激光通信系統的案例
GLAD：地對空激光通訊系統
本例為一束激光從地基激光器出發傳輸到近地軌道上的一個轉換鏡上。轉換鏡將激光反射到一個聚焦鏡上，然后這束光打到大氣層內部一個低海拔的目標上。根據Kolmogorov模型，假設目標值的半徑為10cm，就可以計算大氣像差。本例中包含了激光擴束器像差、轉換鏡上的像差以及聚焦鏡上的像差。
大氣模型假設的波陣面光譜功率為（忽略內部和外部的尺寸限制）：
其中W^2 (f)是波陣面的光譜功率，r0為可視參數，f是空間頻率，L0是外部尺寸，Li是內部尺寸，這些參數的單位分別為rad，m，m-1。由于大氣像差和光束擴束器的像散，斯特列爾比SR=0.34。經過一個激勵器影響半徑為4.0cm的自適應鏡校正后，斯特列爾比為0.87。經過全程傳播到達目標后，光斑直徑為50cm，剩下56%的能量，相對于沒有自適應鏡時能量的22%，有了明顯的提高。由于沒有考慮大氣對光學元件散射效應的衰減效應，所以實際中傳輸到的光更加少。
圖1.地對空激光通信系統示意圖
表1.關鍵參數
###激光器光束初始化
set/alias/off
wavelength/set 1 .48 # 設置激光器波長
array/set 1 256 # 設置計算初始矩陣大小
units/s 1 .1
gauss/c/c 1 1 1.25 # 定義高斯光束
clap/cir/con 1 1.25
energy/norm 1 1.
展開 GLAD：地對空激光通訊系統
本例為一束激光從地基激光器出發傳輸到近地軌道上的一個轉換鏡上。轉換鏡將激光反射到一個聚焦鏡上，然后這束光打到大氣層內部一個低海拔的目標上。根據Kolmogorov模型，假設目標值的半徑為10cm，就可以計算大氣像差。本例中包含了激光擴束器像差、轉換鏡上的像差以及聚焦鏡上的像差。
大氣模型假設的波陣面光譜功率為（忽略內部和外部的尺寸限制）：
其中W^2 (f)是波陣面的光譜功率，r0為可視參數，f是空間頻率，L0是外部尺寸，Li是內部尺寸，這些參數的單位分別為rad，m，m-1。由于大氣像差和光束擴束器的像散，斯特列爾比SR=0.34。經過一個激勵器影響半徑為4.0cm的自適應鏡校正后，斯特列爾比為0.87。經過全程傳播到達目標后，光斑直徑為50cm，剩下56%的能量，相對于沒有自適應鏡時能量的22%，有了明顯的提高。由于沒有考慮大氣對光學元件散射效應的衰減效應，所以實際中傳輸到的光更加少。
圖1.地對空激光通信系統示意圖
表1.關鍵參數
###激光器光束初始化
set/alias/off
wavelength/set 1 .48 # 設置激光器波長
array/set 1 256 # 設置計算初始矩陣大小
units/s 1 .1
gauss/c/c 1 1 1.25 # 定義高斯光束
clap/cir/con 1 1.25
energy/norm 1 1.
