（光学专业论文）相干光通信零差bpsk系统的设计.pdf

摘要 摘要 自由空间光通信利用调制激光束通过自由空间或大气发送信息。自由空间光 通信被视为能满足日益增加的高数据速率传输需求的下一代技术，如果应用到混 合光纤和射频通信网络，其在重量、功率和容量方面较之射频系统的优势将非常 突出。近三十年来，已经在各种不同的平台之间，如卫星、车辆、轮船、飞机、 高空气球和光学地面站等，进行了广泛的自由空间光通信系统试验。自由空间光 通信系统研究的主要目标是实现可靠的通信链接，通过大气、太空和地面自由空 间光通信骨干光缆，建立一个高速、不受射频干扰的、全光的无线光网络。 自由空间光通信系统( f s o ：f r e es p a c eo p t i c s ) 结合了光纤通信和无线通信的 优点。随着人们对空间光通信传输码率高、功耗低、抗干扰能力强、保密性好、 体积小、重量轻等一系列优点认识之后，空间光通信的应用成为了通信领域研究 的热点，并逐渐向工程化方向发展。传统的自由空间光通信系统基于强度调制和 直接检测( i m d d ：i n t e n s i t y m o d u l a t i o na n dd i r e c td e t e c t i o n ) 的调制解调方案。这 种方案历史悠久，但是近年来，将光的相干探测技术整合到自由空间光通信系统， 成为了研究的热点。这种技术具有不少优势，其中最突出的优势体现在接收灵敏 度上，这是通信系统的一个重要性能指标，尤其是在自由空间光通信系统中。但 相干激光通信系统具有很多关键技术和问题需要解决，其中，光学锁相环技术 ( o p l l ：o p t i c a lp h a s el 0 c k e dl o o p ) 就是一项核心关键问题。 本文基于空间相干光通信的基本理论和数学模型，深入分析了通信系统关键 技术环节( 光调制调解技术、空间相干技术、光学锁相环技术) ，重点讨论了光锁 相环技术的设计和实现，并且探讨了各种系统噪声和光锁相环性能参数对光相干 接收机性能的影响，尤其是对光零差探测接收性能的影响。设计了一种二进制相 移键控( b p s k ：b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ) 调制零差探测的光相干系统，进行了 模块级仿真实验。建立了星间相干光通信的链路方程，提出了系统方案的初步设 想、总体思路和主要设计参数，为高灵敏度空间激光通信链路相干通信系统的实 现提供了初步的理论基础和设计参考，有利于将自由空间光通信融入到空间全光 网络的未来应用。研究表明，高速空间相干光通信链路完全可以得到实际应用。 关键词：自由空间光通信，相干检测，b p s k ，光学锁相环 a b s t r a c t a b s t r a c t f r e es p a c eo p t i c s ( f s o ) c o m m u n i c a t i o ni n v o l v e st h eu s eo f m o d u l a t e dl a s e rb e a m s t os e n dt e l e c o m m u n i c a t i o ni n f o r m a t i o nt h r o u g hf r e cs p a c eo rt h ea t m o s p h e r e f s oi s r e c o g n i z e d 勰an e x t g e n e r a t i o nt e c h n i q u ef o rm e e t i n gt h ee v e r - i n c r e a s i n gn e e d sf o r h i g hd a t ar a t et r a n s f e r 刀砖a d v a n t a g eo v e re q u i v a l e n tr fs y s t e m si nw e i g h t , p o w e r , a n d v o l u m ei sp r o m i n e n tw h e na p p l i e dt oh y b r i df i b e ra n dr fc o m m u n i c a t i o mn e t w o r k s i n n e a r l yt h r e ed e c a d e s ，f s os y s t e me x p e r i m e n t sa r ew i d e l yc o n d u c t e db e t w e e nv a r i a b l e p l a t f o r m s ，s u c ha ss a t e l l i t e s ，v e h i c l e s , s h i p s ，a i r p l a n e s ，h i g ha l t i t u d eb a l l o o n s ，a n d o p t i c a lg r o u n ds t a t i o n s ，e t c t h eg e n e r a