无线光副载波调制相位噪声特性及补偿技术研究

摘要

无线光通信(Wireless Optical Communication,WOC)是以激光束作为光载波，在自由空间传输信息的无线宽带通信技术。无线光通信中副载波调制可以有效的抑制大气湍流效应，但是系统接收端电解调模块中的相位噪声会导致系统性能劣化。研究无线光副载波多进制相移键控系统在湍流信道下受相位噪声影响的系统性能，为相位噪声估计与补偿提供了一定的理论依据。 本文的主要内容包括： 1.基于Tikhonov分布相位噪声模型，结合第一类贝塞尔函数性质推导了该模型概率密度函数的傅里叶级数表达式。在不同的相位噪声偏差下，分析对比了Tikhonov相位噪声概率密度函数曲线与高斯分布概率密度函数曲线的特性。 2.依据Born扰动理论，重点研究了Malaga大气湍流信道，给出了采用Malaga大气湍流概率密度函数表征Rice-Nakagami、Lognonmal分布、双Gamma分布和K分布湍流信道时的参数设置，仿真对比了Malaga天气湍流信道从K分布过渡到双Gamma分布时光强概率密度函数的变化曲线。 3.结合傅里叶级数及MeijerG函数性质，获得Malaga湍流模型瞬时信噪比的概率密度函数，在Malaga湍流信道下推导了无线光副载波调制系统接收信号相位的傅里叶级数以及相位噪声影响下多进制相移键控(Multi-ary phase shift keying，MPSK)调制系统误符号率渐近表达式，分析了在不同调制阶数和光强起伏方差下相位噪声对系统误符号率的影响。推导了Tikhonov分布相位噪声模型的截断误差表达式，以及无线光副载波MPSK调制系统误符号率的截断误差表达式，分析了截断项数对无线光副载波调制系统误符号率的影响。 4.研究了基于卡尔曼滤波和扩展卡尔曼滤波的副载波正交相移键控(Quadrature phase shift keying，QPSK)调制系统相位噪声估计和补偿技术。在Lognormal大气湍流信道下，给出了接收端卡尔曼滤波和扩展卡尔曼滤波对相位噪声估计和补偿的算法流程。通过仿对采用两种滤波算法进行相位估计和补偿后的系统性能进行了对比分析。 研究结果表明：当相位噪声较小时，无线光副载波MPSK调制系统误符号率随着光强起伏方差增大而增大，相位噪声较大时，误符号率平层的出现受调制阶数的影响大于受湍流强度的影响，且随着调制阶数的升高，平层出现时所对应的平均电信噪比越低。最后，在湍流信道下使用卡尔曼和扩展卡尔曼滤波算法均能使受相位噪声影响而偏移的QPSK星座图中的相位点回到它们原本所处的判决区域内，补偿相位噪声带来的影响。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外发展现状

1.2.1 无线光通信发展现状

1.2.2 副载波强度调制发展现状

1.2.3 相位噪声估计及补偿技术发展现状

1.3 本文的主要工作和内容安排

2 相位噪声及其统计模型

2.1 相位噪声概述

2.2 光通信系统相位噪声模型

2.2.1 光器件的相位噪声

2.2.2 大气湍流引起的相位噪声

2.2.3 电解调模块的相位噪声

2.3本章小结

3大气对无线光通信的影响

3.1 大气吸收

3.2 大气散射

3.2.1 瑞利散射

3.2.2 米氏散射

3.3 大气湍流

3.3.1 光强起伏

3.3.2 光束漂移

3.3.3 光束扩展

3.4 Malaga大气湍流信道

3.4.1 Born扰动理论

3.4.2 Malaga大气湍流信道概率密度函数

3.4.3 Lognormal分布湍流信道模型

3.4.4 K分布湍流信道模型

3.4.5 双Gamma分布湍流信道模型

3.5 本章小结

4副载波调制系统相位噪声分析及性能影响

4.1 无线光通信强度调制技术

4.1.1 数字调制(1) 开关键控

4.1.2 副载波强度调制

4.2 Malaga大气湍流与相位噪声下系统差错性能

4.2.1 系统模型

4.2.2湍流信道下接收信号相位的傅里叶级数表达式

4.2.3 系统误符号率性能

4.3 系统误符号率性能分析

4.3.1大气湍流和相位噪声对无线光QPSK调制星座图影响

4.3.2误符号率性能分析

4.4 截断误差分析

4.4.1 相位噪声的截断误差

4.4.2 系统误符号率的截断误差

4.5 本章小结

5 相位噪声估计及其补偿技术研究

5.1 相位噪声估计原理

5.1.1 卡尔曼滤波

5.1.2 扩展卡尔曼滤波

5.2 相位噪声估计与补偿

5.2.1 相位噪声的卡尔曼估计

5.2.2 相位噪声的扩展卡尔曼估计

5.3 仿真结果与性能分析

5.3.1 相位噪声估计偏差

5.3.2 相位噪声补偿后无线光副载波QPSK系统星座图

5.3.3 过程噪声对相位噪声估计补偿算法的影响

5.3.4 相位噪声补偿后无线光副载波QPSK系统误码性能

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间主要研究成果