数字信号处理在高速水下光无线通信系统中的应用研究

发布时间：2024-12-29 22:54

　　随着海洋矿产资源勘探、海洋学研究、海洋生物探查和海洋环境监测等活动的日益深入,水下设备间的信息交互越来越频繁,由此产生的海洋数据资料浩如烟海,这些海量数据的快速上传对当前水下设备的通信能力提出了更高的要求。与传统的海底光缆通信、水声通信和水下射频通信技术相比,水下光无线通信技术(UOWC)与水下移动平台、海底观测网等结合,能够充分发挥其通信速率高、时延小、成本低和机动性强的优点,为实现大容量海洋数据的快速实时上传开辟新的思路,UOWC是未来空天地海一体化无线通信网络中重要的通信技术。本文根据海水的主要光学特性,建立基于蒙特卡洛仿真的海水光信道模型,通过数值仿真分析了采用不同光源(发光二极管LED和半导体激光器LD)在不同浑浊度水体中传输不同距离时接收端的光强度分布和信道脉冲响应特性。LED光源自身全向覆盖的特性决定了其一般适合于短距离的水下链路传输,而LD光源带宽高,光束方向性好以及准直性强的特性决定了其适合于长距离高速率的水下链路传输。在单载波调制技术上,采用基于判决反馈均衡(DFE)的单载波脉冲幅度调制(PAM)UOWC通信技术,并在不同的水环境中,实验验证了 DFE均衡的有效性和鲁...

【文章页数】：136 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
缩写清单
1 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 水下信道建模研究进展
        1.2.2 水下光无线通信技术研究进展
        1.2.3 水下光无线通信工程样机研制及海试进展
    1.3 论文研究工作的重要性及主要创新点
    1.4 论文的结构安排
2 水下光无线通信系统组成
    2.1 水下光无线通信系统框架
    2.2 水下光无线通信关键元件组成
        2.2.1 常用光源
        2.2.2 常用探测器
    2.3 水下光无线通信信道特性与建模
        2.3.1 水下信道的光学特性
        2.3.2 基于蒙特卡洛仿真的水下信道建模
        2.3.3 水下信道蒙特卡洛仿真结果分析
    2.4 水下光无线通信系统常用的调制格式
    2.5 本章小结
3 基于单载波调制技术的水下光无线通信系统研究
    3.1 单载波调制解调技术
        3.1.1 脉冲幅度调制系统(PAM)
        3.1.2 无载波幅度相位调制系统(CAP)
    3.2 单载波通信系统线性信道均衡技术
        3.2.1 前向均衡(FFE)
        3.2.2 判决反馈均衡(DFE)
    3.3 单载波通信系统非线性信道均衡技术
        3.3.1 非线性信道建模
        3.3.2 基于Volterra模型的非线性信道均衡
    3.4 基于LD的单载波高速水下光无线通信实验验证
        3.4.1 实验原理框图及实验配置
        3.4.2 单载波PAM水下通信系统实验验证
        3.4.3 单载波CAP水下通信系统实验验证
    3.5 基于LED的单载波系统非线性信道均衡实验验证
        3.5.1 实验原理框图及实验配置
        3.5.2 实验结果分析及讨论
    3.6 基于偏振复用的LED单载波系统非线性信道均衡实验验证
        3.6.1 偏振复用LED UOWC系统实验原理框图及实验配置
        3.6.2 实验结果分析及讨论
    3.7 本章小结
4 基于多载波调制技术的水下光无线通信系统研究
    4.1 多载波调制解调技术
        4.1.1 正交频分复用(OFDM)
        4.1.2 离散多音调制(DMT)
        4.1.3 扩频正交频分复用(DFT-S OFDM)
    4.2 多载波通信系统非线性信道均衡技术
        4.2.1 基于Volterra模型的时域前向非线性均衡(TD-FFE)
        4.2.2 时域迭代判决反馈非线性均衡(TD-DFE)
        4.2.3 基于压缩感知的稀疏非线性信道均衡
    4.3 基于LD的多载波高速水下光无线通信实验验证
        4.3.1 实验原理框图及实验配置
        4.3.2 不同浑浊度水体中系统性能
        4.3.3 存在水流或气泡影响的系统性能
    4.4 基于LD的多载波系统非线性信道均衡实验验证
        4.4.1 实验原理框图及实验配置
        4.4.2 实验结果分析及讨论
    4.5 本章小结
5 基于星座概率整形技术的水下光无线通信系统研究
    5.1 星座概率整形技术的介绍
    5.2 星座概率整形系统的基本原理
        5.2.1 发送端星座整形实现原理
        5.2.2 接收端整形恢复实现原理
        5.2.3 概率整形系统性能的度量
    5.3 基于星座概率整形DMT技术的水下光无线通信实验验证
        5.3.1 基于LD的星座概率整形DMT水下光无线通信实验系统
        5.3.2 实验结果分析及讨论
    5.4 基于预编码星座概率整形技术的研究
        5.4.1 预编码星座概率整形的实现原理
        5.4.2 基于LD的预编码概率整形水下光无线通信实验验证
        5.4.3 实验结果分析及讨论
    5.5 本章小结
6 结论
    6.1 论文工作内容总结
    6.2 未来工作展望
参考文献
作者简历



本文编号：4021410