【摘要】：深空光通信中,脈沖位置調(diào)制(Pulse Position Modulation,PPM)和光子探測器陣列兩項技術(shù)因具有能量效率高和探測效率高等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用。而激光信號在傳輸過程中會受到深空信道中大氣湍流、背景光等特性的影響,從而使得接收端的光信號發(fā)生擴展、破碎以及強度閃爍等現(xiàn)象。本文針對接收端光信號的特點對接收方案進行改進和優(yōu)化。首先,針對傳統(tǒng)的基于焦平面直接探測接收方案中探測器陣列接收到的光信號分布不均勻問題,本文提出一種基于準直的接收方案。該方案主要在接收天線焦平面處放置一個小孔光闌,激光信號經(jīng)過小孔光闌后再經(jīng)準直鏡到達光子探測器陣列上。相比于傳統(tǒng)的基于焦平面直接探測接收方案,該方案中通過準直鏡后到達光子探測器陣列上的光信號更加均勻。另外針對背景光的干擾,本方案中對小孔光闌的孔徑大小進行優(yōu)化,并得到不同條件下對應(yīng)的最優(yōu)孔徑大小,從而有效抑制背景光的干擾。仿真結(jié)果表明,基于準直的接收方案在背景光越大和湍流越強時性能提升更加明顯。最優(yōu)孔徑大小也隨著背景光和湍流條件的不同而改變。其次,由于多像素光子計數(shù)器(Multi-Pixel Photon Counter,MPPC)是一種具有陣列結(jié)構(gòu)的高性能光子探測模塊,能夠?qū)崿F(xiàn)單光子探測,并具有有效探測區(qū)域較大的特點。本文針對該特點提出了一種基于單個MPPC的新型陣列接收方案。該方案主要通過將萬向支架上多個天線接收到的光信號經(jīng)多模光纖共同傳輸至同一個MPPC的有效探測區(qū)域。相比于采用多個MPPC的陣列接收方案,該新型陣列接收方案既極大節(jié)約了光子探測器的個數(shù),又有效降低了探測器暗計數(shù)的影響。仿真結(jié)果表明,在背景光較小的情況下,采用該種基于單個MPPC的新型陣列接收方案的系統(tǒng)性能更好。最后,本文搭建了激光通信系統(tǒng)并進行測試。實驗中先解決MPPC的光子計數(shù)問題,然后采用一種基于頻偏和初始相偏直接預(yù)測的方法來實現(xiàn)時隙同步。再對加小孔光闌和準直鏡的接收方案進行驗證。實驗結(jié)果表明,采用MPPC能夠?qū)崿F(xiàn)極弱光下的光子計數(shù),并在加上小孔光闌和準直鏡后系統(tǒng)性能均有一定的提升。
【學位授予單位】：重慶郵電大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN929.1
【圖文】：

在深空激光通信中，激光光束通過大氣湍流信道后會使得接收端的光斑出現(xiàn)擴散、漂移甚至破碎，這將會嚴重制約著激光在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。本文通過前面介紹的多相位屏的方法對大氣湍流進行模擬，如圖 2.4 所示。仿真參數(shù)設(shè)置為：激光波長 =1064 nm，天頂角 =60，天線直徑 D 1m，風速 v 21m/s，湍流的內(nèi)外尺度分別為0L =100 m，0l =0.001 m。圖 (b)中近地面的折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)15 2/3A9.4 10 m ，圖(c)中14 2/3A4.4 10 m 。圖(a)為理想情況下接收到的艾里光斑，對比圖(b)和圖(c)可知接收端天線焦平面處的光斑發(fā)生了漂移和破碎，并且隨著湍流強度的增加，光斑漂移和破碎變得更為嚴重。若此時將光子探測器直接放在焦平面處對光信號進行探測，需要解決的關(guān)鍵問題是如何選擇合適的探測器尺寸。當探測器尺寸足夠大時，這樣能夠確保接收到大部分的光信號，但此時探測器尺寸較大也會接收到更多的背景光。因此有必要對探測器的尺寸進行優(yōu)化，讓光子探測器既能有效的接收到光信號又能減少背景光噪聲的影響。

圖 5.4 系統(tǒng)發(fā)射端實物圖CRC 卷積碼編碼 隨機交織器 PPM調(diào)制外碼內(nèi)碼SCPPM用戶數(shù)據(jù)調(diào)制數(shù)據(jù)輸出圖 5.5 SCPPM 編碼結(jié)構(gòu)示意圖在計算機上通過上述 SCPPM 系統(tǒng)完成對原始用戶數(shù)據(jù)的編碼調(diào)制后，再將調(diào)制后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?FPGA 中，F(xiàn)PGA 再驅(qū)動激光器發(fā)射出受數(shù)據(jù)調(diào)制的光 PPM 脈沖序列。實驗中采用 64-PPM 調(diào)制方式，調(diào)制采用 31.25 MHz 時鐘，每一幀包含2520 個符號，每個符號共包含 65 個時隙（其中 1 個為保護時隙），PPM 時隙寬度為 32 ns。則可知每 2080 ns 可以傳遞 6 bit 信息，通信速率為 2.88 Mbit/s。

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