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內容簡介

　　無綫光通信利用光波在自由空間傳輸信息，兼具光通信寬帶和移動通信靈活接入的優勢，不需要頻譜申請，易與高速光縴通信骨乾網融閤，正受到越來越多的關注，成為未來*有希望解決“*後1英裏”電子瓶頸，支持室內、室外接人應用的技術方法之一。
　　《高新科技譯叢微機電係列：基於MATLAB的無綫光通信係統與信道建模》全麵介紹瞭無綫光通信技術的基礎理論、器件與係統、調製技術、信道模型與係統性能分析等內容，分析瞭無綫光通信技術麵臨的各種挑戰、相應的解決途徑以及當前的研究趨勢。
　　《高新科技譯叢微機電係列：基於MATLAB的無綫光通信係統與信道建模》以MATLAB@仿真貫穿全書，提供瞭大量MATLAB@程序代碼以及相應的仿真實例，可以幫助讀者理解和進一步開展仿真研究。
　　作者在光通信領域有多年的研究和教學經曆，研究成果豐碩。《高新科技譯叢微機電係列：基於MATLAB的無綫光通信係統與信道建模》不僅可以作為相關專業本科生、研究生的教材，也可作為無綫光通信領域研究人員和技術工程人員的重要參考資料。
　　《高新科技譯叢微機電係列：基於MATLAB的無綫光通信係統與信道建模》由梁猛和劉繼紅翻譯並審校，其中梁猛負責第1章一第3章和第8章，劉繼紅負責第4章一第7章。參加《高新科技譯叢微機電係列：基於MATLAB的無綫光通信係統與信道建模》翻譯和整理工作的還有西安郵電大學陸蓉老師，研究生王春河、鄭玉婷、王麗娟、魏樂、程菲等。在此嚮所有為《高新科技譯叢微機電係列：基於MATLAB的無綫光通信係統與信道建模》齣版提供幫助的人士錶示誠摯的謝意。

內頁插圖

目錄

第1章 無綫光通信係統概述
1．1 無綫接入方案
1．2 0WC發展簡史
1．3 0WC/無綫電通信的比較
1．4 鏈路結構
1．5 0WC應用領域
1．6 安全和規則
1．6．1 最大容許照射量
1．7 0WC技術麵臨的挑戰
參考文獻

第2章 光源與光檢測器
2．1 光源
2．2 發光二極管
2．2．1 LED結構
2．2．2 麵發光LED和半球LED
2．2．3 邊發光LED
2．2．4 LED發光效率
2．3 激光器
2．3．1 激光工作原理
2．3．2 受激輻射
2．3．3 光反饋和激光振蕩
2．3．4 半導體激光器的基本結構
2．3．5 常用激光器的結構
2．3．6 LED和LD的性能比較
2．4 光檢測器
2．4．1 PIN光電二極管
2．4．2 APD光電二極管
2．5 光檢測技術
2．5．1 直接檢測
2．5．2 相乾檢測
2．6 光檢測噪聲
2．6．1 光起伏噪聲
2．6．2 暗電流和過剩噪聲
2．6．3 背景輻射
2．6．4 熱噪聲
2．6．5 強度噪聲
2．6．6 信噪比
2．7 光檢測的統計特性
參考文獻

第3章 信道模型
3．1 室內無綫光通信信道
3．1．1 視距傳輸模型
3．1．2 非視距傳輸模型
3．1．3 天花闆反射模型
3．1．4 Hayasaka-Ito模型
3．1．5 球麵模型
3．2 人造光源乾擾
3．2．1 白熾燈
3．2．2 傳統鎮流器驅動的熒光燈
3．2．3 熒光燈模型
3．3 室外信道
3．3．1 大氣信道損耗
3．3．2 霧和能見度
3．3．3 光束發散
3．3．4 光器件損耗
3．3．5 對準損耗
3．3．6 大氣湍流模型
3．3．7 0WC大氣影響實驗颱
參考文獻

第4章 調製技術
4．1 引言
4．2 模擬強度調製
4．3 數字基帶調製技術
4．3．1 基帶調製
4．3．2 00K
4．3．3 高斯信道下的誤碼性能
4．4 脈衝位置調製
4．4．1 高斯信道下的誤碼性能
4．4．2 各種改進的PPM
4．5 脈衝間隔調製
4．5．1 高斯信道下的誤碼性能
4．5．2 最佳門限電平
4．6 雙頭脈衝間隔調製
4．6．1 譜特性
4．6．2 高斯信道下的誤碼性能
4．7 多電平DPIM
4．8 基帶調製技術的比較
4．8 ，1功率效率
4．8．2 傳輸帶寬要求
4．8．3 傳輸容量
4．8．4 傳輸速率
4．8．5 PAPR
4．9 副載波強度調製
4．10 正交頻分復用
4．11 光偏振移位鍵控
4．11．1 二進製PolSK
4．11．2 誤碼率分析
4．11．3 MPolSK
4．11．4 差分圓偏振移位鍵控
4．11．5 錯誤概率分析
附錄4．A
4．A．1 DPIM（1GS）時隙自相關函數的推導過程
附錄4．B
4．B．1 DH-PIM的PSD
參考文獻

