《相干光通信技術(shù)》PPT課件.ppt

第五講相干光通信技術(shù),目前的光纖通信系統(tǒng)，都是采用光強調(diào)制-直接檢測(IM-DD)方式。這種方式的優(yōu)點是：調(diào)制和解調(diào)簡單，容易實現(xiàn)，因而成本較低。但是這種方式?jīng)]有利用光載波的頻率和相位信息，限制了系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提高。相干光通信，像傳統(tǒng)的無線電和微波通信一樣，在發(fā)射端對光載波進(jìn)行幅度、頻率或相位調(diào)制；在接收端則采用零差檢測或外差檢測，這種檢測技術(shù)稱為相干檢測。,與IMD方式相比，相干檢測可以把接收靈敏度提高20dB，相當(dāng)于在相同發(fā)射功率下，若光纖損耗為0.2dB/km，則傳輸距離增加100km。同時，采用相干檢測，可以更充分利用光纖帶寬。我們已經(jīng)看到，在光頻分復(fù)用(OFDM)中，信道頻率間隔可以達(dá)到10GHz以下，因而大幅度增加了傳輸容量。所謂相干光，就是兩個激光器產(chǎn)生的光場具有空間疊加、相互干涉性質(zhì)的激光。實現(xiàn)相干光通信，關(guān)鍵是要有頻率穩(wěn)定、相位和偏振方向可以控制的窄線譜激光器。,7.5.1相干檢測原理圖中示出相干檢測原理方框圖，光接收機接收的信號光和本地振蕩器產(chǎn)生的本振光經(jīng)混頻器作用后，光場發(fā)生干涉。由光檢測器輸出的光電流經(jīng)處理后，以基帶信號的形式輸出。,圖7.38相干檢測原理方框圖,光檢測器,電信號,處理,本地光,振蕩器,混頻器,圖7.38相干檢測原理方框圖,光檢測器,電信號,處理,本地光,振蕩器,混頻器,單模光纖的傳輸模式是基模HE11模，接收機接收的信號光其光場可以寫成：ES=ASexp-i(St+S)(7.26)式中,AS、S和S分別為信號光的幅度、頻率和相位。,同樣，本振光的光場可以寫成EL=ALexp-i(Lt+L)(7.27),式中,AL為本振光的幅度、L為本振光的頻率L為本振光的相位。保持信號光的偏振方向不變，控制本振光的偏振方向，使之與信號光的偏振方向相同。,本振光的中心角頻率L應(yīng)滿足L=S-IF或L=S+IF(7.28),式中，IF是中頻信號的頻率。這時的光功率P與光強|ES+L|2成比例：,P=K|ES+EL|2(7.29)式中，K為常數(shù)。,式中,PS=KA2S,PL=KA2L,IF=S-L。顯然，式(7.30)右邊最后一項是中頻信號功率分量，它實際上是疊加在PS和PL之上的一種緩慢起伏的變化，如圖7.39所示。,由式(7.26)式(7.29)，根據(jù)模式理論和電磁理論計算的結(jié)果，輸出光功率近似為：P(t)PS+PL+2cosIFt+(S-L)(7.30),圖7.39干涉后的瞬時光功率變化,由此可見，中頻信號功率分量帶有信號光的幅度、頻率或相位信息。在發(fā)射端，無論采取什么調(diào)制方式，都可以從接收端的中頻功率分量反映出來。所以，相干光接收方式是適用于所有調(diào)制方式的通信體制。相干檢測有零差檢測和外差檢測兩種方式。,圖7.39干涉后的瞬時光功率變化,1.零差檢測選擇L=S，即IF=0，這種情況稱為零差檢測。這時，濾去直流分量，中頻信號產(chǎn)生的光電流為I(t)=cos(S-L)(7.31),零差檢測信號平均光功率與直接檢測信號平均光功率之比為：42PSPL/(2PS2)=4PL/PS。,通常PLPS，同時考慮到本振光相位鎖定在信號光相位上，即L=S，這樣便得到零差檢測的信號光電流為：IP=(7.32),式中，為光檢測器的響應(yīng)度。,由于PLPS，零差檢測接收光功率可以放大幾個數(shù)量級。雖然噪聲也增加了，但是靈敏度仍然可以大幅度提高。零差檢測技術(shù)非常復(fù)雜，因為相位變化非常靈敏，必須控制相位，使S-L保持不變，同時要求L和S相等。,與零差檢測相似，外差檢測接收光功率細(xì)節(jié)豐富了，從而提高了靈敏度。外差檢測信噪比的改善比零差檢測低3dB，但是接收機設(shè)計相對簡單，因為不需要相位鎖定。,2.外差檢測選擇LS，即IF=S-L0，這種情況稱為外差檢測。通常選擇fIF(=IF/2)在微波范圍(例如1GHz)。這時外差檢測中頻信號產(chǎn)生的光電流為：,7.5.2調(diào)制和解調(diào)如前所述，相干檢測技術(shù)主要優(yōu)點是：可以對光載波實施幅度、頻率或相位調(diào)制。