紫外光非视距通信信道估计算法研究及DSP实现

论文摘要

紫外光非视距通信是建立在紫外光特有的大气散射特性基础上的新型通信方式。由于近年来光电器件性能不断提升,这种通信方式受到了广泛地关注。紫外光通信保密性高,可用于复杂环境下的保密通信,比如车队保密网路组建、坦克车保密编队网络、城市楼宇间保密信息传递等方面。本课题建立在紫外光非视距通信系统基础上,实现紫外光非视距通信信道估计,并配合上信道均衡、信道编解码以及调制解调模块,实现紫外光通信接收机系统。结合无线通信的诸多关键技术,如信道估计中训练序列,信道均衡中的LMS均衡,以及最大似然判决,可以极大降低紫外光由于通过复杂大气传输带来的系统性能损耗,降低误码率,提升紫外光非视距通信的性能。结合课题组现有样机,研究了紫外光非视距通信信道估计算法,并搭建实现LMS信道估计算法的软硬件平台,降低了误码率和提升了系统传输数据速率。本课题前期通过文献调研和分析,对紫外光散射特性,紫外光在大气信道中的传输特性,以及整个紫外光非视距通信系统有清晰的认识,并对国内外该方向的研究情况做了梳理。然后,通过参考紫外光大气单散射模型,对紫外无线信道的数学模型分析和研究,进一步得出了紫外光系统的单位脉冲响应。接着,对无线通信中常用的各种信道估计算法做了系统而深入的分析,比较了各种算法的优劣,结合得出的紫外光无线通信信道脉冲响应,在理论和仿真分析中得出了信道估计算法在紫外光非视距通信系统中的性能。在基于LMS算法的信道估计算法实现中,对传输数据进行了适合于紫外光无线通信系统帧结构的设计,利用了巴克码作为帧的同步识别,Gold序列作为训练序列。最后,结合目前的样机,使用了TI公司的浮点型高性能DSP TMS320C6713作为主控芯片硬件平台,实时实现了信道估计的算法,并对整个紫外光通信系统进行了实验,实现了降低系统误码率的要求,紫外光非视距通信系统传输性能得到提升。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图目录
• 表目录
• 第一章 绪论
• 1.1 无线光通信介绍
• 1.2 紫外光通信介绍
• 1.2.1 紫外光的大气传输特性简介
• 1.2.2 紫外光通信的方式及原理
• 1.2.3 紫外光非视距通信的应用
• 1.3 研究现状与发展趋势
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究情况
• 1.4 课题的研究目的与意义
• 1.5 论文的章节安排
• 第二章 紫外光的大气传输特性
• 2.1 引言
• 2.2 地球大气的组成和结构
• 2.2.1 气体分子
• 2.2.2 气溶胶
• 2.2.3 水汽凝聚物
• 2.3 紫外光的大气传输特性
• 2.3.1 大气分子吸收
• 2.3.2 大气散射
• 2.3.2.1 大气分子散射
• 2.3.2.2 大气粒子散射（气溶胶散射）
• 2.3.3 大气消光
• 2.3.4 大气湍流
• 第三章 紫外光通信信道模型
• 3.1 紫外非视距光通信单散射模型
• 3.1.1 长球面坐标系
• 3.1.2 紫外光的单散射模型
• 3.2 紫外光信道特性仿真分析
• 3.2.1 紫外光非视距信道脉冲响应仿真
• 3.2.2 紫外光非视距信道长度仿真
• 3.2.3 紫外光非视距路径损耗仿真
• 第四章 紫外光通信信道估计理论
• 4.1 紫外光通信估计理论引言
• 4.2 自适应滤波器原理
• 4.2.1 自适应滤波算法
• 4.2.1.1 最小化算法的定义
• 4.2.1.2 目标函数的定义
• 4.2.1.3 误差信号的定义
• 4.2.2 LMS算法
• 4.2.3 递归最小二乘（RLS）算法
• 4.2.4 自适应滤波算法的选择原则
• 4.3 信道估计算法
• 4.3.1 帧结构的设计
• 4.3.2 传统信道估计方法
• 4.3.2.1 无线信道建模
• 4.3.2.2 信道估计方法
• 4.4 紫外光非视距通信信噪比估计算法
• 4.4.1 基于子空间自相关的紫外信道SNR估计
• 4.4.2 基于噪声方差估计的紫外信道SNR估计
• 4.4.3 基于最小二乘准则的紫外信道SNR估计
• 4.4.4 基于相关系数的紫外信道SNR估计
• 4.5 紫外光非视距通信信道估计算法仿真结论
• 第五章 紫外光通信信道估计实现的软硬件平台
• 5.1 紫外非视距光通信信道估计系统组成
• 5.1.1 紫外非视距光通信信道估计发射系统组成
• 5.1.2 紫外非视距光通信信道估计接收系统组成
• 5.2 紫外光通信信道估计系统硬件平台
• 5.2.1 TI公司TMS320C6713DSP性能分析和原理介绍
• 5.2.2 紫外光通信信道估计系统硬件电路设计
• 5.2.2.1 C6713 最小系统设计
• 5.2.2.2 C6713 EMIF总线接口
• 5.2.2.3 C6713 实验板上EMIF总线接口
• 5.3 紫外光通信信道估计系统软件设计
• 5.3.1 系统软件总体架构
• 5.3.2 系统软件工作流程
• 第六章 紫外光通信信道估计系统实现
• 6.1 紫外光通信信道估计系统模块设计
• 6.1.1 发射端帧结构模块设计
• 6.1.2 接收端信号到达检测模块设计
• 6.1.3 接收端信号同步模块设计
• 6.1.4 接收端信号信道估计算法模块设计
• 6.2 紫外光通信信道估计系统实现
• 6.2.1 发射端帧结构实现
• 6.2.2 同步模块的DSP实现
• 6.2.3 信道估计算法的DSP实现
• 6.3 紫外光通信信道估计系统
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文总结
• 7.2 问题与展望
• 参考文献
• 硕士期间发表论文
• 致谢