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云计算-QAMFSO系统中DAML相位估计算法的应用研究.pdf
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云计算-QAMFSO系统中DAML相位估计算法的应用研究.pdf
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I
摘要
移动互联网时代的到来特别是大数据业务的迅速发展,在带宽、速率等方面对通信技术
提出了更为严苛的要求,自由空间光通信(FSO)因其多种优势正越来越受公众的关注。FSO
可以以更低的功率损耗支持更高速率的传输,同时不需要进行频谱认证。然而激光信号在经
过其通信信道传输时容易受到大气湍流以及各种天气状况的影响。与 IM/DD 系统相比,光相
干通信因为采用一定的调制技术所以受通信链路的影响较小,且其调制方式灵活。当前基于
PAM、PSK、DPSK 等调制方式的空间相干光通信系统的研究已经相当成熟。QAM 调制以其
更高的频谱效率,逐渐被研究者重视,对于 QAM/FSO 系统研究也越来越多。另外必须认识到
的是在自由空间光通信尤其是空间相干光通信系统中,大气湍流以及激光器相位噪声的影响
不容忽视。
首先,本文在深入分析大气湍流以及衰减效应的同时,建立了基于 QAM 调制的自由空间
光通信系统架构。且在不同大气信道模型下推导出了系统的信噪比以及误码率,并对两者之
间的关系进行了理论分析。并且将建立的基于 QAM 调制的 FSO 通信系统与基于 DPSK 调制
的 FSO 系统进行了性能比较,得到了两者之间的关系曲线。并由此说明了 QAM 调制技术的
引进增加了 FSO 通信系统的优势。
其次,考虑将已经成熟的 DSP 相位估计算法引入到所建立的基于 QAM 调制的 FSO 通信
系统中。提出将 DAML 算法应用到光相干 QAM 信号的相位估计中,分析了该算法原理;同
时探讨了 DAML 相位估计算法在大气湍流、激光器相位噪声下的误码性能。
最后,本文对前文提到的相位噪声对通信系统误码性能的影响进行了一系列蒙特卡洛仿
真。
关键词: 空间相干光通信,大气湍流,正交振幅调制 QAM,数据辅助最大似然判决
DAML,误码率
万方数据
II
Abstract
With the rapid development of the Internet and big data services, more and higher to the
requirement of the new communication technology in terms of bandwidth, rate and so on. FSO
communication with its various advantages is increasingly subject to public attention. FSO can
support higher information rate with lower power loss, and does not require spectrum certification.
However the laser signal was easily affected by atmospheric turbulence and various weather
conditions when it transmits through communication channel. Free space coherent optical
communication system was less affected by the communication link compared with IM/DD
communication system, and its modulation mode is flexible, the current research on the PAM, PSK,
and DPSK modulation based on space coherent optical communication system has been quite
mature. QAM modulation has been paid more attention by researchers because of its higher spectral
efficiency. In addition, the effects of phase noise on the performance of communication system
cannot be ignored.
Firstly, based on the analysis of atmospheric turbulence and attenuation. FSO communication
system model based on QAM modulation is established. The SNR and BER of the system are
derived under different atmospheric channel models, and the performance of the system is
simulated. The performance of FSO communication system based on QAM modulation and DPSK
modulation is compared.
Secondly, the mature DSP phase estimation algorithm is introduced into the FSO
communication system based on QAM modulation, According to the varying characteristics of
turbulent phase fluctuation and laser phase noise. The estimation performance of DAML signal
based on error rate formula was derived.
Finally, a series of Monte Carlo simulations are carried out to study the effect of the phase noise
on the BER performance of the communication system.
