（物理电子学专业论文）相位调制相干检测rof模拟光链路性能分析.pdf

9 ， ， d 口 f 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：拯塞日期：丛丝主：兰 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：邀垦日期： 迦f ! ：；：| ； 导师签名： 翌鬟猛 日期：型! 壁：墨垒 1 相位调制相干检测r o f 模拟光链路性能分析 摘要 模拟光链路是很多空间通信系统、光通信系统中的关键部分，因 此，用来最大化链路性能的新的链路技术和系统概念在不断被提出和 开发出来。 本文对最新的使用光相位调制相干探测的方案的光链路的性能 进行了详细研究，对其射频增益、噪声系数、动态范围等性能参数进 行了理论推导，并将其和传统的强度调制直接检测系统以及已有的 基于m z 调制器的相位调制干涉探测的改进方案进行了对比。 通过使用m a t l a b 对推导结果进行数值计算的仿真结果可见， 用干涉探测的相位调制方案较传统的强度调制直接检测系统能提供 更好的性能，但是系统性能各方面提升有限。相比之下，相干检测的 相位调制方案能在干涉探测方案的基础上进一步提高射频增益和噪 声指数性能。同时，相位调制相干探测链路由于其系统复杂性和与 之而来的高制造成本，有较大的技术障碍待克服，还需进一步的研究 和开发改进。 关键词：模拟光链路，微波光子学，相位调制，相干光探测，动态范 围 ， p e r f o r m _ a n c ea n a l y s i s0 f r o f a n a l o g p h o t o n i cl i n ku s i n gp h a s e m o d u l a t i o n c o h e r e n td e t e c t i o n a b s t r a c t a n a l o g p h o t o n i cl i n k sh a v eb e e nw i l d l yu s e da sk e yp a r t si ns p a c e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n do p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s m e a n w h i l e ， v a r i e t i e so fn e wl i n k t e c h n o l o g i e s a n ds y s t e ms c h e m e sa i m e dt o m a x i m i z el i n kp e r f o r m a n c ea r ek e p tb e i n gp r o p o s e da n dd e v e l o p e d i nt h i sp a p e r , t h es y s t e mp e r f o r m a n c eo ft h el a t e s ta n a l o gp h o t o n i c l i n ks c h e m eu s i n gp h a s em o d u l a t i o na n dc o h e r e n td e t e c t i o ni sd i s c u s s e d i nd e t a i lo nt h ei 江g a i n ，n o i s ef i g u r e ，d y n a m i cr a n g ea n dc o m p a r e dw i t h t h et r a d i t i o n a l i n t e n s i t y m o d u l a t i o n d i r e c td e t e c t i o ns y s t e ma n dt h e i m p r o v e dp h a s em o d u l a t i o n i n t e r f e r o m e t r i cd e t e c t i o ns c h e m e t h er e s u l ti ss i m u l a t e dw i t h 脚l a bs o f t w a r e o b v i o u s l y , t h e p h a s e m o d u l a t i o n i n t e r f e r o m e t r i cd e t e c t i o ns c h e m e o f f e r sc e r t a i n p r a c t i c a la d v a n t a g e s ，b u t i t sl