lg o a lo ff s or & d si st or e a l i z er e l i a b l e c o m m u n i c a t i o nl i n k st oe s t a b l i s ha h i g h - s p e e d , r f - i m m u n e ，t r a n s p a r e n to p t i c a lw i r e l e s s n e t w o r k s ，v i aa i r b o m e ，s p a c e b o m ea n dt e r r e s t r i a lf s 0b a c k b o n e s a sp e o p l eh a dr e c o g n i z e dt h a tt h ea d v a n t a g e so ft h es p a c eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s u c ha sh i ：g hd a t ar a t i n g ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n , g o o ds e c u r i t ya s s u r a n c e ，s m a l ls i z e ， l e s sw e i g h t ，a n t i - j a m m i n ge t c a r es o a t t r a c t i v e ，t h ea p p l i c a t i o no ft h es p a c eo p t i c a l c o m m u n i c a t i o nb e c a m et h er e s e a r c hf o c u si nc o m m u n i c a t i o nf i e l d t r a d i t i o n a lf s o c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r eb a s e do nt h et i m e - h o n o r e dm o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o n s c h e m ec a l l e di n t e n s i t ym o d u l a t i o na n dd i r e c td e t e c t i o n ( i m d d ) h o w e v e r , i nr e c e n t y e a r s ，i n t e g r a t i o no fc o h e r e n tt e c h n o l o g yi n t of s oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sh a sb e c o m e p o p u l a rd u et os e v e r a la d v a n t a g e si to f f e r s n ep r i m a r ya d v a n t a g ei s r e c e i v i n g s e n s i t i v i t y , a l li m p o r t a n tp r o p e r t yo fac o m m u n i c a t i o ns y s t e m a n dn o w , t h e r ea r em a n y k e yt e c h n o l o g i e sa n dp r o b l e m sw h i c hn e e dt ob es o l v e di n t h e s p a c eo p t i c a l c o m m u n i c a t i o n b e i n gt h ek e yt e c h n o l o g y , o p t i c a lp h a s el o c k e dl o o p ( o p l l ) h a s b e c o m et h ef o c u s f r e e s p a c eo p t i c sc o m m u n i c a t i o ni so n eo ft h em o s tp r o m i s i n gm e t h o d s c o m p l e m e n tt oo p t i c a lf i b e ra n dr fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s o p t i c a lc o h e r e n t r e c e i v e rh a sp r o m i n e n ta d v a n t a g e si nf s os y s t e mf o ri t sh i g hs e n s i t i v i t