（电路与系统专业论文）基于圆偏振移位键控调制的星地激光通信链路仿真研究.pdf

u l i ii l l l1 1 1 1 1 1i llu l li il y 2 12 5 4 7 5 u n i v e r s i t yo f sc i e n c ea n d t e c h n o l o g y o fc h i n a ad i s s e r t a t i o nf o rm a s t e r ，sd e g r e e r e s e a r c ho ft h es i m u l a t i o n f o r s a t e l l i t e - - t o - g r o u n dl a s e r c0 mmuic a t i ) nlikilsi gci-len c a t0nnkusncr c l e p o l a r i z a t i o ns h i f tk e y i n g m o d u l a t i o n a u 坊o r sn a m e ：r i z h a ol i n s p e c i a l i t y ：s y s t e ma n ds i m u l a t i o n s u p e r v i s o r ：p r o f z h o n g q i a nf u f i n i s h e dt i m e ： m a y9 m ，2 0 12 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：幽签字日期：塑垒：，声9 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中国学 位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 曰：公开口保密( 年) 作者签名： 料日列 签字日期：丝! 兰：兰：至! 导师签名： 签字日期：衄垒：! 兰立 摘要 摘要 相对于微波通信，激光通信具有数据率高、容量大、终端体积小、重量轻、 功耗低、抗电磁干扰和保密性好等优点，因而星地激光通信是今后星地间大容量 保密通信最具竞争力的可选方案之一。由于大气因素，尤其是大气湍流，造成了 光束漂移、扩展和闪烁等现象，严重破坏了光束传输质量，降低通信系统的可靠 性。为此，诸如孔径平滑、多孔径发射、自适应光学、波长分集技术等方案被应 用于降低湍流的影响，但这些方案在系统复杂性、成本等方面存在一些问题。因 此，可靠性高、成本低的方案成为迫切需求。 光在大气传输时，偏振态是最稳定的特性之一。利用这个特性，国内外学者 以偏振态作为调制参数，进行了基于偏振移位键控调制的近地面自由空间光通信 研究。本文以星地激光通信为背景，提出一种圆偏振移位键控( c i r c l ep o l a r i z a t i o n s h i f tk e y i n g c p o l s k ) 调制方案，并通过仿真手段分析星地激光通信c p o l s k 调 制的误码率优势。本文主要工作如下： 首先，以圆偏振基模高斯光为通信光束模型，分析它在湍流大气传输时的偏 振态退偏特性。在理论分析偏振态退偏时，结合m a x w e l l 波动方程和v o nk a r m a n 大气折射率起伏功率谱密度函数，推导了偏振度的退偏均值计算公式，并分析了 偏振角的退偏情况。最后，数值模拟了具体链路条件下偏振度的退偏均值与湍流 因素的关系。 其次，在偏振态退偏和线偏振移位键控调制技术的基础上，提出一种c p o l s k 调制方案。该调制是一种数字二进制调制，在发射端分别将信息“0 ”和“1 ”调 制到左、右旋圆偏振光上，在接收端检测圆偏振光的斯托克斯矢量的参量s ， 从而解调出所传输的信息。误码率作为通信系统最重要的指标之一，文中结合实 际星地激光通信必须考虑的各种损耗和湍流效应，推导了上、下行链路的误码率 计算公式。 最后，设计了基于v i s u a ls t d i o2 0 0 5 平台的c p o l s k 调制误码率仿真系统。 结合具体的链路条件，仿真分析了近地面折射率结构常数、地面风速、通信天顶 角、湍流内尺度、外尺度五个大气湍流因素影响下c p o l s k 调制的误码率性能。 实验数据表明：相对于开关键控( o n o f fk e y i n g ，o o k ) 调制，c p o l s k 调制具 有低误码率优势，为c p o l s k 调制的实际应用提供了指导意见。 