多体制兼容相干探测卫星激光通信技术

卫星相干激光通信系统中,信号调制格式以相移键控(PSK)为主,未兼容开关键控(OOK)的相干接收。针对卫星相干光通信接收机不兼容多种调制格式的问题,实验搭建了兼容OOK以及二进制相移键控(BPSK)的相干通信接收装置。在1 Gbit/s的通信速率下,当调制格式为OOK且信号光功率为-54.6 dBm时,误码率(BER)为10^-3,接收灵敏度距离散粒噪声极限3.3 dB;当调制格式为BPSK且信号光功率为-57.95 dBm时,BER为10^-3,接收灵敏度距离散粒噪声极限4.2 dB。该多体制兼容相干接收机的结构与当前大多数相干接收机的硬件通用,且具有较高的接收灵敏度,证明了卫星相干激光通信多体制兼容技术的可行性,具有重要意义。     

水下无线光OOK信道误码率分析

现有的矢量辐射输运（VRT）理论无法分析有限孔径条件下水下无线光通信信道特征,因此VRT误码率计算结果并不能很好地与实际系统相符。在分析水下光OOK信号激光传输模型的基础上,根据水下有限孔径光信道的特征,对三类海水中可见光水下通信系统的误码率进行了仿真和评估。仿真结果表明,水下光OOK系统可靠视频传输距离上限分别为远洋108m,近海65m和海湾11m,该结果为水下实时高码率激光通信系统设计提供了参考。     

基于扩展卡尔曼的PDM-16QAM偏振态和载波相位快速跟踪

在偏振复用(PDM)高速光通信系统的相干检测中,需要实现信号偏振态和载波相位的快速跟踪。将扩展卡尔曼滤波器用在偏振复用16进制正交振幅调制(PDM-16QAM)光调制信号相干接收机中,成功实现了偏振态和载波相位的快速精确跟踪。在单信道112Gb/s PDM-16QAM传输系统中,数值仿真发现,扩展卡尔曼滤波器所能跟踪的最大偏振态旋转速率可达级联多模算法的100倍,而且具有很好的收敛精度,其收敛速度和精度可以通过调优参量控制。使用扩展卡尔曼滤波器跟踪100kHz线宽18 Mrad/s偏振态旋转信号时,10-3误码率(BER)对应的接收机灵敏度代价仅为0.2dB。研究了应用于长距离传输光通信系统的扩展卡尔曼相干接收的性能。     

水表面波扰动对无线光通信影响

在水下无线光通信(UOWC)中,光传输可能会发生在近水面,此时水表面波扰动对通信性能的影响不可忽视。在实验室环境下搭建了近水面UOWC系统,应用风扇控制产生水表面波扰动场景,研究水表面波扰动对通信性能的影响。采用不归零开关键控(NRZ-OOK)调制,研究速率为500 Mbit/s的伪随机信号在10 m自来水信道传输过程中,输入光强和水表面波扰动对信号误码率(BER)的影响。研究表明:光信号在近水面传输时,系统的BER与输入光强的大小密切相关。水表面波扰动对通信质量影响显著,不仅与光传输链路中水表面波扰动的区域范围有关,还与水表面波扰动的深度有关,而且BER随扰动的范围和深度呈现某种特定的统计规律。该规律对近水面光链路、水-空链路及空-水链路的无线光通信系统的接收、跟踪和瞄准装置设计与优化具有一定指导意义。     

基于概率成形和交织编码的少模光纤传输系统

对于少模光纤的理论模型分析尚未完善,采用光纤段的位移和旋转理论建立了少模光纤信道模型,该模型综合考虑了模式串扰和差分模时延等因素。为了提高系统性能,研究了采用概率成形和交织编码对信号传输性能的影响。仿真结果表明,16阶QAM（Quadrature Amplitude Modul）信号经过长为50 km的少模光纤传输后,在前向纠错极限为3.8×10^-3的情况下,光信噪比需求降低了3 dB,而且有效提升了传输距离。     

