相干光通信系统的接收机关键技术研究文献综述
2020-04-22 07:04
| 1.1 研究目的及意义 在信息量爆炸性增长的今天，社会对大容量通信技术需求非常强烈。这特别表现在大容量星间、星地信息传输技术需求方面。在目前仍在使用微波通信手段的同时，人们迫切需求大容量通信技术的出现。在这种情况下，新兴的激光通信技术就应用在了卫星通信中。早期的卫星激光通信系统都采用非相干通信方式达到了中低速通信的要求，但系统的发射功率和接收机的灵敏度限制了通信速率的进一步提高。而相干光通信却在长距离、高速率通信方面具有很大的优势，成为未来激光通信的主要手段。 相干光通信系统可以大幅度提高光接收机灵敏度，延长中继距离。通过适当增加对中频信号起重要作用的本振光的功率，可以增强接收端的中频信号，从而使相干光通信的接收灵敏度比强度调制直接检测系统高约10-20dB。这将大大延长中继距离，减少中继设备，节约工程费用。相干光通信可以提高频率的选择性，增大通信容量。由于相干光通信接收机的选择性好，即中频放大器选择性可以做得很好，使传输信号不受其它信号的干扰，所以保证了系统的稳定性。 越来越多的国家认识到了相干光通信在激光通信领域的重要性，因此，投入了越来越多的资金、人力、物力，相继开展了在相干光通信领域内研究，促进了激光通信技术从非相干光通信向相干光通信方向转变。近十年来，特别是美国、日本及欧洲的一些国家在相干光通信技术方面的研究进展非常迅速。若我国在今后一段时期内能在相干光通信的关键技术以及工程化实施方面取得突破性的进展，就可在军事通信领域进一步缩短与美国、日本以及欧洲国家的差距，同时有效地促进我国军事通信的高科技化，现代化，提高全面综合作战能力。实现卫星相干光通信还将使我国在信息时代掌握主动，带动信息产业的迅速发展，满足军用、民用对多种通信方式及高码速率、大容量、保密通信的需求。相干光通信的研究可以推动星间、星地激光通信技术的发展，可极大地推进空间光通信技术实用化进程，必将促进激光技术、光电器件、空间光通信工程化设计等方面的发展，对军事科学技术及光电信息产业发展有重要的推动作用。 从目前国内外的研究来看，相干光通信尤其在星间、星地之间的激光卫星通信中，还有许多关键技术函待解决，例如相干光通信中调制方式的选择、多普勒频移的补偿、相位噪声的抑制，以及在此基础上多光束技术的应用。这些关键技术成为了限制相干光通信技术发展的瓶颈。在这个背景下，研究相干光通信的关键技术具有重大的意义，本文针对以上问题提出了相应的算法，为以后相干光通信系统的设计提供了理论依据和技术支持。 1.2 国内外研究现状 早在90年代，以欧洲和美国为代表，开始研究激光通信技术。实现了从IM/DD激光强度调制直接检测的方式向相干光调制与解调方式转变。我国对相干光通信技术的研究也开始提上了口程，逐渐开展了对相干光通信关键技术的研究。 1990年，欧洲航天局开始研究固体激光器相干光通信系统，重点是系统设计和器件的研究，完成了YAG固体激光器、光电相位调制器和相干接收机的测试，实现了基于YAG激光器的通信演示系统。在模拟太空环境下，采用零差数字相移调制(BPSK)/基于Costas环路原则的试验系统，通信速率为140 Mbps，误码率为10-9。1996年，欧洲航天局启动了研究星间相干光通信的短程光学星间链路商业项目（SROIL），该项目是相干光通信系统的典型代表，目的是验证低轨道(LEON星系的移动通信和同步卫星(GEO)轨道间通信。该项目利用先进的激光器件与技术实现了小型化、高码率的星载相干通信端机。其设计参数为:采用零差数字相移调制的调制接收方法，天线尺寸3.5cm，通信速率1.SGbps，误码率l0-6，系统质量小于10 kg，功耗低于40W，激光波长为1550nm 。 瑞士在发展SILEX计划的同时，瑞士Contraves的空间中心在欧空局卫星星座链路，星间链路先进技术和通用技术等的多个合作计划的先期研究基础上，以工业化应用为目标，设计和发展了OPTEL系列的激光通信终端，以满足各种空间应用的需求，所发展和解决的主要关键技术是高码率零差相干光通信技术，采用的是BPSK调制方式。研制系列包括OPTEL-02短距离光通信终端，距离为2000km时的通信速率为1.5Gbps; OPTEL-25中等距离光通信终端，距离为25000km时通信速率为1.5Gbps;OPTEL-80长距离光通信终端，距离为8000km时通信速率为2.5Gbps等系列。 德国的TerraSAR-X激光通信终端TerraSAR-X计划搭载一个激光通信终端(LTC)通信速率为5.625Gbps(24*255Mbps)可以用来进行星间激光通信(美国的低轨卫星)和星地激光通信，用于实时传输合成孔径雷达上的数据，届时将实现第一次的空间相干光通信实验。TSXLCT激光通信终端可以用来进行星间激光通信和星地激光通信，在10-9的误码率情况下双向通信的速率为:距离为6000km时的通信速率为8Gbps距离为20000km时的通信速率为1 Gbps(发射功率为O.5W)，距离为72000km时的通信速率为500Mbps(发射功率为5-7W)终端采用相干光通信方案，BPSK调制，零差相干检测。 综合以上国内外具有代表性激光相干通信系统，在相干光通信中，相位噪声、多普勒频移的补偿、相干检测以及多光束技术是该领域的研究热点和难点。对这方面的研究很多，然而在现有的国内外系统中，例如，在欧空局、日本、美国等关于激光通信系统的描述中只是一些技术指标等方面的简单介绍，通过对国内外目前相干光通信的进展情况的分析，本文将确定稳频技术，偏振保持技术，中频放大技术等几个方面作为关键技术进行研究。 |
2. 研究的基本内容与方案
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相干光通信的基本工作原理如图1所示。其工作过程为:在发送端，采用外光调制方式将信号以调幅、调相、或调频的方式调制到光载波上，经过后端处理发送出去。而接收机的工作原理如图2所示，当信号光传输到达接收端时，首先经过前端处理如均衡等，再进入光混频器与本地光振荡器产生的光信号进行相干混合，然后由探测器进行探测。