i m i t e di nt h es y s t e mp e r f o r m a n c e i m p r o v e m e n t i nc o n t r a s t ，t h ep h a s em o d u l a t i o n - c o h e r e n t d e t e c t i o n s c h e m eo f f e r sv e r yh i 曲r fg a i na n dn o i s ef i g u r ep e r f o r m a n c e ，y e tt h e r e a r es t i l la1 0 to ft e c h n i c a ld i 衔c u l t i e st ob es o l v e dd u et oi t ss y s t e m c o m p l e x i t ya n dt h eh i g h c o s t i tb r i n g s ，t h u st h i sn e ws c h e m en e e d s f u r t h e rr e s e a r c ha n di m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：a n a l o g p h o n i c l i n k ，m i c r o w a v ep h o n i c s ，p h a s e m o d u l a t i o n ，c o h e r e n td e t e c t i o n ，d y n a m i cr a n g e 、 - 目录 第一章诸论1 1 1高性能模拟光链路l 1 2 国内外研究历史及现状l 1 3相干光通信系统3 1 4 论文主要工作4 第二章相干检测系统的性能分析5 2 1 系统原理5 2 1 1 系统结构5 2 1 2 信噪比与接收灵敏度8 2 2 相干光通信系统的优点1 0 2 3 相干光通信的发展1l 2 3 1 相干光通信的历史1 1 2 3 2 相干光通信的复兴1 2 2 4 相干光通信的关键技术1 4 2 4 1 激光器谱宽压缩技术。1 4 2 4 2 激光器频率稳定技术l5 2 4 3 外光调制技术：一1 6 2 4 4 平衡接收技术1 6 2 4 5 偏振保持技术1 7 2 4 6 中频放大技术l9 2 5 本章小结1 9 第三章相位调制相干检测模拟光链路的性能2 0 3 1 强度调制一直接检测系统。2 0 3 1 1 im d d 系统结构2 0 3 1 2im d d 系统的射频信号增益2 0 3 1 3im d d 系统的射频信号噪声系数2 3 3 1 4i m d d 系统的压缩动态范围2 4 3 1 5im d d 系统的无假响应动态范围2 5 3 2 相位调制一干涉检测系统2 7 3 2 1 刚id 系统结构2 7 3 2 2 刚id 系统的射频信号增益2 8 3 2 3 刚id 系统的射频信号噪声指数3 0 3 2 4p m i d 系统的压缩动态范围3 0 3 2 5p m l d 系统的无假响应动态范围3 l 3 3 相位调制一相干检测系统3 2 3 3 1p m c d 系统结构3 2 3 3 2p m c d 系统的射频信号增益3 2 3 3 3p m c d 系统的射频信号噪声指数3 4 3 3 4p m c d 系统的动态压缩范围3 5 3 3 5 嗍c d 系统的无假响应动态范围3 5 第四章仿真结果及分析3 6 4 1im d d 系统性能3 6 4 2p mld 系统性能3 8 4 3p m c d 系统性能4 0 4 4 结果分析4 3 第五章总结4 4 参考文献4 6 致谢4 8 攻读学位期间发表的学术论文目录4 9 北京邮电人学硕士学位论文 1 1 高性能模拟光链路 第一章诸论弟一旱 1 石下匕 用户和业务对带宽的要求是通信网络发展和进化的永恒驱动力。对高速率网 络的需求现在正日益从宽带通信网向无线通信网方面扩展。随着各种数据通信业 务的大量出现，对宽带无线网络的要求正在越来越快的增长。2 5 g 的g s m 无线 网络由于受到带宽的限制，因此，尚不能提供宽带业务服务。为了克服此困难， 讨论如何通过对带宽更有效率的利用来增加容量是当前研究的重点，相当的工作 在研究如何提高无线网络的工作频率达到微波范围，从而使无线网络可以利用更 高的频率。同时，随着3 g 网络在国际和国内的建设和普及，在无线网络中应用 光纤通信技术已经成为目前最热门的方向之一。 以手机通信、无线局域网为代表的无线网络能提供给用户极大的方便性，而 光纤同系统则可以极大的改善其通信速率、吞吐容量及对损耗、失真的容忍性， 而且现在光纤的性价比已经远远超过了铜缆，在提高远程链接的性能的同时降低 建设成本是目前”光进铜退”形势的重要推动力。