大气湍流对无线激光通信误码率的影响

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1、2009年6月重庆文理学院学报(自然科学版)Jun．，2009第28卷第3期JournalofChongqingUniversityofArtsandSciences(NaturalScienceEdition)Vo1_28NO．3大气湍流对无线激光通信误码率的影响安建梅，肖云波(重庆文理学院现代教育技术中心，重庆永川402160)[摘要]介绍了激光信号通过大气时的湍流谱模型，分析了单孔径和多孔径发射及湍流的相干性对光强起伏的影响．通过分析得出多孔径发射可以增加接收面上的相干面元，从而减小光强起伏方差．最后对单孔径发射和多孔径发射以及多孔径发射下相关系数对系统误码率的影响进行了分析

2、，阐述了长波长、多孔径能够有效降低误码率的机理．[关键词J光通信；大气湍流；多孔径发射；误码率[中图分类号]TP751．2[文献标识码]A[文章编号]1673—8012(2009)03—0020—04自由空间光通信技术作为光通信技术中一种重要的通信方式，是以激光为载体，在真空或大气中传递信息的通信技术．当激光在大气中传附，．输时，受到大气湍流的极大影响，大气湍流会导致传输光束的波前随机起伏、强度起伏(闪烁)、(2)光束扩展等大气湍流效应，从而导致激光束的光其中，r为接收面上两点之间的距离，k为空间波束质量下降，严重影响激光通信系统的稳定性和可靠性．因此，光强起伏是个有待解决的严重数

3、，J(】(√)为零阶贝塞尔函数·问题．考虑到设备的机动性能及探测器的实际大1理论模型小，n束光完全不相关的几率并不大，必须考虑各光束之间的相关性对光强起伏的影响．假设各光波在空间传播过程中的闪烁主要依赖于个相邻光束之间间距相等，且具有对称分布以简空间折射率谱．早期通用的大气湍流折射率谱理化分析，叠加后的光强起伏方差为论是Kolmogorov理论．该湍流谱是在一系列假设—1条件下取得的，如局部均匀、各向同性等．而实际61=÷(1一)6+y6，．(3)的大气湍流谱的形式要更复杂．一种Kolmogorov以此分析n束光叠加后的光强起伏随相关系数湍流谱的形式可以表述如下：和单束光的光强起伏

4、的方差变化．下面取参数相设为湍流内尺度，A为波长，为传输距关的n束光，图1为每个孔径6，=0．08时，光强离，当A≤时，光束经过距离三的传播后，接起伏方差随光束相关系数和发射孑L径数目rt变收平面上的光强起伏的归一化相关函数的表达化的关系图．图2为每个孔径，=0．3的多孔式为¨径发射时，光强起伏方差随光束相关系数和发射7r1．孑L径数目的变化图．(r，)=÷fJO(m。r)d乒(1)JJ0图1和2都显示发射孑L径数目越多，光强起其中，亭为相干系数，m。为贝赛尔函数的阶数，r伏方差就越小；同时，相关系数越大，光强起伏的为发射孑L径的间距．当A≥，接收面上对数方差也越大．[收稿日期]2

5、009—03—16[作者简介]安建梅(1981一)，女，山西五台人，实验师，硕士研究生，主要从事大学物理实验教学与研究202，i㈣。R，喜¨瑶o加时，其误码率为脚：[e㈢1．(6)其中，Q=}毛，，和，0是对应比特1和。的平均光强，i和i。为对应比特1和0噪声引起的光强的均方根．一般情况下认为，比特0对应的光强为0，这样参数Q可以表示为图1：0．08时起伏方差随光束相关系数Q：：(击=六，和发射孔数目的变化在实际激光通信系统中，从发送端出来的激光经过光学透镜准直后可当成平面波来处理．对于平面波：<>：0．31c吾，(8)综合(6)、(7)式和(8)式可得误码率和光强起伏的关系为聊=

6、吉[errc(焘)]=扣fc(图2，：0·时起伏方差随光束相关系数3数值模拟和发射孔数目的变化3．1单孔径引起的误码率分析2理论推导在中等强度湍流范围内，我们选取波长为假设传输激光光束为平面波，并忽略系统中850nm，得出单孔径发射误码率随湍流强度和传的其它噪声，仅讨论由于大气湍流所引起的误码输距离的变化关系模拟曲线如图3所示．在选定率．当激光光束在大气中传播时，由于大气湍流折射率结构函数c为5X10下，误码率随波长的存在，使得光波的振幅发生变化，可以近似地和传输距离的变化关系的模拟曲线如图4所示．认为是在原有的光波信号上叠加了一个噪声J．光强起伏的麦克斯韦方程为In=，若用辐n0

7、射强度表示，则对数光强起伏为ln去_ln()=2InA=2x．(4)式中的A。为平均振幅，是叠加了光强起伏后总的振幅，它可以表示为A=A。+A，A表示光强起伏噪声引起的振幅起伏项．(4)式可以表示为21“A图3波长为850I111"1时误码率和传输距离的关系：2ln：21n(1+)．(5)，10nOA从图3可以看出，在传输距离相同时，湍流其中，=是噪声振幅和信号平均振幅之AO越强，误码率就越大．随着湍流强度的增大，误码比J．当很小时，可以近似地认为ln(1+)=率增加