CN104486000A - 受大气湍流影响的光脉冲信号模拟生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种受大气湍流影响的光脉冲信号模拟生成方法，属于大气信道无线光通信技术领域。本发明首先使用基于多随机相位屏的光脉冲大气湍流传输数值模拟方法，计算一系列到达接收机的光脉冲的离散时域波形数据，并保存到计算机文件中；然后根据计算机文件中的离散时域波形数据，通过控制计算机生成电光强度调制器的调制控制信号，实现对激光信号强度的调制，从而模拟生成光脉冲信号。与现有半实物模拟方法相比，本方法不受传输距离和大气湍流参数等物理条件限制，灵活性和适用性更强。

Description

受大气湍流影响的光脉冲信号模拟生成方法

技术领域

本发明属于大气信道无线光通信技术领域，涉及一种受大气湍流影响的光脉冲信号模拟生成方法。

背景技术

目前，无线光通信被认为是解决无线通信频带日益拥挤问题的有效途径之一。大气湍流造成无线光通信信号强度出现随机起伏，会严重降低通信系统的性能。为此，人们研究了大量的大气湍流影响抑制方法，以减小大气湍流对无线光通信系统的负面影响。例如，自适应阈值判决、信道编码等技术就被用于改善受大气湍流影响的无线光通信系统的性能。在实际工程中，需要通过通信试验来验证这些方法的有效性。在工程研究中，往往先在实验室内测试光通信接收机的性能，取得较好的效果后，再开展野外试验。为了在实验室内准确地测量出受大气湍流影响后的光通信接收机性能，应当模拟出大气湍流对光通信信号的影响，并将该影响附加到光通信接收机的接收光信号中。当前，最常见的无线光通信调制和探测方式是强度调制/直接检测。当使用PPM调制方式时，通信系统将以一系列光脉冲作为数据的载体；在实验室内模拟大气湍流对无线光通信系统的影响，实际上就是要模拟大气湍流对这些光脉冲的影响。本发明公开一种受大气湍流影响的光脉冲信号模拟生成方法，以在室内产生受大气湍流影响的光通信脉冲信号，以此作为光通信接收机的输入，从而为光通信接收机的室内性能测试提供支持。

受大气湍流影响的光脉冲可以用数值模拟方法得到。光脉冲大气湍流传输数值模拟可以基于多随机相位屏方法，对光脉冲的频谱函数进行采样，先模拟各个光谱分量采样的传输，再利用傅里叶变换得到光脉冲的离散时间域波形数据；发表在《Optics Express》2014年22卷19期22285～22297页的论文就采用了类似的方法。光脉冲的频谱函数在理论上可根据发射平面上的光脉冲的时域形状函数计算得到，另外也可以通过测量得到。为了得到随时间连续变化的光脉冲序列大气湍流传输数值模拟结果，应该使模拟相邻光脉冲传输所使用的随机相位屏之间具有一定的时间相关性，这可以通过随时间连续平移长随机相位屏来实现。发表在《Journal of the Optical Society of America A》2013年30卷12期2455～2465页的论文就给出了一种长随机相位屏生成方法。

