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空间相干光通信系统中的数字信号处理技术研究

王也  
【摘要】:自由空间光通信(Free Space Optical Communication,FSO)是一种以激光作为信息载体、以大气作为信道的通信方式。它具有容量大、保密性好、抗干扰能力强、频率资源丰富等特点。目前空间光通信技术主要分为强度调制/直接探测(IM/DD)与多阶调制/相干探测两种通信体制。其中多阶调制/相干探测体制凭借着其更高的检测灵敏度、更灵活的调制方式以及更好的波长选择性而被广泛应用于现有的光通信终端中,同时也是未来空间光通信技术的重要研究方向。但在大气通信链路中,除了激光通信系统收发端机引入的噪声,由大气散射和吸收效应造成的光强衰减,以及由大气湍流效应引起的光强起伏和相位波动都会对系统的通信性能产生不利影响。随着高速数字信号处理技术的发展,由大气信道和收发端机引起的信号失真可通过接收端的数字信号处理算法进行补偿,这无疑对提高空间相干光通信系统的通信容量,延长通信距离,提升系统的抗干扰能力有着巨大帮助。本文首先阐述了空间光通信技术的研究意义及研究进展,然后从相干光通信系统的组成结构及实现原理出发,分析了大气信道对系统通信性能的影响,最后深入研究了数字信号处理技术在空间相干光通信系统中的应用。本文主要工作如下:1.分析了大气信道的特性,包括由大气散射和吸收引起的衰减效应,以及由大气折射率随机变化引起的湍流效应,并重点研究了由大气湍流效应造成的光强闪烁和相位波动。给出了在不同湍流强度条件下的光强闪烁模型,并通过外场实验所记录的实测数据对弱湍流条件下的闪烁模型进行了验证,为空间相干光通信的仿真系统搭建及参数选择提供了依据。2.介绍了空间相干光通信系统发射端和接收端的组成。重点分析了发射端的电光调制器以及接收端零差探测、外差探测、相位分集探测系统的结构和基本工作原理。分析了相干光通信系统中的噪声来源并对比了各种探测方式的信噪比。3.对空间相干光通信系统中的数字信号处理模块及处理流程进行了研究。着重讨论了正交归一化算法、时钟同步算法、频偏估计算法和相位估计及跳变矫正算法。并针对大气湍流所引入的相位噪声会影响频偏估计精度这一问题,提出了一种分区加权的频偏估计算法,该算法能够通过加权的方式弱化相位噪声对频偏估计的影响。最后通过仿真验证了算法的可行性与有效性,以及算法在不同信噪比和不同相位波动条件下的频偏估计性能。4.分析了相位跳变的产生机理,并指出大气湍流引起的相位噪声是造成相位跳变的重要原因之一。对目前常用的减少跳变发生或矫正跳变的方法进行了研究,比较了各种方法的优缺点。针对空间相干光通信系统提出了分段差分相位跳变矫正法,并通过理论推导和计算确定了算法的最佳判别阈值点,最后针对系统中的不同噪声来源通过仿真分析了算法的跳变矫正性能。5.设计了能够实现跳变计数的误码及跳变测试系统,并通过Optisystem光通信系统仿真软件搭建了QPSK空间相干光通信链路,依据外场实验数据确定了系统的参数。将分区加权频偏估计法、分段差分跳变矫正法、以及误码及跳变测试系统通过仿真软件中自建模块的方式内联到仿真系统中,对算法可行性及测试系统的性能进行了仿真分析。最后通过实验室内的仪器设备搭建了室内空间相干光通信测试平台,分别实现了弱湍流和无湍流条件下的2.5Gbps速率QPSK信号的光通信实验,并对两种条件下的算法及系统性能进行了分析。


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