相干激光通信的外差异步解调关键技术研究

相干激光通信的外差异步解调关键技术研究,课题来源,课题来源于“光电跟踪设备研制项目”，为所内创新项目。,目录,1、课题背景及研究意义2、课题主要研究内容3、实验可行性分析4、预期目标及创新点5、研究进度及具体时间安排,在自由空间光通信中，相干光通信以其灵敏度高、中继距离长、通信容量大等优点，成为各国学者争相研究的热点，也成为未来空间光通信发展中极具潜力的选择。,国外在此领域的研究起步较早，技术较成熟，已经进行了多次的地面或者空间实验，已经进入工程化和实用化的阶段。研究机构主要集中在美国、欧洲、日本。国内的研究起步较晚，在借鉴国外研究的基础上，进度较快。目前在研究相干激光通信的大学和研究所主要有哈尔滨工业大学、长春理工大学、桂林激光通信研究所等。,1、课题背景及意义,1.1 课题背景,目前大气激光通信系统通常采用强度调制/直接探测（IM/DD），这种系统结构简单，容易集成，但是调制格式单一，信道带宽有限，将不能满足大容量通信的要求，这样势必需要一种新的通信方式取代它相干激光通信。,1.2 研究意义,现对直接探测和相干探测方式的通信系统进行对比如下：,1.2 研究意义,通过对比并基于以上相干激光通信的优点，相干激光通信系统将可以取代强度调制/直接探测（IM/DD）系统，在军事上可应用于地面大气激光通信、星地激光通信、星间激光通信等多种场合。,1.2 研究意义,2、课题主要研究内容,系统方案的选取,光学仿真分析,图1 相干激光通信框架图,如图：信号可以经过调幅、调频和调相的方式调制到光载波上，当该信号传输到接受端时，首先与频率为 本振光信号在混频器处进行相干混频，然后由光电检测器进行检测，最后经过电信号处理输出基带信号。,信号源,编码器,驱动器,调制器,发射激光器,光纤准直器,发射天线,2、课题主要研究内容,2.1 基本原理,光混频器,光电检测器,解调,判决,信号恢复,本振激光器,接收天线,， 成为中频信号。,光检测器输出的光电流为：,式中 和 、 和 、 和 分别为信号光与本振光的频率、振幅和相位。假定信号光与本振光偏振方向相同，则投射至光检测器的光强度为 检测到的功率为 ，K为比例系数，利用上两式可得：,设信号光与本振光的电场分别为：,2.1 基本原理,大气信道,从上式可以看出即使接收光信号功率很小，但由于输出电流与 成正比，仍能够通过增大 而获得足够大的输出电流。本振光在相干探测中还起到了光放大的作用，系统获得了混频增益，从而提高了接收的灵敏度。,2.1 基本原理,通常 ，所以第一项可认为是直流常数，很容易被滤除，此时含有信息的外差电流为,2.2关键技术研究,光混频技术是基于两束光通过光混频器在探测器光敏面上的相干效应，信号光和本振光载混频时要求偏振匹配、振幅匹配和相位匹配。振幅匹配较容易，可通过调节光功率实现。相位匹配实现较难，对混频效率影响最大。混频器通常采用透镜作用原理。透镜具有成像作用，成像相当于改变了波面的形状，即改变了波面相位。如下图：透镜的焦距为f，信号光和本振光入射到透镜上，通过透镜成像在探测器光敏面上，完成混频过程。,在相干光通信中，相干探测要求信号光束与本振光束必须有相同的偏振方向，也就是说，两者的电矢量方向必须相同，才能获得相干接收所能提供的高灵敏度。,1、采用“保偏光纤”使光波在传输过程中保持光波的偏振态不变。但保偏光纤与普通单模光纤相比，其损耗较大，价格比较昂贵。2、使用普通单模光纤，在接收端采用偏振分集技术。,2.2关键技术研究,2.3 实验方案的选取,本方案主要的选取主要分为两方面：探测方式和解调方式。对于探测方式分为：零差探测和外差探测。对于解调方式分为：同步解调和异步解调。,零差探测与外差探测：,图2 零差探测,2.3 实验方案的选取,图3 外差探测,2.3 实验方案的选取,2.3 实验方案的选取,零差探测需要光锁相环对相位和频率进行锁定，而对外差探测则只需要相对简单的电锁相环来完成频率锁定，外差探测相对零差探测不要求直接恢复光载频，而且对光学相位与频率稳定性的要求较低，所以该在方案中选择外差探测。,经过以上对比：选择外差探测方式,同步解调和异步解调：,图4 同步解调,2.3 实验方案的选取,图5 异步解调,2.3 实验方案的选取,2.3 实验方案的选取,电信号解调方式可以分为同步解调和异步解调。由于同步解调中需要载波恢复，即对接收的中频信号的同步检测，产生一个频率和相位都与之相同的中频载波信号，实现此功能则需要一个较复杂的电锁相环；而对于异步解调只需要一个包络检波就可以做到，实现起来相对容易，所以选择了异步解调。,经过以上对比：选择异步解调方式,方案选择外差异步解调方式,2.4 光学仿真分析OptiSystem,OptiSystem：,OptiSystem是Optiwave公司推出的一个光通信系统仿真软件，其功能相当强大，提供了极其丰富的模块，这些模块对应的器件已经得到准确的测试。同时，Optisystem还提供了与Matlab的接口功能，使得开发人员进行光通信系统的设计变得相对快捷和有效。,使用GUI的图形化接口，使用者很容易上手,本课题有着丰富的理论指导及实践经验。实验室已研制成功激光通信直接探测的光端机，实现了8km的图像视频实时传输。因此在无线激光通信的硬件平台和软件控制设计方面有了大量的理论和实践基础。,通过以上的理论分析和方案选择，对于大气相干激光通信采用外差异步解调技术是切实可行的。,3、实验可行性分析,预期目标 完成对相干激光通信系统的理论研究，对所选系统方案进行系统光学仿真及实现。,创新点 由相干激光通信外差探测技术代替原有的直接探测技 术，提高了探测灵敏度，增大了带宽。,4、预期目标及创新点,2012.102013.2 查阅大量的文献资料，深入学习相干激光通信的理论知识，通过对比选择系统的实现方案。2013.22013.5 对所选系统方案进行系统光学仿真分析并进行初步的实时图像传输试验。2013.5