发明内容

本方法的目的在于提供一种受大气湍流影响的光脉冲信号模拟生成方法，以便在实验室内模拟生成受大气湍流影响的光脉冲信号。

本方法的技术解决方案：首先根据使用PPM调制方式的光通信发射机的设计参数，确定不受大气湍流影响的光脉冲的时域波形，如图1所示，不受大气湍流影响的光脉冲的时域波形用函数P(t)来描述，函数P(t)描述了光脉冲的光强幅度随时间的变化；根据要发送的数据序列，计算用PPM调制方式调制后得到的光脉冲序列A001中的各个光脉冲的时间位置，如图2所示，第i个光脉冲的时间位置为t_i，i＝1，2，3，…，NUM，NUM为光脉冲数目；使用光脉冲大气湍流传输数值模拟程序分别模拟光脉冲序列A001中的各个光脉冲在大气湍流中的传输，得到到达接收机的光脉冲的离散时域波形数据A002；将得到的所有光脉冲的离散时域波形数据A002保存到计算机磁盘文件A003中；根据计算机磁盘文件A003中的数据和光脉冲的时间位置t_i，如图3所示，利用控制计算机合成受大气湍流影响的光脉冲序列的离散时域波形数据A004，控制计算机将离散时域波形数据A004输出到数模转换模块，经数模转换模块转换后再输出到电光强度调制器的调制信号输入端口；激光器输出的连续激光信号入射到电光强度调制器的光输入端口，经电光强度调制器调制后，从电光强度调制器的光输出端口输出；电光强度调制器的光输出端口输出的信号就是模拟生成的受大气湍流影响的用PPM调制方式调制后得到的光脉冲信号。

本方法的第一部分用数值模拟生成离散时域波形数据A002，具体步骤如下：

Step001：根据函数P(t)和光脉冲的载频计算光脉冲的频谱函数，对光脉冲的频谱函数进行采样，得到一系列脉冲光频分量采样B000；根据试验地点的大气折射率结构常数、大气湍流内尺度、大气湍流外尺度和传输距离参数，用计算机程序生成分布在传输路径上不同位置处的一系列长随机相位屏B001；

Step002：令j＝1；

Step003：对光脉冲序列A001中的第j个光脉冲B002，做如下操作：

对步骤Step001中得到的一系列脉冲光频分量采样B000中的每个采样B003，基于多随机相位屏方法模拟采样B003对应的单色光波在大气湍流中的传输，得到到达接收口径的单色光波场B004；根据步骤Step001中得到的一系列脉冲光频分量采样B000的每个采样对应的单色光波场B004和光脉冲的频谱函数，利用离散傅里叶变换，计算光脉冲B002经大气湍流传输后到达接收口径的时域非单色光波场B005；根据时域非单色光波场B005计算进入接收口径的光脉冲的离散时域波形数据B006，如图4所示，t_b和t_e是离散时域波形数据B006的起始时刻和结束时刻，t₀＝L/c，L为传输距离，c为光速；将离散时域波形数据B006保存到计算机磁盘文件B007中；

Step004：如果j+1＞NUM，则转步骤Step007；

Step005：根据垂直路径风速v_wind以及第j+1个光脉冲的时间位置t_j+1与第j个光脉冲的时间位置t_j之差δ_t，将步骤Step001中得到的一系列长随机相位屏B001中的各个相位屏沿垂直于传输路径的方向平移一个长度为v_wind×δ_t的距离；

Step006：j＝j+1；转步骤Step003；

Step007：数值模拟结束。

在步骤Step003中，在进行数值模拟计算时，将光脉冲B002的时间位置移至0时刻，如图1所示。

在完成本方法的第一部分的所有步骤后，本方法的第二部分用电光强度调制器模拟生成受大气湍流影响的光脉冲信号，具体步骤如下：

Step101：用控制计算机读取计算机磁盘文件B007中的所有光脉冲的离散时域波形数据B006；

Step102：令t_out＝0，t_out表示当前的信号输出时刻；

Step103：如果t_out＞t_NUM+t_e-L/c，t_NUM表示光脉冲序列A001中的第NUM个光脉冲的时间位置，则转步骤Step107，否则判断是否存在满足如下条件的序号i：

条件COND：t_i+t_b-L/c≤t_out≤t_i+t_e-L/c，其中t_i表示光脉冲序列A001中的第i个光脉冲的时间位置，i＝1，2，3，...，NUM；如果存在，则转步骤Step105；

Step104：令S_out＝0；转步骤Step106；

Step105：令S_out＝0；定义集合C001为{j|j＝满足步骤Step103中的条件的序号i}；对于集合C001中的每个元素C002，做如下操作：

Step105-1：将元素C002的值赋给I；

Step105-2：读取计算机磁盘文件B007中的第I个光脉冲对应的离散时域波形数据B006；利用线性插值方法，根据第I个光脉冲对应的离散时域波形数据B006，插值计算t_out-t_I时刻的光脉冲的离散时域波形幅度值C003，t_I表示光脉冲序列A001中的第I个光脉冲的时间位置；S_out＝S_out+幅度值C003；

