| 题名 | 适合于强度调制/直接检测的QAM/QPSK调制方案 |
| 作者 | Kibe Lynette Wanjeri |
| 答辩日期 | 2017 |
| 导师 | 王惠琴 |
| 关键词 | 无线光通信系统 强度调制/直接检测 正交幅度调制 正交相移键控 |
| 学位名称 | 硕士 |
| 英文摘要 | 自由空间光通信是以激光作为信息传输的载体,能够实现高速率数据传输的一种新兴的无线通信方式。具有宽带、高速、低成本、通信安全保密、无需频率许可等优点。它的使用可以减少新的通信网络的建设投资,使工程造价大幅下降,也可以作为光纤通信和微波通信的紧急后备措施,还可用于数据网、电话网、移动通信网和视频传输及不便铺设光缆的地区,被认为是解决“最后一公里”问题的最佳方案,同时,也可用于军事通信或其他要害部门及需要严格保密的场合等,具有广泛的市场应用前景。近年来,随着半导体激光器和光电探测器技术的不断发展,空间光通信越来越引起了人们关注,但自由空间光通信也面临着挑战,主要表现在:(1)由于大气对光信号的吸收和散射会产生大气衰减,即使在晴朗天空也会存在衰减;(2)大气的湍流运动会引起光斑的漂移和闪烁。特别是在强湍流情况下,光信号受到严重干扰甚至脱靶,造成较大的误码率和短时间通信中断,严重影响激光通信的稳定性和可靠性;(3)在实际使用中,虽然光载波的频率很高,光通信系统的信号带宽可以超过1THz。但由于光色散或电子器件速度的限制,传输速率常常被限制到10Gb/s或者更低;(4)实现高精度的捕获、跟踪和瞄准(ATP)技术存在一定的困难。尤其是窄光束实现高精度的捕获、跟踪和瞄准难度更大;(5)考虑到对人眼安全的影响,发射天线提供的光功率受限。面对自由空间光通信中存在的问题,人们采用不同的措施来解决。目前,常采用的技术主要有波分复用(WDM)、偏振复用(PDM)、成像通信、多输入多输出传输(MIMO)、高码率调制技术、更高阶的调制技术(如多进制PPM和MPPM等)和更优良的信道编码方法(如TURBO码、LDPC码等)等。相对于MIMO技术而言,其它几种技术虽然也能提高传输速率,但它们不能有效抑制湍流效应,也不能降低系统跟踪高精度的要求。另外,通过采用更高阶的调制技术和更优良的信道编码方法来提高系统的信道容量时,只能是逼近现有的单输入单输出系统(Single Input Single Output,SISO)的信道容量,但单输入单输出系统的信道容量毕竟也是受限的。而多输入多输出技术(MIMO)是通过同时获得发送和接收分集增益来获得更高的频谱利用率,进而提高通信系统的信道容量,并且不会给系统增加额外的负担。综合考虑各种影响因素,在自由空间光通信中,采用MIMO技术不仅可以在不额外占用频谱资源和发送功率的情况下,成倍提高现有系统的信道容量,而且能有效抑制湍流效应。在目前的半导体器件技术和精密光学元器件发展技术水平下,MIMO技术是解决自由空间光通信面临问题的良好措施。在相同发射功率和传输带宽下,采用空间分集技术的MIMO系统较SISO系统的信道容量大大提高,有时甚至高达几十倍。而这些增加的信道容量既可以用来提高信息传输速率,也可以通过增加冗余来提高通信系统的可靠性,或者在二者之间取得一个合理的折衷。MIMO技术的思想起源于RF通信,它由于既能提高通信系统的信道容量又能抑制无线衰落而被广泛研究,并取得了丰硕的成果。鉴于此,人们将MIMO的思想也引入自由空间光通信用于解决光通信中存在的问题。早期有关光MIMO技术的研究,主要是将分集技术和强度调制相结合而展开。目前常见的强度调制方式主要有开关键空调制(OOK)和脉冲位置调制(PPM)等。OOK调制是载波振幅随着数字基带信号(数字基带信号为二进制)而变化的一种数字调制技术。它通过在每一比特间隔内使光源脉冲开或关来完成对每个比特信息的发送。它是调制光信号最基本的形式,具有结构简单和所需带宽较小优点,但这种调制方式所需的平均发射功率高,误码率较大。这就导致该方式不仅抗干扰能力差,而且传输效率也低。尤其在背景光比较强时,或者进行高速率通信时无法满足传输的要求,甚至通信无法正常进行。PPM调制是一种利用激光脉冲位置的不同来表示信息的一种调制方式,是一种正交的调制方式。PPM调制有效地提高OOK的功率效率,够满足高速率的通信。但是以增加的带宽需求和更大的复杂性为代价。PPM方案的最大缺点是通过增加更大的星座大小提高功率效率来降低带宽效率。