自由空间光通信中极化码的应用研究

【目的】在自由空间光(FSO)通信中,大气湍流效应会导致通信链路性能下降。【方法】文章提出了一种极化码信道编译码方案,使用蒙特卡洛算法构造了针对FSO通信中常见的Gamma⁃Gamma分布大气湍流信道的极化码。比较了文章提出的极化码编译码方案与未编码以及相近码长的低密度奇偶校验(LDPC)码在Gamma⁃Gamma分布大气湍流信道下的误码率(BER)。【结果】仿真结果表明,所提极化码与未编码比较时,在弱湍流强度下,当信噪比>6.7 dB时,极化码方案性能相较于未编码更优;在中湍流强度下,当信噪比>10.3 dB时,极化码方案性能相较于未编码更优;在强湍流强度下,当信噪比>11.5 dB时,极化码方案性能相较于未编码更优。所提极化码与LDPC码比较时,在弱湍流情况下,当信噪比>7.1 dB时,极化码整体性能优于LDPC码;在中湍流条件下,当信噪比>10.6 dB时,极化码整体性能优于LDPC码;在强湍流条件下,当信噪比>12 dB时,极化码整体性能优于LDPC码。此外,在码长短、码率低和译码宽度小时,文章所提出的极化码编译码方案具有更优的性能。【结论】使用所提极化码编码后,有效改善了FSO通信系统中的大气湍流效应,而且在中、高湍流强度这两种恶劣的大气湍流信道环境中,文章所提方案展现出了比LDPC码更为明显的优势。表明在FSO通信中,极化码具有良好的发展前景。

自由空间光通信中的带符号光正交空间调制

【目的】针对光正交空间调制(OQSM)中频谱效率较低和系统吞吐量受限的问题,文章在自由空间光通信(FSOC)中提出了一种带符号的光正交空间调制(SOQSM)方案;另外,针对OQSM性能分析时所用信道不适合所有湍流的情况,文章采取适合所有湍流强度的Málaga信道对系统的误码性能进行分析。【方法】首先,该方案在发送端将输入的二进制比特流划分为5个部分,第1个部分用于星座符号映射,后4个部分用于激光器映射;然后,星座符号映射用于传输星座符号及其逆符号的实部和虚部;激光器映射分为同相相位与正交相位两部分,用于激活激光器的序列映射;最后,通过信道进行传输,在接收端进行信号的接收和处理。【结果】相比OQSM,SOQSM在一个传输周期内空间域额外携带了2log2 Nt比特的信息,并在符号域和空间域分别计算出平均误码率上界,最终得到SOQSM方案的平均误码率上界,其中计算平均误码率上界的方法具有较好的收敛性。该方案较大程度地提高了系统的频谱效率和传输速率,拥有较好的误码性能。【结论】蒙特卡洛仿真结果表明:在频谱效率相同时,相比光空间调制(OSM)和OQSM,SOQSM方案的误码性能更好,能在信噪比为16 dB时就达到10-6;当调制阶数相同时,SOQSM的误码性能更优,特别是在高信噪比时,仿真与理论契合度较高。在Málaga信道中弱湍流的误码性能更好;另外,不同湍流强度对SOQSM方案误码性能趋势的影响较小,但随着信噪比提高,影响会逐渐增大。因此,SOQSM相比OQSM和OSM具有更好的误码性能。

自由空间光通信中被动调制研究进展

【目的】传统的自由空间光(FSO)通信需要参与通信的两端同时安装激光发射系统、激光接收系统和捕获、追踪和瞄准系统,使得系统的重量、体积、功耗、设备复杂程度和技术难度被迫提升,限制了FSO通信的发展。而利用非对称空间激光通信链路构建的被动调制技术,能够实现通信端体积小、重量轻和功耗低的设计,为自由空间激光通信技术在中小型场景中的应用提供了便利。【方法】文章对被动调制的原理及其调制形式进行了阐述,介绍了逆向调制系统的组成和逆向调制器(MRR)的工作原理,对常见MRR如角反射器MRR和“猫眼”MRR进行了分析,并对波长的选择以及光学接收器口径的大小进行了探讨。【结果】总结了被动调制的不同实现类型和特点,概括了其在FSO通信中的应用,展望了该技术未来的发展方向和前景。【结论】被动调制在未来可沿着高速率、焦平面像素化、双向通信和相干检测等方向发展并且有较大的发展空间。

