本书内容包括无线激光通信、可见光通信、紫外光通信及水下光通信等，并在最后一章对未来的通信技术进行了展望。本书探索在学术性与科普性、高雅与通俗、理论性与实用性之间进行有机的融合、合理的折中与适当的取舍。为了不影响一般读者的阅读，书中尽量避免烦琐的数学推导，而将一些理论性强的内容作为习题，供读者练习提高。
样章试读
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前言
第1章 无线光通信系统 1
1.1 无线光通信模型 1
1.1.1 发射机 1
1.1.2 接收机 2
1.1.3 光信道 2
1.2 激光光源 3
1.2.1 半导体激光器的工作原理 3
1.2.2 半导体激光器的基本特性 4
1.2.3 非线性校正 5
1.2.4 光电探测器 7
1.3 半导体激光器和光电探测器的响应特性 8
1.3.1 半导体激光器的响应特性 8
1.3.2 PIN光电探测器的响应特性 12
1.4 表面等离激元 17
1.4.1 表面等离激元的概念 17
1.4.2 表面等离子体结构 17
1.4.3 结论 20
1.5 信号检测 20
1.5.1 直接检测 20
1.5.2 直接检测极限 21
1.6 光放大器 22
1.6.1 光放大器的分类 22
1.6.2 掺铒光纤放大器 23
1.6.3 半导体光放大器 24
1.7 空间光-光纤耦合技术 26
1.7.1 单透镜耦合 26
1.7.2 光纤阵列耦合 28
1.7.3 特种光纤耦合 29
1.8 光学天线与望远镜 29
1.8.1 折射式望远镜 29
1.8.2 反射式望远镜 30
1.8.3 折反射望远镜 31
1.8.4 收发一体化光学天线 31
1.8.5 一点对多点发射天线 31
1.9 总结与展望 33
思考题一 33
习题一 34
参考文献 38
第2章 相干光通信 41
2.1 相干光通信的基本原理 41
2.1.1 基本原理 41
2.1.2 零差探测 43
2.1.3 外差探测 44
2.1.4 调幅信号的外差探测 45
2.1.5 双平衡探测 46
2.2 相干调制与解调 47
2.2.1 相干系统的光调制 47
2.2.2 相干解调 49
2.2.3 系统性能 52
2.3 影响检测灵敏度的因素 53
2.3.1 相位噪声 53
2.3.2 强度噪声 53
2.3.3 偏振噪声 54
2.3.4 相干光通信系统的关键技术 54
2.3.5 检测灵敏度的极限 54
2.4 光外差检测的空间相位条件 55
2.4.1 空间相位条件 55
2.4.2 光外差检测的频率条件 57
2.4.3 光外差检测的偏振条件 58
2.5 自适应光学波前畸变校正 59
2.5.1 波前畸变校正系统 59
2.5.2 波前测量和波前校正 60
2.5.3 无波前测量波前畸变校正系统 64
2.5.4 波前传感与坏点剔除 65
2.6 总结与展望 67
思考题二 68
习题二 68
参考文献 72
第3章 调制、解调与编码 73
3.1 调制技术 73
3.1.1 基本概念 73
3.1.2 模拟调制与数字调制 74
3.1.3 直接调制与间接调制 74
3.1.4 内调制与外调制 74
3.2 外调制技术 75
3.2.1 电光调制 75
3.2.2 声光调制 79
3.2.3 磁光调制 81
3.3 逆向调制 83
3.3.1 “猫眼”效应 83
3.3.2 逆向调制原理 84
3.3.3 “猫眼”逆向调制系统 86
3.3.4 逆向调制的传输特性 87
3.4 类脉冲位置调制 89
3.4.1 类脉冲位置调制原理 89
3.4.2 同步技术 94
3.5 光源直接调制 96
3.5.1 单端转差分部分 96
3.5.2 电平调整部分 97
3.5.3 激光器驱动部分 98
3.5.4 光反馈原理 101
3.6 副载波强度调制 102
3.6.1 副载波强度调制原理 102
3.6.2 BPSK副载波调制 103
3.6.3 FSK副载波调制 105
3.6.4 互调失真与载噪比 107
3.7 正交频分复用 109
3.7.1 基本原理 109
3.7.2 OFDM中离散傅里叶变换实现 111
3.7.3 保护间隔和循环前缀 113
3.7.4 峰均功率比及其降低方法 115
3.8 空时编码 115
3.8.1 空时编码的演变 116
3.8.2 无线光通信中的空时编码 118
3.8.3 无线光通信中的空时译码 119
3.9 非正交多址 120
3.9.1 非正交多址原理 120
3.9.2 功率分配 120
3.9.3 信号检测 121
3.10 轨道角动量复用通信 122
3.10.1 OAM复用通信系统 122
3.10.2 基于MIMO均衡算法的OAM复用通信系统 125
