基于PPM的深空光通信的接收技术

基于 PPM 的深空光通信的接收技术 摘 要 本文主要论述基于 PPM 调制方式下的深 空光通信的接收技术 主要针对从月球到地面传输的激光 信号进行接收 能够增强深空激光通信能力 顺利有效地 完成各项深空通信任务 对工程应用 军事发展 国防科 研等有重要意义 关键词 PPM 深空光通信 接收技术 目前深空探测数据传输采用微波通信方式 火星和地 球之间的最大通信速率仅能达到 120kbps 而空间激光通信 是指用激光束作为信息载体进行空间 包括大气空间 低 轨道 中轨道 同步轨道 星际间 太空间通信与空地通 信 激光通信具有通信速率高 信息容量大 体积小 功 耗低等突出特点 恰恰能有效解决带宽瓶颈 因此国外竞 相开展空间激光通信的研究工作 单光子探测器是地面通 信系统中接收深空激光信号的重要部分 单光子探测是一 种极微弱光探测法 随着人们对单光子探测领域的研究 研制和开发有高灵敏度新型结构的光探测器 研究和改进 现有探测器对弱信号的信息探测和信息处理技术 使其进 行单光子探测已经成为研究热点 这将使深空通信的地面 探测接收端能更好地探测并接收深空中发来的光信号 因 而在激光雷达探测技术上 由于对激光雷达探测器灵敏度 的要求提高 出现了具有单光子灵敏度的新型探测器 盖革模式下雪崩光电二极管 GM APD 阵列的激光雷达探 测 相对于由半导体光电二极管 PIN 光电倍增管 PWT 等构成的光电检测器 盖革模式下的雪崩光电二 极管 GM APD 用于单光子探测 具有灵敏度高 响应速 度快 功耗低 工作频谱范围大 体积小 工作电压较低 在弱光信号检测方面有较大优势等特点 其应用在国内外 近 10 年来发展迅速 一 深空信道环境及对激光传输的影响 大气在垂直方向可分为对流层 平流层 中间层 热 层和外层 如图 深空信道环境包括温度 气压 高层大 气 原子氧 空间等离子体 地磁场 高能带电粒子 空 间碎片等多种因素 对激光信号的传输产生各种影响 导 致通讯信号的深度衰减 大气的湍流运动使大气折射率具 有随机起伏的性质 造成光束在大气信道中传输时产生光 强闪烁 光斑漂移 光束扩展 畸变及光能损失等现象 大气湍流信道中的闪烁效应和光束漂移等严重影响了打在 光检测器接收平面上信号光的能量 此时大气信道的噪声 以及背景光和系统本身的噪声对通信系统误码性能的影响 将非常显著 总的来说 深空信道环境使光信号信号产生 衰落 散射等影响后直接对深空激光通信系统的通信速率 跟踪精度等都产生负面影响 二 深空光通信系统的总体结构 深空激光通信系统由航天器通信端 地面通信端和信 道组成 航天器通信端完成下行链路信息的发送和上行链 路信息的接收 地面通信端完成下行链路信息的接收和上 行链路信息的发送 深空激光发射终端经过激光器发射激 光 进行 PPM 外调制与光学放大与天线发射后完成下行链 路信息的发送 地面探测通信终端通过盖革模式下的 APD 单光子探测器进行探测接收 再经过信号处理部分放大解 调出信号 三 基于盖革模式下的激光探测系统 该系统主要由工作在盖革模式下的雪崩光电二极管作 为光探测器 激光信号由光学天线接收经过探测器与前置 放大器变为电信号 再对电信号进行均衡放大 时钟提取 判决等处理 高灵敏度和高抗干扰的光信号接收技术 在深空光通信系统中 接收机接收到的信号十分微弱 同时又有高背景噪声的干扰 为了精确的接收信号 通常 采用提高接收机灵敏度和对接收信号进行处理的办法 首 先光电探测器的性能直接影响到系统的误码率以及灵敏度 性能 对于深空这种距离远 噪声影响较大的信道来说 高量子效率 QE 高响应速度一级很低的暗电流噪声的探 测器是人们追求的目标 现在运用及研究最多的是雪崩光 电二极管 APD 类的探测器件 也提出了一种新型的光 子计数探测阵技术 其传输速率 1Mbps 响应波长 1550nm 量子效率 0 5 0 8 其次 对接收的信号进行处 理 采用光窄带滤波器 以抑制杂散光的干扰 四 硬件电路设计 在深空激光通信中 地面接收到的信号很微弱 并伴 有噪声 为了精确的接收信号 本课题激光探测器中 对 前置放大器 主放大器 温度控制电路以及时钟提取 判 决电路进行设计 针对发射端的 PPM 调制方式解调出低误 码率 高信噪比的激光信号 1 前置放大电路 光电探测器后的放大器通常称 为前置放大器 将接收器输出的信号放大到一定的水平 根据微弱信号检测理论 通过提高前置放大器的增益和减 小前置放大器的噪声 可大大降低后续处理电路中的噪声 对系统总信噪比的影响 前置放大器的设计要点是在带宽 和灵敏度之间进行优化选取 目前前置放大器主要有低阻 前置放大器 高阻前置放大器和跨阻前置放大器 根据接 收信号的大小和通信速率选择不同类型的前置放大器 2 线性放大单元 线性放大单元有三大功能 将前 置放大器的输出电压 通常在 0 1mV 量级 放大到后续判 决再生电路需要的电压值 1V 左右 因此增益要达到 40dB 量级 为了在光接收机的输入光功率变换时维持给定 的输出电压 使判决电路正常工作 主放大器应具有自动 增益控制功能 AGC 控制范围通常为 20dB 具有特定 的频率响应 以校正和补偿前放对带宽的限制 在主放大 器之前要插入一个均衡滤波器 使之输出无码间干扰的理 想波形 3 时钟提取 恢复电路 时钟同步 位同步或称码 元同步 是在接收端确定每一个码元的起止时刻 它是数 字通信的诸多同步之中的首要问题 时钟提取电路通常采 用数字锁相环技术 时钟同步采用自同步法可以用设计特 殊的锁相环路来直接从接收的码元序列提取位同步信号 4 判决电路 判决电路将接收机中的主放大器输出 的稳定信号与一个门限电压值进行比较 作出 1 和 0 的判决 并用恢复的时钟进行抽样 在判决电路的输 出端可得到与原信号一致的数字信号 并通过设置最佳门 限对接收到的信号进行硬判决 由于通信实时性要求比较 高 所以需要对解调的脉冲位置进行实时判决 每采到一 个值就与前次采样值进行比较 21 世纪是光通信获得极大发展与应用的世纪 现在已 经有人研究了大气激光通信 还有移动激光通信 卫星激 光通信的研究也正在进行着 本文中的深空光通信的接收 技术正是顺应这一趋势而作的工作 深空