因此，模拟r o f 光链路在当前的 研究中受到了相当的重视【2 】【引。 模拟光链路( a n a l o gp h o t o n i cl i n k ，a p l ) 已在通信的各环节有大量应用， 包括有线电视( c a b l et e l e v i s i o n ，c a ) 网络、光纤到户( f i b e rt ot h eh o m e ， f 砌) 网络、光载射频( r a d i oo v e rf i b e r ，r o f ) 技术、远程天线技术和相位阵 列天线中均有重要应用。很明显，光纤上以微波信息为调制信号的传输在现代通 信网络中正起到越来越重要的作用。因此，需要研究如何最大化模拟光链路系统 的性能。 一般来讲，微波光链路中主要的损耗来自噪声和失真。其中，噪声给出了信 号能被检测到的下限，而线性性能给出了信号能被正常传输的上限。无假响应动 态范围( s p u r i o u sf r e ed y n a m i cr a n g e ，s f d r ) 则被用来描述此上下限之间的 差距。通常，用来衡量系统性能的其他参数还包括信噪比、噪声系数、链路增益 和压缩动态范围。 1 2 国内外研究历史及现状 早期( 1 9 8 0 年代) 的光链路主要基于直接调制和半导体激光器，其中最主 要的噪声来自相对强度噪声( r e l a t i v ei n t e n s i t yn o i s e ，r i n ) ，而线性性能则主要 j 匕京邮电大学硕士学位论文 受限于谐振失真。这种链路的成本很低，但是对驰豫振荡频率( 通常1 0 g h z ) 附近频率的操作会恶化线性性能和r i n 带来的损耗。通常，c a t v 系统运作于此 频率之下，而对于r o f 系统来说，其使用的调制格式通常允许较大的损耗【4 j 。 为了改善直接调制的链路的性能，人们做了大量工作。下面我们回顾一下曾 使用过的主要的一些方法。 唯一曾成功商用的是使用马赫曾德尔强度调制器( m a c h z e h n d e rm o d u l a t o r ， m z m ) 的外调制方案【5 】。同时利用连续波低r i n 激光器及正交偏置的m z m 的 强度调制直接检测( i n t e n s i t y - m o d u l a t i o nd i r e c t d e t e c t i o n ，i m d d ) 链路能提供 两个互补的、噪声接近散粒噪声限且没有谐振失真的输出。利用电预失真技术， 可以纠正由m z 的正弦传输函数带来的三阶失真( 一般可纠正2 0 d b ) 【6 j 。虽然 其比直接调制成本要高，但是由于其性能较好，i m d d 系统已经为大多数高性能 a p l 应用所采用。 为了进一步改善正交m z 的m z m 链路的性能，人们在如何降低噪声和提高 线性性能两方面做出了很多尝试。通常，噪声来自于三个方面1 7 j ：来自接收机中 光电探测器的热噪声，由a s e 引起的c w 激光输出幅度波动导致的r i n ，以及 光探测带来的散粒噪声。当检测到的光信号大于1 0 m w 时，r i n 和散粒噪声是高 性能光链路中主要的噪声，因此，要想减小噪声，就必须减小d c 功率的幅度。 人们提出了很多方案来减轻残载波带效应。包括采用光滤波器、根据r f 的 瞬时包络动态调制d c 偏置以及对m z m 进行低偏置( 比传统偏置低5 0 ) 等等 【8 】【1 1 1 。方法之- - g - , i 是使用i 心相位匹配的光线路以及平衡接收机【1 2 1 。平衡接收机 可以重新生成完整的已调信号，且几乎不会产生d c 电流。因此跟d c 或残留载 波带有关的噪声即可得到最小化。通过这种方案，r i n 可以得到显著抑制，不过 这个方案要求两个高度匹配的光纤路径。 同时，要评估各方案的系统性能，还需要理解到底是什么限制了a p l 的 s f d r 。由文献 6 】，最优线性性能( 只受限幅限制) 及载波极端抑制( 只受接收 噪声限制) 限制下，s f d r 可超过1 8 0 d b h z 。这比实际中性能好的链路还要好 5 0 d b 。 目前a p l 方面的研究主要有几个方向。最突出的就是使用相位调制器【l 3 】 ( p h a s em o d u l a t o r ，p m ) 和相干探测【l 刚( c o h e r e n td e t e c t i o n ，c d ) 。由于p m 中输入 电压到光相位的变换是线性的，因此可希望通过合适的检测方法得到最大的线性。 挑战在于，如何以线性的方式来检测p m 。