展開 GLAD：大氣像差與自適應光學
概述
激光在大氣湍流中傳輸時會拾取大氣湍流導致的相位畸變，特別是在長距離傳輸的激光通信系統中。這種畸變會使傳輸激光的波前劣化。通過在系統中引入自適應光學系統，可以對激光傳輸時拾取的低頻畸變進行校正，從而顯著提升傳輸激光的Strehl ratio。 圖1.激光通信系統示意圖系統描述 本例介紹了大氣湍流像差對應命令phase/random/kolmogorov以及自適應光學命令adapt的使用。大氣湍流對于激光波前的影響可以采用Kolmogorov功率譜模型表征：
其中 是波陣面的光譜功率，r0為可視參數， f是空間頻率，L0是外部尺寸， Li是內部尺寸，這些參數的單位分別為rad，m，m-1。
自適應模型中，假設所有的驅動器都是一樣的并且均勻分布在一個正方形的口徑中，用戶可以自定義驅動器影響函數的空間寬度。對于空間波長大于用戶自定義空間寬度的成分，自適應默認完全校正。
引入自適應光學系統后，經過大氣傳輸的激光光斑的初始Strehl ratio從0.04被顯著提升到了0.87。
模擬結果 圖2.經過大氣傳輸的激光波前分布，此時對應的Strehl ratio為0.04
圖3.經過自適應光學矯正后的大氣傳輸激光波前分布，此時對應的Strehl ratio為0.87
展開 GLAD：大氣像差與自適應光學
概述
激光在大氣湍流中傳輸時會拾取大氣湍流導致的相位畸變，特別是在長距離傳輸的激光通信系統中。這種畸變會使傳輸激光的波前劣化。通過在系統中引入自適應光學系統，可以對激光傳輸時拾取的低頻畸變進行校正，從而顯著提升傳輸激光的Strehl ratio。
圖1.激光通信系統示意圖
系統描述
本例介紹了大氣湍流像差對應命令phase/random/kolmogorov以及自適應光學命令adapt的使用。大氣湍流對于激光波前的影響可以采用Kolmogorov功率譜模型表征：
其中w2(f)是波陣面的光譜功率，r0為可視參數，f是空間頻率，L0是外部尺寸，Li是內部尺寸，這些參數的單位分別為rad，m，m-1。
自適應模型中，假設所有的驅動器都是一樣的并且均勻分布在一個正方形的口徑中，用戶可以自定義驅動器影響函數的空間寬度。對于空間波長大于用戶自定義空間寬度的成分，自適應默認完全校正。
引入自適應光學系統后，經過大氣傳輸的激光光斑的初始Strehl ratio從0.04被顯著提升到了0.87。
模擬結果
圖2.經過大氣傳輸的激光波前分布，此時對應的Strehl ratio為0.04
圖3經過自適應光學矯正后的大氣傳輸激光波前分布，此時對應的Strehl ratio為0.87
展開 
GLAD：大氣像差與自適應光學
概述
激光在大氣湍流中傳輸時會拾取大氣湍流導致的相位畸變，特別是在長距離傳輸的激光通信系統中。這種畸變會使傳輸激光的波前劣化。通過在系統中引入自適應光學系統，可以對激光傳輸時拾取的低頻畸變進行校正，從而顯著提升傳輸激光的Strehl ratio。
圖1.激光通信系統示意圖
系統描述
本例介紹了大氣湍流像差對應命令phase/random/kolmogorov以及自適應光學命令adapt的使用。大氣湍流對于激光波前的影響可以采用Kolmogorov功率譜模型表征：
其中w2(f)是波陣面的光譜功率，r0為可視參數，f是空間頻率，L0是外部尺寸，Li是內部尺寸，這些參數的單位分別為rad，m，m-1。
自適應模型中，假設所有的驅動器都是一樣的并且均勻分布在一個正方形的口徑中，用戶可以自定義驅動器影響函數的空間寬度。對于空間波長大于用戶自定義空間寬度的成分，自適應默認完全校正。
引入自適應光學系統后，經過大氣傳輸的激光光斑的初始Strehl ratio從0.04被顯著提升到了0.87。
模擬結果
圖2.經過大氣傳輸的激光波前分布，此時對應的Strehl ratio為0.04
圖3經過自適應光學矯正后的大氣傳輸激光波前分布，此時對應的Strehl ratio為0.87
展開 光通信設計軟件——OptiSystem 光通信系統與放大器設計軟件
應用領域：
