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卫星业务的普及和新业务的不断发展,推动着低轨星对地激光通信向着高速大容量的方向发展,实现100Gbps信号的高效传输,对国家建立以卫星为主体的天基信息网的战略需求意义重大。采用偏振复用的相干光正交频分复用(PM-CO-OFDM,Palarization Multiplexing-Coherent Optical Orthogonal Frequency Division Multi-plexing)技术具有高带宽效率和高接收机灵敏度的优点,是低轨星对地激光通信系统实现高速大容量传输的极具潜力的技术手段之一。然而,低轨星对地通信场景下大气湍流、大气吸收和散射等对光信号功率的衰减,以及现有星上光通信终端的瓦特级别发射功率,对长距离无中继的低轨星对地激光通信系统的功率预算提出了很高的要求。具有高接收机灵敏度和高带宽效率的PM-CO-OFDM系统结合强大的数字信号处理(DSP,Digital Signal Processing)算法,能一定程度免除复杂昂贵笨重的损伤补偿/抑制器件,以较低的成本/功耗有效提高星对地激光通信的高速传输系统性能,满足当前星地激光通信对高速大容量和高功率预算的需求,因此成为星对地激光通信颇有价值的研究方向之一。本文围绕100Gbps低轨星对地PM-CO-16QAM(Quadrature Amplitude Modulation)-OFDM 系统DSP方案、符号同步算法、接收机灵敏度提高方法和有效速率改善方法进行了创新研究和设计,主要工作如下。1、针对高速大容量低轨星对地激光通信技术的需求,分析了激光器引入的频偏和线宽、收发端模数转换和数模转换器件不理想性、系统偏振串扰、大气吸收和散射、大气湍流等对PM-CO-16QAM-OFDM系统的影响和相关DSP算法的需求,设计了 100Gbps PM-CO-16QAM-OFDM空间相干光传输系统DSP方案,主要包含OFDM帧结构、符号同步算法、载波恢复算法、信道均衡算法的设计。仿真结果表明该方案在低轨星地通信典型损伤条件下,强湍流时14GBaud-PM-CO-16QAM-OFDM系统仍然有2.8dB的功率裕度,即所设计的DSP系统方案可以满足低轨星对地场景对链路功率预算的要求。2、低轨星对地相干光通信中存在收发端激光器导致的载波频偏以及大气湍流对光功率深度衰落所导致的低信噪比时段,而传统符号同步算法对载波频偏或信噪比较敏感,难以保证高可靠性。针对这一问题,本文提出了一种基于对称结构训练序列的符号同步算法。对称结构的训练符号可使低信噪比下获得较高的同步精度;同时由于所设计的时间测度函数分子的每一项所受到频偏导致的相位旋转是相同的,因此该算法的同步精度对载波频偏不敏感。14GBaud-PM-CO-16QAM-OFDM系统仿真结果表明改进的符号同步算法对载波频偏和信噪比具有较强的容忍性能,在典型信道条件下,相比Schmidl&Cox算法,改进方法约有2.7dB的信噪比增益;相比Minn方法,改进方法约有1.2dB的信噪比增益。3、大气湍流会对光功率造成极大的衰减,严重时甚至导致通信频繁中断。为了减小通信系统的中断概率以满足正常通信需求,可适当牺牲频谱效率来提高接收机灵敏度。本文将符号校验(SC,Symbol Check)方法用于PM-CO-OFDM系统中,设计了基于K符号校验的PM-CO-KSC-MQAM-OFDM传输方法以提高接收机灵敏度。该方法在发端对每K个QAM符号引入一位校验比特,在收端通过联合判决方法恢复信息比特。在典型大气湍流信道条件下的PM-CO-2SC/3SC-16QAM-OFDM系统仿真结果表明,该方法能以12.5%和8.3%的频谱效率代价分别得到1.7dB和1.0dB的灵敏度增益。此外,针对大气湍流的时变特点,本文设计了一种自适应调整调制格式的湍流自适应传输机制。该机制在相同的平均发射功率下兼顾误码率和频谱效率,根据当前的湍流大小选择合适的调制格式,从而提高了通行时段内的有效速率。仿真结果表明,相比于固定的32QAM调制格式方案,五种调制格式调整的湍流适应传输机制使有效速率提高了 25.1%。