方法之一是使用相位调制干涉解调 ( p h a s e m o d u l a t i o ni n t e r f e r o m e t r i c d e t e c t i o n ，p m i d ) 结构【1 5 】，这一结构相对简 单，且只用一个m z 干涉器就可以抑制强度噪声。另一方法是，用一个f b g 将 相位调制转变为强度调制【1 6 】。这个结构也很简单，但困难在于，如何设计和制 2 北京邮电大学硕士学位论文 造合适的f b g 。最好但也最难的方法是使用带光锁相环( o p t i c a lp h a s e - l o c k l o o p i n g ，o p l l ) 的相干光链路来检测光相位调制l l 引。这一方法很复杂，但能提 供较高的性能。 事实上，干涉检测最初是作为有源应用的一个方案提出来的，在模拟系统中 很常见。最近流行的的高速数字系统的d p s k 传输也给一些干涉相位探测器带来 了发展。通过m z m 两臂中信号的f 时延( 通常设为r f 载波周期的二分之一) ， 便可以实现干涉，从而使得输出r f 信号最大化。通过温度来对偏置工作点进行 微小的相位调节，可以在干涉器的输出端得到共轭的输出。在这些条件下，p m i d 系统能提供优于i m d d 系统的性能。同时，所有进入源调制器的功率在平衡接 收机处都可用，从而也提高了功率利用率。另外，还有一个关键的优势是输出端 到相位探测器的r i n 可被平衡接收机消除。对于i m d d ，这需要两个匹配的传 输光纤和一个双输出的m z 。 使用相干探测则能提供更高性能。由于可跟踪发射机的线性相位调制的相位 跟踪接收机的实现的可能，近来大量的工作都展开在p m o p l l 方向，从而可提 供最大线性传输。文献 1 4 1 中就提及一种结构，将接收到的信号的相位经平衡接 收机探测后，与l o 的相位进行比较，再将输出的信号用于接收机p m 来调制 l o 的相位和驱动锁相环，使得最后完全还原原始的传输信号。虽然这个方案很 吸引人、很简单，但是实际实现很麻烦，复杂性很高，特别在微波光通信的以 g h z 为单位的速率下。需要很高的环路增益来取得比简单方案更好的线性。这 可通过使用高接收机光功率或使用电放大来实现。同时需要用一个l p f 来保证 环路稳定性。环路的稳定对环路增益的要求也很高。实际中，环路延时必须是最 大r f 频率的几分之一( 通常是一个较小的分数) 。另外，还需要克服普通相干 系统有的所有问题，如为了使l o 和接收信号的偏振匹配，需要对l o 的频率和 相位的锁定和控制。 1 3 相干光通信系统 自从1 9 7 0 年第一根光纤在美国康宁公司( c o m i n gi n c o r p o r a t e d ) 诞生后， 强度调制一直接检测( i n t e n s i t ym o d u l a t i o n d i r e c td e t e c t i o n ，i m d d ) 就是光纤通 信系统中常见的结构之一，也为目前大多数商用的光通信系统所采用。其在发送 端对光载波的幅度进行强度调制，在接收端使用光电探测器对接收到的信号进行 包络检波。这种结构原理简单、成本低廉、容易集成，但调制格式仅限a s k ， 因此存在频带利用率低、接收灵敏度差等缺点，不能充分利用光纤的带宽优势。 因此，人们借鉴无线通信中的相干解调和直接检波的方法，提出了相干光通信的 概念。 北京邮电大学硕士学位论文 所谓的相干光，即为两个光场具有相互干涉性质、空间叠加的激光。利用相 干光具有确定的频率和相位的特点，可实现对光载波的频率、相位以及振幅的调 制。在相干光通信系统中，接收端在收到载有信息的光载波后，在满足波前相位 匹配和偏振匹配的条件下，与接收机的本振光一起耦合到光检测器中进行零差或 外差探测然后解调。 相干检测最开始是因为其相对于a s k 的高接收灵敏度而被使用的。通过使 用l o 对接收信号进行混频，也就相当于进行了一次只针对信号的光放大。即使 后来出现了e d f a ，相干探测仍能提供比a s k 放大后更好的灵敏度。 相干接收机中，有时会需要使用o p l l 来跟踪接收信号的相位，相干光通信 中，使用相位跟踪的接收机被称为同步接收机，等同于数字通信中的匹配滤波器 接收机，使用相位跟踪的接收机总能提供最优化的性能。不使用相位跟踪的接收 机的接收信号的相位随机，可通过检测器功率或信号的包络来探测。这种非线性 的接收机被称为异步接收机。其性能通常比同步的要差，但是其结构简单，成本 低廉。 相干光信号也可不用与l o 信号混频而直接检测。对于a s k 信号，可用光 电二极管直接检测，而频率或相位调制的信号可用基于干涉器或光滤波器的直接 探测接收机。直接探测接收机可能是最简单且低廉的接收机了，但是相位或频率 调制信号的直接探测接收机仍然比用来探测a s k 信号有无的单个光电二极管要 复杂。 