关键词：星地激光通信圆偏振态偏振移位键控退偏大气湍流误码率 摘要 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e r e & r es o m ea d v a n t a g e sf o rt h el a s e rc o m m u n i c a t i o nc o m p a r e st ot h e m i c r o w a v ec o m m u n i c a t i o n ，s u c ha sh i g hd a t ar a t e ，l a r g ec a p a c i t y , s m a l la n dl i g h t t e r m i n a l ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，a n t i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n de x c e l l e n t s e c u r i t y , e t c t h u s ，i ti so n e o ft h em o s tc o m p e t i t i v eo p t i o n sf o rt h eh i g h - c a p a c i t ya n d s e c u r ec o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nt h es a t e l l i t ea n dt h eg r o u n ds t a t i o ni nt h ef u t u r e d u e t ot h ea t m o s p h e r e ，e s p e c i a l l yt h ea t m o s p h e r i ct u r b u l e n c e ，c a u s e i n gt h eb e a mw a n d e r , t h eb e a ms p r e a d i n g ，t h es c i n t i l l a t i o na n de t c ，w h i c hs e r i o u s l yd a m a g et h eb e a m q u a l i t ya n dr e d u c et h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h e r e f o r e , s o m e m e a s u r e sa r et a k e nt or e d u c et h ee f f e c t so ft h ea t m o s p h e r i ct u r b u l e n c e ，s u c ha s a p e r t u r ea v e r a g i n g ，m u l t i a p e r t u r el a u n c h i n g ，a d a p t i v eo p t i c s ，w a v el e n g t hd i v e r s i t y t e c h n i q u e sa n ds oo n h o w e v e r , t h e s e m e a s u r e sh a v es o m ed i s a d v a n t a g eo nt h e s y s t e mc o m p l e x i t i e sa n dt h ec o s t ，e c t t h e r e f o r e ，t h eh i g hr e l i a b i l i t ya n dl o w _ c o s t s o l u t i o n sa r et h eu r g e n tn e e d s t h ep o l a r i z a t i o ns t a t ei so n eo ft h em o s ts t a b l ec h a r a c t e r i s t i c so fl i g h tw h i l ei t p r o p a g a t e si nt h ea t m o s p h e r e r e s e a r c h e r sa th o m ea n da b r o a dh a v e t r i e dt oe m p l o y t h ep o l a r i z a t i o ns h i f t k e y i n gt e c h n o l o g y t ot h en e a r - g r o u n df r e e 。