星间相干体制下零差接收机的相位同步技术

星间相干体制下零差接收机的相位同步技术

1星间相干光通信相干光通信采用光谱法测量差分频率的原理。在信号光中加入强激发光，两者都被用来测量混合频率。光束在相干探测的混频过程中获得增益,等效为一个无噪声的光放大器。相干接收机的灵敏度和波长选择性相对于直接探测都有很大提高,特别适用于星间光通信中的超远距离、弱光信号的探测,是实现星间光通信终端高精度、高码率、轻量化、工业化的有效途径之一根据信号光和本振光频率是否相同,相干探测可分为零差探测和外差探测。在微波系统中,零差和外差的接收机灵敏度相同,但在光学系统中,零差探测的灵敏度高出外差3dB。理论上,相干接收机的最高灵敏度可由二进制相移键控(BPSK)调制信号的零差探测实现在零差接收机中,要求本地载波的相位严格同步于载波,接收信号可以直接混合到基带中。相对于注入同步锁相,光学锁相环(OPLL)对信号功率要求比较低,成为最常用的相位同步技术随着星间激光通信技术的发展,光学锁相环这一关键技术也得到了深入发展。尤其是20世纪90年代以来,各国陆续开展了星间相干光通信研究项目,并有多个进行了在轨测试的成功先例。在这些研究中,光学锁相环技术得到了验证和改进。2环路滤波器电路光学锁相环的实质是一个光频段的闭环相位控制系统。基本的锁相电路如图1,通常包括三个基本部分:鉴相器、压控振荡器和环路滤波器。鉴相器是一个相位比较装置,用于探测输入信号相位□若输入信号u评价捕获过程性能有两个指标:一个是环路捕获带宽□□3器件限制下的发展滞后相干光通信的概念早在1970年提出,最早应用于光纤通信中,由于受到调制器等器件的限制,发展一度停滞。随着光电器件的发展,相干光通信在20世纪80年代末90年代初重新得到重视,光学锁相环技术也随之发展,并不断衍生出各种新的类型3.1电流耦合控制板设计平衡锁相环是最基本的光学锁相环,它最先得到人们的认识。在平衡锁相环的基础上不断发展出其他类型的锁相环。平衡锁相环由它的对称性得名,基本结构如图2。它主要包括180°相移光桥接器、平衡探测器、前置电路。在同步状态下,两个光电二极管获得相同能量,产生的直流电流可相互抵消,避免了其对锁相性能的影响。若两光束存在相位偏移,产生的电流经直流耦合的前置电路和环路滤波器后用于本振激光器的控制。为了避免平均相位为零而导致的无相可锁情况,平衡锁相环需要传输残余载波,并且本振光应垂直锁相于残余载波,才可实现和数据信号的同相位。平衡锁相环结构简单易实现,且可以传输模拟和数字信号。但要损耗发射机部分功率,还受数据通道和锁相通道之间的串绕影响1990年,美国L.G.Kazovsky等除了平衡锁相环所使用的传输载波方法之外,还可以将光电流在锁相前经过非线性处理,来防止BPSK调制后锁相电流的平均值为零。从而发展出两种非线性锁相环:一种是将锁相电流乘以信号电流,得到相位差信号,即科斯塔斯锁相环;另一种是将锁相电流乘以输出电流,得到相位差信号,即决策驱动锁相环。3.2锁相环的前置电路设计科斯塔斯锁相环的构成如图3在线性光学锁相环中,直流分量很难完全消除。在非线性的科斯塔斯锁相环中可以利用交流耦合的前置电路来解决。选择合适截止频率的低通滤波器可降低噪声带宽,保证良好的频率跟踪性能。但在卫星激光通信中,90°相移光桥接器较180°的难实现,目前发展的由分离光学器件实现块状90°相移光桥接器1990年,德国A.Sch%pfelin等3.3相位通道相乘决策驱动锁相环的结构和科斯塔斯锁相环相似,如图4。不同的是,同相通道的输出经判断电路处理后,再与正交相位通道相乘。在正交相位通道中有1bit的延时器,来实现两通道信号时间上的同步。决策驱动锁相环性能优于平衡锁相环和科斯塔斯锁相环,相位误差的方差值比科斯塔斯锁相环小。但对激光器线宽的要求高于科斯塔斯锁相环(科斯塔斯锁相环在误码率为10日本在决策驱动锁相环技术上的研究具有代表性。1990年S.Norimatsu等3.4科斯塔斯锁相环完成同相油路利用科斯塔斯锁相环同相通道和正交相位通道并不是同时工作的特点,进一步发展出同步位锁相环:利用反馈环路开关的闭合,分时段地实现同相通道和正交相位通道。这样只需一个平衡探测器和交流耦合的前置电路,结构大大简化。同步位锁相环基本结构如图5。大部分时间反馈环路开关断开,完成科斯塔斯锁相环的同相支路。在每比特数据的间隙,开关闭合,实现环路反馈,完成正交相位支路,因此称为同步位锁相环。达到同步状态后,接收机需要一个有关当前传输数据的优先信息,用以控制开关的动作。实现的方法可以是在数据流中加入零位信息,或者改进编码方法,因此会损耗一定的带宽用于锁相。