第1章绪论
本章介绍无线光通信噪声模型的研究背景，分析近年来无线光通信系统中噪声模型的研究进展，介绍大气湍流中光波传输特性的国内外进展，*后总结无线光通信系统噪声模型的发展趋势。
1.1研究背景与意义
无线光通信是将数据信息加载到光束上进行传输，光束类似于载波。因此，光通信在信息传递和保密性、传输速率等方面有着明显的优势[1]；同时还能有效克服宽带网络“*后一公里”信息传输技术瓶颈问题，为广大用户提供更便捷的服务[2]。
无线光通信包括卫星间通信的星间光通信，卫星与地面站间通信的星地光通信，固定地面站间通信的地面无线光通信，移动设备与移动站或固定点间通信的车载、舰载、机载无线光通信，以及水下光通信等[2]。无线光通信兼具射频通信和光纤通信的特点，与光纤通信相比，无线光通信系统工作无须铺设光纤，系统架设灵活方便；与微波通信相比，无线光通信设备无须频谱许可，传输速率高，收发装置非常轻便。无线光通信中的传输信号不受电磁波传播的物理限制，能够覆盖更长的距离，传输速率也更快。
大气折射率是指光在真空中的传播速度与光在大气中的传播速度之比。光在大气中传播时，由于大气折射率分布不均匀，光的传播路径不可能总是沿直线，会发生相应的折射现象，从而对光信号在大气信道中的传输造成一定的影响，给发射端和接收端对准带来困难。物理上，空气的密度随着温度、湿度和压力等因素的变化而发生改变，会导致大气折射率的随机起伏和光信号的吸收及散射，造成光信号功率衰减和脉冲展宽，给通信系统带来串扰。此外，当激光在大气中传输时，大气折射率的随机起伏会对在大气中传输的激光产生一定的影响，如光束扩展、光束漂移、光强闪烁、到达角起伏等，从而导致激光通信及其跟踪瞄准系统的精确度和传输距离大幅下降，严重时甚至可能导致激光传输链路的中断[3，4]。图1.1详细描述了大气湍流及其对光通信的影响。
图1.1大气湍流及其对光通信的影响
1.2无线光通信系统噪声模型研究现状
通信系统的作用就是通过信道将信息从信源发送到一个或多个信宿。在无线光通信中，*先将信源所产生的信息输出调制到光载波(光束或光场)上，光载波通过光信道发射出去，这就是光发射机。光发射机包括信源编码、信道编码、调制、光信号放大以及发射天线等环节。随后用光学的方法在接收端对光信号进行收集，并且加以处理，这就是光接收机。光接收机包括光信号收集天线、空间光-光纤耦合单元、前置放大器、检测器、解调器等。
通常情况下，在光场传输的过程中，会存在各种形式的噪声。噪声会对通信系统的性能造成严重影响，因此对这些噪声进行建模和分析是至关重要的。本章将从发射端、信道、接收端三方面对其中引入的各类典型噪声进行逐一分析。典型的无线光通信系统及其噪声分布如图1.2所示。
激光自诞生之日起，人们就积极尝试将其作为一种通信手段。1967年，Brookner等[5]就开始了对金星到地球的空间无线光通信的建模，并对激光在大气中的传输进行了测量[6]。通信理论的发展为无线光通信技术的进步奠定了理论基础。1970年，Karp等[7]对无线光通信理论进行了初步研究。1976年Gagliardi等在《光通信》一书中系统地阐述了无线光通信的原理。半导体激光器的出现解决了光源小型化的问题，1989年，Katz[8]总结了新型激光器在无线光通信中的应用，并对系统模型做了进一步的总结。1994年，Hinton[9]指出集成电路的发展让无线光通信进入了快速发展阶段，大规模集成电路使得复杂算法可方便地应用于无线光通信。2010年，Wolf等[10]指出无线光通信在与电信网融合的过程中，副载波调制将成为主流。同时，我国的无线光通信研究也从专项技术研究阶段上升为系统研究阶段。2004年，柯熙政等[11]系统地研究了无线光通信系统中信源、信道和信宿各部分的数学模型，并指出通信编码对提升系统性能的重要性。2010年，姜会林等[12]对空间激光通信系统做出总结，针对飞行平台的自动捕获、对准与跟踪系统做了详细阐述。2015年，Yu等[13]总结了我国星地激光通信的发展，详细介绍了卫星激光通信终端的设计、空间光束的预瞄和捕获、卫星轨道的预测等技术。这些研究表明，我国无线光通信领域内的研究趋于完善。无线光通信各部分噪声模型的研究虽然已经相当深入，但是仍处于孤立研究阶段，缺乏统一的系统噪声模型。因此，为了研究无线光通信系统的噪声模型，下面从信源、信道和信宿三方面入手，详细阐述与之相关的噪声模型的研究进展。