s p a c e o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n ，w h i c hm a k e su s eo ft h ep o l a r i z a t i o ns t a t eo fl i g h ta st h em o d u l a t i o n p a r a m e t e r s t h i sp a p e rp r o p o s e d ac i r c l e p o l a r i z a t i o n s h i f tk e y i n g ( c p o l s k ) m o d u l a t i o nt e c h n i q u ef o rm es a t e l l i t et og r o u n dl a s e rc o m m u n i c a t i o n s i m u l a t i o n s w e r em a d et oa n a l y z eo fi t sb i te r r o rr a t ep e r f o r m a n c e t h em a i nc o n t e n t so ft h i s p a p e rw e r e a sf o l l o w s ： f i r s t l y , i tt o o kt h ec i r c u l a rp o l a r i z e df u n d a m e n t a lm o d eg a u s s i a nb e a ma st h e l i g h tm o d e la n da n a l y z e do fi t sd e p o l a r i z a t i o nw h i l ep r o p a g a t i n gi n t h et u r b u l e n t a t m o s p h e r e i na n a l y z i n go ft h ed e p o l a r i z a t i o n ，t h em a x w e l lw a v ee q u a t i o na n dt h e v o nk a r m a np o w e rs p e c t r a ld e n s i t yw e r eu s e dt od e r i v em et l l em e a nd e p o l a r i z a t i o n o ft h ep o l a r i z a t i o nd e g r e e ，a n dt h ed e p o l a r i z a t i o no ft h ep o l a r i z a t i o na n g l ew a sa l s o c o n s i d e r e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n su n d e rs p e c i f i cc o n d i t i o n sw e r em a d et of i n do u t t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em e a nd e p o l a r i z a t i o no ft h ep o l a r i z a t i o nd e g r e ea n dt h e t u r b u l e n c e f a c t o r s s e c o n d l y ，t h ec p o l s km o d u l a t i o nt e c h n i q u ew a sp r o p o s e db a s e s d o nt h e d e p o l a r i z a t i o nk n o w l e d g ea n d t h el i n e a r p o l a r i z a t i o n s h i f t k e y i n gm o d u l a t i o n t e c h n i q u e t h e 缸c p o l s km o d u l a t i o nw a sad i g i t a lb i n a r ym o d u l a t i o n ，i tu s e dt h e t i t a b s t r a c t l e f to rr i g h tc i r c u l a rp o l a r i z e dl i g h to nb e h a l fo ft h ei n f o r m a t i o n ”0 ”o r ”1 ”a tt h e t r a n s m i t t e ra n dd e t e c t e dt h ep a r a m e t e rs 3o ft h es t o k e s v e c t o ro ft h ec i r c u l a rp o l a r i z e d l i g h tt od e m o d u l a t et h et r a n s m i t t e di n f o r m a t i o n sa tt h er e c e i v e