yp e r f o r m a n c e b a s e do np r i n c i p l e sa n dm a t h e m a t i c a l m o d e l s ，k e yt e c h n o l o g i e so fi n t e r - s a t e l l i t e s c o h e r e n to p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa let h o r o u g h l ya n a l y z e d ，i n c l u d i n go p t i c a l m o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o ns c h e m e s ，s p a t i a lc o h e r e n tm e t h o d s ，o p t i m a l p h a s el o c k e d i i a b s l r a c t l o o p s ，a n df r e e - s p a c e t o f i b e rc o u p l i n gt e c h n o l o g y t h ed e s i g na n d r e a l i z a t i o no fo p l l a r em a i n l yd i s c u s s e d ，a n dt h ei m p a c t so fl i n e - o f - s i g h tp o i n t i n ge r r o ro nr e c e i v e r p e r f o r m a n c e s ，e s p e c i a l l yo no p d c mh o m o d y n ed e t e c t i o n , a r ed i s c u s s e d f u r t h e rm o r e ， t h ec o h e r e n ts y s t e me x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u to nt h em o d u l el e v e l t h es y s t e md e s i g n p h i l o s o p h ya n dt o p l e v e ls p e c i f i c a t i o n sa g ep r e s e n t e d ，w h i c hf o u n d e dt h ep r e l i m i n a r y b e n c h m a r ko fi n t e r - s a t e l l i t eo p t i c a lc o h e r e n tc o m m u n i c a t i o nl i n k s t h e s er e s u l t sp r o v i d e s o m eb e n c h m a r k sf o rf s oc o h e r e n tc o m m u n j c a t i o ns y s t e md e s i g ni nt h ep o t e n t i a l a p p l i c a t i o n st oi n t e g r a t ef s oi n t ot r a n s p a r e n to p t i c a ln e t w o r k s t h er e s e a r c hi n d i c a t e s t h a th i g hs p e e dc o h e r e n to p t i c a ls y s t e m sa lec a p a b l eo fa p p l i c a t i o nt os a t e l l i t e e o m m u n i e a t i o ns e e n 撕o s k e y w o r d s ：f s o ，c o h e r e n td e t e c t i o n , b p s k , o p l l i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：二至j 囱，- 一 日期：) 口。7 年f 月) 6 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) ：彬吠 嗍叶卵舶 第一章绪论 1 自由空间光通信简介 第一章绪论 自由空间光通信是以激光作为信息载体的通信技术，是微波通信技术的有效 补充与扩展。它克服了微波通信技术收发天线尺寸大、体积较大，功耗较高的缺 点，有效解决了卫星通信的容量瓶颈问题，可实现海量数据传输，在天基信息网 络、信息攻防和空间目标监视中发挥重要而独特的作用，是一种极具前景的通信 方式。空问光通信与目前已有的各种通信方式相结合，可以构成一个天地一体化 的信息网络。