1、自由空間光通信是以激光作為信息傳輸?shù)妮d體，能夠?qū)崿F(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N新興的無(wú)線(xiàn)通信方式。具有寬帶、高速、低成本、通信安全保密、無(wú)需頻率許可等優(yōu)點(diǎn)。它的使用可以減少新的通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)投資，使工程造價(jià)大幅下降，也可以作為光纖通信和微波通信的緊急后備措施，還可用于數(shù)據(jù)網(wǎng)、電話(huà)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)和視頻傳輸及不便鋪設(shè)光纜的地區(qū)，被認(rèn)為是解決“最后一公里”問(wèn)題的最佳方案，同時(shí)，也可用于軍事通信或其他要害部門(mén)及需要嚴(yán)格保密的場(chǎng)合等,具有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前

2、景。
　　近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體激光器和光電探測(cè)器技術(shù)的不斷發(fā)展，空間光通信越來(lái)越引起了人們關(guān)注，但自由空間光通信也面臨著挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在：
　?、儆捎诖髿鈱?duì)光信號(hào)的吸收和散射會(huì)產(chǎn)生大氣衰減，即使在晴朗天空也會(huì)存在衰減；
　?、诖髿獾耐牧鬟\(yùn)動(dòng)會(huì)引起光斑的漂移和閃爍。特別是在強(qiáng)湍流情況下，光信號(hào)受到嚴(yán)重干擾甚至脫靶，造成較大的誤碼率和短時(shí)間通信中斷，嚴(yán)重影響激光通信的穩(wěn)定性和可靠性；
　?、墼趯?shí)際使用中，雖然光載波的頻

3、率很高，光通信系統(tǒng)的信號(hào)帶寬可以超過(guò)1THz。但由于光色散或電子器件速度的限制，傳輸速率常常被限制到10Gb/s或者更低；
　?、軐?shí)現(xiàn)高精度的捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)（ATP）技術(shù)存在一定的困難。尤其是窄光束實(shí)現(xiàn)高精度的捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)難度更大；
　　⑤考慮到對(duì)人眼安全的影響，發(fā)射天線(xiàn)提供的光功率受限。
　　面對(duì)自由空間光通信中存在的問(wèn)題，人們采用不同的措施來(lái)解決。目前，常采用的技術(shù)主要有波分復(fù)用(WDM)、偏振復(fù)用(PDM)

4、、成像通信、多輸入多輸出傳輸（MIMO）、高碼率調(diào)制技術(shù)、更高階的調(diào)制技術(shù)（如多進(jìn)制PPM和MPPM等）和更優(yōu)良的信道編碼方法（如TURBO碼、LDPC碼等）等。相對(duì)于MIMO技術(shù)而言，其它幾種技術(shù)雖然也能提高傳輸速率，但它們不能有效抑制湍流效應(yīng)，也不能降低系統(tǒng)跟蹤高精度的要求。另外，通過(guò)采用更高階的調(diào)制技術(shù)和更優(yōu)良的信道編碼方法來(lái)提高系統(tǒng)的信道容量時(shí)，只能是逼近現(xiàn)有的單輸入單輸出系統(tǒng)（Single Input Single Outpu

5、t，SISO）的信道容量，但單輸入單輸出系統(tǒng)的信道容量畢竟也是受限的。而多輸入多輸出技術(shù)(MIMO)是通過(guò)同時(shí)獲得發(fā)送和接收分集增益來(lái)獲得更高的頻譜利用率，進(jìn)而提高通信系統(tǒng)的信道容量，并且不會(huì)給系統(tǒng)增加額外的負(fù)擔(dān)。綜合考慮各種影響因素，在自由空間光通信中，采用MIMO技術(shù)不僅可以在不額外占用頻譜資源和發(fā)送功率的情況下，成倍提高現(xiàn)有系統(tǒng)的信道容量，而且能有效抑制湍流效應(yīng)。
　　在目前的半導(dǎo)體器件技術(shù)和精密光學(xué)元器件發(fā)展技術(shù)水平下，M