1 4 论文主要工作 本文中主要工作是评价使用相位调制相干检测的r o f 模拟光链路的系统性 能，理论推导系统的性能评价参数，并对其进行仿真和分析。具体各章安排如下： 第一章介绍了论文的研究背景、意义及研究现状； 第二章详细讨论相干光通信系统的原理、发展和关键技术，并对其一般性 系统性能进行了详细推导； 第三章对i m d d 、p m i d 、p m c d 结构的模拟光链路性能进行详细讨论和推 导，得到各结构下系统性能参数的理论结果； 第四章结合第三章的分析结果，利用m a t l a b 软件对其进行仿真并分析； 第五章全文总结。 4 北京邮电大学硕士学位论文 2 1 系统原理 2 1 1 系统结构 第二章相干检测系统的性能分析 典型的相干光通信系统框图如图1 所示： 数字信号 零差接收 图2 - 1 相干光通信系统框图 在发送端，将信号以调幅、调相或调频的方式外光调制到光载波上，然后经 光匹配器送入光纤中传输。已调光波以h e 。模在光纤中传输，信号光光场可表 示为： e s = a s e x p i i ( t o s t + 叩s ) i ( 2 - 1 ) 其中a 。、c o 。和9 。分别为光载波的幅度、频率和相位。 在单模光纤中传输时，光纤的损耗、色散和偏振状态都会影响已调光信号。 图1 所示系统框图中，在发射端，信号光进入光纤之前，加上了一个光匹配器， 来保证从光调制器输出的已调光波的空间复数幅度分布和单模光纤中的基模之 间以及已调光波的偏振状态和单模光纤中的本征偏振状态之间有尽可能好的匹 配。当信号光到达接收端时，首先也进入另一光匹配器，从而使接收到的光信号 的空间分布和偏振方向与本振光信号匹配，以得到最大混频效率。之后将接收到 的光信号与一本振光信号进行相干混频，使其光场发生干涉。同上，本振光光场 可表示为： e l = a l e x p i i ( r o l t + ( p l ) i ( 2 - 2 ) 其中a l 、c o l 和9 l 分别为本振激光的幅度、频率和相位。本地若无匹配器， 也可保持信号光的偏振方向不变，通过控制本振光的偏振方向使之与信号光的偏 北京邮电大学硕+ 学位论文 振方向相同。 混频后的光波进入光电探测器进行探测，其输出的光功率与i e 。+ e l l 2 成正比， 即： p = k l e s + e l l 2 ( 2 3 ) 其中k 为一常数。根据电磁场理论计算可得输出光功率近似为： p d ( t ) = p s + p l + 2 厕o s t + ( q ，s - 平l ) ( 2 - 4 ) 其中r 和p 1 分别为信号光和本振光的光功率。则经过探测后，探测器输出 的光生电流为： i ( t ) = ( t ) = r ( p s + p l ) + 2 r 属_ c o s 正t + ( q o s - 中l ) ( 2 5 ) 其中r = t l e h t 为光电探测器的响应度，t 1 为光探测器的量子效率，e 为电 子电荷，h ：0 普朗克常量，丫为光频率；p s = k a ；，p l = l a ：，混频得到的中频 的频率t o l f = s - c o l 。 由( 2 5 ) 式可见，中频信号带有信号光的幅度、频率或相位信息，无论在 发射端采取什么调制方式，都可以从中频功率分量反映出来，因此相干光接收是 适于所有调制格式的通信方式。 根据中频的频率( o 佰是否等于o ，相干光通信可分为零差检测相干光通信和 外差检测相干光通信： 。，= 0 时称为零差探测。零差检测系统中，光信号经光电检波器后可直接 转换成基带信号，如图l 中虚线所示。通过低通滤波器后，滤去直流分量。9 。= 吼 时，零差电流为： i 。( t ) = 2 r 、f p s ( t ) p l ( 2 6 ) 在此我们可以将其与直接检测方式的信号电流i d d = r e s ( t ) 相比，由于直接 检测方式检测的是接收信号的幅度，则可得两种方式接收到的信号功率之比为： 4 r 2 p s p l ：堡 ( 2 7 ) r 2 瑶 p s 通常p i p s ，因此零差探测的灵敏度可达很高，而且与噪声大小无关。其 缺点是必须严格要求本振光频率与信号光频率、本振光相位和信号光相位之间匹 配，对于相位有较高敏感度，故实现时控制处理较复杂；且零差探测的方式解调 出来的只有信号的幅度信息，无法应用高级的调制方式，大大限制了其应用环境。 反之，( o 作0 时即为外差探测。外差检测系统中，经光电检波器后获得的 是中频信号，因此还需二次解调才能被转换成基带信号。外差电流可表示为： 6 广 北京邮电大学硕士学位论文 i 。( t ) 22 r p s ( t ) p l e o s l ( o i f t + ( ( p s - q l ) l ( 2 8 ) 与零差检测相似，通常外差检测也通过设置p i p s 来放大接收光功率，从 而提高灵敏度。