在天地一体化网络中，空间光通信可应用于卫星间、卫星与飞机之 间、卫星与地面、卫星与海面以及地面之间的宽带数据传输。如图l i 所示。 图l 一1 空间光通信在天地一体化网络中的应用 空问光通信的原理与技术研究已经成熟，但其实用化还面临两个问题：第一， 系统成本相比成熟的微波通信技术还较高；第二在空b j 光通信系统中，星载平 台对光通信系统的功耗、体积和质量有严格限制为实现更远的链路传输距离， 需要探索更为合理的技术途径，需要进一步提高接收机的灵敏度。 相干通信体制是指由基于相干探测( c o h e m n td e t c a i o n ) 和相应的调制方式 的通信体制。在相干探测中，接收机的光电探测器响应的是由本振( l o c a l o s c i l l a t o r - l o ) 光和信号光叠加产生的光场。通过较强的本振光与接收信号光场的 空间相干来改善系统的信噪比，从而达到提高系统探测灵敏度，增加链路传输距 电子科技大学硕士学位论文 离的目的( 如图1 - 2 所示) 1 2 1 。 呻光1 鹈 一+ 电f 言号 一一橱一一 图l 一2 相干光探测原理图 相干探测系统的高性能是靠以下前提条件来保障的：首先，作为信息载体的 信号激光源和本地光源应具有相当高的频谱纯度，即非常窄的线宽，而且频率稳 定性极高，为此必须对光源采取稳频措施；其次，由于探测器响应的是两个光场 的相干叠加光场，因此信号光和本振光必须严格保证相对相位关系的确定，即要 进行光场的空间匹配。这是相干探测技术的难点和关键技术之一。 按照本振光频率与信号光频率的差异，相干探测又可以分为零差探测 ( h o m o d y n ed e t e c t i o n ) 和外差探测( h e t e r o d y n ed e t e c t i o n ) 。当本振光频率与信号 光频率相同时，这种相干探测被称为零差探测：反之，称为外差探测。空间相干 光通信体制中常用的调制方式包括振幅调制( a s k ) 、频率调制( f s k ) 以及相位 调制( p s k ) 等。星间通信由于容量大、传输距离远、且信道条件较好，如g e o g e o ， g e o l e o 等，特别适合采用相干光通信体制。 1 2 相干光通信体制 空间光通信系统可以采用强度调n 直接探测( i m d d ) 的通信体制和相干通 信体制。采用i m d d 的空间光通信系统结构简单、易于实现。实际的i m d d 空间 光通信系统是热噪声受限的，其振幅探测的方式决定了其接收信噪比受背景光强 度的影响极大，实际工程的i m d d 系统性能比理论极限劣化程度至少为2 0 d b 。与 i m d d 通信体制相比，相干通信体制可以达到接近散粒噪声极限的性能，可以大 大提高系统的接收灵敏度，是空间激光通信链路技术发展的极具潜力的通信体制 【3 1 o 相干通信体制的突出优点是极大提高接收灵敏度( 如图1 3 所示) 。i m d d 体 制中，a p d 光敏面上接收的信号光功率极弱( i l w 量级) ，在不考虑背景光的前提 2 第一章绪论 下，主要噪声源是a p d 探测器的倍增噪声和负载电阻的热噪声；而相干体制的本 振光功率可以设置得足够高( m w 量级) ，使得接收端机仅受限于量子噪声。为达 到1 0 e 一9 的误码率，i m d d 体制需要约l o o p h o t o n s b i t ，相干体制仅需要约 1 0 p h o t o n s b i t 甚至更少【3 1 。 10佃o升d岫蝴雠 图1 3 相干通信体制与i m d d 通信体制的接收灵敏度对比 相干体制还具有极强的波长选择性。由此可带来频域多信道复用的潜在优势， 这对于实现更高码率( 1 0 g b p s ) 通信是非常重要的。更为重要的是，波长选择 性即窄带滤波特性使得相干通信机对宽带背景光的敏感程度大大降低，受太阳背 景、地球背景和其它星光背景的影响极小。这样的优势是i m d d 体制的星间光通 信端机完全无法比拟的。 相干光通信体制具有的主要优点可归纳如下【3 】： l 、相同链路距离，码速率以及误码率条件下相干光通信的探测灵敏度比 i m d d 提高1 0d b 2 0 d b 。 2 、由于接收端灵敏度的提高，收发天线口径可大大减小，同时还可以省掉在 直接探测系统接收机中所必不可少的前放模块，有效降低整个通信端机的体积、 功耗和质量，从而降低了系统成本。 3 、相对光频而言，相干接收机接收带宽极窄，结合相干光频率跟踪技术可极 大地抑制背景光干扰。完全不受地球背景辐射影响，也可在太阳视场或近太阳视 场工作。 4 、多种调制格式和检测解调方案可供选择，具有灵活的工程实现性。 5 、具有以频分复用方式实现更高速率传送的潜在优势。 电子科技大学硕士学位论文 13 国内外动态 在1 9 8 0 1 9 9 5 年间，相干光通信是国际光通信领域的研究热点。1 9 9 5 年前后， 随着掺铒光纤放大器( e d f a ) 和密集波分复用( d w d m ) 技术的成熟，在光纤通 信的商用领域，i m d d 体制已足以保证通信性能；而在无法使用e d f a 做链路中 继或在线放大的星间光通信领域，相干体制则一直被视为满足功率受限的空间光 通信系统的高灵敏度高码速率指标要求的必然选择，国外对此进行了大晕的研 究。