基于自适应随机共振的水下蓝绿光微弱信号检测

海水的吸收和散射导致光信号严重衰减,使得水下无线光通信系统中低信噪比信号检测成为一大难题。基于此,提出一种自适应随机共振水下蓝绿光微弱信号检测方法。分析了水下弱光信号特点以及随机共振的产生条件,结合多策略融合的粒子群算法与随机共振动态调整系统参数,使系统达到最优匹配状态,进而提升弱光信号的检测性能。搭建了水下无线光通信实验系统进行实验,结果表明,在接收信噪比为-1.7 dB时,使用该方法得到的误码率低至2×10^-4,验证了该方法的可行性和有效性。     

基于开关键控调制的光载太赫兹正交相移键控信号产生

提出了一种基于开关键控（OOK）调制的光载太赫兹正交相移键控（QPSK）信号产生方案。基于双平行马赫-曾德尔调制器产生了一对光学八倍频边带信号,利用两个强度调制器分别将两路独立的OOK基带信号调制到八倍频边带的两个偏振态上,对两路偏振信号进行相位和幅度调整后再进行叠加,叠加后的光信号经过功率放大和光纤传输后在终端实现了光电转换,从而生成了太赫兹QPSK信号。在VPI仿真环境下,分别验证了80,240,400 GHz信号的传输性能。结果表明,生成的一个波特率为20 GBuad、频率为400 GHz的QPSK信号通过40 km的零色散位移光纤传输后,其误码率低于前向纠错码的阈值(3.8×10^-3)。该方案具有无需预编码技术和数模转换器的特点,降低了信号处理的复杂度和系统成本。     

混沌与湍流大气中的光通信

目前, 光无线通信的质量主要受到大气信道环境的制约, 大气信道中混沌介质与湍流的强烈扰动使得通信质量很差, 甚至通信中断. 提出了一种面到点的光无线通信机理: 利用面阵各单元的光信号在混沌介质中传输通道的空间非相干性, 通过桶探测器收集通过混沌介质的光信号的能量和, 平均各传输通道的交叉干扰, 降低混沌介质对光无线通信的影响; 利用随机噪声与随机编码的空间非相干性, 经过二阶相关运算, 构建新的信号传输方程, 减弱大气湍流及背景光对信号解码的干扰, 使得接收端并不需要窄带光学滤波器. 数值仿真和演示实验表明, 该光无线通信机理在混沌与湍流大气中的误码率为10^-4-10^-2, 能够实现复杂大气环境中的光通信, 在军事、抢险救援等方面具有重要应用价值.     

水下光通信PPM数字接收机的DSP实现

水下光通信充分利用了海水对激光的衰减窗口效应,具有隐蔽、安全、非接触和快速机动等特性,兼具无线通信和光纤通信的优点,其关键技术在于光收发端机的研制;PPM(Pulse Position Modulation)数字脉冲位置调制具有低平均功率和高峰值功率等特性,特别适合用于无线数字光通信。两者性能的融合需要高灵敏度数字光接收机的实现。利用阵列光电检测接收、高速A/D转换和信号处理等相关技术,采用DSP处理器,高灵敏度的数字光PPM接收机得以实现,实验和测试表明它大大降低了接收机对于整个系统信噪比的要求,获得了较好的性能。     

紫外光通信调制方式的对比研究

分析了启闭键控调制(OOK)、脉冲位置调制(PPM)、差分脉冲位置调制(DPPM)和数字脉冲间隔调制(DPIM)的编码结构,然后从带宽需求、平均发射功率、传输容量和差错性能等方面对各种调制方式进行了仿真对比。结果表明,DPIM调制比PPM具有更高的传输容量和更少的带宽需求,并且解调对同步要求较低,实现更简易,并结合紫外LED阵列将作为今后实用化紫外光源的发展趋势,DPIM调制在未来紫外光通信系统的应用中将具有更大的优势。     

基于预编码的模群复用信号串扰抵消技术

在基于光子灯笼强度调制直接检测(IM-DD)的模群复用传输系统中,提出一种用于降低信号串扰的基于单端信道估计的预编码方案。该方案使用环形器和分路器作为信号返回机制,将信号返回到发送端进行发送端单端信道估计,然后将得到的信道传递矩阵用于预编码。实验结果表明,经所提预编码方案的处理,在背靠背及连接500 m少模光纤的模群复用传输系统中,信号误码率(BER)在1.3×10~(-2)前向纠错(FEC)门限时,LP_(01)-LP_(01)和LP_(11a)-LP_(11b)信道的信号发送功率分别降低了约3 dB和1 dB。本研究为解决点到多点的IM-DD模群复用传输系统中的信号串扰问题提供了一种有效的方案。     