r t h eb i te r r o rr a t e p e r f o r m a n c ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti n d i c a t o r so fac o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， t h e r e f o r et h eb i te r r o rr a t ef o r m u l a sf o rt h eu p l i n ka n dd o w nl i n kw e r ed e r i v e db y t a k i n gi n t oa c c o u n to ft h ev a r i o u sl o s s e sa n dt u r b u l e n c ee f f e c t ss u f f e rf r o mt h ea c t u a l s a t e l l i t et og r o u n dl a s e rc o m m u n i c a t i o n f i n a l l y , ac p o l s km o d u l a t i o nb i te r r o rr a t es i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do nt h e v i s u a ls t d i o2 0 0 5p l a t f o r mw a sd e s i g n t h e n ，t h es i m u l a t i o nw e r em a d et oa n a l y z e d o ft h eb i te r r o rr a t ep e r f o r m a n c eo ft h ec p o l s km o d u l a t i o nu n d e rf i v et u r b u l e n c e f a c t o r s ，w h i c hw e r et h en e a r - g r o u n dr e f r a c t i v ei n d e xs t r u c t u r ec o n s t a n t ，t h eg r o u n d w i n ds p e e d ，t h ez e n i t h a n g l e ，t h e t u r b u l e n c ei n n e rs c a l ea n do u t e rs c a l e t h e s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h ec p o l s km o d u l a t i o nh a db e t t e rb i te r r o rr a t e p e r f o r m a n c ec o m p a r e dt ot h eo o km o d u l a t i o n i tc o u l dp r o v i d eg u i d a n c ef o rt h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o no f t h ec p o l s km o d u l a t i o n k e yw o r d s ：s a t e l l i t et og r o u n dl a s e rc o m m u n i c a t i o n ，c i r c u l a rp o l a r i z a t i o ns t a t e ， p o l a r i z a t i o ns h i f tk e y i n g , d e p o l a r i z a t i o n ，a t m o s p h e r i ct u r b u l e n c e ，b i te r r o rr a t e i v 目录 目录 摘要- i a b s t r a c t i i i 目录v 第一章绪论1 1 1 课题研究背景和意义1 1 2 国内外研究现状3 1 3 课题研究内容与论文结构安排4 1 3 1 研究内容4 1 3 2 内容安排5 第二章基本概念介绍7 2 1 大气基本概念7 2 1 1 大气衰减7 2 1 1 1 大气吸收7 2 1 1 2 大气散射9 2 1 2 湍流效应9 2 1 2 1 大气湍流与折射率起伏9 2 1 2 2 光束漂移1 1 2 1 2 3 光束扩展1 l 2 1 2 4 光强闪烁1 2 2 2 偏振光学基本概念1 4 2 2 1 偏振光及偏振态1 4 2 2 2 偏振光的描述1 5 2 2 2 1 琼斯矢量法1 5 2 2 2 2斯托克斯矢量法1 6 2 2 3 偏振度1 6 2 3 本章小结一1 7 v 目录 第三章湍流大气传输中的偏振态退偏1 9 3 1 偏振态退偏分析背景1 9 3 2 圆偏振基模高斯光模型2 0 3 。