国外的星问相干光通信链路已经处于工程应用的前夕。 e s a 的星间光通信项目于1 9 8 6 年之前的首选方案为1 06 u m 的c 0 2 激光零差 系统，然后改用10 6 1 a m 的n d ：y a g 激光，由于相干体制所必需的窄线宽高稳频激 光器尚未成熟，因此最后选择了当时器件较成熟的8 3 0 r i m 半导体激光作为通信波 长，体制采用i m d d ，这就是著名的s i l e x 系统h 。 1 9 9 0 年初，e s a 启动了星间相干光通信的专门研究项目s r o i l ( s h o t a - r a n g e o d 6 c a li n t e r - s a t e l l i t el i n k ) ，目的是利用先进的激光器件与技术实现高码率和小型 化的星载相干光通信端机，应用于t e l e d e s i c 系统的l e o 星座，如图1 4 ”惭示。 t e l e d e s i c 为铱星系统的升级版本，由8 4 0 颗l e o 卫星组成，每颗卫星上设计配置 8 个s r o i l 端机。s r o i l 采用零差b p s k 体制，通信波长1 0 6 p r o ，设计指标为： 链路距离1 2 0 0l a n - 4 0 0 0 k i n ，码速率达到15 g b s ，误码率达到10 e - 9 ，发射光功 率约i w ，天线尺寸仅为3 5 r a m ，链路余量 6 2 d b ，端机质量- 1 0 k g ，功耗 1 5 5 m b p s 天线口径 3 5 n u n 1 3 5 m m 2 0 9 m r n 2 5 0 m m 重量 3 0 k g 5 4 k g5 5 k g4 5 k g 功耗l5 0 w 一18 0 w1 5 0 、_ 1 8 0 w2 0 0 l 2 5 0 w1 1 5 w - 1 5 0 w o p t e l 系统解决的主要关键技术是高码率零差相十光通信技术。其中 o p t e l - 0 2 距离为2 0 0 0 k i n 时的通信速率为l5 g b p s ；o p t e l - 2 5 距离为2 5 0 0 0 k m 时通信速率为1 5 g b p s ；o p t e l - 8 0 距离为8 0 0 0 0 k i n 时通信速率为25 g b p s ； o p t e l d s 为深空光通信终端；o p t e l - h a p 则面向空间站和飞行器应用。 o p t e q p t e l2 5o p t e l - 2 5 g e o 叁砻噻彩垒 鞫酴z 2 笺醛 图1 8o f t e l 激光通信产品系列 国内卫星激光通信的研究相对起步较晚。近年来，国内的许多高校和科研单 位对卫星激光通信技术和系统进行了深入的研究并取得一定成果。国内从事空 间光通信研究的单位主要有电子科技大学、北京大学、哈尔滨工业大学、航天科 技集团所属研究院所及中国科学院等研究机构。总的来说，国内的空间光通信， 尤其是相干激光通信的研究工作己经起步，并取得了一些成果。但是和该领域处 电子科技大学硕士学位论文 于领先地位的发达国家相比，有很大的差距。 1 4 本课题基本内容及安排 相干光通信的最大特点是高灵敏度接收。因此，本文的第1 、2 章从高速星间 相干光通信的通信理论出发，介绍i m d d 与相干体制的共性基础原理，进行相干 光通信的基本工作原理分析，对光相位调制发射机、光相干接收机原理进行详细 论述，完成数学分析，计算各种链路条件下最优的调制解调方案的接收信噪比和 灵敏度理论极限。研究了激光器零线宽理想条件下、实际激光器相位噪声影响下 的相干通信子系统的信号处理支路性能；第3 章研究了相干光通信子系统的光学 锁相环路支路性能。光的空间相干环节，是光学发射与接收功能、通信信号处理 功能、光锁相环功能联系在一起的瓶颈环节，也是零差b p s k 相干光通信机系统 组成的特有部分。第4 章、第5 章建立相干光通信链路方程，提出了l e o g e o 的 2 8 1 2 5 g b p s 1 0 e 9 b e r 的相干光零差b p s k 通信系统的设计思路、初步的实现方 案和主要参数指标设计，并对通信链路和光锁相环的参数进行了仿真验证与分析。 结合有关的研究项目，本论文的工作还包括相干通信专用器件的调研。 第二章直接探测与相干体制 第二章直接探测与相干体制 2 1 强度调制直接探测 光是一种电磁波，光波可由其电场或磁场分量来表述。由玻印延定理，光功 率正比于光场振幅的平方，单色光波可以表示为： s = 扛 ( 2 1 ) 其中，i s l 2 = 只为平均功率，吃= 2 7 t v 为角频率，光频l ，为4 0 e + 1 2 h z 至 7 0 e + 1 2 h z 之间。半经典量子理论将光波视为光子流，每个光子能量为h v ，h 为普 朗克常数。每秒内的平均光子数为： 乃垒呈h v 单个光子从激光光源受激辐射产生出来的准确时间是无法预测的，大量光子 的辐射时间是一个泊松随机过程。 