损耗带宽的大小由同步位出现的频率,即传输数据的码率来决定。也可以直接利用闭环来控制发射机相位调制,这样可大大降低系统复杂度。同步位锁相环结构简单,但损失了带宽,降低了信噪比。此外同步位锁相环需要额外的数据预处理和后处理,只能传输数字信号,对激光线宽的要求也高于科斯塔斯锁相环(在误码率为101992年,德国航天中心(DLR)的B.Wandernorth3.5振动锁环继同步位锁相环之后,又有调制残余载波和交换残余载波2005年,瑞士的F.Herzog3.6信号功率一定时从工程应用的角度出发,以上五种光学锁相环因对发射信号的限制和系统难易程度不同,适用于不同条件下的相干接收机。对于光学锁相环的总体性能比较(如表1)可从以下几方面进行考虑:ECL:外腔式半导体激光器;DFB:分布式反馈激光器1)残余载波传输:通带中数据信号功率一定的情况下,传输残余载波会增加对平均信号功率的要求,应尽量避免。2)光桥接器:180°相移光桥接器损耗低且易实现,应尽量避免需要使用90°相移桥接器的光学锁相环。3)前置耦合电路:直流耦合前置电路的难度高于交流耦合的前置电路,应避免。4)全透过链路:为使通信系统适于不同发射信号的灵活应用,锁相环应选数字信号和模拟信号均可传输的全透过类型。5)对激光器线宽的要求:激光器的相位噪声影响相干探测质量,因此要求尽可能小的激光线宽,各锁相环的最大线宽底线也不同。在选择锁相环类型时,也应尽量避免对激光线宽要求过高的锁相环类型。6)用于锁相的功耗:为了减小功率损耗,用于锁相的光功率应可在接收机内部(区别于发射端)进行调节。从20世纪90年代到21世纪初进行的各类光学锁相环的实验证实了零差相干探测的理论,也反映了不同锁相环的特点及对接收机性能的影响4云水星间通信终端研究计划随着商业卫星技术和宽带数据业务的发展,空间激光通信的研究在20世纪90年代后开始加速发展。欧洲、日本、美国等国家都先后开展了关键技术研究和实验室模拟,并有成功的空间链路试验,技术日趋成熟。其中,接收灵敏度理论值最佳的零差接收机更成为研究热点,而光学锁相环这一关键技术也得到了应用和进一步深入发展。1986年,ESA开始实施的半导体星间激光链路试验计划,是世界上在直接探测体制下首个成功实现的星间光链路。自1989年起,ESA开始加大了对相干光通信的关键技术和系统开发的研究投入,相继开展了一系列相干光通信的研究项目,不仅突破了半导体激光器抽运的Nd:YAG激光器、电光相位调制器等相干光通信系统中的关键技术1995年,ESA与英国ContravesSpace公司针对星间激光通信在商业领域的应用合作开展了OPTEL系列星间光通信终端的研究计划在OPTEL计划进行的同时,ESA进一步和ContravesSpace公司合作,于1996年在瑞士开展了适用于低轨道(LowEarthOrbit)卫星群之间的短距离星间光学链路(ShortRangeOpticalInter-satelliteLink,SROIL)计划1989年底,德国政府支持的空间固体激光通信计划SOLACOS(SolidStateLaserCommunicationsinSpace)基于SOLACOS计划,德国航天中心DLR开展了一个更为系统的相干体制星间链路计划——TerraSAR-X计划,目标是建立一套自由空间的X波段合成孔径雷达系统。2002年DLR为研制TerraSAR-X卫星上的激光通信终端开展了LCTSX(LaserCommunicationTerminalforSAR-X)计划。该计划完成两台激光通信终端飞行模型。终端模型在2005年由Tesat公司完成,2006年进行了在轨测试验证,2007年6月15日安装了该终端的TerraSAR卫星成功发射,并于7月19日至20日向地面站回传了3张地球表面图片,并与美国的LEO卫星NFIRE进行了相距6000km在轨道测试。LCTSX终端可以用来进行星间激光通信(德国LEO卫星TerraSAR-X和美国LEO卫星NFIRE之间)以及星地激光通信,LCTSX接收机前置电路如图8所示。该终端采用了BPSK调制方式下的零差相干检测,光学锁相环类型为科斯塔斯锁相环,通信波长1064nm,误码率为10为了研究大气对相干光通信的影响,2006年10月两台LCTSX终端在西班牙加那利群岛的相距142km的LaPalma和Tenerife岛之间进行了地对地的相干光通信测试。发射终端安装在LaPalma岛的测试点(图9),接收机安装在Tenerife岛上(图10)ESA的光学地面站内。在