3 偏振态退偏分析2 1 3 2 1 偏振度退偏2 2 3 2 2 偏振角退偏2 8 3 4 数值模拟2 9 3 5 本章小结3 2 第四章圆偏振移位键控调制系统3 5 4 1 调制与解调原理简述3 5 4 2 调制系统的实现3 6 4 2 1 发射端模型3 6 4 2 2 接收端模型3 8 4 3 误码率性能分析4 1 4 3 1 下行链路误码率4 3 4 3 2 上行链路误码率4 4 4 4 本章小结4 5 第五章仿真系统设计与数值模拟4 7 5 1 仿真系统设计4 7 5 1 i 仿真系统框架4 8 5 。1 2 仿真总体流程4 8 5 1 3 模块功能和接口4 9 5 i 3 i 系统误码率计算模块4 9 5 i 3 2 接收功率计算模块4 9 5 1 3 3 空间损耗分析模块5 0 5 1 3 4 瞄准偏差分析模块5 l 5 1 3 5 大气衰减分析模块5 l 5 1 3 6 退偏分析模块5 2 5 1 3 7 中间参数计算模块5 3 5 2 数值模拟5 4 5 2 1 仿真参数5 5 v t 目录 5 2 2 下行链路仿真结果与分析5 6 5 2 2 1 湍流起伏强弱下的误码率对比5 6 5 2 2 2 湍流因素对误码率的影响：5 6 5 2 3 上行链路仿真结果与分析6 0 5 2 3 1 湍流起伏强弱下的误码率对比6 0 5 2 3 2 湍流因素对误码率的影响6 1 5 3 本章小结6 4 第六章总结与展望6 7 6 1 总结6 7 6 2 展望6 8 参考文献6 9 致谢7 7 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果7 9 v i i 目录 第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义 第一章绪论 随着经济社会和科学技术的发展，信息量急剧增长。人们要求通信的容量更 大、业务种类更广，通信质量更高，这在大容量星地信息传输技术方面表现得尤 为紧迫。由于当前星地信息传输技术主要是卫星微波通信技术，而其受限于频带 宽度、卫星的重量、体积、功耗和成本等因素，因而卫星微波通信在扩展通信容 量、提高传输速率等方面面临一些问题。而激光通信具有容量大、数据率高等优 点【1 。3 】，它是今后星地之间进行大容量保密通信最具竞争力的可选方案之一 4 1 。 星地激光通信是一种以激光束作为信息载体实现地面站与卫星之间的光通 信技术。相对于卫星微波通信，激光通信具有以下优点：( 1 ) 激光光波频率比微 波频率高好几个数量级，带宽达到t h z 5 1 ，数据传输速率可达到5 6 g b i t s e 3 】；( 2 ) 激光通信使用小口径发射天线就可以获得很高的增益，在很大程度上降低了发射 功率的要求【6 】；( 3 ) 激光光束通常非常窄，因此安全性比较好；( 4 ) 激光通信系统 的终端重量轻、体积小、功耗低，节约发射成本【_ 7 】；( 5 ) 抗电磁干扰，不需要无 线电频率使用许可，保密性强【8 】。因此，星地激光通信技术已经成为当前的一个 热门研究方向，受到世界各国和各地区的重视。 由于大气层的存在，激光束在大气信道中传输时，激光束要受到大气吸收、 衰减作用，特别是大气湍流效应。由大气湍流造成的光束扩展、光强闪烁、光束 漂移等现象，破坏了光束传输质量，从而降低了星地激光通信系统的可靠性，制 约了星地激光通信技术的发展。因此，如何降低大气湍流的影响，提高通信系统 的可靠性，一直是星地激光通信领域的研究热点。 为了降低大气湍流对星地激光通信系统的影响，各国研究者进行了大量的研 究，例如：( 1 ) 1 9 9 9 年美国c e n t r a lf l o r i d a 大学a n d r e w s 教授等【9 1 、2 0 0 7 年中国科 学院安徽光学精密机械研究所马晓珊等【lo 】采用孔径平滑方法降低大气闪烁影 响，但孔径平滑方法在增大接收孔径的同时也会增加卫星终端的体积和重量。( 2 ) 2 0 0 7 年，美国a r i z o n a 大学a n g u i t a 等【1 1 】利用多孔径发射原理降低光强闪烁方差的 影响，但它要求满足以下条件 1 2 - 1 3 】：各发射器之间保持一定合理的距离并保证各 光束在接收平面上能相互重叠。( 3 ) 1 9 9 8 年中国科学院成都光电技术研究所成功 研$ 1 j 6 1 单元自适应光学系统【1 4 1 ，可以有效降低接收的光强起伏。2 0 0 4 年，美国 m 删l 孤d 大学w e y r a u c h 等【1 5 】利用自适应光学技术补偿大气湍流波前畸变，但强 烈的光强闪烁会致使光场出现相位分支点，造成波前探测与重构的困难 ”，1 5 】。 