为了兼顾用户端光网络单元的特点和传输速率, 在接收端采用可集成化的相干检测方案替代传统的直接检测方案, 分析了电吸收调制器的偏压特性, 搭建了速率为40Gbit/s的5km双向接入网通信系统, 对以分布式反馈激光器和电吸收调制器为上行发射机的可集成光网络单元进行了传输测试。结果表明, 在直接检测方案前向纠错(FEC)下, 双向传输下行信号接收灵敏度和上行信号接收灵敏度分别达到了-18.31dBm和-17.94dBm; 在相干检测方案FEC下, 双向传输下行信号接收灵敏度和上行信号接收灵敏度分别达到了-32.51dBm和-29.76dBm。相干检测方案的上行和下行接收灵敏度相较于直接检测分别有14.20dB和11.82dB的提升。该研究为未来用户端光网络单元提供了一种高速率可大规模部署的集成化方案。

梳理基于等待门限判决的脉冲位置键控系统相关文献资料, 发现文献给出的误比特率 (BER)理论公式不能准确描述系统误比特率, 尤其是在低信噪比情况下一些理论公式计算的误比特率已经高于 0.5, 超过了通信系统误比特率上限, 不符合通信理论。分析了各文献资料误比特率理论公式推导过程中的问题所在, 推导得到了一个新的误比特率理论公式。进行了数值仿真, 结果表明, 新的误比特率理论公式与仿真吻合良好, 能够准确描述系统误比特率, 并且在低噪比下计算的误比特率不高于 0.5, 符合通信理论。在新的误比特率理论公式基础上, 分析了基于等待门限判决的脉冲位置键控系统能量效率, 并与二进制相移键控(BPSK)系统进行了比较, 表明基于等待门限判决的脉冲位置键控系统是一种具有较高能量效率的系统, 在一定条件下甚至优于 BPSK系统。

为了提升了可见光通信(VLC)链路的可靠性, 针对传统VLC研究范式的局限性, 在典型室内应用场景将商用LUXEON Rebel非朗伯光波束引入到多输入多输出(MIMO)可见光发射器配置中, 对比分析了非朗伯MIMO VLC与朗伯MIMO VLC的误比特率(BER)性能表现。仿真结果表明: 较之于传统朗伯光波束的MIMO基准配置, 当房间中心接收位置BER≤10-6时, 所提出的非朗伯MIMO配置可以减少引入13.1% 的发射功率。

为了研究孔径接收对各向异性海洋湍流条件下水下无线光通信(UWOC)系统误比特率的影响, 系统采用高斯光束传输, 接收端通过孔径接收, 在脉冲位置调制方式下通过各向异性海洋湍流信道。引入各向异性海洋湍流结构常数, 通过对闪烁的形成原理和各向异性海洋湍流条件下闪烁系数的分析, 数值模拟得到了在不同接收孔径和各向异性因子下, 海洋湍流参量、传输距离、雪崩光电二极管(APD)平均增益和调制阶数对系统误比特率的影响。结果表明, 相同各向异性因子和海洋湍流参量下, 大孔径接收能有效提升系统误比特率性能; 相同孔径直径和海洋湍流参量下, 各向异性因子越大, 系统通信性能越好; 均方温度耗散率、温度和盐度对海洋功率谱变化贡献的比值较小, 湍流动能耗散率、动力粘度较大以及传输距离越短, 系统误码性能越好; APD增益为100或150时, 系统通信性能最佳; 调制阶数M=8时, 系统通信性能最佳, M>64时, 系统误比特率变化程度几乎饱和。该研究为UWOC系统平台搭建和性能估计提供了参考。

为了验证海洋光学界采用的散射相函数在水下无线光通信（UWOC）系统关键性能指标仿真中的准确性，基于Monte Carlo方法，通过仿真研究了5种近似相函数在3种典型水质中对UWOC系统接收机误比特率（BER）的影响，以期获得不同水质条件下适合于UWOC系统信道仿真和系统性能检测的相函数模型。研究结果表明：Sahu-Shanmugam（SS）和Fournier-Forland（FF）相函数对BER仿真的影响最小；Henyey-Greenstein（HG）和Two-Term Henyey-Greenstein（TTHG）相函数对BER仿真影响则和水质有关；而Haltrin相函数的BER仿真偏差最大。