在理想( 无损耗、无噪声、无色散) 信道中，理想的o o k 通信接收机( 量子 效率为1 ) 的框图如图2 1 所示，图中表示一个比特周期t 内的数字脉冲，口为编 码的数据“1 ”或“0 ”【7 】。n 为该比特周期内的光子计数，在光电二极管中为空穴电 子对( o e 对) ，经零阈值判决后得到相应的“1 ”码或“0 ”码，西为接收机对口的估计 值。 信道 限幅 厮蛔乌_ bi 光子计量广，1 二1 1 图2 - 1 理想光子计数接收机 传送“0 ”码时，接收到非零光子数的概率为0 ，故n = 0 。传送1 码时，t 时间 内接收机的光子计数n 服从均值为以的泊松分布。 p r np h o t o n s i o n e 】- 哗 ( 2 - 3 ) 9 埘w 啼屈州r叫w卜 电子科技大学硕士学位论文 因此，传送1 码时，仍然存在着接收机光子计数为0 非零概率，从而引起误码。在0 、“1 ”等概的码流中，有： b e r = 1 z p r 0 p h o t 。i l s l 0 n e 】= 尹1 矿 ( 产生0 个o - e 对) 的 ( 2 4 ) 为简化起见，令霄为传送“l ”码时，接收机光子计数( o e 对) n 的期望值： 皇研n t o n e 】- 屯r = p , t h v ( 2 5 ) 则为可达到的b e r 的底限，量子效率为1 的理想接收机的误码率量子极限： 一 b e r ：z e 州( 2 6 ) 2 误码率给定的情况下，可由上式计算o o k 接收机所需要的最小信号光功率。 例如，b e r = 1 0 e 9 ，则理想的光子计数要求每个“1 ”比特内2 0 个光子，或者平均 值为1 0 p h o t o n s b 。前者为峰值光子数，后者为平均光子数。对于空间光通信而言， 应以峰值光子数为主要考虑因素，在进行给定误码率条件下的功率链路计算时， 有利于保有足够的余量【8 1 。 式( 2 6 ) 为i m d d 光通信体制下，理想o o k 接收机性能的理论极限。在考 察相干光通信体制中各类型接收机的性能时，可以以此做基本的对比和参照。 2 2 相干光通信的光源、调制和探测接收 使用光的相干探测技术，可以在信号光到达光电二极管之前，在光域上进行 光的功率放大。接收机在光电转换前端利用本振激光器，将本振光场与接收到的 信号光场叠加，其功率之和的时变( 交流) 分量，与信号光本振光功率之积的平 方根成正比。当本振光功率较大时，通信信号的功率会得到有效放大，实现了光 电探测器之前的光域信号放大。即无需使用前置光放大仍然可获得更高一些的接 收灵敏度。 2 2 1 激光器及其噪声 相干光通信系统设计，需要对激光器的噪声物理根源进行进入的研究，因为 相干光系统与i m d d 光系统不同，它对信号发射激光器和本振激光器的噪声非常 敏感。同其它噪声源( 背景光噪声、探测器散粒噪声、电阻热噪声及放大器噪声 等电噪声) 相比，激光器噪声在实际的相干光通信发射机与接收机的噪声源中占 1 0 第二章直接探测与相干体制 主导地位。近2 0 年来，激光器件噪声的物理根源、形成过程和统计特性方面的研 究已经相当深入。激光器的噪声源于自发辐射并且不可避免。自发辐射造成振幅 i e ( f ) l 和相位矽( f ) 的随机变化，导致激光器的出光功率的轻微波动和发射谱的明显 展宽。分别对应为激光器的强度噪声和相位噪声。 强度噪声是宽带模拟光通信系统的重要噪声源。在数字通信系统中，强度噪 声的影响不大，对相干光通信系统而言，与相位噪声相比，强度噪声可以忽略。 激光器的随机相位噪声矽( f ) 是影响相干光接收机的重要因素。其期望值由下式 给丑t g ： e 撇) = 玄警e 毛s i n ( ) ) ：玄兰e 屯) e s i i l ( ) ) ：o ( 2 - 7 ) 由于自发辐射的幅度毛和相位是统计不相关的随机变量，故式( 2 7 ) 中 第一部分的期望值可以分解为两个部分。自发辐射的相位丸所受到的干扰在 一万+ 万间是各向同性的，所以随机变量s i n ( 虹) 是对称的，其期望值即矽( f ) - - - - c 。 根据基本的统计关系巧( f ) = e 2 ( f ) - e 2 矽( f ) ，可以得到激光器相位噪声 烈f ) 的方差为： 弓c r ，2 杰e 篓毛s 缸c ， 2 _ 2 专篓芸e ( 屯户 s m c ，s 协c 锄” 。2 8 ) = 素篓e 露 es i n ( 幻，) = 互1 掣t = 三鲁r = 巧r 其中比例常量为： 吒= 2 秽 ( 2 - 9 ) 巧与激光器的谱宽鲈有关。从式( 2 - 8 ) 中可看出，激光器相位噪声的方差 是随时间变化，具有非平稳随机过程的特点。 由中心极限定理的条件，如果随机变量彼此独立，并且数目足够大，则其概 率密度函数服从正态分布。所以，相位噪声是一个g a u s s i a n 随机过程。 根据式( 2 7 ) 、式( 2 9 ) 可得到相位噪声的s 概率密度函数为： 乃( 如) = 赤e x p ( 一茜) = 赤e x p ( 一岳) f o ( 2 - 1 0 ) 相干光通信系统对激光器的相位噪声相当敏感，它是整个系统内最大的噪声 源之一。