沙尘信道下超奈奎斯特速率大气光传输系统及其信号处理技术研究

In addition to relying on the increase of the modulation order, the further improvement of the spectral efficiency of the atmospheric optical communication system faces the Nyquist rate limitation. Super-Nyquist transmission technology breaks through the constraints of the Nyquist transmission theory. It achieves equalization and compensation of inter-symbol interference and improves the system spectral efficiency via the operational capability provided by the digital signal processing technology. However, with the present of inter-symbol interference, the system faces problems of increased computational complexity, reduced inter-symbol interference tolerance, and the mutual conditions of multiple compensation mechanisms. All of these limit the deployment of super-Nyquist technology. We firstly analyze the physical statistical characteristics of the super-Nyquist rate transmission over atmospheric optical channels under sand-dust conditions by theoretical analysis and field experiments to establish a corresponding theoretical system model. Based on this model, a time-domain interception frequency domain equalization inter-symbol interference compensation method will be proposed. And its detection performance and complexity will be analyzed. Secondly, the detection mechanism with high inter-symbol interference tolerance will be studied and the conditions for better detection performance will be given. Thereafter, a detection algorithm with low complexity and suboptimal performance will be proposed. Finally, a joint optimization scheme for channel equalization, channel estimation, carrier recovery, and inter-symbol interference compensation will be carried out. It will provide a new feasible solution to increase the transmission rate of atmospheric optical communications.

除了依赖调制阶数的提升，要进一步提高大气光通信系统的频谱效率面临着无码间干扰奈奎斯特传输准则的限制。超奈奎斯特传输技术突破了奈奎斯特传输准则的约束，通过数字信号处理技术提供的运算能力换取系统频谱效率的提升，实现了对码间干扰的均衡与补偿。但是，随着码间干扰的引入，系统面临着计算复杂度增加、码间干扰容限降低和多种补偿机制相互制约的问题，限制了超奈奎斯特技术的应用。本课题首先利用理论解析法分析沙尘条件下超奈奎斯特速率大气光信道的物理统计特性，建立相应的系统理论模型，并结合外场实验对其进行修正。在此基础上，研究提出适合于该模型的时域截取的码间干扰频域均衡方法，并分析其探测性能和复杂度。研究具有高码间干扰容限的探测机制，给出取得更佳探测性能的条件，提出复杂度低、性能次优的检测算法。探索信道均衡、信道估计、载波恢复与码间干扰补偿的联合优化方案。最终为提高大气光通信的传输速率提供一条新的可行途径。

超奈奎斯特（FTN）传输技术解决了大气激光通信（FSO）系统的传输速率瓶颈问题。但随着码间干扰的引入，面临着计算复杂度增加、码间干扰容限降低的问题，限制了其应用。针对沙尘信道下大气光信道的物理统计特性，通过理论分析和外场传输实验相结合的方式研究了FTN-FSO系统的平均信道容量和中断容量；分析了不同湍流条件下，FTN光传输系统的误码性能和影响因素；探索了改善系统性能的探测机制和算法。项目主要工作如下：.（1）在分析我国沙尘信道物理特性的基础上，结合辐射传输理论和电子散射理论，推导了激光信号在沙尘信道中的辐射传输方程和激光脉冲的时延及展宽函数，得到了光强随散射次数、光学厚度和沙尘粒子浓度等参量的变化特性。理论分析了不同闪烁因子下FTN-FSO系统的信道容量和误码性能。推导了log-normal、Gamma-Gamma和指数威布尔大气湍流信道下的信道容量和误码率表达式。研究了码间干扰、湍流强度、激光器线宽以及热噪声和散粒噪声对接收信号的影响。.（2）针对接收信号的弥散现象，提出了恒模均衡级联维特比估计的相位恢复算法，对接收信号的幅度进行补偿并解决了相位旋转问题。设计了一种逐点消除的自适应预均衡算法，给出了其理论误码率和计算复杂度，有效消除了FTN成型时带来的码间干扰。构建了深度学习的预均衡算法，在加速因子大于0.6时完全消除了FTN信号带来的干扰问题。.（3）针对FTN引起的系统可靠性下降问题，提出了基于矩阵干扰消除的分块传输方案，有效降低了码间干扰对系统误码性能的影响并大幅降低了计算复杂度。提出了基于反向传播算法和注意力机制的长短期记忆神经网络检测算法改善了系统误码率。.（4）为抑制大气湍流的干扰，提高系统的误码性能，在考虑多天线存在的子信道相关性基础上构建了多输入多输出无线光FTN传输系统模型，分析了不同湍流信道下的误码性能。.（5）基于上述研究，设计了超奈奎斯特可见光通信系统及对应的FPGA实验原型系统并完成了性能测试。实现了10 Mbps的传输，比原有系统提升了约20%的频谱效率。