Turbo码在光无线通信系统中的应用研究

武 汉 工 业 学 院

毕 业 论 文

论文题目： Turbo码在光无线通信系统中的应用研究

学 号 071203103

姓 名 张 健

院 系 数理科学系

专 业 电子信息科学与技术

指导老师 吕 强

2011年6月9日

目录

摘 要 .................................................................................................................................... I ABSTRACT ......................................................................................................................... II 1 绪论 ................................................................................................................................. 1 1.1 光无线通信的发展历史............................................................................................ 1 1.2 光无线通信的技术优势和劣势................................................................................ 2 1.3 光无线通信的国内外研究概况................................................................................ 3 1.3.1 国外研究概况 .................................................................................................... 3 1.3.2 国内研究概况 .................................................................................................... 3 2 影响光无线通信系统信号传输的主要因素 ................................................................. 5 2.1 引言............................................................................................................................ 5 2.2 大气衰减及理论模型................................................................................................ 5 2.3 本章小结 ..................................................................................................................... 8 3 大气信道的信道编码理论 ............................................................................................. 9 3.1 引言............................................................................................................................ 9 3.2 大气信道的信道容量模型及分析............................................................................ 9 3.2.1 接收端光信号的强度起伏分布 ........................................................................ 9 3.3 本章小结.................................................................................................................. 13 4 TURBO码在光无线通信系统中的应用研究 ............................................................. 14 4.1 引言.......................................................................................................................... 14 4.2 TURBO码的编码结构和原理.................................................................................. 14 4.3 基于OOK的TURBO码MAP译码算法 ................................................................ 17 4.4 本章小结.................................................................................................................. 21 总 结 ................................................................................................................................. 22 谢 辞 ................................................................................................................................. 23 参考文献 ............................................................................................................................. 24

摘 要

光无线通信（OWC）技术结合了光纤通信和无线电通信的优势，随着半导体激光器技术和光电探测器件的日益完善而重新兴起。光无线通信具有宽带大容量、安装快捷、机动灵活、低成本、无需频率申请等优点，具有广阔的应用前景。但光无线通信是以大气信道作为传输媒介，因此大气信道对光无线通信系统的影响较大。本文主要针对光无线通信系统中大气信道的干扰而采取的信道编码方案turbo码技术开展了深入的理论研究和系统设计，具体内容如下：

(1) 系统的综述了光无线通信的发展历史和应用分类，分析了其技术优势和劣势，介绍了国内外的研究概况。

(2) 提出了影响光无线通信系统信号传输的主要因素。分析了大气衰减形成原因和理论模型。

(3) 详细分析了Shannon的信道编码理论，建立了大气信道的信道容量模型。 (4) 对turbo码编码结构和编码原理进行了详细的分析，推导了大气信道下基于OOK调制方式下的MAP译码算法，得出调制模式下的turbo码光无线通信系统性能。

关键词： 光无线通信；大气信道；信道编码；turbo码；光学天线

I

Abstract

Optical wireless communication (OWC) system bonds the advantage of fiber communication and radio communication, it springs up again along with the development of the progress of the semiconductor lasers and optoelectronic detectors. The main advantages of OWC system are that high bandwidth, large capacity, quick deployment, flexibility, low cost, license-free allocation, so it has widely promising application. However the OWC system’s transmission medium is atmospheric channel, the atmospheric channel seriously impact the communication quality. In this dissertation, we focus on turbo coded OWC system in order to eliminate atmospheric channel disturb, several theoretical studies and systematic design have been carried out as the following:

(1) The OWC system’s developmental history and application classification are systematically summarized in brief, the technical advantage and disadvantage are analyzed, and the domestic and foreign researches status is introduced.

(2) Proposed the influence light wireless communication system the main factors of signal transmission. Have analyzed atmospheric attenuation formation reasons and theoretical model The Shannon channel coding theory is analyzed in detailed, the various channel coding projects in history are compared, atmospheric light channel capacity’s model is established, and the model is simulated by Monte Carlo method.

(3) Detailed analysis of the Shannon channel coding theory, an atmosphere of the channel channel capacity model .

(4) Turbo yards of coding structure and coding principle are analyzed in detail, and the atmosphere is under the channel based on under the way of OOK a MAP that decoding algorithm, a model of turbo yards light wireless communication system performance.

Key words: Optical wireless communication; Atmospheric channel; Channel coding; Turbo code; Optical antenna

II

1 绪论

本章主要介绍了有关光无线通信的发展历史，光无线通信的优缺点以及现阶段光

无线通信技术的研究状况。光无线通信技术从古至今不断进步，它的优势较一般通信技术具有明显区别，各国的技术不断前进，致使光无线通信技术有了日新月异的发展。

1.1 光无线通信的发展历史

自1880年以来，人们对光通信的研究经过了120多年的发展，取得了长足的进展。根据传输介质的不同，光通信可以分为两大类，即光纤通信和光无线通信。光纤通信由于具有传输速率高、通信容量大、中继距离长、不易受外界干扰等诸多优点而成为主要的有线通信方式，并且正以通信史上前所未有的速度发展，目前已成为高速有线信息传输的骨干，正在逐步取代传统的电缆通信[1]。

光无线通信（Optical Wireless Communication，OWC ）又称为自由空间光通信（Free Space Optics），它不使用光纤等传输介质，而直接利用激光在大气或外太空中进行信号传递，可进行语音、数据图像等的高速双向传输，是目前国际上的一大研究热点，世界上各主要技术强国正投入大量的人力和物力来争夺这一领域的领先优势

[2]

。

光无线通信是人类通信史上出现最早的通信方式之一。人类在早期为了进行远距

离通信，采用了各种各样的通信方式，如：烟、火或者通过反射太阳光等方式，最后发展成了日光仪。对于采用烟或火的通信方式，我国古代修筑的烽火台和英国伊丽莎白一世修筑的“bonfires”都是很好的例子。这些通信方式都可以归入广义上的光无线通信[3]。在1870年，Bell首次成功地在600英尺的自由空间距离上采用光波作为媒介进行了电话信号的传输实验，这是现代光无线通信的开始[4]。随着1960年激光器的发明，光无线通信重新被广泛关注；在上世纪七十年代初，随着低损耗光纤的出现，光无线通信进一步被冷落。早期的研究者主要采用激光器进行室外几公里的通信实验，但是因为雨、雾等天气因素的影响较大，因此使光无线通信系统的推广受到很大的阻力。尽管60年代就有人对光无线通信进行研究，但当时主要是用于军事及实验研究。80年代初期欧美、日本、以色列等国家在军事国防、航天领域上已有成功的应用实例。80年代后期开始有厂商投入商业化产品的开发，不过由于传输距离等技术问题无法突破而告终。直到90年代后期，光通讯器件制造技术的飞速发展，光无

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