空间激光通信探测器阵列接收合并技术

郝博涛，佟首峰

(长春理工大学空地激光通信技术国防重点学科实验室，吉林长春130022)

1 引言

目前美国、欧洲、日本等国在研究空间激光通信技术方面取得了很多成果，推进了空间激光通信技术的发展。然而空间激光通信的发展还存在着许多技术障碍，如大气湍流引起的光强起伏、大气的吸收和散射等问题，严重影响了通信系统的性能。为了减小信道衰减、实现空间有效通信，人们进行了大量的理论和实验研究。目前成熟的技术有自适应光学、大孔径接收和相干光通信，前沿研究有液晶空间光调制器、声光偏转器、光纤耦合以及空间分集接收技术。自适应光学方法可有效补偿相位起伏引起的光强衰减，但设备庞大，实用性差;大孔径接收方法有利于信号的捕获和跟踪，减小能量损耗，但大孔径光学器件加工难度大，造价高，体积和质量大，不适用于终端尺寸受限的空间激光通信系统;相干光通信设备昂贵，技术复杂;液晶空间光调制器无论是反射型还是投射型都会照成信号能量的衰减;声光偏置器带宽较低，不适合高速激光通信。与上述几种方法相比，分集接收技术在提高接收的信号能量的同时，有效减小了背景噪声带来的影响，并且实现较简单、成本较低、实用性强等优点，因而成为近年来各国在空间激光通信中信道补偿方面的研究热点。

分集接收技术包括时间分集接收、频率分集接收和空间分集接收等。空间分集接收又包括探测器阵列分集、光纤束耦合和多孔径接收技术。本文主要研究空间激光通信系统探测器阵列分集接收合并技术。

2 分集合并技术

合并是探测器阵列分集接收中的关键技术，当前所采用的合并技术主要有:选择式合并SC、等增益合并EGC和最大比值合并MRC。

自由空间激光通信探测器阵列分集结构如图1所示，探测器阵列单元为N(N≥1)。

图1 自由空间激光通信的探测器阵列分集结构

2．1 无分集接收

无分集自由空间激光通信系统的结构如图2所示，其中接收器的孔径面积为AR(为了便于对比，其他三种合并方式接收孔径面积之和都为AR)，对应N=1。

图2 无分集自由空间激光通信系统

根据通信原理可知，无分集时系统中断概率为:

式中，σχ对数振幅方差;m1为链路裕量。

2．2 选择式合并

选择式合并技术采用N路分集支路接收信号，先送入选择逻辑，比较各支路信号，选择最高信噪比的信号作为输出。若采用选择合并技术，每增加一条分集支路，信噪比改善因子可提高总分集支路数的倒数倍。选择式合并原理框图如图3所示。

图3 选择式合并原理框图

选择式合并输出的平均信噪比和改善因子分别为:

选择合并方法没有对信号进行合并，输出信号为支路中能量较高的一路，忽略了其他支路信号能量，接收信号的能量较弱。

2．3 等增益合并

等增益合并是对相互独立的分集支路采用均等放大系数合并。等增益合并不用实时监测各支路信噪比，只需对信号进行相位调整，按照相同增益系数，同相相加。等增益合并接收分集系统如图4所示。

图4 等增益合并接收分集系统

与无分集接收系统相比，等增益合并输出的平均信噪比和改善因子分别为:

采用EGC方式时，系统中断概率为:

KEGC定义为探测器阵列接收的噪声与单探测器接收噪声之比。在大气湍流较小时，KEGC≈1。EGC获得的功率增益为:

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图5 等增益合并分集接收系统的功率增益随着接收阵列数目的变化曲线

观察图5曲线变化可知，随着分集数目N的增大，等增益接收分集系统的功率增益将增大，但增大的幅度逐渐平缓，证明分集数目不是越多越好，根据系统要求确定合适的分集数目。在强湍流起伏和低中断概率的条件下功率增益提高更明显。

等增益合并不是任何意义上的最佳合并方式，只有假设每一路信号的信噪比相同的情况下，输出信号为各路信号幅值的代数和，但实际通信系统中各探测器阵列单元信噪比不可能相同，有些系统需要更大增益的合并方式，等增益合并已不能满足要求。