Step106：控制计算机向数模转换模块输出t_out时刻的调制信号幅度值S_out；t_out＝t_out+Δt，Δt为控制计算机相邻的两次数据输出操作之间的时间间隔，转步骤Step103；

Step107：模拟结束。

有益效果

本发明提供了一种受大气湍流影响的光脉冲信号模拟生成方法。在本方法中，首先使用基于多随机相位屏的光脉冲大气湍流传输数值模拟方法，计算到达接收机的光脉冲的离散时域波形数据；然后根据这些计算结果来生成电光强度调制器的调制控制信号，实现对激光信号强度的调制，以生成光脉冲信号。本发明提供的模拟方法，能够根据要求灵活地设置链路距离和大气湍流参数，不受物理条件限制。因此，与现有的半实物模拟方法相比，本发明提供的模拟方法更有优势。

附图说明

图1为不受大气湍流影响的光脉冲的时域波形示意图。图2为用PPM调制方式调制后得到的光脉冲序列示意图。图3为受大气湍流影响的光脉冲信号模拟生成系统结构示意图。图4为到达接收机的光脉冲的离散时域波形数据示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。在本实施例中，选择消光比为80以上的电光强度调制器，激光器选择为808nm波段的半导体激光器；数值模拟程序用Matlab编写。

本方法的目的在于提供一种受大气湍流影响的光脉冲信号模拟生成方法，以便在实验室内模拟生成受大气湍流影响的光脉冲信号。

本方法的技术解决方案：首先根据使用PPM调制方式的光通信发射机的设计参数，确定不受大气湍流影响的光脉冲的时域波形，如图1所示，不受大气湍流影响的光脉冲的时域波形用函数P(t)来描述，函数P(t)描述了光脉冲的光强幅度随时间的变化；根据要发送的数据序列，计算用PPM调制方式调制后得到的光脉冲序列A001中的各个光脉冲的时间位置，如图2所示，第i个光脉冲的时间位置为t_i，i＝1，2，3，…，NUM，NUM为光脉冲数目；使用光脉冲大气湍流传输数值模拟程序分别模拟光脉冲序列A001中的各个光脉冲在大气湍流中的传输，得到到达接收机的光脉冲的离散时域波形数据A002；将得到的所有光脉冲的离散时域波形数据A002保存到计算机磁盘文件A003中；根据计算机磁盘文件A003中的数据和光脉冲的时间位置t_i，如图3所示，利用控制计算机合成受大气湍流影响的光脉冲序列的离散时域波形数据A004，控制计算机将离散时域波形数据A004输出到数模转换模块，经数模转换模块转换后再输出到电光强度调制器的调制信号输入端口；激光器输出的连续激光信号入射到电光强度调制器的光输入端口，经电光强度调制器调制后，从电光强度调制器的光输出端口输出；电光强度调制器的光输出端口输出的信号就是模拟生成的受大气湍流影响的用PPM调制方式调制后得到的光脉冲信号。

本方法的第一部分用数值模拟生成离散时域波形数据A002，具体步骤如下：

Step001：根据函数P(t)和光脉冲的载频计算光脉冲的频谱函数，对光脉冲的频谱函数进行采样，得到一系列脉冲光频分量采样B000；根据试验地点的大气折射率结构常数、大气湍流内尺度、大气湍流外尺度和传输距离参数，用计算机程序生成分布在传输路径上不同位置处的一系列长随机相位屏B001；

