無(wú)線光通信中旋光調(diào)制技術(shù)及偏振傳輸理論的研究.pdf

1、隨著科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的性能提出了越來(lái)越高的要求。高傳輸速率、高保密性和高靈活性的通信網(wǎng)絡(luò)，不僅可以使人們的工作和生活更加便利，同時(shí)也是鞏固國(guó)防、增強(qiáng)軍事實(shí)力的需要，還是搶險(xiǎn)救災(zāi)不可或缺的技術(shù)保障?，F(xiàn)有的光纖通信技術(shù)和微波通信技術(shù)由于成本高、鋪設(shè)周期長(zhǎng)或載波帶寬限制等因素，越來(lái)越難以滿(mǎn)足人們不斷增長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)需求，急需發(fā)展新的通信技術(shù)。
　　無(wú)線光通信（FSO）技術(shù)是光纖通信技術(shù)與微波通信技術(shù)的結(jié)合，同時(shí)具備光纖通信的高

2、傳輸速率和微波通信的靈活接入等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)可以應(yīng)用于衛(wèi)星光通信、局域網(wǎng)高速連接、最后一公里接入、臨時(shí)通信鏈路搭建等場(chǎng)所以彌補(bǔ)目前通信技術(shù)的不足。然而無(wú)線光通信系統(tǒng)的信號(hào)在開(kāi)放的鏈路中傳輸，這勢(shì)必導(dǎo)致系統(tǒng)性能受周?chē)h(huán)境影響較大。在近地面的FSO系統(tǒng)中，大氣湍流的存在會(huì)引起接收機(jī)處光強(qiáng)閃爍，導(dǎo)致系統(tǒng)誤碼率的升高，這限制了FSO技術(shù)的推廣應(yīng)用。
　　為了提高FSO系統(tǒng)的可靠性，本文從基本的調(diào)制方式出發(fā)，提出了基于光信號(hào)偏振態(tài)的旋光調(diào)制技

3、術(shù)，并對(duì)光信號(hào)傳輸中的偏振變化進(jìn)行了深入的研究，提供了一種低成本、高可靠性和機(jī)動(dòng)靈活的FSO系統(tǒng)方案。具體的研究?jī)?nèi)容如下：
　　首先，在對(duì)大氣傳輸信道和現(xiàn)有調(diào)制技術(shù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了基于光信號(hào)偏振特性的旋光調(diào)制，即圓偏振位移鍵控（CPolSK），該調(diào)制利用圓偏振光的兩種旋光狀態(tài)來(lái)表示數(shù)字信號(hào)的兩種數(shù)據(jù)狀態(tài)。由于光束的偏振特性在大氣傳輸中變化很小，因此該調(diào)制方式具有較高的可靠性。同時(shí)，由于圓偏振光具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性，即使裝載于相互

4、轉(zhuǎn)動(dòng)的平臺(tái)上，CPolSK系統(tǒng)仍然可以正常工作。這點(diǎn)非常適合用于飛機(jī)、氣球等移動(dòng)物體上的通信終端。
　　其次，從理論上分析對(duì)比了CPolSK調(diào)制與現(xiàn)有幾種強(qiáng)度調(diào)制（包括OOK、PPM、DPPM、DPIM）在功率利用率、帶寬利用率和誤碼率特性上的性能差異，研究結(jié)果證明，CPolSK具有最高的平均功率需求，同時(shí)具有最低的帶寬需求和最低的誤碼率?？紤]到當(dāng)前激光器技術(shù)的成熟和通信領(lǐng)域?qū)d波強(qiáng)度的限制，平均功率的高要求不會(huì)成為技術(shù)上的障礙；

5、同時(shí)高帶寬利用率和低誤碼率在無(wú)線通信領(lǐng)域尤為重要，因此CPolSK是一種先進(jìn)的調(diào)制方式。
　　第三，利用軟件OptiSystem對(duì)CPolSK調(diào)制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真模擬，結(jié)果表明，在相同參數(shù)條件下，CPolSK系統(tǒng)的誤碼率比OOK系統(tǒng)低約2個(gè)數(shù)量級(jí)，其眼圖和波形圖也明顯優(yōu)于OOK調(diào)制。
　　第四，利用相干性和偏振性統(tǒng)一理論，以高斯-謝爾（GSM）光束為模型，分析了部分相干光信號(hào)在自由空間和大氣湍流中傳輸時(shí)的偏振變化。在較短距離內(nèi)

6、光信號(hào)的偏振參數(shù)在兩種信道中均隨距離增加而遠(yuǎn)離初始值，并趨于確定的穩(wěn)定值。在自由空間中，光信號(hào)的偏振參數(shù)保持該穩(wěn)定值，不再隨距離變化；在大氣湍流中，隨傳輸距離進(jìn)一步增加，光信號(hào)的偏振參數(shù)將重新返回到源平面內(nèi)的初始值。
　　第五，在求解接收平面內(nèi)光信號(hào)偏振度和偏振態(tài)的表達(dá)式的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了部分相干部分偏振光束保持偏振特性傳輸不變的條件，得到了三組保持偏振不變的公式。前兩組表示線偏振情況的GSM光束，第三組可以描述任意偏振態(tài)的GSM光

7、束。三組傳輸不變條件同時(shí)適用于自由空間和大氣湍流的傍軸傳輸情況。
　　最后，為了研究更為一般情況下的光傳輸，以GSM光束為模型分析了部分相干部分偏振光束在非傍軸情況下三維偏振度的變化情況。計(jì)算中利用3×3交叉譜密度矩陣來(lái)描述光場(chǎng)的矢量性，利用瑞利-索莫菲衍射積分求解光束的傳輸變換。結(jié)果顯示：在傍軸區(qū)域，三維偏振度與二維偏振度變化趨勢(shì)相同；在遠(yuǎn)離光束中心軸時(shí)，三維偏振度趨于確定的極限值，并且該極限值大小與傳輸距離和譜相關(guān)寬度取值無(wú)關(guān)