无线光通信(第二版)

目录 前言 第1章 无线光通信系统 1 1.1 无线光通信模型 1 1.1.1 发射机 1 1.1.2 接收机 2 1.1.3 信道 2 1.2 激光光源 3 1.2.1 半导体激光器的工作原理 3 1.2.2 半导体激光器的基本特性 4 1.2.3 機性校正 5 1.3 半导体激光器和光电探测器的响应特性 7 1.3.1 半导体激光器的响应特性 7 1.3.2 PIN光电探测器的响应特性 11 1.4 表面等离激元 16 1.4.1 表面等离激元 16 1.4.2 表面等离子体结构 16 1.4.3 结论 19 1.5 信号检测 19 1.5.1 直接检测 20 1.5.2 直接检测极限 21 1.6 光放大器 21 1.6.1 光放大器的分类 22 1.6.2 掺铒光纤放大器 23 1.6.3 半导体光放大器 24 1.7 空间光-光纤耦合技术 24 1.7.1 单透镜耦合 24 1.7.2 光纤阵列耦合 25 1.7.3 特种光纤耦合 26 1.8 光学天线与望远镜 26 1.8.1 折射式望远镜 27 1.8.2 反射式望远镜 27 1.8.3 折反射望远镜 28 1.8.4 收发一体化光学天线 29 1.8.5 一点对多点发射天线 29 1.9 总结与展望 31 思考题一 31 习题一 31 参考文献 36 第2章 相干光通信 38 2.1 相干光通信的基本原理 38 2.1.1 基本原理 38 2.1.2 零差探测 40 2.1.3 外差探测 41 2.1.4 调幅信号的外差探测 41 2.1.5 双平衡探测 42 2.2 相干调制与解调 43 2.2.1 相干系统的光调制 43 2.2.2 相干解调 45 2.2.3 系统性能 48 2.3 影响检测灵敏度的因素 49 2.3.1 相位噪声 49 2.3.2 强度噪声 49 2.3.3 偏振噪声 50 2.3.4 相干光通信系统的关键技术 50 2.3.5 检测灵敏度的极限 50 2.4 光外差检测的空间相位条件 51 2.4.1 空间相位条件 51 2.4.2 光外差检测的频率条件 54 2.4.3 光外差检测的偏振条件 55 2.5 自适应光学波前校正 55 2.5.1 波前畸变校正系统 55 2.5.2 波前测量和波前校正 56 2.5.3 无波前测量系统 61 2.5.4 波前传感与坏点剔除 61 2.6 总结与展望 64 思考题二 64 习题二 64 参考文献 68 第3章 调制、解调与编码 69 3.1 调制技术 69 3.1.1 基本概念 69 3.1.2 模拟调制与数字调制 70 3.1.3 直接调制与间接调制 70 3.1.4 内调制与外调制 70 3.2 外调制技术 71 3.2.1 电光调制 71 3.2.2 声光调制 75 3.2.3 磁光调制 77 3.3 逆向调制 79 3.3.1 “猫眼”效应 79 3.3.2 逆向调制原理 80 3.3.3 “猫眼”逆向调制系统 82 3.3.4 逆向调制的传输特性 83 3.4 类脉冲位置调制 85 3.4.1 类脉冲位置调制原理 85 3.4.2 同步技术 90 3.5 光源直接调制 92 3.5.1 单端转差分部分 92 3.5.2 电平调整部分 93 3.5.3 激光器驱动部分 94 3.5.4 光反馈原理 97 3.6 副载波强度调制 98 3.6.1 副载波强度调制原理 98 3.6.2 BPSK副载波调制 99 3.6.3 FSK副载波调制 101 3.6.4 互调失真与载噪比 103 3.7 正交频分复用 105 3.7.1 基本原理 105 3.7.2 OFDM中离散傅里叶变换实现 107 3.7.3 保护间隔和循环前缀 109 3.7.4 峰均功率比及其降低方法 111 3.8 空时编码 111 3.8.1 空时编码的演变 112 3.8.2 无线光通信中的空时编码 114 3.8.3 无线光通信中的空时译码 115 3.9 信道编码 116 3.9.1 信道编码及其分类 116 3.9.2 线性纠错码 116 3.9.3 卷积码 117 3.10 总结与展望 120 思考题三 120 习题三 120 参考文献 123 第4章 大气信道、信道估计与信道均衡 126 4.1 大气衰减效应 126 4.1.1 大气衰减系数与透过率 126 4.1.2 大气分子吸收与散射 127 4.1.3 大气气溶胶粒子吸收与散射 128 4.1.4 大气窗口 129 4.1.5 衰减系数估算 129 4.1.6 传输方程 130 4.2 大气湍流模型 130 4.2.1 大气湍流 131 4.2.2 大气湍流信道模型 132 4.2.3 Log-normal湍流模型 132 4.2.4 Gamma-Gamma湍流模型 136 4.2.5 负指数分布湍流模型 139 4.2.6 大气结构常数 140 4.2.7 大气湍流引起的误码率 141 4.3 分集接收 142 4.3.1 *大比合并 143 4.3.2 等增益合并 143 4.3.3 选择合并 143 4.4 信道估计 144 4.4.1 信道估计的概念 144 4.4.2 *小二乘信道估计算法 145 4.4.3 MMSE准则的信道估计 145 4.5 信道均衡 145 4.5.1 码间干扰与信道均衡 146 4.5.2 时域均衡 146 4.5.3 线性均衡 147 4.6 大气湍流对于误码率的影响 149 4.7 总结与展望 151 思考题四 151 习题四 152 参考文献 156 第5章 白光LED通信 158 5.1 LED发光原理 158 5.1.1 白光 LED 158 5.1.2 LED发光原理 