OptiSystem針對科研工程師、光通信工程師、系統集成商、學生和各種各樣的其他用戶的需求研發，可以實現物理層中幾乎所有類型光鏈路的設計自動化，以及從SAN到MAN和LAN的寬光譜光網絡分析，應用范圍包括：
? 從組件到系統的光通信系統設計，包括高級調制格式和DSP
? CATV或者TDM/WDM網絡設計
? 基于FTTx的無源光網絡（PON）
? 自用空間光通信（FSO）
? 光載無線通信（ROF）微波系統
? SONET/SDH環設計
? 發射器，信道，放大器，接收器設計
? 不同接收模型下的誤碼率和系統懲罰計算
? 放大系統BER和系統鏈路預算的計算
? 溫度、應力、應變和振動傳感器設計
? Li-Fi應用
? 多模系統
? 光放大器和光纖激光器
? LIDAR系統設計
展開 經緯恒潤激光雷達集成系統全面提升激光雷達的使用體驗
汽車自動駕駛系統通常可分為感知層、決策層、執行層，以激光雷達、攝像頭為代表的傳感器是自動駕駛感知層不可或缺的組成部分，但在傳感器整車集成方面，主機廠卻面臨著幾大痛點：
· 固定且外凸的激光雷達會給造型的美觀程度以及整車空氣動力學設計帶來很大的挑戰
· 復雜惡劣天氣環境下，激光雷達鏡面容易因受干擾而無法在最佳狀態下運行
· 激光雷達做為高單價傳感器存在較大的被盜風險
經緯恒潤自主研發的激光雷達集成系統可以為傳感器集成提供智能化的解決方案，是自動駕駛技術的重要組成部分。經緯恒潤激光雷達集成系統包含激光雷達收納機構和激光雷達清洗系統，整套系統可以實現激光雷達自動隱藏、展開，同時具備鏡面自動清洗功能。采用該套系統，可以：
· 提升車輛的整體造型美觀度
· 提升整車空氣動力學性能
· 滿足激光雷達全天候的使用場景要求
· 非工作狀態下有效保護傳感器
激光雷達集成系統
經緯恒潤激光雷達集成系統目前已配套路特斯旗下的多款車型，其中Eletre已開啟預售，將于今年下半年在武漢智能工廠實現投產，首批車型預計2023年開始交付。
路特斯Eletre
經緯恒潤智能駕駛產品線涵蓋環境感知系統、決策規劃系統和控制執行系統，具備向上集成完整智能駕駛方案的軟硬件產品基礎，是目前國內少數能夠實現覆蓋智能駕駛電子產品、研發服務及解決方案、高級別智能駕駛整體解決方案，能夠提供智能駕駛全棧式解決方案的供應商。未來，經緯恒潤將緊跟汽車行業發展大勢，堅持自主創新，努力為國內外客戶提供優質的產品和服務，為汽車行業的發展貢獻自己的一份力量！
展開 基于optisystem的光纖通信系統綜合設計
實驗目的
熟悉光纖通信系統的主要組成部分
掌握通信系統綜合設計的主要內容
實驗原理
NRZ、RZ調制格式，直接調制或者外調制，APD管或者PIN管，low pass rectangular filter或者 low pass gauss filter。選擇的理由如下： 選擇NRZ調制格式，因為經NRZ調制的光信號具有緊湊的頻譜特性，調制和調解結構簡單，在10G和一部分40G系統中得到廣泛應用，一直被作為中短距離光纖通信系統中的主要調制格式，通過色散管理和終端可調色散補償技術，NRZ調制格式在終端傳輸距離普通光纖獲得良好的光傳輸性能。
選擇直接調制，因為直接強度調制是用信號直接調制激光器的驅動電流，使其輸出功率隨信號變化.這種方式設備相對簡單，研究較早，現已成熟并商品化.外調制則常用于要求較高的通信系統。
選擇APD管，因為由書上的P264頁的圖8.3可知，PIN管接收靈敏度適用于低數據速率光纖通信，當系統通信數據速率為10G時，PIN靈敏度管不適于應用，我們優選ADP管。
選擇low pass gauss filter（低通高斯響應濾波器），因為low pass rectangular filter（低通矩形響應濾波器）是理想的低通濾波器的模型，在幅頻特性曲線上呈現矩形。 在現實中，如此理想的特性是無法實現的，所有的設計只不過是力圖逼近矩形濾波器的特性而已。而low pass gauss filter（低通高斯響應濾波器）采用時域法測量有效帶寬，具有直觀、簡便的優點，而采用時域法能夠顯著縮短有效帶寬測量時間。