3.11 信道编码 126
3.11.1 信道编码及其分类 126
3.11.2 线性纠错码 126
3.11.3 卷积码 127
3.12 总结与展望 130
思考题三 130
习题三 131
参考文献 133
第4章 大气信道、信道估计与信道均衡 136
4.1 大气衰减效应 136
4.1.1 大气衰减系数与透过率 136
4.1.2 大气分子吸收与散射 137
4.1.3 大气气溶胶粒子吸收与散射 138
4.1.4 大气窗口 139
4.1.5 衰减系数估算 139
4.1.6 传输方程 140
4.2 大气湍流模型 140
4.2.1 大气湍流 141
4.2.2 大气湍流信道模型 142
4.2.3 Log-normal湍流模型 142
4.2.4 Gamma-Gamma湍流模型 146
4.2.5 负指数分布湍流模型 149
4.2.6 大气结构常数 150
4.2.7 大气湍流引起的误码率 151
4.3 分集接收 152
4.3.1 最大比合并 153
4.3.2 等增益合并 153
4.3.3 选择合并 153
4.4 信道估计 154
4.4.1 信道估计的概念 154
4.4.2 最小二乘信道估计算法 155
4.4.3 MMSE准则的信道估计 155
4.5 信道均衡 155
4.5.1 码间干扰与信道均衡 156
4.5.2 时域均衡 156
4.5.3 线性均衡 157
4.6 大气湍流对误码率的影响 159
4.7 信道容量界 161
4.7.1 信道模型 161
4.7.2 具有峰值光强约束的信道容量 163
4.7.3 信道复用 166
4.8 湍流对光传输的影响 167
4.8.1 光强闪烁 167
4.8.2 光斑漂移 168
4.8.3 光束扩展 170
4.8.4 瞄准误差 171
4.9 总结与展望 172
思考题四 172
习题四 172
参考文献 176
第5章 白光LED通信与组网 179
5.1 LED发光原理 179
5.1.1 白光LED 179
5.1.2 LED发光原理. 179
5.1.3 白光LED发光原理 180
5.1.4 白光LED发光模型 181
5.2 车联网环境可见光通信系统的背景光噪声模型 182
5.3 可见光通信系统乘性噪声模型 186
5.4 光源最优化布局 189
5.4.1 光源经典布局 189
5.4.2 光源随机布局 190
5.5 室内可见光信道 191
5.6 接收机与检测技术 194
5.6.1 接收机前端 194
5.6.2 接收阵列设计 197
5.7 可见光通信的上行链路 197
5.7.1 射频上行链路 197
5.7.2 红外光上行链路 197
5.7.3 激光上行链路 198
5.7.4 可见光上行链路 198
5.8 可见光通信定位技术 198
5.8.1 光信号接收强度定位法 199
5.8.2 指纹识别定位法 199
5.8.3 LED标签(LED-ID)定位法 199
5.8.4 可见光成像定位技术 199
5.9 室内混合VLC/RF通信系统 200
5.9.1 室内混合VLC/RF通信系统用户接入策略 200
5.9.2 室内VLC/RF通信系统资源分配 201
5.9.3 室内可见光通信/Wi-Fi 网络切换机制 203
5.10 可见光异构网络 206
5.10.1 VLC/RF异构网络架构 206
5.10.2 异构网络中的分配策略 207
5.11 OWC/RF-THz混合中继通信系统 209
5.11.1 系统模型 209
5.11.2 系统性能分析 209
5.12 可见光定位+惯导的组合导航 212
5.12.1 热图优化卷积神经网络定位方法 212
5.12.2 EKF/LSTM组合导航融合 213
5.13 板间无线光通信 214
5.13.1 系统组成 214
5.13.2 三维板间无线光通信 216
5.13.3 关键技术 216
5.14 总结与展望 218
思考题五 218
习题五 219
参考文献 220
第6章 水下光通信 225
6.1 概述 225
6.2 水下激光通信系统 226
6.2.1 水下激光通信原理 226
6.2.2 水下信道 226
6.2.3 水下激光通信的特点 227
6.3 激光对潜通信 227
6.3.1 激光对潜通信的形式 227
6.3.2 各介质层的传输 228
6.3.3 时间扩展 230
6.3.4 能量方程 230
6.4 复眼接收天线 231
6.4.1 LED光源在水中的传输模型 231
6.4.2 复眼透镜光学接收天线的结构 233
6.5 发射端恒流驱动 237
6.5.1 大功率LED驱动主控电路 237
6.5.2 主控芯片 238
6.5.3 NMOS管驱动电路 240
