相干激光通信的外差異步解調(diào)關(guān)鍵技術(shù)的研究課件

1、相干激光通信的外差異步解調(diào)關(guān)鍵技術(shù)的研究相干激光通信的外差異步解調(diào)關(guān)鍵技術(shù)的研究課題來源課題來源于“光電跟蹤設備研制項目”，為所內(nèi)創(chuàng)新項目。課題來源課題來源于“光電跟蹤設備研制項目”，為所內(nèi)創(chuàng)新項目。 目錄1、課題背景及研究意義2、課題主要研究內(nèi)容3、實驗可行性分析4、預期目標及創(chuàng)新點5、研究進度及具體時間安排 目錄 在自由空間光通信中，相干光通信以其靈敏度高、中繼距離長、通信容量大等優(yōu)點，成為各國學者爭相研究的熱點，也成為未來空間光通信發(fā)展中極具潛力的選擇。 國外在此領域的研究起步較早，技術(shù)較成熟，已經(jīng)進行了多次的地面或者空間實驗，已經(jīng)進入工程化和實用化的階段。研究機構(gòu)主要集中在美國、歐洲、

2、日本。國內(nèi)的研究起步較晚，在借鑒國外研究的基礎上，進度較快。目前在研究相干激光通信的大學和研究所主要有哈爾濱工業(yè)大學、長春理工大學、桂林激光通信研究所等。1、課題背景及意義1.1 課題背景 在自由空間光通信中，相干光通信以其靈敏 目前大氣激光通信系統(tǒng)通常采用強度調(diào)制/直接探測（IM/DD），這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，容易集成，但是調(diào)制格式單一，信道帶寬有限，將不能滿足大容量通信的要求，這樣勢必需要一種新的通信方式取代它相干激光通信。 1.2 研究意義 目前大氣激光通信系統(tǒng)通常采用強度調(diào)制/直現(xiàn)對直接探測和相干探測方式的通信系統(tǒng)進行對比如下：直接探測相干探測調(diào)制方式僅能幅度調(diào)制可以采用幅度調(diào)制、頻率調(diào)制

3、和相位調(diào)制 雜散光抑制 探測器前加窄濾光片來抑制 接收時中頻落在微波段，采用非常窄的帶通濾波器 靈敏度 約-30dBm約-50dBm1.2 研究意義現(xiàn)對直接探測和相干探測方式的通信系統(tǒng)進行對比如下：直接探測相 通過對比并基于以上相干激光通信的優(yōu)點，相干激光通信系統(tǒng)將可以取代強度調(diào)制/直接探測（IM/DD）系統(tǒng)，在軍事上可應用于地面大氣激光通信、星地激光通信、星間激光通信等多種場合。 1.2 研究意義 通過對比并基于以上相干激光通信的優(yōu)點，相干激光關(guān)鍵技術(shù)研究光混頻技術(shù)電鎖相環(huán)技術(shù)偏振保持方案構(gòu)建外差異步解 調(diào)2、課題主要研究內(nèi)容相干激光通信的基本原理 關(guān)鍵技術(shù)的研究系統(tǒng)方案的選取光學仿真分析關(guān)

4、鍵技術(shù)研究方案構(gòu)建2、課題主要研究內(nèi)容相干激光通信的基本原圖1 相干激光通信框架圖 如圖：信號可以經(jīng)過調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相的方式調(diào)制到光載波上，當該信號傳輸?shù)浇邮芏藭r，首先與頻率為 本振光信號在混頻器處進行相干混頻，然后由光電檢測器進行檢測，最后經(jīng)過電信號處理輸出基帶信號。信號源編碼器驅(qū)動器調(diào)制器發(fā)射激光器光纖準直器發(fā)射天線2、課題主要研究內(nèi)容2.1 基本原理光混頻器光電檢測器解調(diào)判決信號恢復本振激光器接收天線圖1 相干激光通信框架圖 如圖：信號可以經(jīng)過調(diào)， 成為中頻信號。光檢測器輸出的光電流為：式中 和 、 和 、 和 分別為信號光與本振光的頻率、振幅和相位。假定信號光與本振光偏振方向相同，則投

5、射至光檢測器的光強度為 檢測到的功率為 ，K為比例系數(shù)，利用上兩式可得：設信號光與本振光的電場分別為：2.1 基本原理， 大氣信道大氣信道 從上式可以看出即使接收光信號功率很小，但由于輸出電流與 成正比，仍能夠通過增大 而獲得足夠大的輸出電流。本振光在相干探測中還起到了光放大的作用，系統(tǒng)獲得了混頻增益，從而提高了接收的靈敏度。2.1 基本原理 通常 ，所以第一項可認為是直流常數(shù)，很容易被濾除，此時含有信息的外差電流為 從上式可以看出即使接收光信號功率很小，但由于光混頻技術(shù)2.2關(guān)鍵技術(shù)研究 光混頻技術(shù)是基于兩束光通過光混頻器在探測器光敏面上的相干效應，信號光和本振光載混頻時要求偏振匹配、振幅匹