第5章 室內無綫光通信係統性能分析
5．1 背景光對室內OWC鏈路性能的影響
5．2 無HPF時Ⅲ的影響
5．2．1 匹配濾波接收機
5．3 無FLI時基綫漂移的影響
5．4 使用HPF時FLI的影響
5．5 小波分析
5．5．1 連續小波變換
5．5．2 離散小波變換
5．5．3 基於DWT的降噪技術
5．5．4 DWT與HPF的比較
5．5．5 實驗研究
5．6 多徑傳播鏈路性能
5．6．1 00K
5．6．2 PPM
5．6．3 DPIM
5．7 降低碼間乾擾影響的技術
5．7．1 濾波
5．7．2 均衡
5．8 均衡與分類問題
5．9 人工神經網絡簡介
5．9．1 神經元
5．9．2 ANN的結構
5．10 ANN的訓練
5．10．1 反嚮傳播學習
5．11 基於ANN的自適應均衡器
5．11．1 基於ANN和FIR的均衡器性能比較研究
5．11．2 分集技術
參考文獻

第6章 大氣湍流對FSO鏈路性能的影響
6．1 開關鍵控
6．1．1 00K在泊鬆大氣信道下的性能
6．1．2 00K在高斯大氣光信道下的性能
6．2 脈衝位置調製
6．3 副載波強度調製
6．3．1 SIM信號的産生和探測
6．3．2 SIM-FSO在對數正態大氣信道下的性能
6．3．3 SIM-FSO的誤碼率分析
6．3．4 雙伽瑪和負指數大氣信道下SIM-FSO的性能
6．3．5 負指數大氣信道下的中斷概率
6．4 大氣湍流代價
附錄6．A
附錄6．B
6．B．1 6．3．2節、6．3．3．2節和6．3．3．3節的MATLAB代碼
參考文獻

第7章 基於分集技術的室外OWC鏈路
7．1 大氣湍流效應緩解技術
7．2 對數正態大氣信道下的接收分集
7．2．1 最大比閤並
7．2．2 等增益閤並
7．2．3 選擇閤並
7．2．4 接收信號相關性對誤碼性能的影響
7．2．5 對數正態大氣信道中使用接收分集的中斷概率
7．3 對數正態大氣信道下的發射分集
7．4 對數正態大氣信道下的發射接收分集
7．5 對數正態大氣信道下空間分集SIM-FSO的結果與討論
7．6 雙伽瑪和負指數大氣信道中基於接收分集的SIM．FSO
7．6．1 空間分集BPSK-SIM係統的BER和中斷概率
7．6．2 負指數信道下DPSK-SIM的BER和中斷概率
7．7 基於副載波時間分集的陸地自由空間光鏈路
7．7．1 STDD的誤碼性能
7．8 孔徑平均
7．8．1 平麵波
7．8．2 球麵波
7．8．3 高斯光束波
附錄7．A
7．A1對數正態分布變量均值和方差的計算
附錄7．B
……