因此有必要在此对激光器相位噪声的主要统计特性进行归纳： 电子科技大学硕士学位论文 激光器的相位噪声矽( f ) 为非平稳随机过程。在一定时段内其均值为零；方差为 咖) - 2 彤；概率密度函数为删力= 赤e x p ( 一茜) ；自相关函数为 r ( ，乞) = 2 群曲【，乞】【9 1 。 2 2 2 光调制器 高速相干光通信的信号光调制，一般采用外调制方式。外调制不存在频率啁 啾( c h i r p 问题。激光器工作于连续波模式，通常将铌酸锂( l i n b 0 3 ) 器件做为 相位外调制器，将信号加载到光波上。l i n b 0 3 晶体的电光效应明显，施加较小的 外部电压即可改变其折射率，由电压控制光程延迟，即压控相位调制器。相位调 制器产生的相移，与调n e g 压, 成v ( t ) 正比。外调制工作原理如图2 2 所示【l o 】。 y ( f ) 土 一一固一矿汁以 图2 - 2 电光晶体光相位外调制器原理 设光相位调制器的输入为一哪，则其输出为： 州+ 石y ( ) 7 ( 2 1 1 ) 其中，圪为半波电压，在此电压作用下光波的相位变化为万。当y ( t ) 为双电 平信号时，即可实现o o k 调制；将激光光波调制成o o 或1 8 0 0 相差，即可实现b p s k 调制。 以l i n b 0 3 器件为代表的相位调制器可广泛应用于无啁啾的p s k 、o o k 和f s k 相干光通信系统，它的缺点是具有一定的插入损耗，系统较内调制复杂，重量体 积功耗较内调制大。 2 2 3 光电平衡探测 相干光接收机需要将本振光场与信号光光场进行叠加。其数学原理是两个光 波的光场相加，物理实现具有相当的难度。 1 2 第二章直接探测与相干体制 ( 6 ) 一8 “ 图2 3 光纤域混频相干接收机原理框图 光纤域混频相干接收机的典型混频方式是采用3 d b 光耦合器，它是一个光域 上的双口网络【1 0 1 。如图2 3 所示。采用矩阵方式表示，其输入和输出分别为 z = 去【sl 】，和x = 【五五】，耦合混频矩阵为x = c z ，其中： c = ； 协 该矩阵是对称型3 d b 耦合器的数学模型，对角线上的元素分别为1 至和 ，芝。其中，在l 输入端口和五输出端口分别有万2 的附加相移。故，在耦合 器的两个输出端口上，有1 8 0 0 的相位差，并分别与两个输入端口的信号之和、信 号之差成正比。因为置未使用，并且有： 五= ( s + l ) 4 2 ( 2 - 1 3 ) 采用平衡探测器的方式，即将两个具有1 8 0 0 的相位差的光波，五和五分别 送到两个光电二极管的光敏面上。则光电二极管输出电流： 御= r l 副+ 玑一( ) ( 2 1 4 ) i 2 ( t ) = r i 五1 2 + 2 ( f ) 其中。( f ) 和：( f ) 为光电平衡探测两个支路中的散粒噪声，功率谱密度分 别为s n s h 一( c o ) - q r i x i1 2 、屯一：( c o ) = q r i x 21 2 。当本振光功率足够大时，最佳接 收机输出电流( f ) 和( f ) ，两者之差为： f ( f ) = ai l ( t ) - i 2 ( t ) = 尺( 1 五 2 一i 五1 2 ) + 以( f ) ( 2 - 1 5 ) = 2 r r e s l 幸) + 甩( f ) 电子科技大学硕士学位论文 其中r e ) 为取实部算子。将，l ( f ) 全n s h ( f ) 一：( f ) 近似为零均值高斯白噪声， 其功率谱密度( p s d ) 为： s ( 国) = q r ( i 五1 2 + i 置1 2 ) = g r ( i s l 2 + i 三1 2 ) ( 2 - 1 6 ) 该p s d 是两项之和，原因是两个噪声过程分别由不同的光电二极管产生，并 且相互独立。 可以运用式( 2 1 5 ) 、式( 2 1 6 ) 对光相干接收机的电流做工程计算。例如， 在采用平衡探测的空间光b p s k 相干通信中，信号光场为s = 口，本振光场 为三= d 8 7 吲，则i f 电流为f ( f ) = 2 a r 弓置de o s ( c o o 一吃d ) 力+ 丹( f ) 。 将光混频设计为3 d b 耦合，采用完全一致的光路，两个探测器的频率响应相 匹配，这样，当平衡探测的两个支路完全相同时，两个支路的直流分量互相抵消， 后级电路无须使用高通滤波器滤除直流分量。另外，平衡探测的方案可以利用全 部的信号光功率和本振光功率；对本振激光器的相对强度噪声不敏感，远优于单 探测器。 2 2 4 光零差接收机 在t 【o ，刀的区间内，p s k 调制的光波为s = 口只一，其中口 - 1 ，1 ) 表示被 调制的数据。将信号光场与频率为吼d 、功率为置d 的本振光场相叠加，得到入射 在探测器光敏面上的合成场，( f ) ，如图2 4 所示【1 0 1 。 