自由空间相干光通信中基于接收机阵列的空间分集接收技术研究

• 作 者: 于召新
• 出 处: 浙江大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 自由空间光通信 相位屏法 单探测器直接探测相干接收机 空间分集

自由空间光通信是指以激光作为载波,在真空或大气等自由空间介质中传递视频、图像等信息的新兴技术,其结合了传统无线通信和光纤通信的优势,具有速率高、容量大、带宽大、安全性强等优点,在军事领域和航空航天领域得到了广泛的关注和应用,也可以用于解决全光通信网络中的“最后一公里”问题。然而,自由空间光通信系统受大气信道的影响严重,大气湍流会导致传输信号畸变、性能下降。本文结合单探测器相干接收机和空间分集技术提出了一种低成本、高性能的分集接收方案,从结构和算法上对系统性能进行提升,并通过仿真和实验进行了验证。首先,从自由空间光通信系统的基本结构和基础理论出发,简要介绍了相干光通信系统收发端的结构、信号的调制解调技术和数字信号处理技术,阐述了大气信道中衰减效应和湍流效应的物理机制和影响,总结分析了常用的大气湍流模型,并对相位屏法模拟大气湍流的原理进行了介绍。其次,基于相位屏理论,结合光发射机和单探测器直接探测相干接收机的原理,并充分考虑噪声干扰等因素,建立了自由空间光通信系统全链路仿真模型。文中先通过对大气湍流信道的建模分析,仿真讨论了激光光束在大气湍流信道中的传输演化过程,对比分析了大气湍流强度和传输距离等重要参数的影响。接着,应用夫琅禾费衍射理论和模场匹配原则对空间光耦合进光纤系统的过程进行仿真分析。然后,讨论了基于单探测器直接相干接收机的光通信系统在不同湍流条件下的性能表现,并验证了其能达到与零差相干接收机近似的性能。最后,采用单探测器的直接探测相干接收机结构阵列,有效提升了自由空间光通信系统经大气湍流信道的性能表现。文中先应用全链路仿真模型,数值模拟了单探测器接收机阵列相较单接收机带来的误码率改善效果,对比分析了等增益合并算法和最大比合并算法所能提供的系统增益。随后,通过实验验证了 1×2相干接收机阵列的性能改善效果,实验中采用等增益算法进行合并,在接受误码率低于0.01时候,分集接收能给光通信系统带来1～3 dB的性能增益。