1 第一章绪论 ( 4 ) 2 0 0 5 年，美国m a r y l a n d 大学t r i s o l l 等【1 6 】采用波长分集技术，通过同时传输 几个不同波长的激光束来抑制大气湍流造成的光强闪烁现象，但是宽波长间隔会 导致光电探测器和光学系统设计的困难【1 3 ，1 7 】。( 5 ) 2 0 0 2 年美 m a r y l a n d 大学 r i c k l i n 等【1 8 、2 0 0 4 年美国c e n t r a lf l o r i d a ；) 弋学k o r o t l m v a - 等t 1 9 】研究发现部分相干光 传输技术可以抑制湍流光强闪烁，但对部分相干光源有一定要求。 上述方案在系统复杂性、成本等方面存在一些问题【2 0 】。可靠性高、成本低 的方案需求十分迫切。光的偏振态是最稳定的特性之一，国内外学者在最近一二 十年探索利用光的偏振态作为信息调制的参数，实现了通信系统的偏振移位键控 ( p o l a r i z a t i o ns h i f tk e y i n g p o l s k ) 调制，并在光纤通信 2 h 6 1 、自由空间光通信【2 0 ， 4 7 。5 9 】领域中展开了深入研究，研究结果表明偏振移位键控调制可以成为替代开关 键控( o n o f f k e y i n g o o k ) 调制的理想方案之一。 t f i s n o 等人研究发现p o l s k 调制在自由空间光通信中能抗大气扰动，误码率 性能比o o k 调制突 2 0 , 4 7 - 5 9 】，这为p o l s k 调制在自由空间通信领域的应用与研 究开辟了新的空间。然而他们的研究是针对近地面自由空间水平链路的，目前在 星地激光通信中关于p o l s k 调制的研究报道还很少。如果将p o l s k 调制应用到 星地激光通信，那么其误码率性能将更为突出。原因如下：大气湍流主要存在于 从地面到离地高度为2 0 2 5 k m 这段区域之剐6 0 】，且湍流强度随着离地高度的增 加而减弱，所以星地激光通信链路中受到的湍流影响是随高度而递减的。与星地 激光通信链路不同，近地面自由空间水平链路中发射端和接收端通常离地面很 近，整条链路上湍流强度要比星地激光通信链路强，因而相同链路长度上受到的 湍流影响要比星地激光通信链路严重。因此，本文以星地激光通信为背景，对线 偏振移位键控系统进行改进，提出一种圆偏振移位键控( c i r c l ep o l a r i z a t i o ns h i f t k e y i n g ，简称c p o l s k ) 方案。 在文献 2 0 ，5 1 _ 5 2 ，5 4 _ 5 6 ，5 8 】中，人们一般不考虑湍流大气造成的退偏效应对系统误 码率造成的影响。而退偏测量实验表明【6 m 3 】：不同偏振光的偏振态会受到大气不 同程度的退偏影响。例如，恒星h d2 0 4 8 2 7 发出的线偏振光穿过大气的偏振度退 偏范围是：0 1 3 士0 0 4 5 ，偏振角退偏范围：0 7 0 + 0 1 “6 2 1 。偏振态退偏会影响 信息传输的可靠性和通信系统的误码率，因此文中将对星地激光通信链路传输的 圆偏振基模高斯光的退偏进行分析。在此基础上，结合星地激光通信链路通常必 须考虑的其他大气影响，例如大气吸收衰减、光强闪烁、光束扩张和漂移等，推 导星地激光通信上、下行链路的c p o l s k 调制误码率计算公式。文中最后结合具 体的星地激光通信链路条件，对本文提出的c p o l s k 调制系统进行建模仿真。仿 真的目的在于通过对l 匕c p o l s k 调制和o o k 调制的误码率，表明c p o l s k 调制误码 率的优势。仿真的重点在于分析湍流因素，例如近地面折射率结构常数、地面风 2 第一章绪论 速、通信天顶角、湍流内、外尺度这些因素对c p o l s k 调制误码率的影响，为c p o l s k 调制在未来的星地激光通信中的具体应用提供可指导意见。 1 2 国内外研究现状 光的幅度、相位、频率可以作为信息调制的参数早已为人们所熟知，而除此 之外，光的偏振态也可以作为信息调制的参数。顾名思义，p o l s k 调制是指将传 输的信息调制到光的偏振态上，在接收端检测对应的偏振态，从而解调出所传输 的信息的一种调制技术。 p o l s k j 凋制的思想最早是由n i b l a c k 等学者在19 6 4 年提出的【删。由于受到当时 的条件等限制，p o l s k 调制技术并没有得到深入的研究。此后在2 0 世纪8 0 年代， r c a l v a n i 等提出了差分p o l s k ( d p o l s k ) 思想【6 5 】， 19 8 9 年b e t t i 等人采用s t o k e s 参数完成了差分检测的d p o l s k 系纠6 6 】。