空間激光通信探測器陣列接收合并技術(shù)

郝博濤，佟首峰

(長春理工大學(xué)空地激光通信技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，吉林長春130022)

1 引言

目前美國、歐洲、日本等國在研究空間激光通信技術(shù)方面取得了很多成果，推進(jìn)了空間激光通信技術(shù)的發(fā)展。然而空間激光通信的發(fā)展還存在著許多技術(shù)障礙，如大氣湍流引起的光強(qiáng)起伏、大氣的吸收和散射等問題，嚴(yán)重影響了通信系統(tǒng)的性能。為了減小信道衰減、實(shí)現(xiàn)空間有效通信，人們進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究。目前成熟的技術(shù)有自適應(yīng)光學(xué)、大孔徑接收和相干光通信，前沿研究有液晶空間光調(diào)制器、聲光偏轉(zhuǎn)器、光纖耦合以及空間分集接收技術(shù)。自適應(yīng)光學(xué)方法可有效補(bǔ)償相位起伏引起的光強(qiáng)衰減，但設(shè)備龐大，實(shí)用性差;大孔徑接收方法有利于信號的捕獲和跟蹤，減小能量損耗，但大孔徑光學(xué)器件加工難度大，造價高，體積和質(zhì)量大，不適用于終端尺寸受限的空間激光通信系統(tǒng);相干光通信設(shè)備昂貴，技術(shù)復(fù)雜;液晶空間光調(diào)制器無論是反射型還是投射型都會照成信號能量的衰減;聲光偏置器帶寬較低，不適合高速激光通信。與上述幾種方法相比，分集接收技術(shù)在提高接收的信號能量的同時，有效減小了背景噪聲帶來的影響，并且實(shí)現(xiàn)較簡單、成本較低、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而成為近年來各國在空間激光通信中信道補(bǔ)償方面的研究熱點(diǎn)。

分集接收技術(shù)包括時間分集接收、頻率分集接收和空間分集接收等?？臻g分集接收又包括探測器陣列分集、光纖束耦合和多孔徑接收技術(shù)。本文主要研究空間激光通信系統(tǒng)探測器陣列分集接收合并技術(shù)。

2 分集合并技術(shù)

合并是探測器陣列分集接收中的關(guān)鍵技術(shù)，當(dāng)前所采用的合并技術(shù)主要有:選擇式合并SC、等增益合并EGC和最大比值合并MRC。

自由空間激光通信探測器陣列分集結(jié)構(gòu)如圖1所示，探測器陣列單元為N(N≥1)。

圖1 自由空間激光通信的探測器陣列分集結(jié)構(gòu)

2．1 無分集接收

無分集自由空間激光通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中接收器的孔徑面積為AR(為了便于對比，其他三種合并方式接收孔徑面積之和都為AR)，對應(yīng)N=1。

圖2 無分集自由空間激光通信系統(tǒng)

根據(jù)通信原理可知，無分集時系統(tǒng)中斷概率為:

式中，σχ對數(shù)振幅方差;m1為鏈路裕量。

2．2 選擇式合并

選擇式合并技術(shù)采用N路分集支路接收信號，先送入選擇邏輯，比較各支路信號，選擇最高信噪比的信號作為輸出。若采用選擇合并技術(shù)，每增加一條分集支路，信噪比改善因子可提高總分集支路數(shù)的倒數(shù)倍。選擇式合并原理框圖如圖3所示。

圖3 選擇式合并原理框圖

選擇式合并輸出的平均信噪比和改善因子分別為:

選擇合并方法沒有對信號進(jìn)行合并，輸出信號為支路中能量較高的一路，忽略了其他支路信號能量，接收信號的能量較弱。

2．3 等增益合并

等增益合并是對相互獨(dú)立的分集支路采用均等放大系數(shù)合并。等增益合并不用實(shí)時監(jiān)測各支路信噪比，只需對信號進(jìn)行相位調(diào)整，按照相同增益系數(shù)，同相相加。等增益合并接收分集系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 等增益合并接收分集系統(tǒng)

與無分集接收系統(tǒng)相比，等增益合并輸出的平均信噪比和改善因子分別為:

采用EGC方式時，系統(tǒng)中斷概率為:

KEGC定義為探測器陣列接收的噪聲與單探測器接收噪聲之比。在大氣湍流較小時，KEGC≈1。EGC獲得的功率增益為:

在國家治理明星偷稅漏稅的現(xiàn)象同時，也應(yīng)盡量發(fā)揮社會監(jiān)督的優(yōu)勢。積極建立信用獎懲機(jī)制，營造 “納稅光榮，偷稅可恥”的社會風(fēng)氣。有一點(diǎn)特殊的是，由于我國有“明哲保身”的傳統(tǒng)，會造成人們有“沒必要插手”的心理，因此出現(xiàn)各種空檔。相反，崔永元選擇曝出這樣實(shí)屬驚天動地，一方面警醒了稅務(wù)部門對查稅環(huán)節(jié)有所紕漏，另一方面也為“如何做好一個監(jiān)督者”做了良好示范效果。

圖5 等增益合并分集接收系統(tǒng)的功率增益隨著接收陣列數(shù)目的變化曲線

觀察圖5曲線變化可知，隨著分集數(shù)目N的增大，等增益接收分集系統(tǒng)的功率增益將增大，但增大的幅度逐漸平緩，證明分集數(shù)目不是越多越好，根據(jù)系統(tǒng)要求確定合適的分集數(shù)目。在強(qiáng)湍流起伏和低中斷概率的條件下功率增益提高更明顯。

