针对在湍流信道下空间脉冲位置调制（SPPM）系统误码性能较差的问题，文章将空时分组码与空间调制技术结合，提出了基于比特补码正交空时分组码的空间脉冲位置调制（BCOSTBC-SPPM），利用空时编码增加信息冗余度以改善系统误码性能。同时基于最大似然（ML）检测推导了系统的理论误比特率上界，并通过蒙特卡洛仿真对理论上界进行了验证。仿真结果表明，BCOSTBC-SPPM的误码性能相比SPPM有较大提升。在弱湍流信道下，当系统误比特率为10-4时，(4,2,4)-BCOSTBC-SPPM相比(4,1,4)-SPPM信噪比改善约10 dB。该方式相较于传统正交空时编码方案在频谱效率方面有一定提升，实现了系统有效性和可靠性的合理权衡。

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.

超奈奎斯特传输理论与调制技术相结合, 可有效提高系统的频谱效率。本文将超奈奎斯特理论引入大气激光通信系统, 构建了一种适合于log-normal湍流信道的超奈奎斯特光传输系统, 推导了QPSK调制方式下超奈奎斯特大气光传输系统平均误码率的表达式, 利用蒙特卡洛仿真进一步分析了该系统的误码性能及频谱效率。结果表明: 采用超奈奎斯特技术方案可以较大幅度提升大气光传输系统的频谱效率, 当SNR为18 dB, S.I.为0.4时其频谱效率可以达到1.7 Baud/Hz, 而未采用超奈奎斯特技术时只有1.56 Baud/Hz。另一方面, 大气湍流对超奈奎斯特系统误码性能的影响较明显, 当S.I.为0.4, BER为3.8×10-3时, 信噪比恶化了约1 dB。相对于频谱效率的提升, 误码性能的恶化是能够接受的。因此, 可以将FTN技术引入大气光传输系统来提高系统的频谱效率。

提出了一种利用光纤环形器实现收发同光路的大气激光通信系统, 有利于实现系统的光路简化及模块化。该系统采用无信标光, 利用信号光进行对准和通信; 根据通信距离不同采用调焦结构调节光束发散角。设计了一种利用外部套筒螺旋进行调焦的机构, 相较于传统的调焦机构, 该调焦机构具有结构简单、尺寸小等优点, 利用搭建的大气激光通信系统进行了实验, 取得了较好的效果, 1.5km左右时系统的通信速率为1.25Gb/s。

针对目前高速率信息传输的迫切需求, 设计并实验了两路数字信号密集波分复用(DWDM)的大气激光通信结构。两路激光波长分别为1 539.76 nm和1 540.55 nm, 采用强度调制, 光信号经复用和放大后, 由光学天线发射, 经1 km大气信道传输, 在接收端对光谱、波形和眼图进行了测量。实验结果显示, 在弱湍流情况下, 实现了两路光信号的解复用, 并得到了较为清晰的波形图和眼图。两路数字信号的传输速率为20 Gbit/s时, Q因子仍达到5以上。

研究了一种用于大气激光通信自适应调制编码技术中的模式选择阈值的选取算法。分析了大气弱湍流信道性能, 并对高斯信道中阈值选取算法进行修正, 提出了一种信噪比-湍流强度选择方法来确定阈值区域模式, 并给出了阈值选取方程。分析了湍流强度分别为0, 0.1, 0.2, 0.3时3种传输模式下自适应调制编码系统的误码率, 得到了最大误码率为10-4的条件下3种模式选择的信噪比与湍流强度阈值区域的对应关系。仿真结果表明, 所提方法可行且能够准确地进行模式选择。

针对大气激光通信中的帧同步问题, 分别基于信道特征和中心极限定理, 提出了两种帧同步识别算法。首先分析了大气激光通信的信道特征并建立了相应的信道模型; 随后利用此模型, 对输出电平矩阵每一列的数据分布情况进行了讨论, 提出了基于信道特征的帧同步算法; 最后, 针对输出电平矩阵帧数较少的情况, 从输出电平矩阵和值的概率分布情况出发, 提出了基于中心极限定理的帧同步算法。仿真结果表明, 基于信道特征的帧同步算法在帧数较多的情况下性能较好, 当信道比达到6 dB时帧同步识别率可达到100%, 但是, 随着帧数的减少, 其帧同步识别率迅速下降; 而基于中心极限定理的帧同步算法性能受帧数影响较小, 在信噪比大于7 dB时, 即使帧数下降到20, 其帧同步识别率仍可达到100%, 具有良好的帧同步性能。

针对大气激光通信中多径散射效应产生的通信链路码间串扰问题，提出了一种基于退偏振比探测的大气激光通信传输方案。利用光子追迹和Stokes矢量变换进行了Monte Carlo仿真；通过设置不同的云层物理厚度和消光系数，得到接收光退偏振比与云层光学厚度的一一对应关系；基于Stotts公式，得到接收光退偏振比与平均脉冲时间展宽的对应关系。提出了在多径效应影响下的最佳通信传输速率方案，该方案在激光通信系统接收端直接进行退偏振比探测，可有效评估大气信道环境的多径强度，进而在保证激光通信传输质量的同时实现最大的通信传输速率。该研究在星地激光通信以及自适应激光通信的通信链路优化领域具有理论指导意义和应用价值。