19 9 2 年，e n e d e t t o 等人完成了光纤通信的 偏振调制光信号的数字传输【2 1 1 ，这重新引起人们对p o l s k 技术的重视。此后，他 们发展t p o l s k 调制技术，提出相干检测p o l s k 调制 2 2 1 和直接检测p 0 1 s k 调制【2 3 1 。 这有力促进了光纤通信中p o l s k 调制技术的实用化。1 9 9 8 年，c a r e n a 等开展了 p o l s k 调制技术的长距离光纤通信实验【2 4 】。2 0 0 3 年，e h u 等人实现了四电平直接 检测p o l s k 调制系统 2 6 】，并于次年设计了一种用于光纤通信的4 0 g h z 的超高速电 光偏振调制裂2 7 1 。2 0 0 5 年，c h i 等人成功进行了5 0 k m 的光纤通信的二进制的p o l s k 实验，数据传输速率达至u 4 0 g b i v s 2 8 1 。2 0 0 6 年，b a r o n i 等【4 6 】提出一种新颖的差分 p o l s k 系统，仿真结果表明该系统灵敏度有l d b 的提高。2 0 0 9 2 0 1 1 年，c h o w 3 0 】、 m d n u r - a 1 s a f a 37 1 、p e r l i c k i 3 8 1 、甜1 i i l a d i 4 0 】等对p o l s k 技术的应用做了进一步研 究。在国内，对p o l s k 调制技术应用与研究的机构主要有上海大掣2 9 ，3 1 - 3 2 , 3 4 - 3 6 , 3 9 , 4 h 5 1 。例如，方捻等在2 0 0 8 年使用多种偏振态部分或者完全相同的p o l s k 方式， 提出基于数字混沌与偏振移位键控技术的光保密通信系统【2 9 1 ，研究结果表明该 保密系统具有较强的安全性和保密性。王陆唐等在2 0 0 9 年基于s o a 全光偏振调制 技术实现双信道偏振移位键控光传输系统，并进行了5 0k m 、8 0k m 和1 0 0k m 长距 离光纤数据传输实验【3 4 】。 p o l s k 技术最初应用于光纤通信，但由于光纤的双折射效应会影响长距光纤 通信中光信号的偏振态，因而它的发展受到了一定限制。与光纤通信不同，自由 空间光通信利用空间作为通信信道，不存在光纤的双折射效。因此，国外学者尝 试将p o l s k 技术应用到自由空间光通信( f s o ) 领域。 2 0 0 2 年，d a v i s 等人首次在自由空间光通信中的使用了p o l s k 技术，分别采用 水平偏振态和垂直偏态对“0 ”、“1 信号进行调制，实现了信息传输【4 7 】。2 0 0 6 第一章绪论 年，d a v i s 等人对囱困笙| 弱j 龙翘循甲嗣p o l s k 调制系统性能进李亍研究。实验中，通 过比较p o l s k 和开关键控( o o k ) 调制的误褐率性麓，发现p o l s k 的灵敏度岳l o o k 调制提高大约3 d b 4 鲥。2 0 1 0 。2 0 1 1 年，x 。t a n g 等人分别提瞄栩干2 p o l s k 、m 。p o l s k 调制应用于自由空间光通信，取得了一定成果陟5 5 ，鼹舶】。国内关于p o l s k 技术在 自由空阀光通信中的应用研究主要有：清华大学的朱镑等人在2 0 0 5 年提出采用圆 偏振光实现偏振复阁激光通讯系统，他们对德攘复用逼讯系统陶可行犍进行了论 证件趴。西安理工大学的柯熙政等人在2 0 0 7 年攥出了光的p p m 偏振调制方式，通 过对偏援角进行编码，邋信躺码元速率可以成倍提高骖刚。2 0 0 9 。2 0 1 0 年，啥尔滨 工业大学的姚勇等人提出旋光谲制技术，通过旋光器得到圆偏振光，然后进入大 气懵邀进行傣输，其灵敏度跳0 0 畿调制提高3 d b f 2 。，5 1 , 5 6 j 。2 0 1 1 年，北京大学的 f a n g x i a n gw a n g 等提出偏振复用系统，实验结果表明偏攘复用系统克服相位起伏 的性麓优于b p s k 5 7 1 。 综上所述，人们对p o l s k 技术的研究主要在光纤通信、自虞空闻光通信领域， 丽在星地激光通信领域中的研究报道还很少。南于大气滴流主要存在于离地高度 2 0 。2 5 k m 左右的大气罄内，而且大气湍流强度随着离地高度的增加丽减弱，困此 p o l s 臌术在星地激光通储中的性能会隧突出。此外，以圆德振光作为载波的接 收端不需要编振坐标对齐黼，4 8 1 ，所以圜偏蒹键控调制技术在星地激光通信领域 存在广阀的发震空间。 1 。3 谍题研究内容与论变结构安排 。3 ，1 砑窕内容 在光的幅度、相位、频率和偏振态等特性中，偏蒹态蹙光在大气中传输最稳 定晌特性之一。因而，p o l s k 调镧技术在窒澜光通信领域具有广阔的应用前豢。 