太赫兹空间通信系统设计与性能分析

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1、华中科技大学硕士学位论文3、航天器振动对THz空间通信系统的影响。激光通信中，由于光的波束发散角非常小，光束控制比较困难，因此星间光通信系统必须有一个复杂的捕获、对准、跟踪子系统（APT），而微波通信由于波束发散角较大，不存在上述问题。THz波介于两者之间，如采用1m直径的卡塞格伦天线，0.3THz~30THz频段对应的衍射极限角为1.22mrad~12.2urad，经过100km后，直径约为122m～1.22m，相对于光通信而言，对空间对准的要求降低。因此，对可能采用的APT系统的精度要求可降低，甚至可以考虑采用微波通信中自适应

2、波束成形、MIMO等技术代替复杂APT系统的作用。从而兼顾微波通信与光通信的优点。因此有必要探讨航天器振动对系统的影响程度，为THz空间通信系统中波束捕获系统的设计提供基本依据。根据以上内容，全文共分五章，每部分内容安排如下：第一章：介绍了THz通信与光通信和微波通信相比的优势及发展潜能，论证了THz空间通信必将成为未来通信发展的主要趋势，而现有的国内外关于THz空间通信的研究还处于起步阶段，因此，提出一个可应用于太空的THz空间通信系统，将具有切实意义，可以为将来的深空探测、星-星高速数据链路、卫星编队和星座组网应用奠定基础。本

3、章最后，对本文的研究内容及意义进行了简单介绍。第二章：对THz空间通信系统进行了基本方案设计。首先，介绍了系统各功能子系统的组成及其工作原理，接着探讨了相关的THz空间通信的关键技术。然后，对现有的THz器件发展水平进行了介绍。最后，参考了现有的器件发展水平和THz通信的关键技术，提出THz空间通信系统模型的设计方案，包括频段、THz辐射源、探测器、调制技术、调制方式和天线的初步选择与设计等。第三章：THz空间通信链路的仿真与分析。对THz频段的噪声、传播损耗、天线增益、波束宽度和系统的信噪比等进行了理论介绍和仿真分析，证明了所设

4、计的太赫兹通信系统可以满足远距离太空通信的要求。其中，对噪声的分析是THz通信系统不同于微波通信系统和光通信系统的特殊之处，需要特别关注。本章最后，还对数字调制方式的选择对系统信噪比的要求进行了简单的分析。第四章：研究了航天器振动对系统的影响。分析了高斯分布下航天器振动对接收功率的影响和跟瞄误差函数对系统参数的影响，并对正弦振动、锯齿波振动和方波振动等基本振动对系统的影响进行了分析。第五章：对全文的总结。并对研究中出现的问题和改进措施进行了简单的说明。5华中科技大学硕士学位论文2太赫兹空间通信系统方案设计从表面看，光通信和微波通信

5、系统是截然不同的两个概念，光通信技术与微波通信技术属于两种不同的通信技术，但从本质上看，光通信系统与微波通信系统存在着许多相似与对偶的方面。在光通信没有充分发展之前，微波通信系统已经相当成熟，频移键控和相移键控等数字调制和超外差接收技术普遍使用，这就是所谓的相干无线通信技术。鉴于微波和光波都是电磁波，在光通信的发展中，大量借鉴了相干无线通信技术。随着核心技术的突破和不断更新，随之出现了各种相干光通信系统，但其中许多概念和技术都源之于相干无线通信系统，如外差检测、中频放大、平衡混频、零差检测等，在基本原理上二者一脉相承。THz波介于

6、光波与普通的无线电波之间，也是电磁波。因此，在THz空间通信系统的设计中可参考微波通信和光通信的许多结构和方案。2.1THz空间通信系统的组成THz空间通信系统从功能上分主要可以划分为通信子系统、捕获、跟踪和瞄准[21]（APT）子系统和辅助功能子系统三大部分。基本框图如图3所示。辅助功能子系统图3THz通信系统组成原理框图6华中科技大学硕士学位论文（1）通信子系统该系统包括接收子系统、发射子系统、双工器和天线。接收体制的不同，将直接导致发射子系统以及整体系统框架的变化。目前现有的THz探测器的接收方式有直接检测接收和外差检测接收

7、两种，由于探测的灵敏度受到背景辐射的限制，在THz频率的高频端一般采用直接检测器，在THz的低频端选用超外差式检测器。因此，根据频段的不同，系统设计将分直接检测和超外差检测两种方式进行介绍。①直接检测方式：直接检测接收是利用光学系统和光电探测器把光信号直接转换成电信号的过程，[22]它是一种简单而实用的接收方式，缺点是灵敏度低、信噪比小。天线双工器功率放大光电探测器器控制低噪声前置放大器驱动激光器外调制器主放大器解调器编码器解码器信息信号还原信息信号图4直接检测的通信子系统框图图4中的发射子系统主要包括编码器、激光器及其驱动电路、

8、外调制器和功率放大器。其中，产生THz源的激光器是发送端的关键部分，其性能直接影响到激光接收器件的选择和通信距离等参数。激光驱动器为激光器提供偏置电流和调制电流。接收子系统主要包括光电探测器、低噪声前置放大器、主放大器、解调器和解码器。接收子系统的