大气激光通信数字相干探测关键技术研究

发布时间：2020-08-25 19:50

【摘要】：自由空间光通信(Free Space Optical Communication,FSO)是以光为载波在空间进行信息传输的通信方式。目前空间激光通信主要有强度调制/直接探测(IM/DD)体制和多阶调制/相干探测体制两种通信体制。与IM/DD体制相比,多阶调制/相干探测体制的主要优点是:检测灵敏度高,能够达到近似量子噪声极限的水平,和直探系统相比理论灵敏度极限至少提高20dB;调制方式灵活,除了幅度调制可以进行频率调制或相位调制,另外相干探测还支持偏振态复用,使得相干光通信相比于传统系统光通信有更高的单波长频谱利用率;信道选择性好,可实现最小1GHz信道间隔的密集波分复用,支持超高容量的信息传输。更关键的是,随着数字信号处理技术水平的发展,相干光通信可以将信号的失真补偿放在系统接收端电域进行。因此,相干光通信在空间高速率长距离传输上优势显著,具有广泛的应用前景,是目前空间激光通信的发展方向。本文阐述了大气相干光通信的研究意义、研究进展以及关键技术。介绍了大气信道的湍流特性,从相干探测的原理出发,总结了大气相干探测系统的关键技术所在,并对相干接收后端的数字信号处理算法做出了详细深入的研究。主要研究工作如下:1.介绍了大气信道特性,包括大气衰减效应和大气湍流效应。根据光强闪烁的数学模型利用VPI光通信仿真软件设计了对数正态,Gamma-Gamma光强闪烁仿真模块,重点分析了本论文提出的利用取舍法去生成Gamma-Gamma随机分布得方法过程,并利用外场实测数据验证了弱湍流条件下闪烁模块的正确性。为后续搭建相干探测系统仿真环境提供了信道模拟环境。另外分析了大气湍流对相干探测系统接收信噪比的影响。得出了平面波弱湍流条件下接收信噪比的数学模型,该模型综合考虑了光强闪烁指数和相位波动方差对系统性能的影响。2.研究了大气相干探测系统的调制解调技术,介绍了相干探测的基本原理并从光量子的角度分析了相干探测的量子噪声特性,对比了零差和外差,传统相干探测和相位分集相干探测时的信噪比。3.设计了大气数字相干探测系统发射和接收端电学部分,分析了系统各部分基本组成。针对大气相干探测系统所涉及的关键技术点选择了合适的器件,并对各部分关键器件做了介绍。4.分析了数字相干探测后端数字信号处理部分涉及的正交归一化、频偏估计和相位矫正算法。正交归一化算法介绍了Gram-Schmidt正交化和L?wdin对称正交化两种算法,在此基础上,本论文又设计了一种算法切换的方案,将以上两种正交方法能够很好的结合起来,从而使信号达到更好的一个正交状态。相位矫正部分,针对弱湍流条件本论文又提出改进的双级相位矫正算法。通过该算法有效的提高了系统对激光器线宽和湍流扰动的抗干扰能力。5.利用VPI仿真软件搭建了搭建了BPSK/QPSK大气相干探测仿真系统,分析了BPSK调制信号的产生原理以及QPSK系统在不同条件下系统的误码率性能。6.利用实验室仪器设备搭建了大气相干光通信测试平台,开展了2.5Gbps的QPSK室内空间光通信传输实验,验证了不同接收功率下的QPSK系统接收信号Q因子以及误码率性能。本论文在大气信道、相干探测理论、系统各部分分析、后端处理算法、实验平台搭建等方面都做了相关研究和实际工作,对大气相干探测系统的设计具有一定的指导意义和参考价值。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.1

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