在水下直流偏置光无线通信正交频分复用(UOWC-DCO-OFDM)系统中,为了保证光信号在发射端具有较低峰均比(PAPR)并在水下可进行远距离低误比特率传输, 采用了子载波预留、最小二乘算法(TR-LSA)与压扩变换相结合的方法, 同时运用优化的神经网络对水下环境进行信道估计, 并基于该方法在接收端设计信道均衡器, 以应对水下环境对光信号的强衰减。结果表明, UOWC-DCO-OFDM系统的PAPR降低9dB, 且在信噪比为10dB时误比特率低于10-3, 达到水下无线光通信的误比特率标准。该系统可实现光信号水下远距离、低误比特率传输。

为了探究部分相干Airy涡旋光束在非Kolmogorov谱中模态强度的演化规律, 基于广义的Huygens-Fresnel原理和Rytov近似理论, 推导了部分相干Airy涡旋光束的轨道角动量模态概率的解析式。结合MATLAB的数值模拟, 研究了部分相干Airy涡旋光束在非Kolmogorov谱湍流大气中传输时湍流参量和波束参量与涡旋模态强度的关系, 对部分相干Airy涡旋光束的相干宽度在传输过程中对模态强度的影响进行了理论分析。结果表明, 选取拓扑荷数较小、主亮环半径较大、波长较长的部分相干Airy涡旋光束能有效减缓湍流效应的影响, 减小强湍流中模态间的串扰；较大的湍流谱幂指数和较小的探测器孔径直径能提高部分相干Airy涡旋光束的模态强度；与完全相干涡旋光束相比, 部分相干涡旋光束具有较强的湍流阻力, 在大气湍流中能有更好的传输性能, 相干性较差会导致螺旋谱分布弥散。这些结果对自由空间光通信的研究具有一定的参考价值。

基于未对准衰落(即指向误差)和Malaga湍流分布的联合概率密度函数,采用Meijer G函数推导自适应多进制相移键控(MPSK)调制系统的平均误比特率和中断概率渐近表达式。接收机半径一定时,通过调整光束束腰半径和抖动标准差参数值,可获得系统最优误比特率。当束腰半径与接收机半径之比w_z/a=10且抖动标准差与接收机半径之比σ_s/a=1.5时,非自适应二进制相移键控(BPSK)系统平均误比特率曲线下降最快;而w_z/a=5,σ_s/a=1.5时,自适应MPSK系统频谱效率和平均误比特率均达到最优。当未对准衰落一定且平均电信噪比较小时,自适应系统平均误比特率和中断概率主要受未对准衰落影响,但随着平均电信噪比的增加,受湍流的影响增大。

针对星间激光通信系统受平台抖动影响的问题,研究了在瞄准误差影响下,具有有限消光比的多进制脉冲位置调制(M-ary PPM)系统的误码性能。通过分析发射机消光比、平台抖动和接收机噪声的影响,得到系统误比特率与信噪比关系式,并进行仿真分析。仿真结果表明:系统误比特率与归一化抖动标准差、PPM的调制阶数、发射机消光比三个因素有关,且瞄准误差和发射机消光比对通信系统性能造成的影响互不相关。通过分析系统总功率损失,可知系统的误比特率并不随着调制阶数的增大而一直降低。因此,研究表明在商用发射机消光比为20 dB的情况下,采用16-PPM的调制方式是最优的选择。

在可见光通信中，由于信道的多径效应和信道衰减在传统正交频分复用（OFDM）系统会产生符号间干扰，从而降低系统的可靠性。为了保障通信质量，采用带有循环前缀的OFDM系统来抵抗多径效应引起的符号干扰；为了降低系统的误比特率和峰均比，采用Haar小波来实现系统有效性、可靠性、峰均比等参量的性能优化，并采用蒙特卡洛法进行了仿真验证。结果表明，当系统的误比特率为10-4时，离散小波变换OFDM系统较快速傅里叶变换OFDM（FFT-OFDM）系统的误码性能大约提高了5dB，通信效率提高了大约11%；当系统的峰均比为5dB时，FFT-OFDM系统的互补累计分布函数（CCDF）值接近10-2，DWT-OFDM系统的CCDF值为0。该研究为可见光小波变换OFDM通信提供了参考。