2．4 最大比值合并

最大比值合并又称为最佳合并方式，是把探测器阵列接收到的信号经过相位调整后，根据各支路信噪比的不同，按照适当的增益系数进行相加合并。各支路信号的加权因子an与其支路上信噪比成正比。最大比值合并分集接收结构如图6所示。

图6 最大比值合并分集接收结构

最大比值合并输出的平均信噪比和改善因子分别为:

由此可见，MRC的增益与探测器阵列单元数N成正比，此时，系统的中断概率为:

图7 MRC和EGC分集个数与功率增益关系

MRC与EGC在不同湍流影响和中断概率条件下系统的功率增益随分集数目变化曲线如图7所示，从图中可以看出，大气湍流越严重、中断概率越大，MRC和EGC得到的功率增益越大，对系统补偿越大。随着探测器数目增加，MRC和EGC对系统功率增益改善逐渐减弱。当N值较大时，MRC和EGC性能相差不大;在低、中等大气湍流条件下，相同中断概率的MRC和EGC所获得的功率增益值非常接近，因为低大气湍流时，每个探测器接收到的信号信噪比几乎相同，而检测器把检测到的实时变化的各支路信息转变成最大比值合并的加权因子时，存在延时，所以最大值比合并方式也并非真正的最佳合并。由于对数正态近似而产生了最大比值合并和等增益合并的细小差异。

MRC合并误码率和单支路平均信噪比的关系如图8所示，当误码率同为10－2时，无分集(L=1)条件下探测器信噪比需要达到20 dB，采用两路分集时，每条分集支路平均信噪比为15 dB，而三路分集的单条支路的平均信噪比仅为11 dB左右，与无分集相比，信噪比减小了9 dB。

图8 不同分集个数MRC每路平均SNR与总BER关系

2．5 三种合并方式性能比较

图9 为三种合并方式条件下，分集个数与信噪比改善效果对比图。从图中可以看出，与无分集相比，三种合并方式对信噪比都不同程度的提高了信噪比和信号能量。在相同分集个数时，三种合并方式的信噪比增益不同，MRC改善最为明显，SC相对较差。当N值较小时，EGC和MRC信噪比增益接近。随着分集支路的增加，三种接收合并对信噪比的改善能力降低，这是由于合并技术的饱和特性决定的，所以说不是分集数目越多，分集效果越好。增加分集数目的同时还增加了成本和设计难度，要根据系统性能要求选择适当的分集数目。当两路分集接收合并时，SC信噪比增益为1．76 dB，EGC为2．52 dB，MRC 为3．01 dB，即 SC 相对无分集相比，信号能量提高了50%，EGC提高78．5%，MRC提高了100%。

图9 三种合并方法的性能对比

图10 是三种合并方式的平均信噪比和误码率的关系图。通过对比发现，当探测器阵列单元个数和单个支路平均信噪比相同时，MRC误码率最小，SC误码率最大;合并方式不变，误码率随探测器个数的增加而减小。还可以看出，提高平均信噪比增益，误码率下降的速度很快。综合以上两图，虽然MRC对提高信噪比增益和降低误码率，改善通信效率的能力最强。硬件实现上，MRC算法复杂，结构繁琐，占用空间较大，不适合应用在星载空间激光通信系统中，EGC和SC技术性能已基本达到空间激光通信的要求，所以，目前EGC和SC的应用范围更为广泛。随着技术逐渐进步，未来MRC技术发展的空间会更大。

图10 不同分集的平均SNR与BER对比

3 结论

探测器阵列分集接收技术可有效抑制大气湍流引起的信道衰减，并且大气湍流越严重，分集接收技术对系统的性能改善越明显。MRC，EGC和SC对提高系统增益和信噪比能力不同，仿真结果表明，相同大气湍流和中断概率条件，MRC得到的功率增益和信噪比最大，等增益次之，选择式性能最差。相同分集数和信噪比增益时，MRC误码率最小。但MRC实现复杂，SC相对容易，在工程应用中，要综合考虑实现的难易程度和性能选择合适的合并方式。

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