同时，由( 2 8 ) 式可见，由于引入了余弦函数引起光电流对时 间的交变特性，外差检测的平均信号功率比零差检测降低了二分之一，从而其信 噪比改善比零差检测要低3 d b 。但是，相对来说外差接收机设计却较为简单，因 为不需要相位锁定和频率匹配，最关键的是其接收到的信号保有信号光所有幅度、 频率、相位的信息，因此实际中使用的相干探测技术多采用外差的方式。 根据中频信号的解调方式不同，外差检测又可分为同步解调和异步( 包络) 解调，外差同步解调的原理框图如图2 2 所示。 接收号 图2 - 2 外差检测同步解调接收机框图 光检测器探测到的光电流经过中心频率为币2 7 【的带通滤波器，考虑噪声， b p f 的输出信号为： i ，( t ) = ( 2 r 4 p s ( t ) p e e 。s j + i c ) c 。s 腰t + ( 2 r 4 p s ( t ) p l s i n j + i 。) s i n m t ( 2 - 9 ) 其中i c 和i 。均为均值为0 的高斯变量。 通过b p f 后分为两路，一路进行中频载波恢复以提取频率信息，并将得到 的中频载波与原中频信号进行混频： i r = i f ( t ) c o s o 。肝t = 吾( 2 r 4 p s ( t ) p l c o s j + i c ) c o s 2 c t + 吾( 2 r x 丽) p l c o s j + i c ) ( 2 - 1 0 ) + i ( 2 r 4 p s ( t ) p l s i n j + i 。1 s i n 2 ( o 礤t 通过低通滤波器后，即得基带信号： i 。= i ( 2 r 4 p s t ) p l e 。s j + i c l ( 2 1 1 ) 外差异步解调的原理框图如图2 3 所示。 接收光 7 号 北京邮电大学硕士学位论文 图2 - 3 外差检测异步解调接收机框图 外差包络解调不要求恢复中频微波载波，其在包络检测器后接一个低通滤波 器直接检测出基带信号，其可表示为： i 。= l i e ( t ) l = ( 2 r i 丽s j + i c ) 2 + ( 2 r 4 p s ( t ) p l s i n j + i 。) 2 ( 2 1 2 ) 与外差检测同步解调相比，可见异步解调还要受到接收噪声的同相和异相分 量的影响，因此其接收灵敏度比同步解调低约0 5 d b 。但由于同步解调需要恢复 中频微波载波，因而需要采用锁相环来进行相位锁定，从而加大了系统复杂度； 且异步解调对发送端激光器和本振激光器的线宽要求没有同步解调高。相比之下， 异步解调方式以极小的灵敏度为牺牲，但获得了相对简单的设计和较为容易可实 现性，因此实用的相干光通信系统多偏爱异步解调方式。 2 1 2 信噪比与接收灵敏度 对于模拟信号，相干探测有三种调制方式：幅度调制( a m p l i t u d em o d u l a t i o n ， a m ) 、相位调制( p h a s em o d u l a t i o n ，p m ) 和频率调制( f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ， f m ) ；对于数字信号，相干探测调制方式也可分为三类：幅移键控( a m p l i t u d es h i f t k e y i n g ，a s k ) 、相移键控( p h a s es h i f tk e y i n g ，p s k ) 和频移键控( f r e q u e n c ys h i f t k e y i n g ，f s k ) 。下面我们将主要推导数字相干探测光纤通信系统的信噪比及接 收灵敏度。 光接收机中的主要噪声通常来自光电二极管的散粒噪声和放大器与电阻的 热噪声。其中，散粒噪声由所接收的光功率电平g 。和与其无关的g 蛐两部分组 成，后者由光电二极管的暗电流i 诎引起。因此，零差或外差相干光接收机的噪 声功率谱密度可表示为： g ( f ) = g p + g 妇r i c + g l h = e ( r p l + i d a r i c ) + g 血 ( 2 1 3 ) 联系( 2 8 ) 式，则外差相干探测的信噪比为： s n r ：羔：堡肇生( 2 - 1 4 ) n e ( r p l + i d a r l 【) b + g t h b 通常p ，较大，则上式可近似而化简为： s n r ：盟( 2 1 5 ) e b 也可用每比特光子数n p 来表示s n r ，由其定义： p s = n p h r f b ( 2 1 6 ) 代入( 2 1 5 ) 式，则： 北京邮电大学硕士学位论文 s n r 。