光無線通信自適應(yīng)接收技術(shù)研究.pdf

1、隨著半導(dǎo)體激光器和光電探測(cè)器件的日益完善、光通信技術(shù)的發(fā)展以及人們對(duì)寬帶無線的需求，光無線通信技術(shù)開始興起。光無線通信綜合了光纖通信和通常的無線通信方式的優(yōu)點(diǎn)，具有寬帶大容量、低成本、保密性能好、安裝快捷、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，因而在很多領(lǐng)域（特別是軍事領(lǐng)域）具有廣闊的應(yīng)用前景。 然而，光無線通信是以大氣信道為傳輸媒介的，因此天氣因素對(duì)光無線通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量影響很大。本文主要針對(duì)光無線通信（Optical wireless comm

2、unication，OWC）接入系統(tǒng)的以克服大氣湍流衰落為目的的自適應(yīng)接收技術(shù)進(jìn)行了研究，主要研究內(nèi)容包括： (1) 系統(tǒng)的對(duì)光無線通信的技術(shù)特點(diǎn)及其應(yīng)用作了全面綜述；介紹了國內(nèi)外在這方面的研究概況。 (2) 對(duì)全天候光無線通信系統(tǒng)接收機(jī)的設(shè)計(jì)所遇到的問題進(jìn)行了全面的研究，介紹了相關(guān)大氣湍流的理論模型，提出了包含大氣湍流噪聲及其它光、電噪聲在內(nèi)的接收信號(hào)模型及其統(tǒng)計(jì)分析，針對(duì)大氣湍流所產(chǎn)生的信號(hào)衰落問題進(jìn)行了數(shù)值仿真和實(shí)

3、驗(yàn)研究。 (3) 對(duì)強(qiáng)、弱兩種湍流條件下不同的大氣湍流模型進(jìn)行了分析，針對(duì)不同模型，從最優(yōu)門限策略出發(fā)，提出了不同的自適應(yīng)接收技術(shù)。在弱湍流條件下，采用卡爾曼（Kalman）濾波器和最小均方（Least-mean-square，LMS）濾波器對(duì)信號(hào)和湍流信道的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行估計(jì)和預(yù)測(cè)，給出了兩種濾波器相應(yīng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，得到了最優(yōu)的設(shè)計(jì)算法，比較了兩種濾波器的優(yōu)缺點(diǎn)，指出了它們的適用范圍。通過與最大似然序列探測(cè)（Maximum-lik

4、elihood sequence detection，MLSD）技術(shù)對(duì)比，分析了自適應(yīng)濾波器對(duì)OWC 系統(tǒng)誤碼率的影響。在強(qiáng)湍流條件下，采用基于高階累計(jì)量的自適應(yīng)探測(cè)技術(shù)對(duì)K 分布的信道參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，同時(shí)給出了系統(tǒng)中所存在的高斯噪聲的統(tǒng)計(jì)特性的估計(jì)和預(yù)測(cè)，設(shè)計(jì)了最優(yōu)門限策略的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，并分析了累積量估計(jì)的相關(guān)值對(duì)OWC 系統(tǒng)誤碼率性能的影響。 本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：(1) 首次提出了包含大氣湍流噪聲及其它光、電噪聲（其中包括與

5、信號(hào)相關(guān)的乘性噪聲）在內(nèi)的接收信號(hào)模型，接收信號(hào)模型從強(qiáng)弱兩種湍流條件出發(fā)，分析了與湍流引起的信號(hào)衰落和探測(cè)器噪聲相關(guān)的最優(yōu)門限策略； (2) 首次用基于自適應(yīng)濾波器的接收信號(hào)處理技術(shù)來解決大氣湍流所引起的光無線通信系統(tǒng)中的衰落問題，所采用的濾波器為LMS 濾波器和Kalman 濾波器，對(duì)這兩種不同濾波器的結(jié)構(gòu)和對(duì)系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行了分析； (3) 首次實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)湍流條件下基于高階累積量的基于K 分布的光無線通信信道參數(shù)的

6、估計(jì)和高斯噪聲統(tǒng)計(jì)特性的估計(jì)，建立了基于自適應(yīng)估計(jì)和預(yù)測(cè)的探測(cè)策略，可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)門限探測(cè)。 本論文的主要結(jié)果如下： (1) 為了解決大氣湍流效應(yīng)所引起的光無線通信系統(tǒng)中的衰落問題，建立了與大氣湍流衰落及其它噪聲有關(guān)的信號(hào)模型，實(shí)現(xiàn)了最大輸出信噪比可提高3-20dB 的匹配濾波器。 (2) 根據(jù)最大后驗(yàn)概率準(zhǔn)則（Maximum a posteriori，MAP），推導(dǎo)了強(qiáng)度調(diào)制/直接探測(cè)（IM/DD）的光無線通信系

7、統(tǒng)的最優(yōu)判決門限，分析了強(qiáng)弱湍流條件下最優(yōu)門限探測(cè)與信道參數(shù)和系統(tǒng)噪聲之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)對(duì)湍流參數(shù)、碼元均值和方差的估計(jì)誤差都能導(dǎo)致判決門限的誤差。 (3) 采用Kalman 自適應(yīng)濾波器對(duì)弱湍流條件下信號(hào)與噪聲的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行估計(jì)與預(yù)測(cè)。在功率不變的情況下，當(dāng)所采樣的濾波碼元數(shù)在600－800 時(shí)，估計(jì)算法達(dá)到穩(wěn)定值。在接收功率變化的情況下，當(dāng)所采樣的濾波碼元數(shù)在800－1000 時(shí)，估計(jì)算法達(dá)到穩(wěn)定值。通過自適應(yīng)門限探測(cè)，系統(tǒng)誤

8、碼率可以降低1－2 個(gè)數(shù)量級(jí)。 (4) 采用LMS 自適應(yīng)濾波器對(duì)弱湍流條件下信號(hào)與噪聲的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行估計(jì)與預(yù)測(cè)，在濾波器階數(shù)為511，而信噪比較小時(shí)，濾波器出現(xiàn)不收斂，從而引起誤碼率非常高；當(dāng)濾波器階數(shù)較小時(shí)，濾波器發(fā)生穩(wěn)態(tài)失調(diào)，從而失去預(yù)測(cè)的作用。因此采用255 的抽頭權(quán)階數(shù)是合適的。在弱湍流情況下（ X σ <0.2），基于自適應(yīng)LMS 濾波器的系統(tǒng)誤碼率低于10－8，可以基本滿足網(wǎng)絡(luò)通信的要求。 (5) 在強(qiáng)湍流

9、情況下，在非冗余支持區(qū)域（主要區(qū)域）采用四階累計(jì)量的專門的1-D分層算法，給出累計(jì)量的漸近無偏估計(jì)。假設(shè)信號(hào)為指數(shù)相關(guān)結(jié)構(gòu)，通過估計(jì)AR（1）和ARMA（1，1）模型參數(shù)來給出湍流衰落及噪聲參數(shù)I ， 20 ， 21 和2的估計(jì)。采用四階和六階累計(jì)量可以給出湍流衰落K 分布的階參數(shù)和均值的估計(jì)。在實(shí)際系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)上采樣數(shù)采用32，在強(qiáng)湍流情況下（0.2< X <1），基于四階和六階累計(jì)量的最優(yōu)門限估計(jì)與預(yù)測(cè)算法的自適應(yīng)接收機(jī)的OWC系