光接收机的任务是把发送端通过光纤传来的微弱光信号检测出来，然后放大再生成原来的电信号。对光接收机的基本要求是:应具有较高的灵敏度，以适应长距离通信的要求;应具有较大的动态范围，以适应各种通信距离的要求。光接收机作为光纤通信系统的关键器件之一，其性能直接影响系统的传输距离和误码率等传输指标。其中相干接收机具灵敏度高，中继距离长，选择性好，通信容量大，具有多种调制方式等众多优点，因此具有良好的应用有前景。
关键技术：
1.稳频技术
在相干光通信中，激光器的频率稳定性是相当重要的。如对于零差检测相干光通信系统来说，若激光器的频率(或波长)随工作条件的不同而发生漂移，就很难保证本振光与接收光信号之间的频率相对稳定性。外差相干光通系统也是如此。因此只有保证光载波振荡器和光本振振荡器的高频率稳定性，才能保证相干光通信系统的正常工作。
激光器的频率稳定主要由三种.
(1)将激光器的频率稳定在某种原子和分子的谐振频率上;
(2)利用光生伏特效应、锁相环技术、主激光器调频边带的方法实现稳频;
(3)利用半导体激光器工作温度的自动控制、注入电流的自动控制等方法实现稳频。
2.偏振保持技术
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，否则，会使相干探测灵敏度下降。因为在这种情况下，只有信号光波电矢量在本振光波电矢量方上的投影，才真正对混频产生的中频信号电流有贡献。若失配角度超过600，则接收机的灵敏度几乎得不到任何改善，从而失去相干接收的优越性。因此，为了充分发挥相干接收的优越性，在相干光通信中应采用光波偏振稳定技术。目前，主要有两种方法:一是采用“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;二是使用普通单模光纤，在接收端采用偏振分集技术。
3.中频放大技术
在相干光通信中，中频放大的技术也是非常重要的。因为中频信号的频率是本振光与信号光的差频，而通常本振光的频率很高，所以中频放大器是一个宽带高频放大器。又由于它位于接收机的最前端，这就要求它是低噪声的，并且噪声系数越小越好。为了抑制后面各级噪声对系统的影响，还要求有一定的增益，但为了不使后面的混频器过载，产生非线性失真，它的增益又不宜过大。放大器在工作频段内应该是稳定的。同时，它所接收的信号是很微弱的，所以中频放大器必定是一个小信号放大器。而且由于受传输路径的影响，信号的强弱又是变化的，在接收信号的同时又可能伴随许多强干扰信号输入，因此要求放大器有足够的线型范围，而且增益最好是可调节的。最后，中频放大器一般通过传输线直接和滤波器相连，放大器的输入端必须和他们很好的匹配，以达到功率最大传输或者最小的噪声系数，并保证滤波器的性能。
3. 参考文献| [1]自由空间相干光通信技术及发展[J]. 许 楠,刘立人,刘德安,孙建锋,栾竹. 激光与光电子学进展. 2007(08) [2]相干光通信及其应用[J]. 于洋. 物理通报. 2001(09) [3]相干光通信[J]. 刘喜斌. 现代通信. 1998(06) [4]相干光通信的实用化研究[J]. 徐东明. 现代有线传输. 1996(02) [5]光纤相干光通信[J]. 董孝义. 物理. 1986(06) [6] Performance Analysisof Coherent Optical Communication System for M-QAM Higher Modulation Level.Amrinder Kaur, Sanjeev Dewra. Journal of Optical Communications. 2016 [7] Carrier PhaseRecovery Algorithms for Coherent Optical Circular m QAM Systems.J.R.Navarro,et al. Journal of Lightwave Technology . 2016 [8] Performance ofmaximum likelihood carrier phase estimation in coherent optical communicationsystems. Z.Xu,P.Y.Kam,C.Yu. 2015 10th International Conference on InformationCommunications and Signal Processing (ICICS). 2015 [9] QPSK assistedcarrier phase recovery for high order QAM. Xiaofei Su,Liang Dou,ZhenningTao,T.Hoshida,J.C.Rasmussen. 2016 21st Opto Electronics and CommunicationsConference (OECC)held jointly with 2016 International Conference on Photonicsin Switching (PS). 2016 [10] 高速光通信系统中非线性效应估计方法的理论研究[D]. 李明.北京邮电大学 2015 [11] 高速光纤相干传输系统中高阶码型的载波相位恢复的方法研究[D]. 付璋.北京邮电大学 2014 [12] 高速率光传输系统中的载波相位和频偏估计技术[D]. 果宏艳.电子科技大学 2013 [13] 相干光通信系统中载波相位估计算法的研究[D]. 孟世胜.南京邮电大学 2013 [14] 相干光通信系统DSP补偿算法研究[D]. 陈雨露.北京邮电大学 2013 [15] 相干光通信系统中光源的研究[D]. 吴磊.华中科技大学 2011
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