【摘 要】
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自由空间光（FSO,Free Space Optical）通信是一种激光在无光纤作为波导情况下在自由空间链路中传输信息的通信方式,具有速率高、体积小、功耗低、保密性良好、抗电磁干扰能力强、频谱资源丰富等优点。然而由于大气湍流效应的影响,激光光束在大气信道中传输时会发生光强闪烁、光束扩展、指向偏差和到达角起伏等现象,严重影响了FSO通信系统的鲁棒性。如何有效减少大气湍流效应对FSO通信系统的影响是目
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自由空间光（FSO,Free Space Optical）通信是一种激光在无光纤作为波导情况下在自由空间链路中传输信息的通信方式,具有速率高、体积小、功耗低、保密性良好、抗电磁干扰能力强、频谱资源丰富等优点。然而由于大气湍流效应的影响,激光光束在大气信道中传输时会发生光强闪烁、光束扩展、指向偏差和到达角起伏等现象,严重影响了FSO通信系统的鲁棒性。如何有效减少大气湍流效应对FSO通信系统的影响是目前亟待解决的问题。本文开展了基于多输入多输出（MIMO,Multi-Input Multi-Output）的无线光MIMO通信技术研究,采用液晶空间光调制器（LC-SLM,liquid crystal spatial light modulator）模拟大气湍流的方法,对比研究了单发射单接收系统和MIMO系统的大气传输特性。本文的主要工作内容如下:给出了MIMO通信系统的基本理论,并推导出MIMO通信系统的信道模型。分析了MIMO技术抵抗无线光通信系统的随机衰落的原因。探究了MIMO通信系统中分集技术和信号合并技术的实现方法。讨论了MIMO通信系统中三种空时编码的特点和性能,并给出相应的性能比较及适合应用的场景。给出了大气湍流激光光束传输理论,以及大气湍流形成的机制和物理意义。针对大气信道的组成成分和运动形式,分析了大气湍流效应对激光光束造成的各种影响,详细研究了大气湍流所造成激光光束光强闪烁、指向偏差和误码率等问题。建立了大气湍流模拟信道,使用功率谱反演法生成湍流相位屏,并采取三阶次谐波法对其低频分量进行叠加补偿,生成r0=1.1150 m、r0=0.1088 m和r0=0.0268 m三种不同相干长度的相位母屏,对相位母屏进行往复式截取处理后加载到LC-SLM上来模拟连续的弱、中、强三种强度大气湍流。利用相位屏模拟大气湍流MIMO信道,设计了基于LC-SLM的无线光MIMO实验系统,并分析了不同大气湍流强度下多光束传输时光斑发生的变化。在无湍流、弱湍流、中湍流和强湍流条件下,单路激光发发射系统的接收光功率波动分别为±0.17 d B、±0.9 d B、±1.9 d B和±2.85 d B,两路激光发发射系统的接收光功率波动分别为±0.13 d B、±0.8 d B、±1.75 d B和±2.6 d B,闪烁因子随着湍流强度增大而增大。设计了湍流相位屏模拟MIMO信道激光通信实验方案,实验结果表明,在前向纠错误差极限下(3.8×10-3),单个发射单个接收系统的链路代价为10.5 d B,两个发射两个接收的MIMO系统的链路代价为9.3 d B。
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