大气激光通信中PPM偏振调制及其实验研究

摘要

大气激光通信以其传输码率高、安装方便、成本低、安全性好等诸多优点已成为当今信息技术的一大热门技术，其作用和地位已能和光纤通信、微波通信相提并论，是构筑未来世界范围通信网必不可少的一种技术。调制解调是大气激光通信的关键技术之一，已越来越受到人们的重视，对其研究用具有十分重要的意义。
　　本文将光脉冲位置调制(PPM)和偏振态调制有机结合，提出一种新的大气激光通信调制技术，该调制技术能减少大气信道对大气激光通信的影响，提高通信性能。本文设计了PPM偏振调制解调系统，并对其核心技术进行了详细的讨论，主要工作包括如下：
　　1．介绍了三种PPM调制方式的基本原理及数学模型，并比较这几种不同调制方式的性能；研究了大气信道对激光通信的影响，分析了基于PPM调制方式接收机的噪声，分别讨论在考虑加性噪声或者乘性噪声情况下，门限判决和角度解调对大气激光通信系统的影响，推导出这两种情况下的系统误码率公式，并基于MATLAB完成数值仿真：并对偏振激光的退偏特性进行了理论与仿真分析，完成PPM偏振调制信道容量计算。这些研究对PPM偏振调制系统提供了理论基础；
　　2．设计了PPM偏振调制／解调系统的实现方案，描述了偏振调制／解调系统结构，详细讨论了该系统的工作原理，同时对如何选择系统关键器件进行了论述。这些工作对PPM偏振调制系统实现奠定了坚实的基础；
　　3．基于FPGA技术，详细设计了PPM偏振调制解调系统，重点阐述了其关键技术，对系统每个模块都进行了详细的论述。选用Xilinx公司的Spartan-Ⅱ系列的FPGA芯片，采用Verilog硬件描述语言，实现了PPM偏振二维编码、AD采样控制、PPM偏振解调及与上位机通信等功能；
　　4．基于FPGA平台验证了PPM偏振调制解调系统功能的正确性，在此基础上搭建整个大气激光通信系统，包括光学系统和电路系统，完成系统调试与测试。
　　本文完成了大气激光通信的PPM偏振调制解调系统设计，实验结果表明：能完全实现大气激光无线通信，获得了良好的通信性能和较低的误码率。

目录

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1 绪论

1.1 大气激光通信概述

1.2 论文研究的背景及意义

1.3 大气激光通信国内外研究现状

1.4 论文的内容及结构安排

2 PPM调制基本原理及接收性能分析

2.1 PPM调制基本原理及数学模型

2.1.1 单脉冲位置调制(L-PPM)

2.1.2 差分脉冲位置调制(L-DPPM)

2.1.3 多脉冲位置调制(Muti-PPM)

2.1.4 三种脉冲位置调制的比较

2.2 大气激光通信系统信道影响及分析

2.2.1 大气信道对激光脉冲产生的影响

2.2.2 光电检测的噪声分析

2.2.3 大气激光通信系统的误码率分析

2.2.4 散射引起偏振激光退偏特性的分析

2.2.5 PPM信道容量分析

2.3 本章小结

3 PPM偏振调制解调系统结构及工作原理

3.1 PPM偏振调制解调系统结构

3.1.1 光PPM偏振调制解调理论依据

3.1.2 光PPM偏振调制解调系统方案

3.2 PPM偏振调制解调工作原理

3.2.1 光PPM偏振调制工作原理

3.2.2 光PPM偏振解调工作原理

3.3 PPM偏振调制解调系统关键器件选择

3.3.1 激光器件的选择

3.3.2 光电接收器件

3.3.3 偏振片选择

3.3.4 AD采样芯片

3.3.5 FPGA芯片

3.4 本章小结

4 PPM偏振调制系统设计

4.1 激光调制电路设计

4.2 PPM偏振编码核心处理单元设计

4.2.1 PPM偏振编码格式

4.2.2 角度调制

4.2.3 PPM编码流程

4.3 关键模块实现及仿真结果

4.3.1 PPM脉冲信号的实现

4.3.2 UART实现

4.3.3 异步FIFO实现

4.3.4 PPM编码的仿真结果

4.4 本章小结

5 PPM偏振解调系统设计

5.1 光电探测及放大电路设计

5.2 AD采样电路设计

5.3 PPM偏振解码核心单元设计

5.3.1 光偏振角度解调

5.3.2 PPM脉冲成形

5.3.3 同步头检测

5.3.4 PPM解码流程

5.4 关键模块实现及仿真结果

5.4.1 角度解调实现

5.4.2 脉冲成形实现

5.4.3 同步头检测的实现

5.4.4 数字锁相环结构及工作原理

5.4.5 PPM解码的实现

5.4.6 PPM偏振解码的仿真结果

5.5 本章小结

6 系统调试与实验结果

6.1 实验设备

6.2 实验方法及结果

6.2.1 实验过程

6.2.2 实验结果

6.3 本章小结

7 总结和展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献