基于数字信号处理的高灵敏度水下光通信发收机设计与评估

根据水下可见光通信长距离传输的需求,对水下光通信信道进行建模仿真,并设计了一种基于数字信号处理的高灵敏度水下光通信发收机。在发收机中采用现场可编程逻辑门阵列（FPGA）进行开关键控（OOK）调制、编码以及有限长单位冲激响应滤波器滤波（FIR）、自适应门限判决、滑动均值滤波等数字信号处理手段提高系统信噪比及误码性能,并在不同水质环境中进行水下光通信实验,对整体通信系统进行误码率分析,验证系统性能。实验结果表明,在满足误码率等于10^-6条件下,接收机灵敏度可以达到-38 dBm。实验证明该通信系统在码速率5 Mbps、误码率10^-6条件下在Ⅰ类水质中传输距离达到20 m,Ⅱ类水质中传输距离10 m,Ⅲ类水质中传输距离可以达到4.5 m。     

基于QD与MEMS振镜的微纳激光通信终端伺服技术研究

为了满足微纳卫星平台间的数传需求,实现伺服结构的小型化,设计了一套基于四象限探测器(QD)与MEMS振镜为伺服架构的微纳激光通信终端,完成光斑的检测跟踪.为了提高微纳通信终端跟踪精度,分析了光斑大小对四象限探测器检测精度的影响,使用Matlab进行仿真,并据此设计了一种当光斑直径小于四分之一探测器靶面直径时的捕获跟踪伺服系统算法,对系统组成及捕获跟踪算法进行了详细论述.搭建室内实验平台,进行了双向全光捕获跟踪实验,系统捕获时间2.2 s,跟踪误差84μrad.     

多通道超声的双向单程伪距测量研究

超声波测距是一种非接触测量方式,在工业、交通等行业应用广泛。 为提高超声波的测距量程,解决多通道在通道间距 离较近时的串扰噪声问题,在不改变电声转换器与发射接收硬件电路前提下,将“双向单程伪距测量技术”应用到超声波测距 系统中,利用双向单程测量替代了传统的反射式双程测距,通过无线串口通信进行测距主端与测距从端的时钟同步,提高测距 量程,该技术还可消除系统自身的时钟同步误差。 同时应用“时分多路复用”技术,通过无线电信号广播进行时隙分配,使任意 时刻测距信道中只有单路处于工作状态,实现多通道近距离通道间隔下无串扰测量。 实验结果表明,双向单程测量可以将反射 测距量程提升 1 倍以上,探测精度优于 1%。 时分多路复用技术的引用,可以实现超声多通道近距离通道间隔下测量无串扰。     

基于APD的光通信探测系统设计与性能测试

提出了一种宽带宽的基于雪崩光电二极管(APD)的光通信探测系统,能够在不同的通信速率下仍然保持较高探测灵敏度。探测系统包含温控单元、偏压控制单元、光电流监测单元、数据时钟恢复单元等,充分保证了系统的探测性能。设计验证方案并搭建了实验平台对所设计的探测系统进行了性能测试。实验验证结果为:在偏压为-70V,通信速率为10Mbps~2000Mbps时,系统的探测灵敏度为-47dBm~-34dB;而当给APD提供的偏压在55V~70V范围内逐渐增大时,系统探测灵敏度在10Mbps、100Mbps、1000Mbps三种速率下分别提升了5.8dB、6.4dB、7.9dB。实验结果表明,所设计的APD探测系统能够为自由空间光通信探测系统的性能优化提供一个切实有效的方案。     

单模光纤章动跟踪耦合系统设计

在光纤激光通信系统中,为了克服准误差、随机角抖动误差、大气湍流像差对单模光纤耦合效率的影响,本文设计了单模光纤章动跟踪耦合系统。首先基于模场匹配原理,分析了径向偏差和光斑大小对耦合效率的影响。其次在理论分析的基础上,对激光章动跟踪系统进行了设计,主要包括激光器、准直镜、快速反射镜、耦合透镜以及光电探测器,并以光电探测器的能量反馈完成了激光章动跟踪算法设计。最后搭建了实验平台,对系统进行了实验测试。通过实验测试得到,在激光章动跟踪时单模光纤的耦合效率为53.5%,并测试了径向偏差以及光斑大小对耦合效率的影响,得到了相应的曲线。耦合效率满足系统要求,并且实验测试曲线与理论分析的仿真曲线基本一致。     

基于合作信标的卫星激光通信瞄准捕获仿真系统

针对星间激光通信基于合作激光信标的瞄准与捕获过程,在LabVIEW(虚拟仪器)平台上研制了一套瞄准与捕获仿真系统。该系统模拟卫星轨道姿态动力学,建立双星指向关系,仿真双自由度转台初始对准。根据不确定区域大小,驱动信标激光进行螺旋扫描,根据信标光束散角及探测器视场,确定仿真捕获点以完成捕获。加入含有高斯噪声的最大速度为1°/s,最大加速度为1°/s2的等效正弦扰动进行了动态捕获实验。最终实现了同步轨道卫星和近地轨道卫星间动态双星激光通信瞄准与捕获仿真,形成了基于虚拟仪器的激光通信全过程仿真模式,为跟踪系统仿真及无信标捕获的仿真奠定了基础。     

基于APD自适应增益控制的近地无线激光通信信道大气湍流抑制方法研究

随着5G时代的到来,自由空间光通信成为无线通信领域的研究热点,限制激光通信系统在大气信道下发展的主要因素是湍流闪烁效应。为了提高激光通信系统在大气信道下的通信性能,本文提出了一种基于雪崩光电二极管自适应增益控制的激光传输终端大气湍流的抑制方法,建立了大气湍流信道时域频域模型,编写了一套闭环调节算法并在湍流条件下搭建了具有自适应增益控制算法的无线激光通信实验。结果表明：在弱湍流条件下,光强闪烁方差由0.057降低至0.023,开启自动增益控制的功率谱曲线更加符合5/3次幂律谱,系统误码率降低两个数量级。经多次试验证明,自适应增益控制算法有效地抑制了湍流引起的信号功率波动,实现了高抗干扰能力的无线激光通信。     

空间激光通信组网单光束跟踪子系统

介绍了用于一对多激光通信组网控制系统的光斑跟踪闭环系统。在伺服转台位置闭环的基础上,讨论以CCD相机为敏感器,以二维伺服转台为执行器的光闭环系统。介绍了跟踪系统的数学原理,研究了光闭环各环节的静态动态误差及开环闭环响应。在理论计算和数学仿真后,编写了闭环跟踪程序。采用经典PID控制与前馈相结合的控制算法,进一步提高了伺服带宽,保证了系统的稳定性。对星间激光通信的光斑位置进行了跟踪试验,结果显示跟踪误差为3σ≈136μrad,基本符合空间激光通信组网系统激光束的指向要求。得到的结果验证了控制策略的可行性,为多光束伺服打下了基础。