基于DDLS508光学数据传感器与PLC的空间光通信系统设计

为了解决航空航天等军事领域内车间生产设备物流通信系统安全保密需求,该文提出一种基于DDLS508光学数据传感器与PLC的空间光通信系统设计方法。首先讲述空间光通信应用于车间物流系统需求及空间光通信概述、链路结构与工作流程;然后重点提出光学数据传感器、控制器等硬件选型和工作原理,并采用博途TIA软件对西门子S7-1200系列PLC进行数据通信程序设计与触摸屏画面组态;最后通过一系列光通信数据交互测试试验及触摸屏光数据交互信号动态监控试验,验证该设计可以实现航空航天等军事领域内物流通信系统安全性、保密性、高效性需求,具有较高推广应用价值。

空间光通信视音频同步无线传输关键技术研究

针对空间光通信系统在复杂环境下易出现视音频信号不同步问题,研究一种空间光通信视音频同步无线传输(Spatial Optical Communication Audio-Visual Synchronous Wireless Transmission,SOC-AVSWT)方法。该方法通过高精度时钟同步、高速光调制解调、自适应光学波前矫正等关键技术,实现视音频信号的无线同步传输。实验结果表明,在不同大气湍流强度下,SOC-AVSWT方法均表现出良好的性能,误码率最低可达1×10^(-9),时间同步误差控制在纳秒级别。

机器学习的时变环境下自由空间光通信系统信道建模研究

在时变环境下,传统模型只去除了部分通信串扰,传输损耗大,为此提出机器学习的时变环境下自由空间光通信系统信道建模方法。采用直方图统计法统计数据集的峰值、选择通信最短路径,遗传算法得到信道最佳参数,机器学习根据最佳参数计算通信阻抗,获得电容和电导值,对权值进行调整去除通信串扰,根据信道规模特性将天线域转换为波束域,搭建时变环境下自由空间光通信信道。仿真实验结果表明,本模型的传输损耗平均达到148 dB,具有较高的应用价值。

空间光通信接收器孔径平均函数的二维映射计算方法

针对现有研究中缺乏计算具有任意形状光学接收器孔径平均函数方法的问题,提出了一种新颖的二维映射方法。首先,将接收器的数学形状映射为一个二维矩阵,并基于该矩阵构建基准孔径、位移孔径,并确定位移范围。然后,通过逐步移动位移孔径获得一系列可变的位移矩阵。随后,通过计算位移矩阵和基准矩阵之间的相同元素,得到不同质心间距矢量下的孔径重叠面积,从而精确地求得接收器孔径平均函数。最后,以计算卡塞格林望远镜的孔径平均函数为例,将其映射为300×300的矩阵,并与理论计算结果进行了比较。对比结果表明,该方法在计算孔径平均函数时具有极小的误差,验证了所提方法的准确性和可靠性。

自由空间光通信光学天线系统设计

文章专注于光学天线发射系统的理论研究与实际设计,通过缩放法来计算光学系统的初始结构。选择卡塞格伦系统作为研究对象,该系统由一个抛物面主镜和一个双曲面副镜构成。通过使用Zemax软件进行模拟,文章构建了一款卡塞格伦发射系统,其特点为体积小型化且像质优良。通过对系统结构进行优化,使得光斑弥散值为2.157μm,波前差为0.0166个波长,像质优良。模拟结果显示,该系统在5 km的距离上,发射功率可达174 MW,发射效率达到了87%。文章不仅提供了一种有效的光学天线设计方法,还对光学天线的实际应用有一定的指导意义。

混沌空间光通信研究进展

随着空间通信技术的迅猛发展,人们对信息安全的需求愈发迫切。基于半导体激光器的空间激光通信凭借其终端体积小、功耗低、高带宽以及无电磁频谱约束等特点,已广泛应用于空间高速通信领域。激光混沌通信技术作为一种在物理层对空间光通信加密的安全技术手段,逐渐成为了空间光通信的研究热点。结合当前国内外自由空间光通信、混沌激光通信、混沌空间光通信的发展历程,介绍了近年来混沌空间光通信关键技术的研究进展,主要包括自由空间光通信快速跟瞄技术、混沌空间光通信大气湍流抑制技术和激光混沌空间同步技术。最后结合当前混沌空间光通信发展现状与不足,对混沌空间光通信的研究方向和可借鉴的关键技术进行了展望,旨在为该领域的进一步发展提供参考和借鉴。