1.2.1信源噪声
根据系统发光、调制设备的不同，无线光通信系统的信源噪声可以分为无线激光通信系统的激光器光源噪声和以发光二极管(light-emitting diode，LED)为光源的可见光通信(visible light communication，VLC)中LED调制信号光中的噪声。当通信信号调制激光器发光时，信源噪声大体可分为两部分：一是激光器自身固有的热噪声，二是激光器发光相较于调制信号的失真。对激光器上述噪声/失真的研究，自20世纪60年代激光器发明后就开始了。1966年，Pauwels[14]从量子力学vandelPol方程出发，推导了激光器的幅度和相位噪声的级数表达式，但是结果过于复杂。同年，Leeson[15]从更简单的频谱模型出发，得到频谱近似于1/f噪声的结果。1970年，vanderZiel[16]研究了GaAs激光器散粒噪声模型，其结果被广泛引用。1982年，Harder等[17]从半导体速率方程出发，求解得到了半导体激光器的光强和频谱起伏，以及激光器的一般简化电路。1988年，Petermann[18]对激光器的各类噪声做了详尽的总结，其研究成果已经成为**教材。由于速率方程解的形式较为复杂，往往用级数去近似描述，这种信号非线性失真也是影响通信系统的一种噪声。1992年，Kuo[19]从光电二极管(photodiode，LD)的增益饱和、弛豫振荡、空间烧孔等方面出发，对上述因素影响LD的非线性噪声做了理论分析和实验研究。1994年，LeBihan等[20]使用微扰法与贝塞尔函数法求解速率方程，推导出了LD非线性互调失真的表达式，结果表明调频(frequency modulation，FM)信号失真比调幅(amplitude modulation，AM)信号明显。1994年，Fukuda等[21]基于多量子阱分布式反馈激光器，从实验和理论上阐明了器件在退化过程中残余光谱线宽增加的原因，提出一个1/f噪声与半导体激光器退化之间相关性的模型。1997年，柴燕杰等[22]分析了半导体激光器的相位噪声对高速光纤通信系统特性的影响，结果表明，光纤的色散特性使得激光器的相位噪声在接收端将转化为强度噪声，从而使光接收机的灵敏度发生恶化，并在误码率*线上表现出“饱和”现象。2002年，Lawrence等[23]则针对FM信号驱动的LD中的非线性失真进行了详细研究，结果表明调制度、调制频率、注入电流大小以及外腔长度等因素都会影响激光器的非线性动态失真。
2005年，Mortazy等[24]提出一种计算光通信中光学元件噪声的新电路模型，通过使用电气参数而非光学元件的模型，可以计算每个元件中的噪声，并*终获得光学链路中的噪声。2006年，俞本立等[25]设计出一种采用复合腔结构的新型低噪声光纤激光器。这种激光器有效抑制了光源的强度噪声。2010年，diDomenico等[26]提出一种简单的方法来处理激光器频率噪声谱与激光线形之间的关系，并给出了一个可以应用于任意噪声谱密度的近似公式来评估激光线宽。2012年，刘继红[27]研究了激光相位噪声对相干光纤通信系统调制格式选择、参数优化和载波相位估计性能等的影响，仿真结果表明，当载波相位估计方法用于相干光纤通信系统时，算法中符号序列平均的*佳长度与激光相位噪声成反比。2016年，Mahmoud等[28]针对光载无线(radio-over-fiber，RoF)通信系统中LD的噪声和失真对系统的影响做了详细的研究，指出在激光器调制过程中，互调失真较谐波失真更为严重。