无线光通信中旋光调制技术及偏振传输理论的研究

摘要

随着科技和经济的发展，人们对通信网络的性能提出了越来越高的要求。高传输速率、高保密性和高灵活性的通信网络，不仅可以使人们的工作和生活更加便利，同时也是巩固国防、增强军事实力的需要，还是抢险救灾不可或缺的技术保障。现有的光纤通信技术和微波通信技术由于成本高、铺设周期长或载波带宽限制等因素，越来越难以满足人们不断增长的网络需求，急需发展新的通信技术。
　　无线光通信（FSO）技术是光纤通信技术与微波通信技术的结合，同时具备光纤通信的高传输速率和微波通信的灵活接入等优点。该技术可以应用于卫星光通信、局域网高速连接、最后一公里接入、临时通信链路搭建等场所以弥补目前通信技术的不足。然而无线光通信系统的信号在开放的链路中传输，这势必导致系统性能受周围环境影响较大。在近地面的FSO系统中，大气湍流的存在会引起接收机处光强闪烁，导致系统误码率的升高，这限制了FSO技术的推广应用。
　　为了提高FSO系统的可靠性，本文从基本的调制方式出发，提出了基于光信号偏振态的旋光调制技术，并对光信号传输中的偏振变化进行了深入的研究，提供了一种低成本、高可靠性和机动灵活的FSO系统方案。具体的研究内容如下：
　　首先，在对大气传输信道和现有调制技术进行分析的基础上，提出了基于光信号偏振特性的旋光调制，即圆偏振位移键控（CPolSK），该调制利用圆偏振光的两种旋光状态来表示数字信号的两种数据状态。由于光束的偏振特性在大气传输中变化很小，因此该调制方式具有较高的可靠性。同时，由于圆偏振光具有旋转对称性，即使装载于相互转动的平台上，CPolSK系统仍然可以正常工作。这点非常适合用于飞机、气球等移动物体上的通信终端。
　　其次，从理论上分析对比了CPolSK调制与现有几种强度调制（包括OOK、PPM、DPPM、DPIM）在功率利用率、带宽利用率和误码率特性上的性能差异，研究结果证明，CPolSK具有最高的平均功率需求，同时具有最低的带宽需求和最低的误码率。考虑到当前激光器技术的成熟和通信领域对载波强度的限制，平均功率的高要求不会成为技术上的障碍；同时高带宽利用率和低误码率在无线通信领域尤为重要，因此CPolSK是一种先进的调制方式。
　　第三，利用软件OptiSystem对CPolSK调制系统进行了仿真模拟，结果表明，在相同参数条件下，CPolSK系统的误码率比OOK系统低约2个数量级，其眼图和波形图也明显优于OOK调制。
　　第四，利用相干性和偏振性统一理论，以高斯-谢尔（GSM）光束为模型，分析了部分相干光信号在自由空间和大气湍流中传输时的偏振变化。在较短距离内光信号的偏振参数在两种信道中均随距离增加而远离初始值，并趋于确定的稳定值。在自由空间中，光信号的偏振参数保持该稳定值，不再随距离变化；在大气湍流中，随传输距离进一步增加，光信号的偏振参数将重新返回到源平面内的初始值。
　　第五，在求解接收平面内光信号偏振度和偏振态的表达式的基础上，推导了部分相干部分偏振光束保持偏振特性传输不变的条件，得到了三组保持偏振不变的公式。前两组表示线偏振情况的GSM光束，第三组可以描述任意偏振态的GSM光束。三组传输不变条件同时适用于自由空间和大气湍流的傍轴传输情况。
　　最后，为了研究更为一般情况下的光传输，以GSM光束为模型分析了部分相干部分偏振光束在非傍轴情况下三维偏振度的变化情况。计算中利用3×3交叉谱密度矩阵来描述光场的矢量性，利用瑞利-索莫菲衍射积分求解光束的传输变换。结果显示：在傍轴区域，三维偏振度与二维偏振度变化趋势相同；在远离光束中心轴时，三维偏振度趋于确定的极限值，并且该极限值大小与传输距离和谱相关宽度取值无关。

目录

无线光通信中旋光调制技术及偏振传输理论的研究

STUDY ON THE CIRCLE POLARIZATION SHIFT KEYING AND THE THEORY OF POLARIZATION PROPAGATION IN WIRELESS OPTICAL COMMUNICATION

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 无线光通信技术研究与应用概况

1.2.2 偏振调制技术的研究与应用概况

1.2.3 部分偏振光大气传输研究概况

1.3 本文主要研究内容

第2章 无线光通信中的调制技术

2.1 无线光通信的传输信道

2.1.1 大气信道的组成

2.1.2 大气信道的衰减效应

2.1.3 大气信道的湍流效应

2.2 无线光通信中的强度调制技术

2.2.1 OOK调制

2.2.2 PPM调制

2.2.3 DPPM调制

2.2.4 DPIM调制

2.3 无线光通信中的偏振调制技术

2.4 本章小结

第3章 圆偏振位移键控调制技术

3.1 调制原理

3.1.1 PolSK调制原理

3.1.2 CPolSK调制的实现方式

3.2 CPolSK调制的优势

3.2.1 无需偏振轴对正

3.2.2 散射光强分布更均匀

3.3 性能分析

3.3.1 功率利用率

3.3.2 带宽利用率

3.3.3 误码率分析

3.4 仿真模拟

3.4.1 系统结构

3.4.2 性能分析

3.5 本章小结

第4章 傍轴部分相干光的传输

4.1 部分相干光的基本理论

4.1.1 空间-时间域

4.1.2 空间-频率域

4.1.3 高斯-谢尔模型(GSM)光束

4.2 相干性和偏振性统一理论

4.3 自由空间中GSM光束的偏振特性

4.3.1 理论分析

4.3.2 数值计算与分析

4.4 大气湍流中GSM光束的偏振特性

4.4.1 理论分析

4.4.2 数值计算与分析

4.5 GSM光束偏振性的传输不变条件

4.5.1 理论分析

4.5.2 数值模拟

4.6 本章小结

第5章 非傍轴传输部分相干光的偏振变化

5.1 非傍轴部分相干光的描述

5.2 非傍轴部分相干光束的传输

5.3 三维空间内的偏振度

5.4 非傍轴部分相干光束传输中的偏振度

5.4.1 理论分析

5.4.2 数值模拟

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其它成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历