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水平链路非柯湍流下激光通信分集接收系统信道空间相关性研究

付玉龙  
【摘要】:激光通信具有传输距离远、传输速率高、抗干扰能力强和安全性高等优点,已成为国际上争相发展的研究热点。分集接收技术是一种被普遍认可的能够有效缓解大气湍流对激光通信系统通信性能影响的方法。通常认为分集接收系统各子信道间相互独立时,激光通信分集接收系统的通信性能最优。在实际水平链路激光通信分集接收系统中,受大气湍流影响,各子信道间距不够大时通常存在一定的相关性,影响分集接收系统的通信性能。目前,诸多理论和实验研究结果表明Non-Kolmogorov湍流(非柯湍流)模型对于实际大气湍流的描述更加准确。此外,平台振动、转台机械噪声、机械加工和装调等因素导致的瞄准误差会加剧接收端信号光的随机起伏,进一步影响分集接收系统的通信性能。随着激光通信分集接收技术研究的深入和向着实用化迈进,需从分集接收系统的实际情况出发,考虑非柯湍流、信道相关性以及瞄准误差因素的影响对分集接收系统的通信性能进行优化分析研究。本文重点研究了水平链路非柯湍流下分集接收系统的信道空间相关性并进行实验验证,在此基础上,研究了水平链路非柯湍流下信道空间相关分集接收系统的平均误码率,研究了水平链路非柯湍流和瞄准误差联合效应下信道空间相关分集接收系统的平均误码率。具体内容如下:(1)研究了水平链路非柯湍流下分集接收系统的信道空间相关性。给出了水平链路非柯湍流下分集接收系统信道空间相关系数的解析表达式,以及表征大、小尺度湍流对分集接收系统信道空间相关性影响的大、小尺度信道空间相关系数的解析表达式。基于解析表达式,给出了功率谱幂律?、大气湍流内尺度0l和外尺度0L等参数与信道空间相关系数的相互制约关系,得到了信道空间独立时所需最小信道间距(信道相关距离)对功率谱幂律?的依赖关系,对于分集接收系统的设计有重要指导意义。(2)研究了水平链路非柯湍流下信道空间相关分集接收系统的平均误码率。给出了水平链路非柯湍流下相干探测和直接探测MRC、EGC及SC信道空间相关分集接收系统平均误码率的解析表达式。基于解析表达式,得到了非柯湍流参数功率谱幂律?和信道间距对水平链路非柯湍流下相干探测和直接探测MRC、EGC及SC分集接收系统平均误码率的影响规律。(3)研究了非柯湍流和瞄准误差联合效应下水平链路信道空间相关分集接收系统的平均误码率。给出了联合效应下水平链路相干探测和直接探测MRC、EGC及SC信道空间相关分集接收系统平均误码率的解析表达式。基于解析表达式,分析了非柯湍流参数功率谱幂律?、瞄准误差参数以及信道间距对联合效应下水平链路相干探测和直接探测MRC、EGC及SC分集接收系统平均误码率的影响,得到了联合效应下水平链路相干探测和直接探测MRC、EGC及SC分集接收系统子信道间的最优信道间距。(4)进行了11.16km城市水平链路分集接收理论验证实验。测量了功率谱幂律?和分集接收系统的信道空间相关系数,利用分集接收光强实验样本分析了相干探测和直接探测MRC和EGC分集接收系统的平均误码率。实验结果表明,城市水平链路大气湍流为非柯湍流,信道空间相关系数的测量值与理论计算数值吻合较好,相干探测和直接探测MRC和EGC分集接收系统光强实验样本平均误码率分析结果与理论计算结果吻合较好。本文的研究工作是基于水平链路激光通信分集接收系统实际情况的应用基础研究,为水平链路非柯湍流下分集接收系统的分析、设计、优化提供了理论和实验依据。


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