大气光通信调制编码技术研究

论文摘要

在大气光通信系统中由于大气信道的特殊性和随机性，大气吸收和散射使携带数据信息的光信号严重衰减，大气湍流使信号光强闪烁发生波前畸变，导致通信系统的误码率上升，系统的可靠性降低。本论文研究的大气光通信中的调制编码技术是选择合适的调制格式的编码方式保证高传输速率和低误码率，能够较好的降低大气对光信息传输的干扰，提高通信系统的可靠性和降低误码率以及克服信道的随机性误差。本论文从大气光通信系统的特点与实际系统中实现的可行性出发，采用强度调制/直接探测的方式，从理论上分析了几种调制方式的性能，建立起具有加性高斯白噪声干扰和乘性大气湍流干扰的信道模型，理论推导了各种调制格式的平均发射功率、频带利用率、误码率表达式，并通过仿真研究了不同调制格式下的光信号性能，表明脉冲位置调制（PPM）信号在大气中的传输性能相比其他调制格式最优，具有较高的功率利用率，但是需求带宽大。尤其是PPM的调制阶数越大，其抗干扰性能就越好，相应的带宽也越大，在实际的应用中结合通信速率采用适宜的调制阶数可保证PPM调制信号的性能。基于理论分析，本论文中设计并实现了以语音为信源的二进制开关键控（OOK）与4-PPM调制解调的大气通信系统，采用现场可编程逻辑阵列（FPGA）作为调制编码系统的核心，完成语音信号的调制编码与解调通信系统实验硬件平台，详细设计了语音信号4-PPM与OOK的调制与解调、发送与接收的FPGA硬件逻辑电路实现方法，完成各个功能模块的时序仿真。采用论文设计的硬件实验平台，并设计合理的实验方案完成了语音光信号的4-PPM调制解调的通信实验的调试与测量，通过比较OOK与PPM调制信号在大气信道中传输的实测波形图，PPM信号抗干扰优于OOK，从实验上验证了论文理论分析的结果，达到论文通信系统设计的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文研究背景
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.3 论文研究内容及结构
• 2 大气光通信中调制格式的性能分析
• 2.1 大气光通信系统的调制方案
• 2.2 影响大气光通信系统中调制格式的性能指标
• 2.3 PPM的调制原理和性能分析
• 2.4 不同调制格式的性能比较
• 2.5 本章小结
• 3 大气信道模型与调制信号传输性能分析
• 3.1 大气的衰减效应
• 3.2 大气的湍流效应
• 3.3 大气光通信系统的信道模型
• 3.4 不同调制格式的信号在大气信道中的误码率比较
• 3.5 小结
• 4 调制编码系统硬件实验平台设计
• 4.1 系统总体硬件结构设计
• 4.2 FPGA器件的选择与电路设计
• 4.3 语音芯片与FPGA的连接电路设计
• 4.4 光收发模块与FPGA的连接电路设计
• 4.5 FPGA外围其他电路设计
• 4.6 小结
• 5 调制解调逻辑仿真实现及实验
• 5.1 调制编码系统总体逻辑功能设计
• 5.2 语音处理模块的仿真与实现
• 5.3 光模块差分接口发送与接收功能实现
• 5.4 4-PPM调制编码系统的设计与实现
• 5.5 语音光信号的调制编码实验调试与验证
• 5.6 小结
• 6 论文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 语音数据4-PPM传输及接收FPGA逻辑电路图