【摘要】：深空光通信中,脈沖位置調(diào)制(Pulse Position Modulation,PPM)和光子探測(cè)器陣列兩項(xiàng)技術(shù)因具有能量效率高和探測(cè)效率高等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。而激光信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)受到深空信道中大氣湍流、背景光等特性的影響,從而使得接收端的光信號(hào)發(fā)生擴(kuò)展、破碎以及強(qiáng)度閃爍等現(xiàn)象。本文針對(duì)接收端光信號(hào)的特點(diǎn)對(duì)接收方案進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。首先,針對(duì)傳統(tǒng)的基于焦平面直接探測(cè)接收方案中探測(cè)器陣列接收到的光信號(hào)分布不均勻問(wèn)題,本文提出一種基于準(zhǔn)直的接收方案。該方案主要在接收天線焦平面處放置一個(gè)小孔光闌,激光信號(hào)經(jīng)過(guò)小孔光闌后再經(jīng)準(zhǔn)直鏡到達(dá)光子探測(cè)器陣列上。相比于傳統(tǒng)的基于焦平面直接探測(cè)接收方案,該方案中通過(guò)準(zhǔn)直鏡后到達(dá)光子探測(cè)器陣列上的光信號(hào)更加均勻。另外針對(duì)背景光的干擾,本方案中對(duì)小孔光闌的孔徑大小進(jìn)行優(yōu)化,并得到不同條件下對(duì)應(yīng)的最優(yōu)孔徑大小,從而有效抑制背景光的干擾。仿真結(jié)果表明,基于準(zhǔn)直的接收方案在背景光越大和湍流越強(qiáng)時(shí)性能提升更加明顯。最優(yōu)孔徑大小也隨著背景光和湍流條件的不同而改變。其次,由于多像素光子計(jì)數(shù)器(Multi-Pixel Photon Counter,MPPC)是一種具有陣列結(jié)構(gòu)的高性能光子探測(cè)模塊,能夠?qū)崿F(xiàn)單光子探測(cè),并具有有效探測(cè)區(qū)域較大的特點(diǎn)。本文針對(duì)該特點(diǎn)提出了一種基于單個(gè)MPPC的新型陣列接收方案。該方案主要通過(guò)將萬(wàn)向支架上多個(gè)天線接收到的光信號(hào)經(jīng)多模光纖共同傳輸至同一個(gè)MPPC的有效探測(cè)區(qū)域。相比于采用多個(gè)MPPC的陣列接收方案,該新型陣列接收方案既極大節(jié)約了光子探測(cè)器的個(gè)數(shù),又有效降低了探測(cè)器暗計(jì)數(shù)的影響。仿真結(jié)果表明,在背景光較小的情況下,采用該種基于單個(gè)MPPC的新型陣列接收方案的系統(tǒng)性能更好。最后,本文搭建了激光通信系統(tǒng)并進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中先解決MPPC的光子計(jì)數(shù)問(wèn)題,然后采用一種基于頻偏和初始相偏直接預(yù)測(cè)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)隙同步。再對(duì)加小孔光闌和準(zhǔn)直鏡的接收方案進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用MPPC能夠?qū)崿F(xiàn)極弱光下的光子計(jì)數(shù),并在加上小孔光闌和準(zhǔn)直鏡后系統(tǒng)性能均有一定的提升。
【學(xué)位授予單位】：重慶郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN929.1
【圖文】：

在深空激光通信中，激光光束通過(guò)大氣湍流信道后會(huì)使得接收端的光斑出現(xiàn)擴(kuò)散、漂移甚至破碎，這將會(huì)嚴(yán)重制約著激光在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。本文通過(guò)前面介紹的多相位屏的方法對(duì)大氣湍流進(jìn)行模擬，如圖 2.4 所示。仿真參數(shù)設(shè)置為：激光波長(zhǎng) =1064 nm，天頂角 =60，天線直徑 D 1m，風(fēng)速 v 21m/s，湍流的內(nèi)外尺度分別為0L =100 m，0l =0.001 m。圖 (b)中近地面的折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)15 2/3A9.4 10 m ，圖(c)中14 2/3A4.4 10 m 。圖(a)為理想情況下接收到的艾里光斑，對(duì)比圖(b)和圖(c)可知接收端天線焦平面處的光斑發(fā)生了漂移和破碎，并且隨著湍流強(qiáng)度的增加，光斑漂移和破碎變得更為嚴(yán)重。若此時(shí)將光子探測(cè)器直接放在焦平面處對(duì)光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是如何選擇合適的探測(cè)器尺寸。當(dāng)探測(cè)器尺寸足夠大時(shí)，這樣能夠確保接收到大部分的光信號(hào)，但此時(shí)探測(cè)器尺寸較大也會(huì)接收到更多的背景光。因此有必要對(duì)探測(cè)器的尺寸進(jìn)行優(yōu)化，讓光子探測(cè)器既能有效的接收到光信號(hào)又能減少背景光噪聲的影響。

圖 5.4 系統(tǒng)發(fā)射端實(shí)物圖CRC 卷積碼編碼 隨機(jī)交織器 PPM調(diào)制外碼內(nèi)碼SCPPM用戶數(shù)據(jù)調(diào)制數(shù)據(jù)輸出圖 5.5 SCPPM 編碼結(jié)構(gòu)示意圖在計(jì)算機(jī)上通過(guò)上述 SCPPM 系統(tǒng)完成對(duì)原始用戶數(shù)據(jù)的編碼調(diào)制后，再將調(diào)制后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?FPGA 中，F(xiàn)PGA 再驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)射出受數(shù)據(jù)調(diào)制的光 PPM 脈沖序列。實(shí)驗(yàn)中采用 64-PPM 調(diào)制方式，調(diào)制采用 31.25 MHz 時(shí)鐘，每一幀包含2520 個(gè)符號(hào)，每個(gè)符號(hào)共包含 65 個(gè)時(shí)隙（其中 1 個(gè)為保護(hù)時(shí)隙），PPM 時(shí)隙寬度為 32 ns。則可知每 2080 ns 可以傳遞 6 bit 信息，通信速率為 2.88 Mbit/s。

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