實驗內容
本次實驗中，由NRZ調制格式、直接調制、APD管和low pass gauss filter構成的光纖通信系統。
1）.根據實驗要求，連接實驗電路。
展開 基于MATLAB的直接序列擴頻通信系統的仿真模型
摘 要：擴展頻譜通信技術是一種高技術通信傳輸方式，利用偽隨機碼序列擴展窄帶信號的帶寬，又在接收端使其恢復成窄帶原始信號，大大降低了信噪比，所以擴頻通信系統比傳統的窄帶通信系統抗干擾能力更強。擴展頻譜系統的優點是傳輸信息安全性高，抗干擾性強。以二進制數字擴頻通信系統的構成原理為基礎，在MATLAB中建立直接序列擴頻系統的仿真模型，對頻譜圖進行擴頻過程分析，并通過誤碼率掌握直擴系統的抗干擾能力，對擴頻通信系統的研究掌握具有一定的進步作用。
關鍵詞：擴頻通信;直接序列;MATLAB;
一、前言
擴展頻譜通信作為一種高技術通信傳輸方式，給各國帶來了巨大的社會和經濟效益。擴展頻譜系統的優點是傳輸信息安全性高，抗干擾性強[1]。目前，擴展頻譜通信的應用十分廣泛，主要是軍事和民用兩大方面，擴頻技術成為通信技術的熱點和焦點。本文介紹了擴展頻譜通信技術，詳細描述了直接序列擴展頻譜技術的實現過程，在MATLAB軟件中利用SIMULINK工具箱建立直接序列擴頻系統的仿真模型，并通過誤碼率分析直接序列擴頻系統的抗干擾能力，對擴頻通信系統的研究掌握具有一定的推動作用。
二、二進制數字擴頻通信系統的構成原理
（一）理論依據
擴頻通信是系統占用的頻帶寬度遠遠大于要傳輸的原始信號帶寬，且與原始信號帶寬無關。在發送端，頻帶的展寬是通過編碼及調制的方式來實現的，在接收端，則用與發送端完全相同的擴頻碼進行相關解調的方式來恢復信息數據[2]。
擴展頻譜通信的原理基礎是香農公式：
上式中，C為信道容量，單位為bit/s,W為帶寬，S為信號功率（W),N為噪聲功率，S/N為信號功率與噪聲功率之比即信噪比。
展開 基于optisystem的EDFA通信系統設計
實驗目的
1．熟悉Optisystem實驗環境，練習使用元件庫中的常用元件組建光纖通信系統。
2．利用Optisystem的優化功能仿真計算光纖通信系統的各項性能參數，并進行分析。
3. 分析EDFA的優化方法。
實驗原理
OptiSystem是一款創新的光通訊系統模擬軟件包，它集設計、測試和優化各種類型寬帶光網絡物理層的虛擬光連接等功能于一身，從長距離通訊系統到LANS和MANS都使用。一個基于實際光纖通訊系統模型的系統級模擬器，OptiSystem具有強大的模擬環境和真實的器件和系統的分級定義。它的性能可以通過附加的用戶器件庫和完整的界面進行擴展，而成為一系列廣泛使用的工具。
OptiSystem允許對物理層任何類型的虛擬光連接和寬帶光網絡的分析，從遠距離通訊到MANS和LANS都適用。它的廣泛應用包括：物理層的器件級到系統級的光通訊系統設計；CATV或者TDM∕WDM網絡設計；SONET∕SDH的環形設計；傳輸器、信道、放大器和接收器的設計；色散圖設計；不同接受模式下誤碼率（BER）和系統代價（penalty）的評估；放大的系統BER和連接預算計算。
Optisystem環境是一種為利用元件庫組建光纖通信系統，利用優化功能仿真計算系統的各項性能參數，通過數據分析和圖形顯示來獲得最佳的光纖通信系統。Optisystem通過3部分來實現光纖通信系統仿真，即：器件庫、光學方案圖編輯器、圖形演示。
1、器件庫
(1) 發射器
發射器件庫包括了所有與光信號產生和編碼相關的器件，例如半導體激光器、調制器、編碼器和比特序列發生器等。半導體激光器由于它在發射器中的重要角色而成為了最重要的發射器部件。使用OptiSystem，用戶可以輸入測量過的數據來評估速率方程所需的那些參數。
展開 幾大類通信系統介紹
1）衛星通信的特點
?通信距離遠，建站成本與通信距離無關
?以廣播方式工作，便于實現多址連接
?通信容量大，傳送的業務類型多
?需要先進的空間和電子技術
?要解決信號傳播時延帶來的影響
?要圓滿實現多址聯接 要保證衛星高穩定度、高可靠性的工作
2）衛星通信系統的組成