可见光并行高速通信交织分多址技术研究

商用发光二极管(LED)调制带宽受限制约着可见光通信的传输速率,而灯具内通常有多个LED灯芯,为此提出了通过多个灯芯同时作为通信信源,利用交织分多址技术并行叠加,单一光电检测器(PD)接收的高速传输方案。由于LED驱动电压非负、PD只检测光强信息,为此提出了基于单载波开关键控(OOK)调制的发送传输结构、接收端多LED检测和重复码译码算法;研究了可见光OOK调制的信噪比(SNR)性能估计算法;仿真中,与等条件的多载波直流(DC)偏置光正交频分复用相比较,该方案在误码率(BER)、抗非线性等性能上更优。     

高速DP-QPSK模分复用信号在少模掺铒光纤放大器中的传输实验

模分复用(MDM)与高速光传送网(OTN)相结合,能缓解日益增长的带宽需求压力和降低已有相干通信设备的使用成本。搭建了100 Gbit/s双偏振正交相移键控(DP-QPSK)MDM信号放大传输系统,主要包括MDM信号收发单元和少模掺铒光纤放大器(FM-EDFA),其中FM-EDFA采用少模隔离型波分复用器(FM-IWDM)构建。三模(LP₀₁、LP_11a和LP_11b)放大传输实验表明,相对于无FM-EDFA的MDM系统,各信道的接收机灵敏度(以10^-2误码率为参考)分别劣化0.55 dB、1.47 dB和0.99 dB。研究了两模(LP₀₁和LP_11b)放大情形下模式增益差(DMG)对信道灵敏度均衡性的影响,结果显示两者无明显的依赖关系。所得结论可为双偏振(DP)信号的MDM放大传输研究提供参考。     

基于深度学习的简化多信道并行光性能监测

提出了一种基于信号光谱和多任务深度神经网络（MT-DNN）的多信道并行光性能监测（OPM）方案,采集多信道光谱图进行预处理来设计幅度直方图（Ahs）,可实现波分复用（WDM）系统多信道调制格式识别（MFI）和光信噪比（OSNR）监测。在建立的3信道WDM相干光通信系统中,对由PDM-4QAM/16QAM/64QAM组合的10种调制格式的3信道信号实现了MFI准确率为100%、OSNR监测的平均绝对误差（MAE）为0.16 dB的精准监测。为进一步研究所提OPM方案的性能以应对复杂的传输环境,提出了迁移学习辅助的多任务深度神经网络（TL-MT-DNN）用于多信道MFI和OSNR并行监测。结果表明,所提方案可移植性较好,还可节省大量样本和训练周期,其MFI准确率仍可达100%,3信道OSNR监测的MAE分别为0.24 dB、0.20 dB和0.19 dB。     

混沌光通信与OC-48光纤通信的波分复用

数值证实并分析了混沌激光通信与现行光通信的波分复用传输,对于100 GHz的信道间隔,混沌激光通信系统实现了传输速率为1 Gbit/s数字信号的保密传输,现行光通信系统实现了传输速率为2.5 Gbit/s数字信号的传输.研究表明,当现行光通信中脉冲光信号的峰值功率不超过17 dBm时,混沌激光通信可在传输距离80 km内实现并行传输.此外,当现行光通信中脉冲光信号的峰值功率为7 dBm时,系统接收到的信号质量受混沌激光通信的干扰很小,当光纤传输距离从80 km增加到160 km时,对应的眼图开启度从82% 关键词： 混沌光通信 混沌同步 波分复用 信道串扰     

