多孔径发射对大气激光通信系统误码率的影响

2010-07-13黄俊森

电子设计工程 2010年2期

黄俊森

（桂林电子科技大学广西桂林 541004）

近年来，随着激光通信技术的日渐成熟，近地面大气激光通信再度成为研究热点，该技术不仅是下一代光通信技术的发展方向之一，同时也是宽带网络接入中解决“最后1公里”问题的最佳方案。但由于受大气湍流影响，现阶段大气激光通信系统的可靠性与稳定性在实际应用中会严重降低，特别是大气湍流效应中的光强闪烁会极大地增加系统的误码率。虽然大气信道的特性无法改变，但可以改进收发系统，而大量理论分析和实验表明[1]：多孔径发射技术是减弱大气湍流影响的有效途径，目前已越来越多地应用于以大气为传输媒质的空间激光通信系统中。

1 理论分析

单个激光光束通过弱起伏湍流大气后的大气闪烁概率分布服从对数正态分布，光强起伏的大小可依据Rytov近似理论较好地预测[2]。而对于方差饱和闪烁区域，从理论上证明光强起伏服从负指数分布，并得到实验验证[3]。实验结果还表明，强起伏湍流大气中或长距离传输时，若传输距离l和发射镜间距r满足一定条件，随着光束数目n的增加，大气闪烁将趋于对数正态分布，而不是负指数分布，这说明闪烁分布与传输距离l、光束数目n、发射孔径间距r等有关。

对于通信系统，为保证接收端能落在发射光束之内，发射光束的发散角不会很小。发射光束到达接收端时，光斑尺寸通常比接收孔径大很多。因此，用平面波近似是可行的。而在实际激光通信系统中，从发送端发出的激光经光学透镜准直后确实可当作平面波处理。

Tartaskii运用Rytov近似给出激光通过大气后的接收光强起伏（即光强闪烁）的理论模型[4]，在弱起伏条件下，根据此模型得出水平传输时的对数振幅方差为[5]：

则：

对于数字激光接收系统，光接收机接收光信号时，其误码率为[6]：

如果大气信道间距r＞＞r0，则n束光在接收面上的对数幅度起伏互不相关，其叠加后的光强起伏方差为：

考虑到设备的机动性能及探测器的实际大小，n束光完全不相关的几率不大，所以必须考虑各光束之间的相关性对光强起伏的影响。为简化分析，假设各光束之间间距相等且对称分布，则叠加后的光强起伏方差为[6]：

式中，n是发射孔径数目，γ为归一化相关系数。

则多孔径发射的误码率为：

2 计算结果和仿真

图1所示是在波长为850 nm，大气折射率结构常数C2n为5×10-14，相关系数为0.5时，发射孔径数目不同，误码率与传输距离之间的关系曲线。由图1可以看出，通过多发射机发射可以改善系统的误码率。湍流强度一定时，多孔径的误码率比单孔径降低了几个数量级。同时，随着发射孔径数目增加，误码率的变化越来越小。

图2表示波长为850 nm，发射孔径n为8，相关系数为0.5时，误码率随大气折射率结构常数和传输距离的变化关系，可以看到传输距离相同时，湍流越强，则误码率越大，随着湍流强度的增大，误码率增加变快，当光波传输到一定距离时误码率增加很快。