第8章 可見光通信

參考文獻
縮略語

前言/序言

　　近年來，為瞭更好地支持諸如高清網絡電視、移動視頻電話、視頻會議、高速Intemet接入等層齣不窮的寬帶無綫業務，移動通信終端用戶的帶寬需求不斷增加。在未來10年內，隨著高質量多媒體業務不斷增長，更高帶寬的接入需求將會愈加迫切。目前，為終端用戶提供接入服務的網絡技術多種多樣，包括銅綫技術、混閤光縴同軸電纜、光縴到戶、寬帶微波／射頻無綫技術等。隨著新型業務對帶寬需求的持續加速，銅綫／同軸電纜和射頻蜂窩／微波技術麵臨帶寬受限、頻譜擁擠、授權昂貴、安裝成本高以及安全等問題，其局限性已顯露無疑，無法滿足未來的接入要求。在一些國傢，網絡運營商正在敷設新的光縴接入網絡，為用戶提供的帶寬大大增加。一般認為光縴網絡可以提供無限帶寬，但在實際應用中因為受網絡結構、元器件兼容性、設備性能和部署完整係統的限製，可提供給終端用戶的容量仍很有限。
　　無綫光通信（Optical Wireless Communications.OWC）是一項具有革新意義的技術，提齣距今已有30多年，隨著終端用戶接入帶寬需求的不斷增長，這項技術正受到越來越多的關注，成為未來最有希望支持室內、室外接入應用的技術方法之一。OWC提供瞭一種靈活的網絡解決方案，無需頻譜授權，能實現成本低廉、安全性高的高速無綫寬帶連接，可支持語音與數據、視頻娛樂、企業互聯、災後重建、照明與數據通信和安全監控等大量應用。在室內應用中，通過精確控製光斑大小，在很小的範圍內可以容納大量設備，構成一個完美的OWC係統。在室外應用中，OWC或自由空間光（Free Space Optics.FSO）通信係統將與射頻（Radio Frequency，RF）係統互補，在未來的信息高速公路中扮演重要的角色。
　　經曆瞭過去20多年OWC係統的發展過程，我們感覺編寫一本反映該領域進展情況的新書非常必要。因目前已有室內或室外OWC係統的相關書籍，因此，本書中對技術理論的描述堅持簡潔、全麵的原則，使之既能滿足本科生、研究生的課程學習，又適閤研究人員和技術工程人員閱讀。本書大體上包括瞭OWC係統四個重要的方麵：①OWC基礎理論；②器件與係統；③調製技術；④信道模型與係統性能分析。另外，也涵蓋瞭OWC麵臨的各種挑戰、相應的解決途徑以及當前的研究趨勢。本書的一大特色是包括瞭大量MATLAB@程序代碼以及相應的OWC仿真實例，可以幫助讀者理解討論的主題和進一步開展仿真研究。
　　本書分為相對獨立的8個章節。為瞭便於內容組織和讀者閱讀，每一章開篇都有適當的背景介紹和理論分析。另外，在章節的附錄中還給齣瞭相關的輔助材料。在概述OWC發展曆史的基礎上，第1章重點迴顧瞭OWC係統在室內和室外的應用情況，介紹瞭OWC技術的現狀和未來發展方嚮。OWC係統的無綫接入技術、鏈路構成、人眼安全問題、應用領域以及麵臨的挑戰等內容也包括在本章內。可用於OWC係統的光源和光電探測器（PIN和／或APD）有多個種類，在短距離室內應用中一般使用發光二極管（LED）和低功率激光二極管（LD），而在長距離室外係統中則經常使用LD。第2章介紹瞭這些光源的結構和光學特性，討論瞭光探測過程的統計特性，以及探測過程中齣現的各種噪聲。
　　為瞭設計高效的光通信係統，需要深刻理解其信道特性。通信信道的特徵可用其脈衝響應描述，據此可分析信道失真並提齣相應的補償方法。第3章研究瞭分析視距和非視距室內應用的天花闆反射模型、Hayasaka-Ito模型和球麵模型等多種信道傳播模型，概括介紹瞭人造光源乾擾對室內OWC鏈路性能的影響。室外大氣信道是一個非常復雜和動態變化的環境，對傳播光束的特性有很大影響，除瞭引起損耗外，湍流還將造成光束的幅度和相位發生起伏。描述大氣信道統計特性的多個模型也在第3章討論。第3章還介紹瞭觀察大氣效應對FSO鏈路影響的實驗測試平颱以及相應的測量數據。
　　目前，實際使用的OWC係統絕大多數都采用強度調製／直接檢測。對於室外大氣傳輸，濃霧將造成光束強度顯著下降，成為影響信道特性的主要因素。增大發射功率能改善這種情況，但人眼安全規定對最大發射光功率有明確限製。在室內應用中，人眼安全對發射光功率的限製更加嚴格。第4章講述瞭室內和室外OWC係統中使用的多種具有較高功率和頻譜效率的典型調製技術。本章的重點是脈衝位置調製（Pulse Position Modulation，PPM）、開關鍵控（On-OffKeying，OOK）和數字脈衝間隔調製（Digital Pulse Interval Modulation.DPIM）等調製技術，討論瞭它們的頻譜特徵、錯誤概率和功率與帶寬要求。副載波強度調製和偏振移位鍵控等新型調製技術也在本章介紹。在室內環境中，人造光源會産生影響係統性能的周期性和確定性噪聲，而散射鏈路的最大傳輸速率則受限於多徑傳播引起的碼間乾擾。第5章將研究存在人造光源乾擾和碼間乾擾時，基於OOK、PPM和DPIM的室內OWC係統性能。為瞭改善鏈路性能，在第5章也概括介紹瞭高通濾波器、均衡器、小波變換和神經網絡等能夠降低乾擾影響的技術方法。
　　大氣湍流會引起信號衰落，描述這種現象的數學模型在第3章已經做瞭介紹。第6章將進一步分析大氣湍流對室外OWC（即FSO）係統采用不同調製技術的影響，重點是OOK、PPM和相移鍵控預調製的副載波強度調製。室外FSO通信麵臨的基本挑戰包括建築物晃動、散射／吸收引起的衰減和閃爍引起的鏈路衰落。為應對建築物晃動，要求有準確的瞄準和跟蹤機製，同時使用光電探測器陣列和／或加寬光束直徑。對於FSO係統，光束在橫嚮上的相位和輻照度起伏使得光相乾探測失去瞭吸引力，這也是陸地FSO鏈路采用直接檢測的原因。剋服信道衰落效應的技術包括增大發射功率、頻率分集以及空間和時間分集（如多輸人多輸齣（Multiple-lnput Multiple-Output，MIMO））等。第7章將深入討論緩解FSO鏈路衰落的時間和空間分集方法以及副載波強度調製，並簡單介紹在對數正態大氣信道中，使用等增益閤並、最佳閤並和選擇閤並等分集機製時的鏈路性能。
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