribution for strong turbulent condition. Moreover, we study the pointing error effect by taking into account the influence of beamwidth, aperture size and jitter variance. In addition, we use a combination of these models to analyze the combined effect of atmospheric turbulence and pointing error to FSO/SC-QAM systems. Finally, we derive analytical expressions to evaluate the average symbol error rate (ASER) performance of such systems. Numerical results present the impact of pointing error on the performance of FSO/SC-QAM systems and how we use proper values of aperture size and beamwidth to improve the performance of such systems. In addition, simulation results of FSO/SC-QAM performance over strong atmospheric turbulence and pointing errors show that the closed-form expression can provide a precision for evaluating ASER of such systems.     

Ka频段卫星信道的衰减特性

在Ka及以上高频段卫星通信系统中,其链路信号的衰减很严重,主要是大气、降雨、闪烁对卫星信道的影响。本文主要研究了雨衰和对流层闪烁产生衰减的机理与特性,提出雨衰采用DAH模型,闪烁采用Van de Kamp模型。然后根据实测气象数据,计算我国各参考站点的雨衰和闪烁值。为抗衰减对策的提出提供理论依据,为工程设计提供具体的参考数据。