Key words: Space Coherent Optical Communication, Atmospheric Turbulence, QAM, DAML, BER
万方数据
III
目 录
专用术语注释表 ...................................................................................................................................................... V
第一章 绪论 ............................................................................................................................................................. 1
1.1 自由空间光通信系统概述 ........................................................................................................................ 1
1.1.1 空间相干光通信系统介绍 ............................................................................................................. 1
1.1.2 空间相干光通信技术研究意义...................................................................................................... 2
1.1.3 自由空间光通信的应用领域 ......................................................................................................... 2
1.2 空间相干光通信的研究现状 .................................................................................................................... 3
1.2.1 FSO 通信受大气状况影响的研究现状 .......................................................................................... 4
1.2.2 QAM 调制的空间相干光通信研究现状 ........................................................................................ 4
1.2.3 载波相位估计算法研究现状 ......................................................................................................... 5
1.3 主要研究内容与篇章结构 ........................................................................................................................ 5
1.3.1 研究背景与内容 ............................................................................................................................. 5
1.3.2 篇章结构 ......................................................................................................................................... 6
第二章 基于 QAM 调制的 FSO 系统关键技术 ..................................................................................................... 7
2.1 大气信道特性 ............................................................................................................................................ 7
2.1.1 大气的吸收与散射 ......................................................................................................................... 7
2.1.2 大气湍流效应 .................................................................................................................................. 8
2.1.3 不同天气大气信道衰减特性 .......................................................................................................... 9
2.2 QAM 调制技术研究 .............................................................................................................................. 13
2.2.1 QAM 调制的数学模型 .................................................................................................................. 13
2.2.2 QAM 调制的误码率分析 .............................................................................................................. 15
2.3 DAML 相位估计技术 ............................................................................................................................ 16
2.3.1 DAML 算法原理 ............................................................................................................................ 16
2.3.2 DAML 性能分析 ............................................................................................................................ 18
2.4 本章小结 .................................................................................................................................................. 19
第三章 基于 QAM 调制的空间相干光通信系统 ................................................................................................ 20
3.1 自由空间相干光通信系统模型 .............................................................................................................. 20
3.1.1 系统模型构建 ............................................................................................................................... 20
3.1.2 DPSK 调制的 FSO 通信系统数学模型 ........................................................................................ 21
3.1.3 QAM 调制的 FSO 通信系统数学模型 ......................................................................................... 23
3.2 不同湍流分布模型 .................................................................................................................................. 25
3.2.1 LN 湍流信道分布模型 .................................................................................................................. 25
3.2.2 Gamma-Gamma 湍流信道分布模型 ............................................................................................. 26
3.3 FSO 通信系统误码率分析 .................................................................................................................... 26
3.3.1 DPSK 调制系统的误码率 ............................................................................................................. 26
3.3.2 QAM 调制系统的误码率 .............................................................................................................. 28
3.4 系统性能对比 .......................................................................................................................................... 29
3.4.1 两种调制方式对比分析 ............................................................................................................... 29
3.4.2 两种调制方式的性能优劣 ........................................................................................................... 31
3.5 本章小结 .................................................................................................................................................. 32
第四章 DAML 算法在 QAM/FSO 系统中的研究 ............................................................................................... 33
4.1 DAML 在 QAM 调制的 FSO 系统中的实现 ....................................................................................... 33
4.1.1 DAML 相位估计的空间相干光通信系统结构 ............................................................................ 33
万方数据
IV
4.1.2 系统理论分析 ............................................................................................................................... 33
4.2 大气湍流条件下 DAML 算法对系统性能影响 ..................................................................................... 36
4.2.1 系统误码率分析 ........................................................................................................................... 37
4.2.2 大气湍流相位噪声的影响 ........................................................................................................... 38
4.2.3 激光器相位噪声的影响 ............................................................................................................... 42
4.3 M 进制的选择对 FSO 系统的影响 .......................................................................................................... 45
4.3.1 多进制 QAM 对 FSO 通信系统的限制 ....................................................................................... 45
4.3.2 DAML 在多进制下的应用分析 .................................................................................................... 46
4.4 本章小结 .................................................................................................................................................. 47
第五章 总结与展望 ............................................................................................................................................... 48
5.1 论文工作总结 .......................................................................................................................................... 48
5.2 展望 .......................................................................................................................................................... 48
参考文献 ................................................................................................................................................................. 50
附录 1 攻读硕士学位期间撰写的论文 ................................................................................................................ 53
致 谢 ....................................................................................................................................................................... 54
万方数据
南京邮电大学硕士研究生学位论文 专用术语注释表
V
专用术语注释表
缩略词说明:
FSO Free-Space Optical Communication 自由空间光通信
RF Radio Frequency 射频
IM/DD Intensity Modulation/Direct Detection 强度调制/直接检测
SNR Signal to Noise Ratio 信噪比
OOK On-and-Off Keying 开关键控
BER Bit Error Rate 误码率
ADC Analog to Digital Converter 模/数转换器
ATP Acquisition, Tracking and Pointing 瞄准与捕获跟踪
DAML Decision-Aided Maximum Likelihood 最大似然判决辅助
DQPSK Differential Quadrature Phase Shift Keying 差分正交相移键控
DSP Digital Signal Processor 数字信号处理
LO Local Oscillator 本地振荡
PD Photo diode 光电二极管
PDF Probability Distribution Function 概率密度分布函数
DDT Dynamic Detection Threshold 动态判决门限
AWGN Additive White Gaussian Noise 加性高斯白噪声
OBPF Optical Band Pass Filter 光带通滤波器
BR Baud Rate 波特率
MPSK Multiple Phase Shift Keying 多进制相移键控
QAM Quadrature Amplitude modulation 正交振幅调制
PPM Pulse Position Modulation 脉冲位置调制
LN Log-Normal Distribution Model 对数正态分布
MC Monte Carlo 蒙特-卡洛仿真
WDM Wavelength Division Multiplex 密集波分复用
PDM Polarization Division Multiplexing 偏振复用
万方数据
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