2016年，陈丹等[29]采用贝塞尔函数推导了激光器非线性互调失真表达式，研究了非线性互调失真对系统载波互调噪声比及误码率性能的影响，并给出了系统*佳调制指数的选取与非线性系数的对应关系。同年，陈锦妮[30]提出一种基于副载波调制的全新非光域外差检测方法，进行了加性噪声、乘性噪声和混合噪声下系统仿真实验，为这种非光域外差检测方法的应用提供了实验依据。2017年，宋昭远等[31]利用功率谱、积分谱对不同泵浦功率、种子源功率和波长的光纤激光器的相位噪声进行了定性分析，结果表明，泵浦功率越大，低频相位噪声所占比重越大；而对于不同的种子源功率，相位噪声在测试频段的比例基本处于同一水平；对于测试的不同种子的波长，相位噪声高频段所占比例不同，其中种子波长为1560.48nm时比例*大。2019年，白燕[32]推导了激光器线宽与频率噪声功率谱密度、相位噪声功率谱密度之间的关系，得出通过测量激光器相位噪声来计算激光线宽的方法，对激光器的输出激光谱线进行了数值仿真与特性分析。2022年，杜以成等[33]提出并开展了一项理论研究，旨在探究基于三段分布式布拉格反射半导体激光器的噪声共驱混沌同步现象。
1.2.2信道噪声
通过大气信道传播的激光光束会受到大气环境的影响。在无线光通信中，天气会对光信号的接收造成影响。大气信道对传播光束的影响包括光强闪烁、光束扩展、光斑漂移等现象。此外，在无线光通信系统中，还存在由其他环境因素引起的噪声干扰，如背景光噪声和瞄准误差噪声等。这些都是无线光通信系统的不利因素。早期对大气中光束传播做出物理解释的是Kolmogorov，光束在弱湍流信道中传播，有Born和Rytov两种近似理论可以得到闭合结果，以光强对数方差作为参数的对数正态模型可以描述接收光强概率分布[34，35]。Rytov近似使用对数光强和相位描述光场[36]，当传播距离较近时，理论与实验吻合较好。对于中强湍流中光束行为的描述则是研究的重点，1979年，Parry等[37]通过实验数据发现K分布可以描述某些恶劣条件下的光强分布。1982年，Phillips等[38]使用了强度服从瑞利分布、相位服从均匀分布的复高斯模型来描述中强湍流中光的传播。后来研究者进一步将其发展为修正Rice-Nakagami分布[39]。但此类模型的前提均为Born近似，这导致数值模型与实验结果不符。1985年，Andrews等[40]将其发展为I-K分布，其通用性较K分布好一些。随后人们对激光在各种环境下的传播做了大量的测试工作，积累了大量的数据。1988年，Ooyama等[41]测量了激光在烟雾中的传播。1993年，Vostretsov等[42]实测了雪中光传播的光强分布，结果表明，光强分布服从某种参数的Gamma分布。1997年，Valadas等[43]提出在室内无线光通信系统中使用角度分集来抑制环境噪声，结果表明，光学增益随着单元内定向噪声的影响程度、定向噪声源波束宽度的锐度而增加。2000年，王艳华等[44]讨论了加性高斯白噪声信道的基带数字调制技术，对加性高斯白噪声信道的*佳接收机性能进行了研究，探讨了信号传输的误码率与信噪比的关系，找到了获得*佳接收机的有效途径。2001年，Alhabash等[45]建立了Gamma-Gamma模型。该模型在中强湍流条件下与实验数据吻合良好。2002年，Rollins等[46]提出探测器灵敏度受背景光的影响，在设计和测试光学收发器时必须考虑有害的环境影响，包括接收器瞬时视场中阳光的干扰。2005年，Razavi等[47]研究了大气湍流、背景光、接收器热噪声的影响，使用条件高斯近似方法得到了数值结果，测量了在各种工作条件下产生的功率损耗。2005年，Kiasaleh[48]考虑了弱湍流(晴朗大气)场景和负指数分布的接收信号强度情况，给
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