针对现有光无线正交频分复用（OFDM）索引调制均需接收端已知信道状态信息的问题，通过构建满足差分运算的时频弥散矩阵进行索引映射，提出了一种差分索引移位键控光OFDM方案。推导出了该方案在最大似然准则下的平均误码率上界，并与子载波索引移位键控直流偏置光OFDM（SISK-DCO-OFDM）系统进行了性能对比。其次，依据差分信号的特点，构造了一种适用于机器学习的差分信号特征向量，并结合径向基神经网络提出了一种多分类检测器，有效降低了译码复杂度。结果表明，所提差分索引方案有效避免了复杂的信道估计，同时在高信噪比下获得了近似SISK-DCO-OFDM的误码性能。所提检测器取得了近似差分最大似然检测算法的误码性能，而且复杂度大大降低，例如当子载波块长度为2和4时，所提检测器的复杂度分别降低了16.67%和70%。

现有光空间调制存在传输速率低、发射器利用率低和误码性能不理想等问题，利用分层空间结构，并结合脉冲位置调制（PPM），提出了一种标记型多层光空间PPM（MMLOSPPM）。它利用额外扩展的每个PPM符号内的时隙进行层标记，提高了首先检出层及其调制符号的正确性。此外，推导出了Gamma-Gamma湍流模型下系统理论误比特率的表达式，并用蒙特卡罗方法对其进行了验证。结果表明：当频谱效率为3/2 bit·s^-1·Hz^-1时，（5×4-2-2）MMLOSPPM系统的传输速率相较（4×4-2）空间PPM（SPPM）和（3×4-2）广义SPPM（GSPPM）改善了3 bpcu（bit per channel use）；在传输速率相同的条件下，（5×4-2-2）MMLOSPPM系统所需要的激光器数目分别比（7×4-4）GSPPM和（16×4-4）SPPM节约了2个和11个，并且在大信噪比（SNR）区域（SNR大于28 dB）中MMLOSPPM系统获得了最好的误码性能。

针对现有光空间调制空间资源利用率较低、传输速率不理想等问题, 本文将线性弥散码与光空间调制相结合, 提出了一种广义空时脉冲位置调制(Generalized Space-time Pulse Position Modulation, GSTPPM)方案。详细介绍了广义空时弥散矩阵映射和脉冲位置调制映射原理, 采用球形译码算法完成了信号检测。在此基础上, 推导了GSTPPM方案的理论误码率表达式, 并利用蒙特卡洛法将所提方案与现有的光空间调制方案进行了对比。仿真结果表明: 当激光器数目和调制阶数固定时, GSTPPM方案的传输速率明显高于空间复用、光空间脉冲位置调制和广义光空间脉冲位置调制。当传输速率相同时, (2, 4, 4)-GSTPPM的误码率明显优于(32, 4, 4)-光空间脉冲位置调制和(5, 4, 4)-广义光空间脉冲位置调制。当BER=10－3时, 前者的信噪比比后者分别改善了约7 dB和5.5 dB。

现有光空间调制由于其传输速率与激光器数量呈对数关系,导致空间资源的利用率较低。因此,提出了一种完全光广义空间调制(F-OGSM)方案,该方案通过激活不同数量的激光器来传递信息,使传输速率和激光器数量之间呈线性关系。同时,为了充分利用激光器所有可能的组合,采用基于信道范数最大化选择算法完成了激活激光器的选择,有效改善了系统的误码性能。最后,利用蒙特卡罗仿真方法比较了F-OGSM以及现有光空间调制的性能。结果表明:相对于广义空间脉冲幅度调制而言,在激光器数量和调制阶数均为4时,F-OGSM系统的传输速率增加了1 bpcu;当误码率为1×10 ^-3时,采用激光器选择算法后F-OGSM系统所需信噪比改善了4 dB。可见,F-OGSM作为一种高速率的调制技术非常适用于未来大气激光通信。

针对现有光空间脉冲位置调制频谱效率低、激光器利用率不高等问题, 将分层技术与空间脉冲位置幅度调制相结合, 提出了一种适合于大气激光通信的多层空间脉冲位置幅度调制方案.通过 额外增加少量几个激光器构成多层结构, 并通过脉冲位置幅度调制中的脉冲位置携带比特信息, 不同层通过脉冲幅度得到区分.介绍了系统中层映射、空间脉冲位置幅度映射及其逆映射的原理, 并 推导出该方案的误码率表达式.利用蒙特卡洛仿真方法进一步验证了该方案的正确性, 并与传统空间调制系统的性能进行了对比.结果表明: 与传统光空间调制系统相比, 所提方案提高了系统的频 谱效率, 且所用激光器数目更少.在传输比特相同的条件下, 相对于(32,4,128)-空间脉冲位置调制系统, (9,4,8,2)-多层空间脉冲位置幅度调制系统的频谱效率提高了16倍, 当误码率为10－3时, 其信噪比改善了约1 dB, 且所用激光器数目不到前者的1/3.其中, 括号中的参数分别表示激光器数目、探测器数目、采用调制方式的阶数及层数, 层数为1时忽略.

将分层技术引入光空间调制中,同时激活两个分别采用脉冲位置调制(PPM)和脉冲幅度调制(PAM)的激光器,构建一种适用于湍流信道的分层光空间调制(LOSM)系统。在详细介绍系统中层映射和比特映射原理的基础上,推导出分层光空间调制系统的误码率表达式,并利用蒙特卡罗仿真进一步验证了该方案的正确性。结果表明,与传统光空间调制系统相比,分层光空间调制系统可大大提高系统的频谱效率。在传输速率相同的情况下,(5,4,2,4)-LOSM系统的频谱效率是(8,4,16)-SPPM (空间脉冲位置调制)系统的9倍以上;当频谱效率为4 bit·s ^-1·Hz ^-1时,(5,4,2,4)-LOSM系统与(8,4,2)-SPAM(空间脉冲幅度调制)系统具有相同的误码性能,但前者的传输速率几乎是后者的2倍。

在兰州地区夜间进行了链路长为610 m的激光传输实验, 研究了晴、阴、沙尘、雨夹雪天气下光强起伏的统计特性.采用闪烁法测量了不同天气下的大气折射率结构常数C2n, 分析其最大值、最小值、均值和标准差, 得到实验期间C2n值的范围为1.06×10－15 m－2/3~1.05×10－13 m－2/3, 均属于中等湍流; 而且晴天和雨夹雪天气下C2n值以及起伏程度均大于阴天和沙尘天的值.同时, 利用实测光强值分析了Rytov方差, 结果表明: 晴、雨夹雪、沙尘天气下光强起伏大部分时间属于弱起伏, 有小部分时间跨入中等起伏区, 而阴天下光强起伏均属于弱起伏, 且晴天和雨夹雪天气下光强起伏大于阴天和沙尘天.通过对光强频数分布进行对数正态、Gamma-Gamma和指数威布尔非线性拟合, 不同天气下光强起伏概率分布最为接近指数威布尔分布, 其拟合优度均大于0.989 95, 而在弱到中等起伏区, Gamma-Gamma分布拟合效果优于对数正态分布.