自由空间光通信网络拓扑自适应控制方法研究

自由空间光通信网络拓扑优化控制可以降低网络传输延迟,提高通信速率,提出基于平均辐射光功率调节的自由空间光通信网络拓扑自适应控制方法。构建自由空间光通信网络的光传输和信道模型,结合光学度量的方法分析光通信网络的辐射功率、辐射通量以及光通量参数,采用光谱光视度量的方法,进行自由空间光通信网络脉冲幅度调制,采用强度调制和直接检测的方法,实现自由空间光通信的平均辐射光功率调节。根据反馈调节和前置补偿的方法,构建等效自由空间光通信网络拓扑结构模型,实现光通信网络的信道均衡控制和视距链路自适应增益调节。测试表明,该方法提高了信道增益,安全传输速率较高。

系留球和地面之间的自由空间光通信中继系统设计与验证

目前微波移动中继网络存在中继距离短、数据传输速率慢、功耗高、工作频率受限等问题。本文使用激光通信技术构建了一个中继系统,该系统实现了系留球和地面基站之间红外高清图像数据的实时转发,通信距离超过20 km。实验的成功为激光通信技术作为机载通信中继站的应用提供了技术参考。针对初始瞄准指向角度不可预测、平台姿态快速变化等特殊场景,提出了一种用于确定扫描角域的评估方法和姿态稳定性补偿的方案来解决这些问题。通过4阶Runge-Kutta迭代方法规避复杂的微积分计算,提高了扫描算法的精度。将基于目标空间位置和自身姿态变化的数据通过前馈补偿算法引入到闭环跟踪系统的速度环中,有效提高了系统的跟踪稳定性。未来将实现空对空的激光链路中继网络实验。

基于不同滤波操作的自由空间光通信系统设计

自由空间光通信凭借其通信速率高、容量大、无需频带许可等优势成为了一种重要的通信方式。为了提高自由空间光通信系统的性能,研究了自由空间光通信系统,运用OptiSystem仿真软件,对原自由空间光通信系统进行改进,在系统接收端分别加入不同滤波器(高斯、贝塞尔、法布里珀罗滤波器)后,对比分析在不同影响因素(传输范围和光束发散度)下改进后系统与原始系统的最大品质因数,得出改进后系统在各方面比原系统都表现出较好的传输性能。其中,在研究传输距离的影响时,使用高斯滤波器的系统比原系统品质因数高出约100;在研究光束发散度的影响时,使用贝塞尔滤波器的系统比原系统品质因数高出约100,由此实现了性能更加优化的光通信系统,为未来新型自由空间光通信系统的设计提供了新的思路。

基于空间光通信的光束偏转技术研究现状及趋势分析

光束偏转技术是自由空间激光通信的关键组成部分,其性能决定了自由空间激光通信能否满足快速、稳定的通信需求。系统总结了机械式和非机械式六类光束偏转技术的国内外研究进展,根据不同技术的偏转特性,从关键指标方面比较分析了各类光束偏转技术的特点,并从空间应用性能需求的角度给出了发展趋势,展望了电光偏转技术在空间光通信领域具有很好的应用前景,为下一步的研究工作指明了方向。

自由空间光通信中的光广义正交空间调制技术

为了提高现有光空间调制系统的频谱效率,提出了一种在同相和正交域同时激活多根发射光学天线分别传输调制信号的实部与虚部的光广义正交空间调制(OGQSM)技术。该技术将调制符号扩展到同相和正交域,使得系统在空间域可以携带更多的比特,从而提高了系统频谱效率和误码性能。采用适用于所有湍流状态的Malaga湍流信道,分析了OGQSM系统在大气湍流、指向误差和路径损耗联合作用下的系统误码性能。蒙特卡罗仿真结果表明:与现有的光空间调制技术相比,所提出的OGQSM技术能够获得更好的频谱效率和误码性能,且接收光学天线数量与系统误码性能存在正相关关系,指向误差和大气湍流强度与系统误码性能存在负相关关系。