降低可见光通信不均匀限幅正交频分复用系统非线性限幅失真的功率分配方法

针对可见光通信中不均匀限幅光正交频分复用(ACO-OFDM)系统发光二极管(LED)非线性限幅失真严重的问题,提出了一种降低LED非线性限幅失真的最优功率分配方法。基于原信号直接叠加非线性限幅失真成分的限幅处理模型,分析了ACO-OFDM系统中的LED非线性限幅失真;利用有效信噪比来衡量限幅失真,将限幅失真转化为有效信噪比分析;基于有效信噪比最优的原则给出了光功率约束下降低限幅失真的最优偏置信号和ACO-OFDM信号功率分配。仿真结果表明,当信道的信噪比较低时,信道噪声起主导作用;当信道的信噪比较高时,限幅失真起主导作用。在光功率约束下若不考虑偏置信号的影响而直接取其值为LED最小输出功率限制,则系统误码率(BER)在信道信噪比大于40dB的情况下也始终大于10-2,而采用最优功率分配时可以保证系统具有较好的误码率性能,当光功率约束为200mW和250mW时,分别需要24dB和27dB的信道信噪比即可使得系统的误码率低于10-3。     

基于码移键控-光码分多址技术的光隐匿通信系统实验

为进一步提高光隐匿通信系统的安全性,提出了基于码移键控-光码分多址(CSK-OCDMA)技术的光隐匿通信方案,搭建了2.5Gb/s的实验系统。实验装置中采用低成本的分布反馈半导体激光器作为隐匿光源,宿主光源采用贴近波分复用(WDM)光网络实际的光波长转换板(OTU)。实验结果表明,隐匿信道可实现背靠背无误码传输,且隐匿信道的引入对宿主信道接收机灵敏度的影响仅为0.1dBm。在保证隐匿信道无误码传输的情况下,宿主与隐匿信号功率差最大可以达24.6dBm。加入前向纠错设备(FEC)后,实现了光隐匿通信系统100km无误码传输。     

多光谱可见光通信信道串扰分析

在可见光通信领域, 通过波分复用技术可以增加信道个数, 从而提高系统通信容量. 然而发光二极管(LED)的辐射光谱具有一定线宽, 当信道个数增加, 信道间隔将变小, 尽管有滤光片的通道选择, 但LED的辐射光谱会出现重叠从而产生信道串扰. 本文基于LED光谱重叠现象分析了多光谱波分复用可见光通信系统的信道串扰问题. 首先结合LED的物理机制和实际LED的光谱形状对其光谱进行建模; 然后根据光谱重叠现象和可见光通信信道推导出信道串扰公式; 最后利用不同中心波长的LED在两通道可见光通信系统中验证了信道串扰公式的正确性. 仿真和实验结果表明, 当两信道的信道间隔大于28 nm时, 两信道之间的信道串扰不超过-13.6 dB. 对多光谱波分复用可见光通信系统的信道串扰分析对未来可见光通信增加信道数量有一定指导作用.     

基于全内反射透镜二次配光的水下LED通信研究

蓝绿LED通信被认为是解决水下近距离高速无线数据传输的有效手段。然而由于LED发散角较大,造成通信链路的几何损耗增加,制约了水下LED通信距离的提升。针对这一问题,提出了一种基于全内反射(TIR)透镜压缩水下LED通信阵列光源出射角的方法,将LED通信光源的出射角从130°压缩到7°;利用该光源研制发射样机,在大型水池中搭建测试系统,并对发射机的性能进行测试。结果表明,所设计的通信样机在水下传输距离为16.6 m时,最大可支持23 Mbit/s的传输速率;与未采用TIR透镜时相比,在同等速率条件下,传输距离增加9.3 m。这表明基于TIR透镜二次配光的方法,可有效减小发射机出射角,降低链路损耗,增强通信系统的传输能力。这为提升水下LED通信的传输性能提供了新的技术思路。     

Gamma-Gamma湍流信道中大气光通信系统误码特性分析

大气信道中的大气湍流是影响无线激光通信系统性能的主要因素之一, 其引起的强度闪烁效应会对接收信号的提取和还原造成很大干扰。基于Gamma-Gamma概率分布的大气湍流信道统计模型, 研究了利用副载波相移键控(PSK)强度调制技术的大气光通信系统的误码特性; 推导了副载波二进制相移键控(BPSK)及开关键控(OOK)两种调制模式下的系统误码率表达式; 对在一定条件下的大气光通信系统, 比较了副载波BPSK和OOK两种调制模式的误码特性; 分析了链路特征、接收口径尺寸、通信波长和天顶角等因素对系统误码率的影响。结果表明, 增大接收孔径和通信波长都能有效地降低系统误码率, 而天顶角的增大则会使系统误码率增加, 副载波BPSK调制模式的误码特性要优于OOK调制模式的误码特性。