等增益合并不是任何意義上的最佳合并方式，只有假設(shè)每一路信號的信噪比相同的情況下，輸出信號為各路信號幅值的代數(shù)和，但實(shí)際通信系統(tǒng)中各探測器陣列單元信噪比不可能相同，有些系統(tǒng)需要更大增益的合并方式，等增益合并已不能滿足要求。

2．4 最大比值合并

最大比值合并又稱為最佳合并方式，是把探測器陣列接收到的信號經(jīng)過相位調(diào)整后，根據(jù)各支路信噪比的不同，按照適當(dāng)?shù)脑鲆嫦禂?shù)進(jìn)行相加合并。各支路信號的加權(quán)因子an與其支路上信噪比成正比。最大比值合并分集接收結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 最大比值合并分集接收結(jié)構(gòu)

最大比值合并輸出的平均信噪比和改善因子分別為:

由此可見，MRC的增益與探測器陣列單元數(shù)N成正比，此時，系統(tǒng)的中斷概率為:

圖7 MRC和EGC分集個數(shù)與功率增益關(guān)系

MRC與EGC在不同湍流影響和中斷概率條件下系統(tǒng)的功率增益隨分集數(shù)目變化曲線如圖7所示，從圖中可以看出，大氣湍流越嚴(yán)重、中斷概率越大，MRC和EGC得到的功率增益越大，對系統(tǒng)補(bǔ)償越大。隨著探測器數(shù)目增加，MRC和EGC對系統(tǒng)功率增益改善逐漸減弱。當(dāng)N值較大時，MRC和EGC性能相差不大;在低、中等大氣湍流條件下，相同中斷概率的MRC和EGC所獲得的功率增益值非常接近，因?yàn)榈痛髿馔牧鲿r，每個探測器接收到的信號信噪比幾乎相同，而檢測器把檢測到的實(shí)時變化的各支路信息轉(zhuǎn)變成最大比值合并的加權(quán)因子時，存在延時，所以最大值比合并方式也并非真正的最佳合并。由于對數(shù)正態(tài)近似而產(chǎn)生了最大比值合并和等增益合并的細(xì)小差異。

MRC合并誤碼率和單支路平均信噪比的關(guān)系如圖8所示，當(dāng)誤碼率同為10－2時，無分集(L=1)條件下探測器信噪比需要達(dá)到20 dB，采用兩路分集時，每條分集支路平均信噪比為15 dB，而三路分集的單條支路的平均信噪比僅為11 dB左右，與無分集相比，信噪比減小了9 dB。

圖8 不同分集個數(shù)MRC每路平均SNR與總BER關(guān)系

2．5 三種合并方式性能比較

圖9 為三種合并方式條件下，分集個數(shù)與信噪比改善效果對比圖。從圖中可以看出，與無分集相比，三種合并方式對信噪比都不同程度的提高了信噪比和信號能量。在相同分集個數(shù)時，三種合并方式的信噪比增益不同，MRC改善最為明顯，SC相對較差。當(dāng)N值較小時，EGC和MRC信噪比增益接近。隨著分集支路的增加，三種接收合并對信噪比的改善能力降低，這是由于合并技術(shù)的飽和特性決定的，所以說不是分集數(shù)目越多，分集效果越好。增加分集數(shù)目的同時還增加了成本和設(shè)計(jì)難度，要根據(jù)系統(tǒng)性能要求選擇適當(dāng)?shù)姆旨瘮?shù)目。當(dāng)兩路分集接收合并時，SC信噪比增益為1．76 dB，EGC為2．52 dB，MRC 為3．01 dB，即 SC 相對無分集相比，信號能量提高了50%，EGC提高78．5%，MRC提高了100%。

圖9 三種合并方法的性能對比

圖10 是三種合并方式的平均信噪比和誤碼率的關(guān)系圖。通過對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)探測器陣列單元個數(shù)和單個支路平均信噪比相同時，MRC誤碼率最小，SC誤碼率最大;合并方式不變，誤碼率隨探測器個數(shù)的增加而減小。還可以看出，提高平均信噪比增益，誤碼率下降的速度很快。綜合以上兩圖，雖然MRC對提高信噪比增益和降低誤碼率，改善通信效率的能力最強(qiáng)。硬件實(shí)現(xiàn)上，MRC算法復(fù)雜，結(jié)構(gòu)繁瑣，占用空間較大，不適合應(yīng)用在星載空間激光通信系統(tǒng)中，EGC和SC技術(shù)性能已基本達(dá)到空間激光通信的要求，所以，目前EGC和SC的應(yīng)用范圍更為廣泛。隨著技術(shù)逐漸進(jìn)步，未來MRC技術(shù)發(fā)展的空間會更大。

圖10 不同分集的平均SNR與BER對比

3 結(jié)論

探測器陣列分集接收技術(shù)可有效抑制大氣湍流引起的信道衰減，并且大氣湍流越嚴(yán)重，分集接收技術(shù)對系統(tǒng)的性能改善越明顯。MRC，EGC和SC對提高系統(tǒng)增益和信噪比能力不同，仿真結(jié)果表明，相同大氣湍流和中斷概率條件，MRC得到的功率增益和信噪比最大，等增益次之，選擇式性能最差。相同分集數(shù)和信噪比增益時，MRC誤碼率最小。但MRC實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，SC相對容易，在工程應(yīng)用中，要綜合考慮實(shí)現(xiàn)的難易程度和性能選擇合適的合并方式。

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