自由空间光通信技术在陆地回传应用的探索

自由空间光通信是指在自由空间中进行激光传输的通信技术,它利用光纤通信的波段和技术,结合无线通信的便捷性和移动性,解决因地理地形限制,或临时通信需求下的传输问题。介绍了陆地自由空间光通信技术特点,并对该技术的一些商业应用进行了探索。

采用分段阈值的自由空间光通信性能优化

激光在大气信道中传输时易受到大气湍流等影响,导致接收机对开关键控(On-Off Keying,OOK)信号发生错误判决,进而产生误码率门限,严重恶化了自由空间光通信(Fee Space Optical Communication,FSOC)的传输性能。采用自适应阈值进行判决虽然能抑制误码率门限,但是需已知比特级(ns级)的信道状态信息(Channel State Information,CSI),在高速激光通信中难以实现。基于大气信道的缓慢变化特征,对接收信号按照亚毫秒级时隙(0.01 ms级)进行分段检测,降低了高速信号的检测难度,并通过优化误码率求解出了最佳的分段阈值,从而抑制了误码率门限现象。与此同时,提出了正交偏振态导频光与信号光同传的系统方案,以估计大气信道模型与接收信号的分段阈值。仿真结果表明,在Log-Normal大气信道模型下,该方法虽然引入了3~6 dB的光功率损耗,但是有效抑制了误码率门限,且仅需估计毫秒级的CSI,降低了阈值判决的实现难度。

空间光通信网络技术的研究进展及架构体系

通过调研国内外空间光通信网络技术的发展现状,重点介绍了TSAT、THOR、ORCLE、ORCA、FOENEX、ALCOS、LCRD、EDRS等计划,提出了一种基于天基卫星组网、平流层飞行器组网、空基组网等子网络组成的空间光通信网络体系架构。

级联RS码的自由空间光通信正交频分复用系统性能分析

为了有效抵御大气散射效应和提高频谱利用率，提出了自由空间光通信正交频分复用系统．由于大气信道的不稳定性，该系统在传输过程中导致误码率很高．将里德-所罗门码引入自由空间光通信正交频分复用系统中，对其进行了半实物仿真，仿真结果表明：当误码率为10^-2时，正交频分复用较开关键控性能优越4dB；在广延雨、平流雾、沙尘天等不同的天气条件下，当误码率为10^-5时，里德-所罗门（255，223）信道编码较未编码性能优越4～5dB．正交频分复用系统和里德-所罗门码的技术能降低系统的误码率．

自由空间光通信ATP系统中精瞄偏转镜的设计

二维精瞄偏转镜是自由空间光通信中捕获、跟踪和瞄准(ATP)系统的关键组成部分,对偏转镜进行了机构设计和有限元模态分析,偏转镜采用压电陶瓷驱动器驱动,采用柔性铰链传动。研制了集驱动、检测、主控模块为一体的数字式精密定位控制器,在实验室构建了两套测试系统,对偏转镜的频率和静态性能进行了测试,并着重介绍了频率的两种测量方法及其优缺点分析。仿真和测试结果表明,偏转镜的频率约为1.5 kHz,转角范围约为±2 mrad,精度约为1μrad,分辨率约为0.1μrad。

线性扩张状态观测器的改进及在空间光通信粗跟踪的应用

针对传统自抗扰控制器的扰动补偿效果随着扰动频率增加迅速下降的问题,提出了一种基于改进的线性扩张状态观测器的自抗扰控制方法。该方法首先对粗跟踪进行系统分析、简化及辨识;然后对线性扩张状态观测器的观测原理进行详细推导与论证,从理论上指出其不足,提出了一种改进的线性扩张状态观测器;最后将改进的算法与PID调节器相结合,实现了粗跟踪的自抗扰控制。实验结果表明：针对幅度在1°、频率在0.5-2.5 Hz间的外部位置扰动,传统的自抗扰控制器随着扰动频率的增加,扰动隔离度下降非常明显,2 Hz时的提升程度仅为0.5 Hz处的9.5%;而采用改进的算法使扰动隔离度至少提高了4.146 d B,且随着扰动频率的增加,扰动隔离度的提升非常稳定,2.5 Hz时的提升程度与0.5 Hz处几乎一致;此外,该方法有较好的鲁棒性,允许被控对象在20%的范围内变化。理论分析、仿真分析、物理实验均证明该方法的有效性,对类似的光电跟踪系统有一定的参考价值。