开题报告-相干激光通信的外差异步解调关键技术研究

研究生学位论文开题报告报告题目相干激光通信的外差异步解调关键技术研究学生姓名学号指导教师职称研究员学位类别工学硕士学科专业机械电子工程研究方向激光通信培养单位中科院长春光机所填表日期2012年8月20日中国科学院研究生院制填表说明1本表内容须真实、完整、准确。2“学位类别”名称填写哲学博士、教育学博士、理学博士、工学博士、农学博士、医学博士、管理学博士，哲学硕士、经济学硕士、法学硕士、教育学硕士、文学硕士、理学硕士、工学硕士、农学硕士、医学硕士、管理学硕士等。3“学科专业”名称填写“二级学科”全称。论文题目相干激光通信的外差异步解调关键技术研究1学位论文课题来源及选题的背景及意义课题来源本学位论文课题来源于“光电跟踪设备研制项目”，为所内创新项目。研究意义目前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，将不能满足社会对大容量通信的要求，这样势必需要一种新的通信方式取代它相干激光通信。现以以下几个方面对直接探测和相干探测进行对比。调制方式直接探测只能使用强度调制方式；相干探测可以采用幅度调制、频率调制和相位调制。杂散光抑制方面直接探测中通常需要在探测器前加窄滤光片来抑制杂散背景光的干扰，但即使这样其频带依然很宽；而外差接收时中频落在微波段，采用非常窄的带通滤波器，可以实现信道间隔小于110GHZ的密集频分复用，从而实现超高容量的信息传输。灵敏度方面相干接收机比普通接收机灵敏度提高约20DB。通过对比并基于以上相干激光通信的优点，相干激光通信系统可以解决微波通信瓶颈、构建天基宽带网，从而实现全球高速、实时通信，这对民用和军事应用具有很大的应用潜力。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。在相干激光通信系统中，解调技术是整个系统的关键技术之一，所以此课题有重要的研究意义。选题背景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和空间实验，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。1美国美国研究空间光通信技术的两个重要机构为加州理工的喷气推进实验室JPLJETPROPULSIONLABORATORY和麻省理工的林肯实验室NASANATIONALAERONAUTICSANDSPACEADMINISTRATION。JPL早在二十世纪九十年代初就完成了码速率为100MBPS的PSK星间相干光通信的演示系统，之后，JPL将主要精力集中在对IM/DD体制的工程化研究。到九十年代末期，JPL的研究方向再次转向相干光通信，着重研究ASK和BPSK调制信号集检测与解调方案，并对方案中的量子极限理论和方法进行分析，最终达到扩展星间光通信链路信道容量的目的。与此同时，NASA将重点放在了LEO星间平台振动条件下各种相干通信方案的信噪比、误码率等通信性能的研究，提出了发射功率自适应技术方案，此方案实验装置设置的通信距离为3000KM，码速率为2GPBS。此外，最近几年来，美国从事星间光相干通信体制研究的机构也有所增加，包括国家物理实验室和FLORIDA大学。（2）欧洲欧洲航天局ESAEUROPEANSPACEAGENCY对空间光通信系统的研究始于八十年代中期，首选方案为著名的SILEX系统，研究之初，计划选用106的二氧化碳M激光零差系统，但最终因为相干体制所要求的窄线宽、高稳频的激光器发展还不成熟而不得不放弃，选用了当时相对比较成熟的波长为830NM的半导体激光为光源，IM/DD为SILEX的探测体制。到了九十年代初，ESA又启动了SROILSHORTRANGEOPTICALINTERSATELLITELINK这一专门研究星间相干光通信的项目。SROIL的波长为1064NM，采用零差BPSK体制，设计的技术指标为通信链路距离为12001400KM,发射光功率约为1W，天线尺寸仅为35MM，码速率达到25GBPS。SROIL项目研究的出发点是是利用当时先进的激光器件与现有的技术实现高码率、小型化的空间相干光通信的系统终端。3日本日本研究空间光通信的机构为国家宇宙开发事业团NASDANATIONALSPACEDEVELOPMENTAGENCYOFJAPAN，从二十世纪九十年代末，NASDA对星间相干光通信进行了大量的研究，包括对相干零差和外差的ASK,FSK,PSK,DPSK等的分别研究和总体对比。同时对GEOGEO通信链路的外差PSK的探测项目进行了研究，项目的设计指标为信号光源选用波长为1550NM的DFB激光器，线宽小于50KHZ，本振激光器的频率可调谐、采用EDFA做功放和前放，中频部分采用电锁相环对DOPPLER频移进行补偿，码速率最高可达25GBPS。模拟实验结果显示在发射功率为500MW条件下，外差PSK探测的灵敏度优于50光子/BIT。我国对空间相干光通信的研究起步较晚，尚处于初级阶段。据报道，在国内处于领先地位的电子科技大学早在1980年以后，就开始研究了以二氧化碳激光器为光源的外差大气激光通信系统，并研究了宽带数字大气激光相干通信系统以及激光频率跟踪系统。还有如哈尔滨工业大学的海洋2号星地通信；长春理工大学研制的直升机间10公里通信；中电34所民用光通信设备。2课题主要研究内容及拟采用的研究方法、技术路线、实验方案及其可行性分析主要研究内容本课题主要研究内容是深入了解相干激光通信的概念及原理，对外差探测和零差探测中的光混频技术、电锁相环技术和解调方式（同步解调和异步解调）等关键技术进行研究，设计出相干外差异步解调接收方案，并运用OPTIWAVESYSTEM软件进行仿真分析，搭建室内试验平台，实现传输功能，拟进行数字图像传输，研究分析影响混频效率的因素，并提出相应的解决对策。研究方法与技术路线1查阅收集有关相干激光通信的理论知识、技术说明，阅读国内外期刊发表的有关相干激光通信系统外差探测的文章，了解现阶段国内外最新动态。2研究系统设计要求，通过对比分析选择可行性强的系统方案。3根据所选设计方案完成相干激光通信系统的光学仿真。4搭建实验平台，进行初步的图像传输试验。5总结整理所做工作，发表文章，撰写论文。实验方案及可行性分析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，进行了77KM的外场试验，实现了图像视频的实时传输，速率达到25GBPS，误码率低于106。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。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。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。综上所述，本课题选择外差异步解调方式具有很强的可行性。3预期目标及本课题的创新之处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。创新之处利用相干激光通信技术，提高了图像传输的灵敏度和带宽。4研究进展、研究条件、人员配备及课题预算研究进度20121020132查阅大量的文献资料，深入学习相干激光通信系统的理论知识，通过对比选择系统实现方案。2013220135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。2013520139分析和解决仿真及试验时出现的各种问题。整理资料，对以前的工作进