Step002：令j＝1；

Step003：对光脉冲序列A001中的第j个光脉冲B002，做如下操作：

对步骤Step001中得到的一系列脉冲光频分量采样B000中的每个采样B003，基于多随机相位屏方法模拟采样B003对应的单色光波在大气湍流中的传输，得到到达接收口径的单色光波场B004；根据步骤Step001中得到的一系列脉冲光频分量采样B000的每个采样对应的单色光波场B004和光脉冲的频谱函数，利用离散傅里叶变换，计算光脉冲B002经大气湍流传输后到达接收口径的时域非单色光波场B005；根据时域非单色光波场B005计算进入接收口径的光脉冲的离散时域波形数据B006，如图4所示，t_b和t_e是离散时域波形数据B006的起始时刻和结束时刻，t₀＝L/c，L为传输距离，c为光速；将离散时域波形数据B006保存到计算机磁盘文件B007中；

Step004：如果j+1＞NUM，则转步骤Step007；

Step005：根据垂直路径风速v_wind以及第j+1个光脉冲的时间位置t_j+1与第j个光脉冲的时间位置t_j之差δ_i，将步骤Step001中得到的一系列长随机相位屏B001中的各个相位屏沿垂直于传输路径的方向平移一个长度为v_wind×δ_t的距离；

Step006：j＝j+1；转步骤Step003；

Step007：数值模拟结束。

在步骤Step003中，在进行数值模拟计算时，将光脉冲B002的时间位置移至0时刻，如图1所示。

在完成本方法的第一部分的所有步骤后，本方法的第二部分用电光强度调制器模拟生成受大气湍流影响的光脉冲信号，具体步骤如下：

Step101：用控制计算机读取计算机磁盘文件B007中的所有光脉冲的离散时域波形数据B006；

Step102：令t_out＝0，t_out表示当前的信号输出时刻；

Step103：如果t_out＞t_NUM+t_e-L/c，t_NUM表示光脉冲序列A001中的第NUM个光脉冲的时间位置，则转步骤Step107，否则判断是否存在满足如下条件的序号i：

条件COND：t_i+t_b-L/c≤t_out≤t_i+t_e-L/c，其中t_i表示光脉冲序列A001中的第i个光脉冲的时间位置，i＝1，2，3，...，NUM；如果存在，则转步骤Step105；

Step104：令S_out＝0；转步骤Step106；

Step105：令S_out＝0；定义集合C001为{j|j＝满足步骤Step103中的条件的序号i}；对于集合C001中的每个元素C002，做如下操作：

Step105-1：将元素C002的值赋给I；

Step105-2：读取计算机磁盘文件B007中的第I个光脉冲对应的离散时域波形数据B006；利用线性插值方法，根据第I个光脉冲对应的离散时域波形数据B006，插值计算t_out-t_I时刻的光脉冲的离散时域波形幅度值C003，t_I表示光脉冲序列A001中的第I个光脉冲的时间位置；S_out＝S_out+幅度值C003；

Step106：控制计算机向数模转换模块输出t_out时刻的调制信号幅度值S_out；t_out＝t_out+Δt，Δt为控制计算机相邻的两次数据输出操作之间的时间间隔，转步骤Step103；

Step107：模拟结束。

Claims (1)

1.受大气湍流影响的光脉冲信号模拟生成方法，其特征在于，所需的系统结构和实施方法如下：

首先根据使用PPM调制方式的光通信发射机的设计参数，确定不受大气湍流影响的光脉冲的时域波形，不受大气湍流影响的光脉冲的时域波形用函数P(t)来描述，函数P(t)描述了光脉冲的光强幅度随时间的变化；根据要发送的数据序列，计算用PPM调制方式调制后得到的光脉冲序列A001中的各个光脉冲的时间位置，第i个光脉冲的时间位置为t_i，i＝1，2，3，…，NUM，NUM为光脉冲数目；使用光脉冲大气湍流传输数值模拟程序分别模拟光脉冲序列A001中的各个光脉冲在大气湍流中的传输，得到到达接收机的光脉冲的离散时域波形数据A002；将得到的所有光脉冲的离散时域波形数据A002保存到计算机磁盘文件A003中；根据计算机磁盘文件A003中的数据和光脉冲的时间位置t_i，利用控制计算机合成受大气湍流影响的光脉冲序列的离散时域波形数据A004，控制计算机将离散时域波形数据A004输出到数模转换模块，经数模转换模块转换后再输出到电光强度调制器的调制信号输入端口；激光器输出的连续激光信号入射到电光强度调制器的光输入端口，经电光强度调制器调制后，从电光强度调制器的光输出端口输出；电光强度调制器的光输出端口输出的信号就是模拟生成的受大气湍流影响的用PPM调制方式调制后得到的光脉冲信号；