6、IMO技術(shù)是解決自由空間光通信面臨問(wèn)題的良好措施。在相同發(fā)射功率和傳輸帶寬下，采用空間分集技術(shù)的MIMO系統(tǒng)較SISO系統(tǒng)的信道容量大大提高，有時(shí)甚至高達(dá)幾十倍。而這些增加的信道容量既可以用來(lái)提高信息傳輸速率，也可以通過(guò)增加冗余來(lái)提高通信系統(tǒng)的可靠性，或者在二者之間取得一個(gè)合理的折衷。MIMO技術(shù)的思想起源于RF通信，它由于既能提高通信系統(tǒng)的信道容量又能抑制無(wú)線(xiàn)衰落而被廣泛研究，并取得了豐碩的成果。鑒于此，人們將MIMO的思想也引入自由

7、空間光通信用于解決光通信中存在的問(wèn)題。
　　早期有關(guān)光MIMO技術(shù)的研究，主要是將分集技術(shù)和強(qiáng)度調(diào)制相結(jié)合而展開(kāi)。目前常見(jiàn)的強(qiáng)度調(diào)制方式主要有開(kāi)關(guān)鍵空調(diào)制（OOK）和脈沖位置調(diào)制（PPM）等。
　　OOK調(diào)制是載波振幅隨著數(shù)字基帶信號(hào)（數(shù)字基帶信號(hào)為二進(jìn)制）而變化的一種數(shù)字調(diào)制技術(shù)。它通過(guò)在每一比特間隔內(nèi)使光源脈沖開(kāi)或關(guān)來(lái)完成對(duì)每個(gè)比特信息的發(fā)送。它是調(diào)制光信號(hào)最基本的形式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和所需帶寬較小優(yōu)點(diǎn)，但這種調(diào)制方式所需

8、的平均發(fā)射功率高，誤碼率較大。這就導(dǎo)致該方式不僅抗干擾能力差，而且傳輸效率也低。尤其在背景光比較強(qiáng)時(shí)，或者進(jìn)行高速率通信時(shí)無(wú)法滿(mǎn)足傳輸?shù)囊?，甚至通信無(wú)法正常進(jìn)行。
　　PPM調(diào)制是一種利用激光脈沖位置的不同來(lái)表示信息的一種調(diào)制方式，是一種正交的調(diào)制方式。PPM調(diào)制有效地提高OOK的功率效率，夠滿(mǎn)足高速率的通信。但是以增加的帶寬需求和更大的復(fù)雜性為代價(jià)。PPM方案的最大缺點(diǎn)是通過(guò)增加更大的星座大小提高功率效率來(lái)降低帶寬效率。在非視

9、距傳輸中，由于多徑引起的碼間串?dāng)_，PPM在高數(shù)據(jù)速率下效果較差。
　　這些調(diào)制方式雖然具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕等優(yōu)點(diǎn)。然而，它們具有低的調(diào)制效率。
　　為了有效解決該問(wèn)題，高階調(diào)制方式（如正交幅度調(diào)制，QAM；正交相移鍵控，QPSK）應(yīng)用而生。正交幅度調(diào)制（QAM）是一種使用幅移鍵控（ASK）的數(shù)字調(diào)制方式，它通過(guò)調(diào)制正交載波的兩個(gè)不同相位的振幅來(lái)傳送兩個(gè)信號(hào)。通過(guò)設(shè)置合適的星座大小，QAM實(shí)現(xiàn)了高頻譜效率。正交相移鍵控