對于模擬信號，有三種調(diào)制方式，即幅度調(diào)制(AM)、頻率調(diào)制(FM)和相位調(diào)制(PM)。對于數(shù)字信號，也有三種調(diào)制方式，即幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)。圖7.40示出ASK、PSK和FSK調(diào)制方式的比較，下面分別介紹這三種調(diào)制方式。,圖7.40ASK、PSK和FSK調(diào)制方式比較。,1.幅移鍵控(ASK)基帶數(shù)字信號只控制光載波的幅度變化，稱為幅移鍵控(ASK)。ASK的光場表達(dá)式：ES(t)=AS(t)cosSt+S(7.34)式中,AS為光場的幅度、S為光場的中心角頻率和S為光場的相位。在ASK中，S保持不變，只對幅度進(jìn)行調(diào)制。對于二進(jìn)制數(shù)字信號調(diào)制，在大多數(shù)情況下，“0”碼傳輸時，使AS=0，“1”碼傳輸時，使AS=1。,ASK相干通信系統(tǒng)必須采用外調(diào)制器來實現(xiàn)，這樣只有輸出光信號的幅度隨基帶信號而變化，而相位保持不變。如果采用直接光強調(diào)制，幅度變化將引起相位變化。外調(diào)制器通常用鈦擴散的鈮酸鋰(Ti:LiNbO3)波導(dǎo)制成的馬赫-曾德爾(MZ)干涉型調(diào)制器，如圖3.37所示。當(dāng)消光比大于20時，該調(diào)制器的調(diào)制帶寬可達(dá)20GHz。,圖3.37馬赫-曾德爾干涉儀型調(diào)制器,2.相移鍵控(PSK)基帶信號只控制光載波的相位變化，稱為相移鍵控(PSK)。PSK的光場表達(dá)式為：ES(t)=AScosSt+(t)(7.35)在PSK中，AS保持不變，只對相位進(jìn)行調(diào)制。傳輸“0”碼和傳輸“1”碼時，分別用兩個不同相位(通常相差180)表示。如果傳輸“0”時，光載波相位不變，傳輸“1”碼時，相位改變180，這種情況稱為差分相移鍵控(DPSK)。與ASK使用的MZ干涉型調(diào)制器相比，設(shè)計PSK使用的相位調(diào)制器要簡單得多。這種調(diào)制器只要選擇適當(dāng)?shù)拿}沖電壓，就可以使相位改變=。但是在接收端光波相位必須非常穩(wěn)定，因此對發(fā)射和本振激光器的譜寬要求非常苛刻。,3.頻移鍵控(FSK)基帶數(shù)字信號只控制光載波的頻率，稱為頻移鍵控(FSK)。FSK的光場表達(dá)式為：ES(t)=AScos(S)t+S(7.36）在FSK中，AS保持不變，只對頻率進(jìn)行調(diào)制。傳輸“0”碼和傳輸“1”碼時，分別用頻率f0(=0/2)和f1(=1/2)表示。對于二進(jìn)制數(shù)字信號，用(S-)和(S+)分別表示“0”碼和“1”碼。2f(=2/2)稱為碼頻間距。在式(7.36)中，(S)t+S和St+(St)是等效的，因此FSK可以認(rèn)為一種PSK，只是技術(shù)上有所不同。,相干檢測的解調(diào)方式有兩種：同步解調(diào)、異步解調(diào)。零差檢測時，光信號直接被解調(diào)為基帶信號，要求本振光的頻率和信號光的頻率完全相同，本振光的相位要鎖定在信號光的相位上，因而要采用同步解調(diào)。同步解調(diào)雖然在概念上很簡單，但是技術(shù)上卻很復(fù)雜。外差檢測時，不要求本振光和信號光的頻率相同，也不要求相位匹配，可以采用同步解調(diào)，也可以采用異步解調(diào)。同步解調(diào)要求恢復(fù)中頻IF(微波頻率)，因而要求一種電鎖相環(huán)路。異步解調(diào)簡化了接收機設(shè)計，技術(shù)上容易實現(xiàn)。,圖7.41外差同步解調(diào)接收機方框圖,光檢,測器,帶通,本振光,低通,載波,恢復(fù),圖7.41和圖7.42分別示出外差同步解調(diào)和外差異步解調(diào)的接收機方框圖。兩種解調(diào)方式的差別在于接收機的噪聲對信號質(zhì)量的影響。異步解調(diào)要求的信噪比(SNR)比同步解調(diào)高，但異步解調(diào)接收機設(shè)計簡單，對信號光源和本振光源的譜線要求適中，因而在相干通信系統(tǒng)設(shè)計中起著主要作用。,圖7.42外差異步解調(diào)接收機方框圖,光檢,測器,帶通,本振光,低通,包絡(luò),檢波,7.5.3誤碼率和接收靈敏度相干光通信系統(tǒng)光接收機的性能可以用信噪比(SNR)定量描述。