本方法的第一部分用数值模拟生成离散时域波形数据A002，具体步骤如下：

Step001：根据函数P(t)和光脉冲的载频计算光脉冲的频谱函数，对光脉冲的频谱函数进行采样，得到一系列脉冲光频分量采样B000；根据试验地点的大气折射率结构常数、大气湍流内尺度、大气湍流外尺度和传输距离参数，用计算机程序生成分布在传输路径上不同位置处的一系列长随机相位屏B001；

Step002：令j＝1；

Step003：对光脉冲序列A001中的第j个光脉冲B002，做如下操作：

对步骤Step001中得到的一系列脉冲光频分量采样B000中的每个采样B003，基于多随机相位屏方法模拟采样B003对应的单色光波在大气湍流中的传输，得到到达接收口径的单色光波场B004；根据步骤Step001中得到的一系列脉冲光频分量采样B000的每个采样对应的单色光波场B004和光脉冲的频谱函数，利用离散傅里叶变换，计算光脉冲B002经大气湍流传输后到达接收口径的时域非单色光波场B005；根据时域非单色光波场B005计算进入接收口径的光脉冲的离散时域波形数据B006，t_b和t_e是离散时域波形数据B006的起始时刻和结束时刻，t₀＝L/c，L为传输距离，c为光速；将离散时域波形数据B006保存到计算机磁盘文件B007中；

Step004：如果j+1＞NUM，则转步骤Step007；

Step005：根据垂直路径风速v_wind以及第j+1个光脉冲的时间位置t_j+1与第j个光脉冲的时间位置t_j之差δ_t，将步骤Step001中得到的一系列长随机相位屏B001中的各个相位屏沿垂直于传输路径的方向平移一个长度为v_wind×δ_t的距离；

Step006：j＝j+1；转步骤Step003；

Step007：数值模拟结束；

在步骤Step003中，在进行数值模拟计算时，将光脉冲B002的时间位置移至0时刻；

在完成本方法的第一部分的所有步骤后，本方法的第二部分用电光强度调制器模拟生成受大气湍流影响的光脉冲信号，具体步骤如下：

Step101：用控制计算机读取计算机磁盘文件B007中的所有光脉冲的离散时域波形数据B006；

Step102：令t_out＝0，t_out表示当前的信号输出时刻；

Step103：如果t_out＞t_NUM+t_e-L/c，t_NUM表示光脉冲序列A001中的第NUM个光脉冲的时间位置，则转步骤Step107，否则判断是否存在满足如下条件的序号i：

条件COND：t_i+t_b-L/c≤t_out≤t_i+t_e-L/c，其中t_i表示光脉冲序列A001中的第i个光脉冲的时间位置，i＝1，2，3，...，NUM；如果存在，则转步骤Step105；

Step104：令S_out＝0；转步骤Step106；

Step105：令S_out＝0；定义集合C001为{j|j＝满足步骤Step103中的条件的序号i}；对于集合C001中的每个元素C002，做如下操作：

Step105-1：将元素C002的值赋给I；

Step105-2：读取计算机磁盘文件B007中的第I个光脉冲对应的离散时域波形数据B006；利用线性插值方法，根据第I个光脉冲对应的离散时域波形数据B006，插值计算t_out-t_I时刻的光脉冲的离散时域波形幅度值C003，t_I表示光脉冲序列A001中的第I个光脉冲的时间位置；S_out＝S_out+幅度值C003；

Step106：控制计算机向数模转换模块输出t_out时刻的调制信号幅度值S_out；t_out～t_out+Δt，Δt为控制计算机相邻的两次数据输出操作之间的时间间隔，转步骤Step103；

Step107：模拟结束。