發(fā)布時(shí)間：2020-08-25 19:50

【摘要】：自由空間光通信(Free Space Optical Communication,FSO)是以光為載波在空間進(jìn)行信息傳輸?shù)耐ㄐ欧绞�。目前空間激光通信主要有強(qiáng)度調(diào)制/直接探測(cè)(IM/DD)體制和多階調(diào)制/相干探測(cè)體制兩種通信體制。與IM/DD體制相比,多階調(diào)制/相干探測(cè)體制的主要優(yōu)點(diǎn)是:檢測(cè)靈敏度高,能夠達(dá)到近似量子噪聲極限的水平,和直探系統(tǒng)相比理論靈敏度極限至少提高20dB;調(diào)制方式靈活,除了幅度調(diào)制可以進(jìn)行頻率調(diào)制或相位調(diào)制,另外相干探測(cè)還支持偏振態(tài)復(fù)用,使得相干光通信相比于傳統(tǒng)系統(tǒng)光通信有更高的單波長(zhǎng)頻譜利用率;信道選擇性好,可實(shí)現(xiàn)最小1GHz信道間隔的密集波分復(fù)用,支持超高容量的信息傳輸。更關(guān)鍵的是,隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)水平的發(fā)展,相干光通信可以將信號(hào)的失真補(bǔ)償放在系統(tǒng)接收端電域進(jìn)行。因此,相干光通信在空間高速率長(zhǎng)距離傳輸上優(yōu)勢(shì)顯著,具有廣泛的應(yīng)用前景,是目前空間激光通信的發(fā)展方向。本文闡述了大氣相干光通信的研究意義、研究進(jìn)展以及關(guān)鍵技術(shù)。介紹了大氣信道的湍流特性,從相干探測(cè)的原理出發(fā),總結(jié)了大氣相干探測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)所在,并對(duì)相干接收后端的數(shù)字信號(hào)處理算法做出了詳細(xì)深入的研究。主要研究工作如下:1.介紹了大氣信道特性,包括大氣衰減效應(yīng)和大氣湍流效應(yīng)。根據(jù)光強(qiáng)閃爍的數(shù)學(xué)模型利用VPI光通信仿真軟件設(shè)計(jì)了對(duì)數(shù)正態(tài),Gamma-Gamma光強(qiáng)閃爍仿真模塊,重點(diǎn)分析了本論文提出的利用取舍法去生成Gamma-Gamma隨機(jī)分布得方法過(guò)程,并利用外場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了弱湍流條件下閃爍模塊的正確性。為后續(xù)搭建相干探測(cè)系統(tǒng)仿真環(huán)境提供了信道模擬環(huán)境。另外分析了大氣湍流對(duì)相干探測(cè)系統(tǒng)接收信噪比的影響。得出了平面波弱湍流條件下接收信噪比的數(shù)學(xué)模型,該模型綜合考慮了光強(qiáng)閃爍指數(shù)和相位波動(dòng)方差對(duì)系統(tǒng)性能的影響。2.研究了大氣相干探測(cè)系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)技術(shù),介紹了相干探測(cè)的基本原理并從光量子的角度分析了相干探測(cè)的量子噪聲特性,對(duì)比了零差和外差,傳統(tǒng)相干探測(cè)和相位分集相干探測(cè)時(shí)的信噪比。3.設(shè)計(jì)了大氣數(shù)字相干探測(cè)系統(tǒng)發(fā)射和接收端電學(xué)部分,分析了系統(tǒng)各部分基本組成。針對(duì)大氣相干探測(cè)系統(tǒng)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)選擇了合適的器件,并對(duì)各部分關(guān)鍵器件做了介紹。4.分析了數(shù)字相干探測(cè)后端數(shù)字信號(hào)處理部分涉及的正交歸一化、頻偏估計(jì)和相位矯正算法。正交歸一化算法介紹了Gram-Schmidt正交化和L?wdin對(duì)稱正交化兩種算法,在此基礎(chǔ)上,本論文又設(shè)計(jì)了一種算法切換的方案,將以上兩種正交方法能夠很好的結(jié)合起來(lái),從而使信號(hào)達(dá)到更好的一個(gè)正交狀態(tài)。相位矯正部分,針對(duì)弱湍流條件本論文又提出改進(jìn)的雙級(jí)相位矯正算法。通過(guò)該算法有效的提高了系統(tǒng)對(duì)激光器線寬和湍流擾動(dòng)的抗干擾能力。5.利用VPI仿真軟件搭建了搭建了BPSK/QPSK大氣相干探測(cè)仿真系統(tǒng),分析了BPSK調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生原理以及QPSK系統(tǒng)在不同條件下系統(tǒng)的誤碼率性能。6.利用實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備搭建了大氣相干光通信測(cè)試平臺(tái),開(kāi)展了2.5Gbps的QPSK室內(nèi)空間光通信傳輸實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了不同接收功率下的QPSK系統(tǒng)接收信號(hào)Q因子以及誤碼率性能。本論文在大氣信道、相干探測(cè)理論、系統(tǒng)各部分分析、后端處理算法、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建等方面都做了相關(guān)研究和實(shí)際工作,對(duì)大氣相干探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN929.1

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本文編號(hào)：2804125