超Nyquist速率水下蓝绿激光通信的信道仿真与传输实验研究

发布时间：2020-08-06 15:40

【摘要】：海洋面积占全球面积的70%以上,蕴含丰富资源。而进行海洋勘测和开发的必要条件之一就是具备水下通信的能力。水声通信是目前较为成熟的通信手段,但因受到多径干扰以及多普勒效应的影响,水下通信传输带宽小,时延高,不能满足高速传输需求。水下无线光通信(UWOC)可以提供大带宽传输,且具有低延迟和高安全性等优点。然而,海水对光的散射特性引起时域色散,使信道带宽受限,另外光电调制及器件影响使得收发端带宽受限。两方面的带宽受限影响传输性能,且缺乏有效的补偿方法。本文通过仿真和实验,分别对水下信道和收发机端的带宽受限进行研究,并基于最大似然序列估计(MLSE)均衡算法补偿带宽限制,提高系统性能。本文创新及主要工作包括以下内容:一、基于Fournier-Forand体散射相函数的蒙特卡洛算法建立了光子在水中的运动过程仿真模型,分析了海港环境下不同传输距离与不同视场角(FOV)影响下的UWOC信道脉冲响应,并计算相应信道带宽。仿真结果表明,浑浊的海港水域条件下,因时域色散产生码间干扰,使得信道带宽严重受限,当传输距离从8米增加到16米时,信道带宽从0.5GHz减小到0.1GHz。二、基于蒙特卡洛仿真得到的信道脉冲响应,对不同发送速率且不同传输距离下的UWOC系统进行带宽受限及其补偿方案进行仿真,验证了基于MLSE均衡算法的性能提升效果。仿真结果表明,对比逐符号检测方案,在满足7%前向纠错码(FEC)的条件下,MLSE均衡检测可实现的最大可传输比特率在12米内从0.4Gbps提高到0.8Gbps。当信号在10米内以0.8Gb/s的速率传输时,功耗降低4dBm。三、搭建了水下超奈奎斯特传输实验平台,研究了UWOC系统中收发机端对传输带宽的限制作用。实验结果表明,基于MLSE均衡检测,在系统带宽仅167 MHz的情况下,能够在1米内最高实现l.1Gb/s的开关键控(OOK)传输,是SbS检测所能达到的数据速率的两倍。
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.1
【图文】：

吸收光谱,海水,系数,浮游植物

光度法和萃取技术分离有机杂质，分成浮游植物和非藻类颗粒。浮游植物所含的逡逑叶绿素对可见光具有很强的吸收作用，Ｒｏｅｓｌｅｒ测出了叶绿素的吸收系数与光的逡逑波长之间的对应关系。如图２－２所示，由图中可以看出，叶绿素的吸收系数峰值逡逑存在于在蓝色和红色光谱区域上，说明对这两个光波波段中，浮游植物对光具有逡逑较强的吸收作用。逡逑，２ｒｖ——————．．．．．．—逡逑Ｉ：邋＼Ｊ＼逡逑０．０邋逦：逦１逦逡逑４００逦５００邋６００邋７００逡逑波长（ｎｍ）逡逑图２－２混合藻类组成的浮游植物吸收光谱逡逑（由Ｒｏｅｓｌｅｒ等人１９８９年修改）逡逑１０逡逑

浮游植物,藻类,吸收光谱,吸收作用

广逡逑Ｓ：：Ｖ邋＾逡逑２００逦３００逦４００逦５００逦６００逦７００逦８００逡逑光的波Ｌ＜；邋（ｎｍ）逡逑图２－１纯净海水对光的°及收系数逡逑海水中含有浮游生物和悬浮颗粒等各种有机物，１９８９年ＲｏｅｓｌｅｒＰＩ采用分光逡逑光度法和萃取技术分离有机杂质，分成浮游植物和非藻类颗粒。浮游植物所含的逡逑叶绿素对可见光具有很强的吸收作用，Ｒｏｅｓｌｅｒ测出了叶绿素的吸收系数与光的逡逑波长之间的对应关系。如图２－２所示，由图中可以看出，叶绿素的吸收系数峰值逡逑存在于在蓝色和红色光谱区域上，说明对这两个光波波段中，浮游植物对光具有逡逑较强的吸收作用。逡逑，２ｒｖ——————．．．．．．—逡逑Ｉ：邋＼Ｊ＼逡逑０．０邋逦：逦１逦逡逑４００逦５００邋６００邋７００逡逑波长（ｎｍ）逡逑图２－２

吸收光谱,藻类,粒子,吸收光谱

逡逑如图２－３所示，非藻类粒子（ＮＡＰ）吸收系数在蓝色中最强，近似呈指数递逡逑减到红色。非藻类粒子的成分包括浮游动物和细菌，以及浮游植物的非色素部分逡逑（细胞壁、细胞膜等）、碎屑材料和无机颗粒。逡逑１．２邋－Ｉ逦逡逑，一邋０．８邋＼逡逑０．０邋－Ｉ逦１逦１逦逡逑４００逦５００逦６００逦７００逡逑波长（ｎｍ）逡逑图２－３非藻类粒子的吸收光谱逡逑有色溶解有机物（ＣＤＯＭ）的吸收（图２－４）与非藻类粒子非常相似，部分逡逑原因是成分（有机物质）相似，但有色溶解有机物的吸收系数呈现更陡的指数斜逡逑率。逡逑■ｉ邋0逡逑．Ｉ—逡逑＇邋０．８逡逑一２逡逑0逡逑Ｇ邋

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