衛星通信系統包括：
?跟蹤遙測及指令分系統
?監控管理分系統
?空間分系統 地球站
3、數字微波通信
微波通信（Microwave Communication），是使用波長在1毫米至1米之間的電磁波——微波進行的通信。該波長段電磁波所對應的頻率范圍是300 MHz（0.3 GHz）~300 GHz。
1）無線電波的頻段劃分
2）數字微波通信的特點
?傳輸容量大
?效費比高
?抗干擾能力強
?可采用再生中繼實現高質量的遠距離傳輸
?可與程控數字交換機直接接口
?數字通信易于加密
?適宜于集成化
3）數字微波通信系統的組成
4、毫米波通信
毫米波的波長從10毫米至1毫米、頻率從30吉赫（GHz）至300吉赫（GHz）的電磁波稱為毫米波，利用毫米波進行通信的方法叫毫米波通信。毫米波通信分毫米波波導通信和毫米波無線電通信兩大類。
毫米波通信的特點：
?波長極短
?穿越電離層的透射性
?頻帶寬
?大氣和降雨等對毫米波傳輸的影響顯著
展開 
OptiBPM光纖通信系統——光功率耦合器
? 光功率合成器是光纖通信系統中的必要器件。
? 如果功率合成器具有以下特性：
? 對稱性
? 輸入和輸出具有完全相同的單模波導
? 這類功率合成器具有一些獨有的特點，但其基本特征可以在OptiBPM中得到準確的驗證。
? 根據能量守恒定律
? 由于輸入和輸出波導是完全相同的單模波導，輸入和輸出場的振幅需滿足：
? 因此，
? 下圖是在OptiBPM中仿真一個設計好的3D功率合成器實例。
? 在黑匣中只有一束入射光時會發生什么？
? 考慮一個輸入的情況下，
? 在兩個輸入的情況下，
? 結論
設計一個滿足以下要求的單模功率合成器是不可能的。
1. 無能量損失地合成2個完全相同的光學模場。
2. 當只有1個輸入模場時無能量損失。
OptiBPM在仿真結果和理論值之間顯示了高度的一致性
展開 高階自動駕駛系統的通信存儲技術
為了說明各種通信鏈路的連接形式適用場景，我們需要將這些通信鏈路及相應的存儲單元進行不同程度的功能分析及優缺點說明，并著力于為自動駕駛系統域控制器硬件設計、網絡通信設計過程提供幫助和參考。
系統架構外圍通信總線
自動駕駛系統的外圍通信總線主要是指中央域控制器所連接的外圍傳感器、存儲硬盤、顯示單元及整車執行器等。這些外圍傳感器、執行器單元的連接方式傳輸的數據類型主要包括原始視頻數據、激光雷達點云數據、毫米波雷達目標數據及控制/顯示指令等信息。主要的通信連接方式包括了Ethernet、CanFd/Flexray/Lin等。
如下表表示了高階自動駕駛中央域控制器單元中的除AI計算單元SOC及邏輯計算單元MCU以外的所有典型網絡連接、存儲及接口信息交換單元數據信息。
1、Ehternet
為什么要用以太網，簡單地說，整體汽車架構會強烈的影響網絡走向，以太網可以在域控制單元的車載網絡中減少線束的同時，很好的提升服務質量。目前，自動駕駛系統架構已逐漸向集中式架構進行不斷演進，這就意味著可以采用經典的zonal架構將分布在各zone的所有數據帶入一個中心位置區域進行處理，而中央集中式方案的挑戰之一就是帶寬，基本上該帶寬可以輕松的增加到10Gbps，當前我們車載以太網的速度僅僅是1Gpbs。
一般的，在外圍傳感器連接中，毫米波雷達不需要千兆的以太網，低速以太網足以，攝像頭既可以用過以太網，也可以采用傳統的LVDS進行數據通信，而如果增加了激光雷達，則攝像頭+激光雷達數據的組合就需要高速以太網。
展開 GLAD：大氣像差與自適應光學
激光在大氣湍流中傳輸時會拾取大氣湍流導致的相位畸變，特別是在長距離傳輸的激光通信系統中。這種畸變會使傳輸激光的波前劣化。通過在系統中引入自適應光學系統，可以對激光傳輸時拾取的低頻畸變進行校正，從而顯著提升傳輸激光的Strehl ratio。
概述
[論文賞析]基于MBSE的衛星通信系統建模與仿真
[論文賞析]一種基于 MBSE 的小衛星測控分系統建模設計方法
參考文獻
本期論文下載：2021-QK-基于MBSE的衛星通信系統建模與仿真.pdf
文章來源MBSE知識庫與應用案例