p o l s k 调铡在光纤通信领蠛龅研究糖对成熟，雨其在空闯光通信领域并没有得到 广泛的应用。本文以星地激光通倍共背景，提出一种圆偏振移饿键控调制方寨， 通过仿真手段分析该调制的误码率优势和湍瀛阉豢对系统误码率的影响，为凰偏 振移位键控调制的实际应用提拱指导意见。本文的主要姘究内容如下； ( 1 ) 分柝湍流大气传输中镳擐态的运偏。文中以阚偏振蒸模离新光为光策模 型，缮合m a x w e l l 波动方程和y o nk a r m a n 大气折射率起伏功率谱密度函数，推 导了德振度的遐偏均僮，圈时分耩了偏掇角的退偏情况，并数值模拟了偏振度退 偏与大气湍流的关系。 ( 2 ) 利用凰谪振纂模高斯光的偏振态的稳定特性，提出一秭圆镳搌移位键控 4 第一章绪论 调制方案。该调制方案中，在发射端分别将信息“0 和“1 ”调制到左、右旋圆 偏振基模高斯光上，实现二迸制数字调制；在接收端对圆偏振光的斯托克斯矢量 的参量& 进行检测，解调出所传输的信息。考虑各种衰减和大气湍流效应的影 响，推导了上行和下行链路的误码率计算公式。 ( 3 ) 在v i s u a ls t d i o2 0 0 5 上设计c p o l s k 调制误码率仿真系统，并结合具体的 链路条件，仿真分析湍流影响下c p o l s k 调制的误码率性能。此外，重点分析了 近地面折射率结构常数、地面风速、通信天顶角、湍流内、外尺度这五个湍流因 素对误码率的影响。 1 3 2 内容安排 全文共六章，内容安排如下： 第一章绪论，阐述星地激光通信的经济价值、面临的问题以及偏振移位键 控调制技术的研究背景和意义。 第二章介绍大气和偏振光学的基本概念。大气基本概念中主要简单介绍大 气吸收、衰减作用，大气湍流效应( 包括光束扩展、光强闪烁和光束漂移) 。偏 振光学基本概念中主要简单介绍偏振光与偏振态的概念、描述方式、偏振度的定 义以及计算公式。 第三章分析大气湍流对偏振态的退偏影响。阐述退偏分析的背景，结合 m a x w e l l 波动方程和y o nk a r m a n 大气折射率起伏功率谱密度分析大气湍流对圆 偏振基膜高斯光的偏振度及偏振角的影响，并在具体的条件下对偏振度退偏进行 数值仿真。 第四章阐述c p o l s k 调制系统的模型，推导误码率计算公式。首先，简单 介绍c p o l s k 的调制与解调原理、发射端和接收端的模型，简述如何利用圆偏振 态实现传输信息的二进制数字调制与解调。然后，考虑各种衰减和大气湍流效应， 推导上行、下行链路的系统误码率表达式。 第五章仿真系统设计与数值模拟。在v i s u a ls t d i o2 0 0 5 平台上设计c p o l s k 调制误码率仿真系统，并结合具体的链路条件，仿真分析湍流影响下c p o l s k 误 码率性能。此外，重点分析5 个湍流因素对误码率的影响。 第六章总结与展望。总结本文的研究成果，并指出了本文工作的不足和有 待进一步完善的地方。 第一章绪论 6 第二章基本概念介绍 第二章基本概念介绍 在本章内容中，将介绍大气和偏振光学的基本概念。大气基本概念方面，主 要介绍大气吸收、衰减和大气湍流效应等概念。偏振光学基本概念方面，介绍偏 振光与偏振态的概念、偏振光的描述方法以及偏振度的定义和计算公式。介绍这 些基本概念的目的是便于分析大气湍流对偏振态的退偏影响和圆偏振移位键控 调制系统的误码率性能。 2 。1 大气基本概念 目前，星地激光通信信道被认为是星地大气信道和自由空间信道的级联信 道【4 】。自由空间信道处在平流层以上的空间区域，该区域大气分子和气溶胶粒子 等微粒的含量已经非常低，因而激光束受到的大气衰减和湍流效应比较小。而星 地大气信道中，大气成分比较复杂。大气分子及气溶胶粒子等微粒含量相对较高， 它们对激光能量的影响通常必须考虑。本节内容主要介绍大气衰减和湍流效应的 相关概念。 2 1 1大气衰减 地球的表面被大气层包围着，单位体积的大气由7 8 的氮气、2 1 的氧气、 不到1 的氩、一氧化碳、二氧化碳、水蒸气、甲烷等气体分子、气溶胶颗粒和 其他杂质粒子组成。当光在大气中传输时，一部分光能被大气吸收而转化为热能； 另一部分光能以散射形式辐射出去。大气吸收和散射作用通常被统称为大气衰减 效应。 2 1 1 1大气吸收 当光波在大气中传输时，大气分子和气溶胶都可以对光能进行吸收作用。其 中，分子吸收光谱特性决定了大气分子对光能的吸收作用。在不同的光波频率范 围内，大气吸收表现为线吸收、带吸收及连续吸收【4 】o 一般情况下，光在低空大气层( 高度低于2 0 k m ) 中传输时的大气吸收系数 计算公式为： ，2 s 圪 万( k - k o ) 2 + 疙 ( 2 1 ) 第二章基本概念介绍 其中，s 是谱线的积分强度( 单位：c m 之) ，儿是洛伦兹线半宽，尼是光的 波数( 单位：c m - 1 ) ，是光谱的中心波数。 光在2 0 k m