三： 啄 圣 譬瓣：， j j m ， 删、面之 图2 - 4 理想的空间光相干接收机的工作原理 假设两个光波的相位与偏振完全相同，贝, l j t o ，t 区间内，合成光波的功率为： ii ( t ) 1 2 爿口e p 脚+ 1 2 ( 2 1 7 ) = 口2 + 置d + 2 c r r 4 p , p l dc o s ( c 0 0 一吼d ) 力 光电二极管的输出电流为： ( ) = 尺im ) 1 2 + ( ) + ( l ( 2 1 8 ) = 口2 尺b + r 置d + 2 口尺b 乞e o s ( c 0 0 一吼o ) f 】+ ，( f ) + 。( f ) 1 4 第二章直接探测与相干体制 其中，r 为光电二极管的响应度，n 。h ( t ) 为散粒噪声，因为本振光功率很大， 所以可以将散粒噪声近似为零均值高斯过程，其p s d 为黑( c o ) = 祁l ，( f ) 1 2 。同样地， 当最d 只时，式( 2 1 7 ) 中的i l ( t ) 1 2 近似等于如，故： 鼠( 缈) = g 尉0 ( 2 - 1 9 ) 式( 2 1 8 ) 中的n o 聃，( f ) 表示除了散粒噪声外的其它噪声( 暗电流噪声、热噪 声、激光器相对强度噪声等) ，其中相对强度噪声可以忽略。 在t o ，t 】的区间内，光f g - 极管的输出电流f 耐( f ) ，经过高通滤波器滤除直 流分量后，输出为： f ( f ) = 2 a r x p s p wc o s ( c o , e t ) + n , ( t ) + n o 曲。( f ) ( 2 - 2 0 ) 其中，匀c o o 一吃di 为相干光通信接收机中的电中频信号。零差接收机 吃d = ，叁0 。 上式具有的物理意义，是说明了光通信相干接收机的信噪比特点及其优异的 通信性能。通信信号( 总的接收电信号减去电噪声) 的信号功率正比于只o ，因此， 利用较大的本振光功率毋o ，可以大大增加了通信信号功率，虽然噪声功率也有所 增加，但信噪比仍然得到了很大的提升。理论上，e ，可以尽量大，除了散粒噪声 外的其它噪声可忽略不计，则在t 【o ，t 】区间内，式( 2 2 0 ) 成为： f o ) = 2 口尺b j 乙e o s ( o d i p t ) + n , ( f ) ( 2 - 21 ) 对于a w g n 信道，最佳接收机为相关器( 匹配滤波器) 与阈值判决电路组成， 如图2 - 5 所示【l l 】。对于p s k 的矩形脉冲信号，光零差接收机中的乘法信号为 少( f ) = 1 厅。 ( ) j 匹配滤波器 限幅器 l 6 一匝卜。上团 图2 - 5 空间相干光通信的最佳接收机电路基本原理 以零差p s k 为例，吼d = ，= o ，则其最大似然m l 接收机有： y = 1 以 i ( t ) d t ( 2 2 2 ) y 是均值为2 口r b 最d r 、方差为g 耽d 的高斯随机变量。p s k 信号的星座图， 电子科技大学硕士学位论文 及y 的条件概率密度曲线，如图2 - 6 所示。 图2 - 6b p s k 的信号星座图及其判决电流的条件概率密度曲线 可得到零差b p s k 相干光接收机的散粒噪声极限误码率为【1 1 1 ： b e r = e 【y 0 i z e r o 】= 烈】， o i o n e 】 蜊鲁) = q ( 而) q 。2 3 ) 与前面的i m d d 体制光通信的量子极限式( 2 6 ) 相比较，可以看出，散粒噪 声极限下的零差b p s k 的误码率比i m d d 的误码率量子极限还降低了约3 5 d b 。 注意，其中，由于b p s k 调制的“1 ”码和“0 ”码都是由峰值光功率传送，因此得到了 其中3 d b 的好处。式( 2 2 3 ) 表明，采用相干光探测技术，零差b p s k 接收机灵 敏度可以达到9 p h o t o n s b 1 0 e 9 b e r 。 光的外差p s k 、外差a s k 和零差a s k 的误码率也都可以采用类似的方法进 行推掣1 1 】，这里不再赘述。经过计算，可以得到各种类型相干光接收机的性能示 意图。图2 7 给出了各种类型相干光通信接收机的误码率与信号光每比特光子数之 间的关系曲线。 1 6 第二章直接探测与相干体制 图2 - 7 各型相干光通信接收机的散粒噪声极限误码率 图2 - 8 则给出了在b e r = 1 0 e 9 处各型接收机之间的灵敏度差距。由图可知， 零差p s k 相干光接收机是远距离激光通信系统提高接收灵敏度的最优选择【1 1 】。 b e r 灵簟瞳( p h o t o n 埘t ) q ( 而) q ( 2 m ) ! 一 2 1 2 q ( 何) q ( m ) ! e 一，2 2 q ( 4 m 2 1 p 2 图2 8 各型相干光通信接收机1 o e 9 b e r 处的散粒噪声极限灵敏度 2 3 本章小结 本章从相干光通信的基本原理出发，讨论了i m d d 与相干体制共有的共性基 础理论。并以零差b p s k 为例，分析了相干体制各种解调方式的量子极限接收灵 敏度，体现出了零差b p s k 相干光通信系统的在远距离通信传输中的优势。 1 7 电子科技大学硕士学位论文 第三章光学锁相环 相