2 q n p ( 2 1 7 ) 零差接收的平均信号光功率是外差接收的两倍，则其信噪比为s n r = 4 t i n p 。 通过信噪比可进一步计算确定误码率的大小。a s k 调制时，令判决门限为： i j 2 2 1 - i s + i c ( 2 1 8 ) 其中光信号电流i 。= 2 r 4 p s ( t ) p l ，令发送0 和1 时的i s 大小分别为i o 和i 。， 则其误码率即为： 瞰= 三柏( 詈) = 剐杀 亿 其中n 。和n 。为发送0 和1 时的等效噪声功率，令n 。= n 。，i 。= 0 ，则： 嗽= 斟厚2 协2 。， 2 i 、fj 通过信噪比也可计算确定接收灵敏度。由( 2 1 6 ) 式，可知最小平均接收光 功率为： ( p s ) 幽= 1 2 q 2 h 广) , b ( 2 2 1 ) 设b = 1 g h z ，b e r = 1 0 。9 ，在1 1 = 1 的极限条件时，o 6 ，此时即有 ( p s ) 曲= 7 2 h ? ，故a s k 外差接收的极限灵敏度为7 2 ( 每比特光子数) 。 同理可得其他调制方式或解调方式的误码率及极限灵敏度，分别计算，列如 表2 1 所示。 表2 1 不同调制解调方式的误码率和极限灵敏度 调制方式解调方式比特误码率( b e r ) 极限灵敏度 a s k 零差 吾e 疵( 师而) 3 6 a s k 外差 吉e 疵( 厕而) 7 2 p s k 零差 丢e 疵( 丽) 9 p s k 外差 丢e 疵( 而) 1 8 f s k 零差 圭e 疵( 瓜) 1 8 f s k 外差 圭e 疵( 师币) 3 6 i md d 圭e x p ( 一1 1 n p ) 2 0 9 北京邮电大学顾： ：学位论文 由此可进一步画出不同调制解调方式时误码率与灵敏度的曲线关系图，如图 2 3 所示。其中，从左往右的曲线分别代表p s k - 零差、p s k - 外差及f s k - 零差、 i m d d 、a s k - 零差及f s k - 外差、a s k - 夕p 差调制解调时误码率和灵敏度的关系。 图2 3 不同调制解调方式的误码率和极限灵敏度 由表2 1 及图2 3 可见，i m d d 的理论灵敏度比一般相干探测的灵敏度还要 好，但是实际i m d d 系统中的噪声因素对其灵敏度影响较大，其实际灵敏度会 出现急剧下滑，为达到1 0 9 的误码率，实际i m d d 系统需要达到1 0 0 p h o n t o s b i t ， 而相干探测则可通过提高本振激光功率来提高灵敏度，使其逼近理论极限值。 2 2 相干光通信系统的优点 通过对相干光通信系统及其原理的定性分析，可知相干光通信系统有如下优 点： ( 1 ) 高响应灵敏度。相对于非相干系统，相干光通信系统最突出的优势即为 相干检测可显著提高接收灵敏度。由于混频后输出光电流的大小与信号光功率和 本振光功率的乘积成正比，因此只需简单提高本振光功率即可使接收机的灵敏度 大大提高，甚至接近理论量子极限。相比i m d d 通信系统，其灵敏度可提高 1 0 2 5 d b ，线路功率损耗可以增加到5 0 d b ，从而光信号的无中继传输距离也得以 大大增加( 1 0 0 k m 以上) 。因此，相干光通信系统非常适合做成大容量、长距离 的干线网，在相同的发射功率情况下，相干光通信系统的无中继距离更长。这一 高能量利用率的特点也与目前备受提倡和关注的“绿色光子学”非常契合。 ( 2 ) 可应用多种调制格式。由于使用了频率、相位、偏振态都可控的相干光， 因此，在发射端，相干光通信系统除了可以采用幅度调制以外，还可以采用频率、 1 0 北京邮电大学硕上学位论文 相位调制，如b p s k 、q p s k 、8 p s k 、1 6 p s k 、4 - 2 5 6 q a m 等多种调制方式；在 接收端，通过采取相干检测，即利用本地光源与信号光进行混频，即可将幅度、 频率、相位等信息分别检测出来。显然，相比传统的非相干光纤通信系统，相干 探测的这种全息探测的优点这是其不具备的。高级的调制方式虽然在一定程度上 增加了系统的复杂性，但是给系统在信息的传输容量、检测灵敏度方面带来非常 大的性能提升。 ( 3 ) 频率选择性好，通信容量大。外差探测中，信号光和本振光的混频之后 得到的是一个中频信号，经过带通滤波器时，其它噪声均被带宽较窄的微波中频 放大器滤除，只有在中频频带内的噪声才可能进入系统，因此其有良好的滤波性 能。好的频率选择性也决定了光电转换后的电滤波系统的频率选择性好，从而可 充分利用光纤的低损耗光谱区( 1 2 5 9 m 1 6 t m ) 。原则上，信道间隔可为1 1 0 g h z 间的任意值，通过密集波分复用技术，可以进一步提高光纤带宽的利用率，充分 利用光纤的传输带宽，实现超高容量的信息传输。 ( 4 ) 可以使用电域d s p 技术来对接收到的光信号进行处理和补偿。例如，色 散是限制转输信息的速度的重要因素，我们可在光电转换后对信号进行信号处理 来对光纤中的色度色散、偏振模色散进行色散补偿，以此降低光纤色散对系统的 影响，从而获得更高的信息速率。 2 3 相干光通信的发展 2 3 1 相干光通信的历史 由于相干光通信的种种优点，人们认识到这是一种较理想、有前途的通信方 式，因此，从2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代起，便逐渐成为国际光通信研究领域的 热点。各国在相干光传输技术上都花了大量的力量来进行研究。8 0 年代末期， 包括美国、日本的一些研究机构，以及a t & t 、b e l l 、n t t 等公司先后都完成了 实地的无中继相干传输实验。他们尝试了包括幅度调制、频率调制和相位调制等 多种调制方式，也采用了多种检测方式，并获得了一系列出色的成果。当时已经 实现系统的码速在1 0 g b s 以上，接收灵敏度达6 0 d b m ，传输距离在数百公里的 系统。 然而，要实现相干光通信，首先要求系统在发射端使用具有频率稳定、相位 和偏振方向都可以控制、频谱纯度、温度稳定性较高的激光器以产生相干性很好 的光载波；而在接收端，需要使用光锁相环( o p t i c a lp h a s el o c kl o o p ，o p l l ) 来获得频差稳定的混频信号，同时还需要偏振保持的光纤来保证外差混频时的偏 振关系确定。这一系列的限制在早期的条件下实现较困难，也一直是限制相干光 j 匕京邮e 乜大学硕士学位论文 通信系统实用化的重要因素。 同时，随着9 0 年代中期掺铒光纤放大器( e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r ，e d f a ) 和密集波分复用( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，d w d m ) 技术的迅速 发展和走向实用化，基于i m d d 结构的光纤通信系统已经能提供实用的通信性 能，光通信系统的灵敏度和单信道信息容量不再是研究的重点，相干光光纤通信 系统方面的研究得以逐渐冷落。 目前相干光通信实用化研究多集中在特殊环境的应用。传统的光通信系统需 要使用大量e d f a 、s o a 等中继设备，因此不适合应用于恶劣的环境，容易遭到 损坏，且维护费用太高。相干光通信由于其无中继距离远大于传统光通信系统， 可以大量减少中继设备，降低维护和修理费用，因此主要应用于如跨洋通信、沙 漠通信、星间通信等情况，其中以星间通信最为突出。 在星间通信中，星间光通信可以实现超过微波转发设备的数据流量，而且， 光通信比微波通信能量更集中，从而带来了很好的抗干扰和抗截获性能，可以极 大地提高通信系统的信息安全。同时，由于空间中无法应用e d f a 来做链路中继 或放大，因此相干光系统一直被视为改善功率受限的卫星光通信系统灵敏度的必 然选择。从1 9 8 6 年欧洲航天局( e u r o p e a ns p a c ea g e n c y ，e s a ) 开发的s i l e x 系统到1 9 9 7 年e s a 与德国航天中心( g e r m a na e r o s p a c ec e n t e r ，d l r ) 合作进 行的光地面站( o p t i c a lg r o u n ds t a t i o n ，o g s ) 研究项目，相干光通信系统都是 星间光通信的首选方案。据d l r 于2 0 0 0 年发表的文章称，其采用v i p ( v i r t u a lp i l o t t o n e ) 技术的零差b p s k 接收机的接收灵敏度可达到1 3 光子l ：k 特，已经接近理 论极限。而麻省理工的林肯实验室在研究了各种相干通信方案在l e o 星间平台 振动条件下的信噪比、误码率等通信性能后，提出了发射功率自适应技术方案， 其实验装置通信距离3 0 0 0 k m ，误码率1 0 石，码速率可达2 g b i t s 。 除以上应用外，相干光通信在频分复用c a t v 分配网中也有广泛的应用， 在此不予详述。 2 3 2 相干光通信的复兴 目前，光纤通信系统主要用于骨干网传输。经过二十多年的发展，尽管现在 采用d w d m + e d f a 的i m d d 系统的传输容量已可达1 0 t b s 量级，无光一电光式 中继的传输距离可达数千公里，但从本质上说，i m d d 系统还是属于噪声载波系 统，系统的中继距离和传输容量始终受到限制。因此，在数字传输系统中，如何 扩大c 波段放大器的容量、克服有害的光纤色散效应