【摘要】：自由空間光通信(Free Space Optical Communication,FSO)是以光為載波在空間進行信息傳輸?shù)耐ㄐ欧绞�。目前空間激光通信主要有強度調(diào)制/直接探測(IM/DD)體制和多階調(diào)制/相干探測體制兩種通信體制。與IM/DD體制相比,多階調(diào)制/相干探測體制的主要優(yōu)點是:檢測靈敏度高,能夠達到近似量子噪聲極限的水平,和直探系統(tǒng)相比理論靈敏度極限至少提高20dB;調(diào)制方式靈活,除了幅度調(diào)制可以進行頻率調(diào)制或相位調(diào)制,另外相干探測還支持偏振態(tài)復(fù)用,使得相干光通信相比于傳統(tǒng)系統(tǒng)光通信有更高的單波長頻譜利用率;信道選擇性好,可實現(xiàn)最小1GHz信道間隔的密集波分復(fù)用,支持超高容量的信息傳輸。更關(guān)鍵的是,隨著數(shù)字信號處理技術(shù)水平的發(fā)展,相干光通信可以將信號的失真補償放在系統(tǒng)接收端電域進行。因此,相干光通信在空間高速率長距離傳輸上優(yōu)勢顯著,具有廣泛的應(yīng)用前景,是目前空間激光通信的發(fā)展方向。本文闡述了大氣相干光通信的研究意義、研究進展以及關(guān)鍵技術(shù)。介紹了大氣信道的湍流特性,從相干探測的原理出發(fā),總結(jié)了大氣相干探測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)所在,并對相干接收后端的數(shù)字信號處理算法做出了詳細深入的研究。主要研究工作如下:1.介紹了大氣信道特性,包括大氣衰減效應(yīng)和大氣湍流效應(yīng)。根據(jù)光強閃爍的數(shù)學(xué)模型利用VPI光通信仿真軟件設(shè)計了對數(shù)正態(tài),Gamma-Gamma光強閃爍仿真模塊,重點分析了本論文提出的利用取舍法去生成Gamma-Gamma隨機分布得方法過程,并利用外場實測數(shù)據(jù)驗證了弱湍流條件下閃爍模塊的正確性。為后續(xù)搭建相干探測系統(tǒng)仿真環(huán)境提供了信道模擬環(huán)境。另外分析了大氣湍流對相干探測系統(tǒng)接收信噪比的影響。得出了平面波弱湍流條件下接收信噪比的數(shù)學(xué)模型,該模型綜合考慮了光強閃爍指數(shù)和相位波動方差對系統(tǒng)性能的影響。2.研究了大氣相干探測系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)技術(shù),介紹了相干探測的基本原理并從光量子的角度分析了相干探測的量子噪聲特性,對比了零差和外差,傳統(tǒng)相干探測和相位分集相干探測時的信噪比。3.設(shè)計了大氣數(shù)字相干探測系統(tǒng)發(fā)射和接收端電學(xué)部分,分析了系統(tǒng)各部分基本組成。針對大氣相干探測系統(tǒng)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)點選擇了合適的器件,并對各部分關(guān)鍵器件做了介紹。4.分析了數(shù)字相干探測后端數(shù)字信號處理部分涉及的正交歸一化、頻偏估計和相位矯正算法。正交歸一化算法介紹了Gram-Schmidt正交化和L?wdin對稱正交化兩種算法,在此基礎(chǔ)上,本論文又設(shè)計了一種算法切換的方案,將以上兩種正交方法能夠很好的結(jié)合起來,從而使信號達到更好的一個正交狀態(tài)。相位矯正部分,針對弱湍流條件本論文又提出改進的雙級相位矯正算法。通過該算法有效的提高了系統(tǒng)對激光器線寬和湍流擾動的抗干擾能力。5.利用VPI仿真軟件搭建了搭建了BPSK/QPSK大氣相干探測仿真系統(tǒng),分析了BPSK調(diào)制信號的產(chǎn)生原理以及QPSK系統(tǒng)在不同條件下系統(tǒng)的誤碼率性能。6.利用實驗室儀器設(shè)備搭建了大氣相干光通信測試平臺,開展了2.5Gbps的QPSK室內(nèi)空間光通信傳輸實驗,驗證了不同接收功率下的QPSK系統(tǒng)接收信號Q因子以及誤碼率性能。本論文在大氣信道、相干探測理論、系統(tǒng)各部分分析、后端處理算法、實驗平臺搭建等方面都做了相關(guān)研究和實際工作,對大氣相干探測系統(tǒng)的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義和參考價值。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN929.1

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本文編號：2804125