158 5.1.3 白光LED发光原理 159 5.1.4 白光LED发光模型 160 5.2 车联网环境可见光通信系统的背景光噪声模型 161 5.3 可见光通信系统乘性噪声模型 165 5.4 光源*优化布局 167 5.5 室内可见光信道 169 5.6 接收机与检测技术 171 5.6.1 接收机前端 172 5.6.2 接收阵列设计 174 5.7 可见光通信的上行链路 175 5.7.1 射频上行链路 175 5.7.2 红外光上行链路 175 5.7.3 激光上行链路 176 5.7.4 可见光上行链路 176 5.8 可见光通信定位技术 176 5.8.1 光信号接收强度定位法 177 5.8.2 指纹识别定位法 177 5.8.3 LED标签(LED-ID)定位法 177 5.8.4 可见光成像定位技术 177 5.9 总结与展望 177 思考题五 178 习题五 178 参考文献 180 第6章 水下光通信 184 6.1 概述 184 6.2 水下激光通信系统 185 6.2.1 水下激光通信原理 185 6.2.2 水下信道 185 6.2.3 水下激光通信的特点 186 6.3 激光对潜通信 186 6.3.1 激光对潜通信的形式 186 6.3.2 各介质层的传输 187 6.3.3 时间扩展 189 6.3.4 能量方程 189 6.4 复眼接收天线 190 6.4.1 LED光源在水中的传输模型 190 6.4.2 复眼透镜光学接收天线的结构 192 6.5 发射端恒流驱动 196 6.5.1 大功率LED驱动主控电路 196 6.5.2 主控芯片 197 6.5.3 NMOS管驱动电路 199 6.5.4 LED灯珠 200 6.6 光在海水中的传输特性 200 6.6.1 光学特性 200 6.6.2 吸收特性 201 6.6.3 散射特性 203 6.7 非直视传输 205 6.7.1 NLOS传输覆盖范围 205 6.7.2 散射链路模型 212 6.8 总结与展望 215 思考题六 215 习题六 215 参考文献 216 第7章 紫外光通信 219 7.1 紫外光及其信道特性 219 7.1.1 紫外光 219 7.1.2 紫外光的特点 219 7.1.3 紫外光大气信道 220 7.1.4 紫外光大气信道特性 221 7.2 紫外光非直视传输特性 223 7.2.1 椭球坐标系 223 7.2.2 紫外光散射通信的过程 224 7.2.3 非直视散射特性 226 7.3 日盲紫外光非直视通信组网 227 7.3.1 无线Mesh通信网络 227 7.3.2 无线紫外光Mesh通信网络 228 7.4 总结与展望 229 思考题七 230 习题七 230 参考文献 230 第8章 捕获、瞄准和跟踪技术 231 8.1 APT系统 231 8.1.1 APT的概念 231 8.1.2 APT的工作原理 232 8.2 自动捕获 233 8.2.1 开环捕获模式 234 8.2.2 扫描方式 235 8.2.3 捕获单元性能指标 239 8.3 自动跟踪 240 8.3.1 跟踪系统 240 8.3.2 复合轴控制系统 241 8.3.3 粗跟踪单元精度分析 242 8.3.4 精跟踪光束伺服单元 242 8.4 发射-接收端非共光轴快速对准 242 8.4.1 问题的提出 242 8.4.2 快速对准方案 243 8.5 瞄准误差对通信性能的影响 246 8.5.1 光功率衰减模型 246 8.5.2 指向误差条件下高斯光束几何衰减模型 248 8.5.3 指向误差下平均几何衰减模型 250 8.6 总结与展望 251 思考题八 251 习题八 251 参考文献 253 第9章 部分相干光传输 254 9.1 光束的基本#数 254 9.1.1 发射光束 254 9.1.2 互相干函数 255 9.1.3 光束的扩展、漂移与强度起伏 259 9.2 部分相干光模型 260 9.2.1 部分相干光描述 260 9.2.2 部分相干光波束 263 9.3 光束在大气湍流中的传输 264 9.3.1 光束的扩展与漂移 264 9.3.2 水平传输光束的漂移与扩展 269 9.3.3 斜程传输光束的漂移与扩展 273 9.3.4 到达角起伏 275 9.3.5 光束漂移与扩展对通信系统的影响 279 9.4 总结与展望 280 思考题九 281 习题九 281 参考文献 284 第10章 未来的通信技术 286 10.1 X射线空间通信 286 10.1.1 X射线通信背景 286 10.1.2 X射线通信系统 287 10.1.3 发展方向与展望 290 10.2 轨道角动量复用通信 290 10.2.1 涡旋光束 290 10.2.2 涡旋光束的产生 292 10.2.3 轨道角动量复用通信系统 295 10.3 中微子通信 298 10.3.1 中微子 298 10.3.2 中微子通信原理 298 10.3.3 中微子通信系统 299 10.3.4 中微子通信的关键技术 299 10.3.5 中微子通信的特点 300 10.4 引力波通信 300 10.4.1 引力波的探测 301 10.4.2 引力波的产生 303 10.4.3 引力波探测的主要困难 303 10.5 太赫兹波通信 304 10.5.1 太赫兹波及其优点 304 10.5.2 太赫兹波发射天线 305 10.5.3 太赫兹波探测器 306 10.5.4 太赫兹波调制器 307 10.5.5 太赫兹波在大气中的传输 308 10.6 总结与展望 309 思考题十 309 习题十 310 参考文献 310