《深空光通信》PPT课件.ppt

深空光通信导师：王汝言指导老师：赵辉学生：王钦波目录1.背景介绍2.深空光通信的关健技术3.关健技术中关注的点4.后续工作2什么是深空通信深空通信是相对于“近空通信”而言的；“近空通信”指的是地球轨道上运行的航天器与地球上的实体之间的通信，通信距离为数百至数万公里；深空通信指的是地球上的实体与离开地球卫星轨道进入太阳系的航天器之间的通信，通信距离达几十万、几亿至几十亿公里。3深空通信的特点通信距离极其遥远，链路损耗大，接收信号极其微弱，接收信噪比低；由于信号传输距离及其遥远，导致信号传输时延很长；航天器上的通信系统要求具有极高的可靠性;由于深空探测器平台大小的限制，发射天线增益有限；信道为AWGN（加性高斯白噪声）模型。4为什么要在深空通信中引入光通信具有更小的发射接收天线；通信组件体积更小，重量更轻；能量集中在很窄的光波束范围内；具有很高的调制带宽，这将直接增加通信的容量，提高通信速率；5目录1.背景介绍2.深空光通信的关健技术3.关健技术中关注的点4.后续工作6深空光通信的关健技术深空光通信的关健技术深空光通信技术除了有一般光通信技术的特点外，因为其应用环境的特殊性而有自己的特殊要求，下面给出一些制约深空光通信技术发展的关键技术。71.1.光束准直及天线技术光束准直及天线技术由于光束传送距离远，发射功率有限，因此要求激光发射光束非常小，且必须进行准直。发射和接收天线的效率及接收天线的孔径都对系统的接收功率有重要影响。对空基的航天器，如卫星来说则不可能把光学天线的孔径做很大，一般只有几十厘米。至于执行深空探测任务的航天器则更要求天线的尺寸是越小越好。制造大孔径的光学天线，需要很高的造价，制造小孔径的光学天线又必须保证发射接收的效率，所以光学天线技术对于未来在深空探测领域应用光通信技术十分重要，是直接关系通信质量以及航天器尺寸的关键性技术。82.2.高码率调制、高能量转换效率的光发射技术高码率调制、高能量转换效率的光发射技术星间光通信系统具有远距离高码率特点，这对光发射模块提出了很高的要求。一方面要求激光器有很好的性能，输出的激光应具有单纵模、基横模，线宽小的特性，保证激光器在高码率调制下啁啾系数小；另一方面要求激光器的功率要高。因此需要解决激光器高功率与高调制速率这一矛盾。此外，光源的热稳定性，频率稳定性以及工作寿命等性能都是需要解决的技术。目前研究较多的是主振荡功率放大器(MOPA)以及掺杂光纤放大器(DFA)3.3.高灵敏度和高抗干扰性的光信号接收技术高灵敏度和高抗干扰性的光信号接收技术10在深空光通信系统中，接收机接收到的信号十分微弱，同时又有高背景噪声的干扰，为了精确的接收信号，通常采用提高接收机灵敏度和对接收信号进行处理的办法。首先光电探测器的性能直接影响到系统的误码率以及灵敏度性能，对于深空这种距离远，噪声影响较大的信道来说，高量子效率(QE)、高响应速度以及很低的暗电流噪声的探测器无疑成了追求的目标。现在运用及研究最多的是雪崩光电二极管(APD)类的探测器件，也提出了一种新型的光子计数探测器阵技术。其次是对接收的信号进行处理，为此需采用光窄带滤波器，如吸收滤光片、干涉滤光片和新型的原子共振滤光器等，以抑制背景杂散光的干扰。4.4.调制与编码技术调制与编码技术调制与信道编码技术的引入可以很好的提高系统的功率利用率、频带利用率以及误码率性能。光通信中最普遍的调制方式是开关健控调制(OOK)，但是其功率利用率很低，现在在空间光通信中应用最多的是脉冲位置调制(PPM)，但是它在带宽以及传输容量方面尚有不足，现在又提出了许多像差分脉冲位置调制(DPPM)和数字脉冲间隔调制(DPIM)这样的调制方式。信道编码的引入极大地改善了系统的误码性能，深空探测通信中的“黄金搭配”卷积码与RS 码的级联被引入到了光通信中，目前研究的作为Turbo码其中一种的串联卷积码与PPM的联合应用已经得到了香农限制仅0.7dB的成果，还有就是LDPC码。115.5.捕获、瞄准和跟踪技术捕获、瞄准和跟踪技术 (APT)(APT)在空间中进行无线的激光通信，要求通信的两个终端必须精确对准，这样才能保证通信的正常进行。空间中的航天器都有其固定的运行轨道，但受各种因素的影响会发生微小的偏移，有时甚至是较严重的偏移。而且航天器产生自振动，使得对光学终端快速和精确地捕获、瞄准和跟踪成为深空光通信成功与否的决定性因素以及影响通信性能优劣的重要因素。在未来，它还是深空光通信中最为重要的关键技术。内容目录1.背景介绍2.深空光通信的关健技术3.关健技术中关注的点4.后续工作13关健技术中关注的点o调制o信道编码oATP常用的调制方式OOK，PPM，DPIMDH-PIMoDH-PIM是DPIM调制方式的改进形式，DH-PIM的调制方式和DPIM相类似，但采用两种起始脉冲。DH-PIM与其它几种调制方式的比较各调制方式与发射端信息比特的对应关系信息比特OOKPPMDPPMDPIMDH-PIM00000000100000000000000011010000010001010000000000000001100100000100010001000000000000000110001000000110011000100000000000000011000010000001000100000010000000000000001100000100000001010101000001000000000000000110000001000000001100110000000100000000000000011000000010000000001110111000000010000000000000001100000000100000000010001000000000001000000000000000110000000001100000000100110010000000001000000000000000110000000000110000000101010100000000000100000000000000011000000000001100000010111011000000000001000000000000000110000000000001100000110011000000000000001000000000000000110000000000000110000110111010000000000000100000000000000011000000000000001100011101110000000000000001000000000000000110000000000000001100111111110000000000000001000000000000000110000000000000000110平均功率需求平均带宽需求信道容量深空通信的编码o深空通信中比较成熟的编码方式包括线性分组码、循环码、卷积码和交织编码。oTurbo码和LDPC码可以较大地提高编码增益，也是深空通信中常用的编码方式。o此外，还采用级联码以及编码和调制相结合的编码调制方式。o深空通信中可采用以下级联码：RS码（外码）+卷积码（内码），译码采用维特比译码；LDPC（外码）Turbo码（内码）。CCD图像探测器四象限探测器(A+B)-(C+D)=0(A+C)-(B+D)=0目录1.背景介绍2.深空光通信的关健技术3.关健技术中关注的点4.后续工作25后续工作o调制方式能不能还有改进？o深入学习LDPC码，尝试找到LDPC码和某种调制方式的好的结合，或者对LDPC码应用进行一些小修小补。o就以上两点，开始找英文的资料阅读。请老师们指导请老师们指导