在非视距传输中,由于多径引起的码间串扰,PPM在高数据速率下效果较差。这些调制方式虽然具有实现简单,体积小,重量轻等优点。然而,它们具有低的调制效率。为了有效解决该问题,高阶调制方式(如正交幅度调制,QAM;正交相移键控,QPSK)应用而生。正交幅度调制(QAM)是一种使用幅移键控(ASK)的数字调制方式,它通过调制正交载波的两个不同相位的振幅来传送两个信号。通过设置合适的星座大小,QAM实现了高频谱效率。正交相移键控(QPSK)是PSK调制的变体之一。它在星座图上使用四个不同的点,围绕一个圆圈等距地表示数据位。星座点帮助QPSK在表示数据时对每个符号进行两位编码。QAM/PSK调制方式具有较高的调制效率,因此人们探求将其应用于大气激光通信领域。虽然在大气激光通信中可以采用相干检测法,但相干检测法要求接收机本地振荡器的激光频率和发射端激光的频率完全一致,而且需非常稳定,稳定度至少达到10-11。这使其实用化受到了限制,因此,直接检测仍是一种可采用的光电检测方法。但由于QAM/PSK调制方式均采用了相位来表示信息,这就导致这些调制方式中存在复数和负数信号。而复数和负数信号是无法用光强来表示的,因此,本文针对QAM/PSK调制研究适合于强度调制/直接检测(IM/DD)方式的传输方案。主要研究工作如下:1、详细阐述了课题的研究背景和意义,分析了无线光通信及其调制技术的研究现状,指出了本文的研究方向。多输入多输出(MIMO)QAM/QPSK方案可以通过获得发射和接收分集增益来实现更高的频谱效率,从而在不额外增加系统带宽的情况下增加通信系统的信道容量。该方案还可以抑制大气湍流引起的闪烁效应,从而提高系统性能。2、给出了无线光通信系统的基本框架,并对其主要组成部分进行了介绍。同时,对大气信道中存在的湍流、散射等效应进行描述,简要介绍了无线光通信中存在的各种噪声,如散弹噪声、背景噪声、热噪声等。3、对无线光通信中常见调制技术(诸如OOK、PPM、QPSK、QAM)及其基本理论进行了详细介绍,并且讨论了它们的误码率性能,为下一步工作奠定了基础。强度调制方式(OOK,PPM等)虽然实现简单,但它们的调制效率比较低。高阶调制方式(QAM、QPSK等)具有较高的调制效率,从而被引入到无线光通信解决上述调制方式效率低的问题。4、针对QAM/PSK调制中存在复数和负数信号无法直接在IM/DD链路中传输的问题,利用快速傅里叶逆变换(IFFT)的对称性和加入直流分量的方法,提出了一种基于直流分量的QAM/PSK调制方案,并采用仿真实验分析了其误码性能。结果表明:基于直流分量的QAM/PSK调制方案有效地将负数与复数信号转化为了正实数信号,同时提高了数据的传输效率,而且能够有效抵御大气湍流所产生的闪烁效应,其性能随天线数的增加而得到明显的改善。虽然直流分量的QAM/PSK调制方案可以有效地解决QAM/PSK调制不能直接用于IM/DD调制的问题,但其光功率利用率较低。为此,本文改变信号的映射方式使得IFFT输出的实数信号具有奇谐对称性,并结合限幅技术削去负数信号,而提出一种适合于IM/DD调制的非对称限幅QAM/PSK调制方案,并与基于直流分量的QAM/PSK调制方案进行了性能对比。结果表明:非对称限幅QAM/PSK调制方案同样实现了负数与复数信号的转化,而且提高数据的传输效率,能够有效抵御大气湍流所产生的闪烁效应。在系统总功率不变的情况下,本方案的误码性能明显优于直流分量的QAM/PSK调制方案的性能。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 68 |
| URL标识 | 查看原文 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.lut.edu.cn/handle/2XXMBERH/92724]  |
| 专题 | 兰州理工大学 |
| 作者单位 | 兰州理工大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | Kibe Lynette Wanjeri. 适合于强度调制/直接检测的QAM/QPSK调制方案[D]. 2017. |
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