6.5.4 LED灯珠 241
6.6 光在海水中的传输特性 241
6.6.1 光学特性 241
6.6.2 吸收特性 242
6.6.3 散射特性 244
6.7 非直视传输 246
6.7.1 NLOS传输覆盖范围 246
6.7.2 散射链路模型 253
6.8 水下湍流对激光传输性能的影响 256
6.8.1 闪烁指数 256
6.8.2 光束漂移 258
6.8.3 水速与Greenwood时间常数 260
6.8.4 误码率 263
6.8.5 中断概率 264
6.9 总结与展望 265
思考题六 266
习题六 266
参考文献 267
第7章 紫外光通信 270
7.1 紫外光及其信道特性 270
7.1.1 紫外光 270
7.1.2 紫外光的特点 270
7.1.3 紫外光大气信道 271
7.1.4 紫外光大气信道特性 272
7.2 紫外光非直视传输特性 274
7.2.1 椭球坐标系 274
7.2.2 紫外光散射通信的过程 275
7.2.3 非直视散射特性 277
7.3 日盲紫外光非直视通信组网 278
7.3.1 无线Mesh通信网络 278
7.3.2 无线紫外光Mesh通信网络 279
7.4 紫外光背景噪声模型 280
7.4.1 光子的能量 281
7.4.2 黑体辐射模型 282
7.4.3 太阳辐射模型 283
7.4.4 大气透明度 284
7.4.5 日盲区紫外背景光辐射模型 286
7.5 紫外光通信路径损耗模型 289
7.5.1 单次散射模型 289
7.5.2 多次散射模型 292
7.5.3 紫外光通信路径损耗分析 295
7.6 总结与展望 298
思考题七 298
习题七 298
参考文献 299
第8章 捕获、瞄准和跟踪技术 301
8.1 APT系统 301
8.1.1 APT的概念 301
8.1.2 APT的工作原理 302
8.2 自动捕获 303
8.2.1 开环捕获模式 304
8.2.2 扫描方式 305
8.2.3 捕获单元性能指标 309
8.3 自动跟踪 310
8.3.1 跟踪系统 310
8.3.2 复合轴控制系统 311
8.3.3 粗跟踪单元精度分析 312
8.3.4 精跟踪光束伺服单元 312
8.4 发射-接收端非共光轴快速对准 312
8.4.1 问题的提出 312
8.4.2 快速对准方案 313
8.5 瞄准误差对通信性能的影响 316
8.5.1 光功率衰减模型 316
8.5.2 指向误差条件下高斯光束几何衰减模型 318
8.5.3 指向误差下平均几何衰减模型 320
8.6 总结与展望 321
思考题八 321
习题八 321
参考文献 323
第9章 部分相干光传输 324
9.1 光束的基本参数 324
9.1.1 发射光束 324
9.1.2 互相干函数 325
9.1.3 光束的扩展、漂移与强度起伏 329
9.2 部分相干光模型 330
9.2.1 部分相干光描述 330
9.2.2 部分相干光波束 333
9.3 光束在大气湍流中的传输 334
9.3.1 光束的扩展与漂移 334
9.3.2 水平传输光束的漂移与扩展 339
9.3.3 斜程传输光束的漂移与扩展 343
9.3.4 到达角起伏 345
9.3.5 光束漂移与扩展对通信系统的影响 349
9.4 部分相干光探测 350
9.5 总结与展望 355
思考题九 355
习题九 355
参考文献 358
第10章 未来的通信技术 361
10.1 X射线空间通信 361
10.1.1 X射线通信背景 361
10.1.2 X射线通信系统 362
10.1.3 发展方向与展望 365
10.2 轨道角动量复用通信 365
10.2.1 涡旋光束 365
10.2.2 涡旋光束的产生 367
10.2.3 轨道角动量复用通信系统 370
10.3 中微子通信 373
10.3.1 中微子 373
10.3.2 中微子通信原理 373
10.3.3 中微子通信系统 374
10.3.4 中微子通信的关键技术 374
10.3.5 中微子通信的特点 375
10.4 引力波通信 375
10.4.1 引力波的探测 376
10.4.2 引力波的产生 378
10.4.3 引力波探测的主要困难 378
10.5 太赫兹波通信 379
10.5.1 太赫兹波及其优点 379
10.5.2 太赫兹波发射天线 380
10.5.3 太赫兹波探测器 381
10.5.4 太赫兹波调制器 382
10.5.5 太赫兹波在大气中的传输 383
10.6 总结与展望 384
思考题十 384
习题十 385
参考文献 385
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