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水下无线光通信多载波调制技术研究

臧英东  
【摘要】:水下无线光通信(underwater optical wireless communication,UOWC)依托于光在水下传输时的“窗口特性”以及光的高数据承载能力来实现水下高速通信,是一种实用的水下无线通信手段,受到广泛关注。为实现高效实用的UOWC,需要兼顾传输距离与通信速率,同时保证系统具有良好的鲁棒性。相比于激光器,发光二极管(light emitting diode,LED)具有更简单的结构和更大的散射角,可以降低系统的故障率并降低UOWC系统对于准直性的要求。由于水体对光有严重的衰减作用,致使光信号到达接收机时往往十分微弱。为拓展UOWC通信距离,采用新型高灵敏度接收器件单光子雪崩二极管(single photon avalanche diode,SPAD)成为了一种有效的方案。正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)可以通过在各子载波分配不同的数据量和功率以使系统的通信性能接近信道容量,可用于提升UOWC系统的通信速率。因此,以LED为发射器件,以SPAD为接收器件,以OFDM为调制方式的通信系统是一种适用于水下无线通信的系统,本文针对这一系统进行了研究,主要研究内容和研究成果归纳如下:1.为提升光OFDM系统通信性能,依据LED的幅频响应特性,以最小欧氏距离最大化为准则,对光OFDM各子载波的数据量及功率分配进行了优化。LED作为信道时,对光信号具有很强的频率选择特性。在传统的无线通信中,OFDM通过对各子载波的调试方式及功率分配进行调整,从而使信号具有抵抗信道频率选择性的能力,并使系统的通信性能接近信道容量。由于传统无线信道为双极性复信道,而光信道为单极性实信道,因此传统无线通信中OFDM各子载波数据量及功率分配的方法不能直接用于光通信。本文依据LED幅频响应特性,对OFDM系统各子载波的数据量及功率分配进行研究,以最小欧氏距离最大化为准则,将对数据量分配及功率分配归结为联合优化问题,可以作为这一类问题的解决模型。优化后的方案有效地抵抗了LED造成的频率选择性,对系统的误码率性能有明显增益。2.针对含有泊松噪声的信号经过FFT后没有闭式解的问题,采用AR变换,对SPAD为接收器件的光OFDM系统进行了改进,提升了系统性能。当使用SPAD作为接收器件时,接收信号的噪声由传统的加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise,AWGN)转变为加性泊松噪声,而含有泊松噪声的信号在经过FFT后的分布特性在数学上尚没有闭式结果,因此无法直接设计具有针对性的接收方案。由于FFT为正交变换,含有AWGN的信号在经过FFT后,其噪声特性仍满足高斯分布。利用这一性质,在SPAD为接收器件的光OFDM系统中引入Anscombe root(AR)变换,将接收信号噪声由加性泊松噪声转换为近似AWGN。之后在发射端加入AR逆变换,对以SPAD为接收器件的光OFDM系统进行改进。使用传统的欧氏距离检测方案将改进系统和传统系统进行对比,改进系统具有显著的性能提升。3.通过实验验证了以LED为发射设备,以SPAD为接收设备,以OFDM为调制方式的UOWC系统的通信性能,并最终实现了水下语音无线光通信系统。通过实验对以LED为发射端,SPAD为接收端,OFDM为调制方式的通信系统性能进行了离线测试。之后,结合语音芯片,完成了水下无线光实时语音通信系统,实现了清晰的水下无线语音通信。


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