系統(tǒng)總平均噪聲功率(均方噪聲電流)為：,式中,和分別為散粒噪聲功率和熱噪聲功率，e為電子電荷，Id為光檢測器暗電流，B為等效噪聲帶寬，kT為熱能量，RL為光檢測器負(fù)載電阻，I為光電流，由式(7.31)或式(7.32)確定。,（7.37）,大多數(shù)相干光接收機的噪聲由本振光功率PL引入的散粒噪聲所支配，與信號光功率的大小無關(guān)。因此，式(7.38)中Id和i2T項可以略去，由此得到,外差檢測的信噪比：,（7.38）,SNR=(7.39),零差檢測的平均信號光功率是外差檢測的2倍，所以零差檢測的信噪比為：SNR=4NP(7.42),光檢測器的響應(yīng)度=e/hf,為光檢測器量子效率，e和hf分別為電子電荷和光子能量；等效噪聲帶寬B=fb/2，fb為傳輸速率；平均信號光功率PS可以用每比特時間內(nèi)的光子數(shù)NP表示為：,Ps=NPhffb(7.40),把上述關(guān)系代入式(7.39)得到外差檢測的信噪比：SNR=2NP(7.41),Ia=(Ip+ic)(7.43),(7.44),式中,Ip=2(PsPL)1/2為信號光電流，ic為高斯隨機噪聲電流。設(shè)“0”碼和“1”碼時，IP分別取I0和I1，在理想情況下，誤碼率為：,2.誤碼率誤碼率(BER)可以由信噪比(SNR)確定。以ASK零差檢測為例，設(shè)判決信號為,式中,Q=(I1-I0)/(),N0和N1分別為“0”碼和“1”碼的等效噪聲功率。設(shè)N0=N1，I0=0，則得到：,(7.45),把式(7.45)和式(7.42)代入式(7.44)，得到：,用類似方法可以得到各種調(diào)制和解調(diào)方式的相干接收機BER和極限靈敏度。,(7.46),在“0”碼和“1”碼概率相等條件下，對于ASK，NP=,為長比特流情況下，每比特平均光子數(shù)。,NP：每比特時間內(nèi)的光子數(shù)。,3.靈敏度為確定接收靈敏度，利用式(7.40)和式(7.45)得到,式中利用了=e/hf。最小平均接收光功率：,(4.47),(7.48),例如光波長為1.55m的ASK外差檢測，設(shè)=1，B=1GHz。hf=hc/,h為普朗克常數(shù)，c為光速，為光波長。當(dāng)BER=10-9時，Q6，由式(7.48)計算得到Psmin=10nW，或Pr=-50dBm。,在相干檢測中，通常用每比特光子數(shù)NP表示靈敏度。在相同假設(shè)條件下，由式(7.48)得到：Psmin=72hf,表7.2和圖7.43示出不同調(diào)制方式相干檢測接收機誤碼率和量子極限靈敏度。,由此得到每比特光子數(shù)NP=72或=36。,圖7.43不同調(diào)制方式外差接收機量子極限誤碼率,由表7.2和圖7.43知，理想直接檢測光接收機在BER=10-9時，要求每比特10個光子(=10)，該值幾乎接近最好的相干接收機PSK零差檢測接收機的P,而比所有的其他相干接收機都好。,然而，實際上因為熱噪聲、暗電流和其他許多因素的影響，絕不會達(dá)到這個數(shù)值，通常只能達(dá)到1000。,然而在相干接收的情況下，表中的數(shù)值很容易實現(xiàn)，這是因為借助增加本振光功率，使散粒噪聲占支配地位的結(jié)果。,圖7.444Gb/s外差光波系統(tǒng)實驗原理圖,圖7.44是4Gb/s外差光波系統(tǒng)實驗原理圖。,本地載波,7.5.4相干光系統(tǒng)的優(yōu)點和關(guān)鍵技術(shù)相干光系統(tǒng)主要優(yōu)點是：靈敏度提高了1020dB，線路功率損耗可以增加到50dB。如果使用損耗為0.2dB/km光纖，無中繼傳輸距離可達(dá)250km。由于相干光系統(tǒng)通常受光纖損耗限制，周期地使用光纖放大器，可以增加傳輸距離。實驗表明，當(dāng)每隔80km加入一個摻鉺光纖放大器，25個EDFA可以使2.5Gb/s系統(tǒng)的傳輸距離增加到2200km以上，非常適合干線網(wǎng)使用。因為相干光系統(tǒng)出色的信道選擇性和靈敏度，與光頻分復(fù)用相結(jié)合，可以實現(xiàn)大容量傳輸，非常適合于CATV分配網(wǎng)使用。,相干光系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是：必須使用頻率穩(wěn)定度和頻譜純度都很高的激光器作為信號光源和本振光源。在相干光系統(tǒng)中，中頻一般選擇為21082109Hz，1550nm的光