10、（QPSK）是PSK調(diào)制的變體之一。它在星座圖上使用四個(gè)不同的點(diǎn)，圍繞一個(gè)圓圈等距地表示數(shù)據(jù)位。星座點(diǎn)幫助QPSK在表示數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)每個(gè)符號(hào)進(jìn)行兩位編碼。
　　QAM/PSK調(diào)制方式具有較高的調(diào)制效率，因此人們探求將其應(yīng)用于大氣激光通信領(lǐng)域。雖然在大氣激光通信中可以采用相干檢測(cè)法，但相干檢測(cè)法要求接收機(jī)本地振蕩器的激光頻率和發(fā)射端激光的頻率完全一致，而且需非常穩(wěn)定，穩(wěn)定度至少達(dá)到10-11。這使其實(shí)用化受到了限制，因此，直接檢測(cè)仍是一

11、種可采用的光電檢測(cè)方法。但由于QAM/PSK調(diào)制方式均采用了相位來(lái)表示信息，這就導(dǎo)致這些調(diào)制方式中存在復(fù)數(shù)和負(fù)數(shù)信號(hào)。而復(fù)數(shù)和負(fù)數(shù)信號(hào)是無(wú)法用光強(qiáng)來(lái)表示的，因此，本文針對(duì)QAM/PSK調(diào)制研究適合于強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)（IM/DD）方式的傳輸方案。主要研究工作如下：
　　1、詳細(xì)闡述了課題的研究背景和意義，分析了無(wú)線(xiàn)光通信及其調(diào)制技術(shù)的研究現(xiàn)狀，指出了本文的研究方向。多輸入多輸出（MIMO）QAM/QPSK方案可以通過(guò)獲得發(fā)射和接收

12、分集增益來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的頻譜效率，從而在不額外增加系統(tǒng)帶寬的情況下增加通信系統(tǒng)的信道容量。該方案還可以抑制大氣湍流引起的閃爍效應(yīng)，從而提高系統(tǒng)性能。
　　2、給出了無(wú)線(xiàn)光通信系統(tǒng)的基本框架，并對(duì)其主要組成部分進(jìn)行了介紹。同時(shí)，對(duì)大氣信道中存在的湍流、散射等效應(yīng)進(jìn)行描述，簡(jiǎn)要介紹了無(wú)線(xiàn)光通信中存在的各種噪聲，如散彈噪聲、背景噪聲、熱噪聲等。
　　3、對(duì)無(wú)線(xiàn)光通信中常見(jiàn)調(diào)制技術(shù)（諸如OOK、PPM、QPSK、QAM）及其基本理論進(jìn)行

13、了詳細(xì)介紹，并且討論了它們的誤碼率性能，為下一步工作奠定了基礎(chǔ)。強(qiáng)度調(diào)制方式（OOK, PPM等）雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但它們的調(diào)制效率比較低。高階調(diào)制方式（QAM、QPSK等）具有較高的調(diào)制效率，從而被引入到無(wú)線(xiàn)光通信解決上述調(diào)制方式效率低的問(wèn)題。
　　4、針對(duì)QAM/PSK調(diào)制中存在復(fù)數(shù)和負(fù)數(shù)信號(hào)無(wú)法直接在IM/DD鏈路中傳輸?shù)膯?wèn)題，利用快速傅里葉逆變換（IFFT）的對(duì)稱(chēng)性和加入直流分量的方法，提出了一種基于直流分量的QAM/PSK調(diào)

14、制方案，并采用仿真實(shí)驗(yàn)分析了其誤碼性能。結(jié)果表明：基于直流分量的QAM/PSK調(diào)制方案有效地將負(fù)數(shù)與復(fù)數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)化為了正實(shí)數(shù)信號(hào)，同時(shí)提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率，而且能夠有效抵御大氣湍流所產(chǎn)生的閃爍效應(yīng)，其性能隨天線(xiàn)數(shù)的增加而得到明顯的改善。雖然直流分量的QAM/PSK調(diào)制方案可以有效地解決QAM/PSK調(diào)制不能直接用于IM/DD調(diào)制的問(wèn)題，但其光功率利用率較低。為此，本文改變信號(hào)的映射方式使得 IFFT輸出的實(shí)數(shù)信號(hào)具有奇諧對(duì)稱(chēng)性，并結(jié)合限幅