用于自由空间光通信的高灵敏度数字相干接收技术研究

发布时间：2021-09-23 03:53

　　自由空间光通信一般指以激光为载波、大气为传输介质的长距离光无线通信,常用于卫星通信、无人机通信、应急通信等应用。相比无线射频通信,其具有带宽高、保密性强、部署成本低、无需频谱牌照等优点。但是,激光在大气中的传播容易受大气湍流和天气状况的影响,造成接收信号功率衰落和信号畸变,使系统的通信性能下降。为了够抵抗此类干扰的技术,一方面可以通过编码等技术提高通信冗余度和可靠性,另一方面可以提高接收机的接收灵敏度。本文将从大气湍流出发,总结出自由空间通信信道模型,针对高速率、高灵敏度接收机,相继对基于数字信号处理技术的相干接收机、单光电探测器相干接收机和多孔径接收机进行讨论和实验。本文首先对湍流的物理机制进行了介绍,并给出了重要的参数和结论。其次,分析了高级调制格式光信号在空间激光传输的各个环节引入的信号畸变,并总结了大气信道模型,包括损耗、衰落现象以及其相干性,得到在高速光通信系统中,大气湍流信道可以视为慢变、频率非选择信道的重要结论。在大气信道的基础上,本文对相干光通信系统和数字信号处理技术组成和原理进行了介绍,并总结了自由空间相干光通信系统的信道模型。文中逐一介绍了时钟恢复、信道均衡、频偏估... 

【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：74 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图１－１天地全光通信网络示意图??１．２和

２．１引言??大气层是指地球表面以上几百公里内的气体环境，根据温度的变化，一般可分为四??层及三个等温边界，如图２－１所示。??逃逸层??１?６〇０???？—?９０??中间顶层??一?＾―??１—?８０??中间层???Ｍ?？＿?５０??Ｊ??ｆＪＵｉＬ昼?］＿４８??平流层?１??！?对流顶层?Ｉ?２（）???１＾－?ｒ－?１１??对流层??ｉ?＇?—ｉ—Ｉ—■－．．．．．－＞■■■：?＾?〇??－１００?＞８０?＞６０?４０?－２０?０?２０?溫度（°Ｃ）?高度（Ｋｍ）??图２－１大气层的结构??大气信道的时变性引起的信号恶化，造成通信链路的不可靠是自由空间激光通信关??键问題。其主要原因是大气的姐成成分与湍流。光在大气自由空间传播的过程中，主要??受到三个因素影响：散射、吸收、大气湍流引起的折射率抖动。大气中的悬浮物以及不??同天气状况都会影响激光的传播损耗、传播方向；受温度差和风引起的大气湍流，折射??率在激光传播方向上和时间上将发生抖动，最终引起光束抖动、强度闪烁、光束扩展等??现象；最后，通信系统接收到的激光振幅和相位信息都会受到干扰。??２．?２湍流理论??２．?２．?１大气湍流??地球表面的空气流体由于气压和温度的不同引起了运动。当流速较低时，空气流体??分层流动，称这种运动状态为层流；当流速逐渐增加时，流层的动能克服了流体粘性的??阻尼效应

一个重要的参数是其雷诺数，其物理含义是流体惯性力和粘性力的比值，一般和流体密??度、粘度、速度有关系。雷诺数较大时，惯性力对流体的运动影响更大，流场由平流转??变为端流。如图２－２所示，形成瑞流后，空气流体形成湍流漩祸，定义最大漩调直径为外??尺度大漩涡经由分裂不断变成小漩涡，当达到最小湍流漩涡时，最终耗散至热能，??定义最小湍流瀲涡直径为内尺度Ｚ。。??动能??〇〇〇〇〇〇??＾１＾＞热能耗散??图２－２湍流漩涡的形成??湍流漩涡的能量分布可由折射率的空间功率谱描述。大尺寸的湍流漩涡通常对激光??传播没有影响，故通常考虑外尺度—〇〇。而小尺寸的湍流漩涡将引起光束到达角抖动、??光强闪烁等现象［５６］。??２．２．?２光学湍流??大气湍流引起了局部温度、压力的随机变化，导致了空气折射率抖动。这种现象又??称为光学湍流，并将引起接收光束的光强抖动（闪烁）、光束扩展、空间相干性降低等??现象。在对光学湍流进行研究时，可对折射率建立为有关时间－空间的随机场，记为??ｎ（７？；ｔ）。如果忽略时间，在某一瞬间进行研究，则简化为ｎ（ｉ〇。在自由空间光通信应用??中考虑大气随时间动态变化时，一个简答而有用的假设是Ｔａｙｌｏｒ湍流冻结假设一一大气??根据风速随着激光传播方向的垂直方向移动


本文编号：3404982