6、配和相位匹配。振幅匹配較容易，可通過調(diào)節(jié)光功率實現(xiàn)。相位匹配實現(xiàn)較難，對混頻效率影響最大?；祛l器通常采用透鏡作用原理。透鏡具有成像作用，成像相當于改變了波面的形狀，即改變了波面相位。如下圖：透鏡的焦距為f，信號光和本振光入射到透鏡上，通過透鏡成像在探測器光敏面上，完成混頻過程。光混頻技術(shù)2.2關(guān)鍵技術(shù)研究 光混頻技術(shù)是基于兩偏振保持技術(shù) 在相干光通信中，相干探測要求信號光束與本振光束必須有相同的偏振方向，也就是說，兩者的電矢量方向必須相同，才能獲得相干接收所能提供的高靈敏度。1、采用“保偏光纖”使光波在傳輸過程中保持光波的偏振態(tài)不變。但保偏光纖與普通單模光纖相比，其損耗較大，價格比較昂貴。2、

7、使用普通單模光纖，在接收端采用偏振分集技術(shù)。2.2關(guān)鍵技術(shù)研究偏振保持技術(shù) 在相干光通信中，相干探測要求信號光2.3 實驗方案的選取本方案主要的選取主要分為兩方面：探測方式和解調(diào)方式。對于探測方式分為：零差探測和外差探測。對于解調(diào)方式分為：同步解調(diào)和異步解調(diào)。2.3 實驗方案的選取本方案主要的選取主要分為兩方面：探測方零差探測與外差探測：圖2 零差探測2.3 實驗方案的選取零差探測與外差探測：圖2 零差探測2.3 實驗方案的選取圖3 外差探測2.3 實驗方案的選取圖3 外差探測2.3 實驗方案的選取2.3 實驗方案的選取 零差探測需要光鎖相環(huán)對相位和頻率進行鎖定，而對外差探測則只需要相對簡單的

8、電鎖相環(huán)來完成頻率鎖定，外差探測相對零差探測不要求直接恢復光載頻，而且對光學相位與頻率穩(wěn)定性的要求較低，所以該在方案中選擇外差探測。經(jīng)過以上對比：選擇外差探測方式2.3 實驗方案的選取 零差探測需要光鎖相環(huán)對相同步解調(diào)和異步解調(diào)：圖4 同步解調(diào)2.3 實驗方案的選取同步解調(diào)和異步解調(diào)：圖4 同步解調(diào)2.3 實驗方案的選取圖5 異步解調(diào)2.3 實驗方案的選取圖5 異步解調(diào)2.3 實驗方案的選取2.3 實驗方案的選取 電信號解調(diào)方式可以分為同步解調(diào)和異步解調(diào)。由于同步解調(diào)中需要載波恢復，即對接收的中頻信號的同步檢測，產(chǎn)生一個頻率和相位都與之相同的中頻載波信號，實現(xiàn)此功能則需要一個較復雜的電鎖相環(huán)；

9、而對于異步解調(diào)只需要一個包絡檢波就可以做到，實現(xiàn)起來相對容易，所以選擇了異步解調(diào)。經(jīng)過以上對比：選擇異步解調(diào)方式方案選擇外差異步解調(diào)方式2.3 實驗方案的選取 電信號解調(diào)方式可以分為同2.4 光學仿真分析OptiSystemOptiSystem： OptiSystem是Optiwave公司推出的一個光通信系統(tǒng)仿真軟件，其功能相當強大，提供了極其豐富的模塊，這些模塊對應的器件已經(jīng)得到準確的測試。同時，Optisystem還提供了與Matlab的接口功能，使得開發(fā)人員進行光通信系統(tǒng)的設計變得相對快捷和有效。 使用GUI的圖形化接口，使用者很容易上手 2.4 光學仿真分析OptiSystemOpti

10、Sys 本課題有著豐富的理論指導及實踐經(jīng)驗。實驗室已研制成功激光通信直接探測的光端機，實現(xiàn)了8km的圖像視頻實時傳輸。因此在無線激光通信的硬件平臺和軟件控制設計方面有了大量的理論和實踐基礎。 通過以上的理論分析和方案選擇，對于大氣相干激光通信采用外差異步解調(diào)技術(shù)是切實可行的。3、實驗可行性分析 本課題有著豐富的理論指導及實踐經(jīng)驗。實驗預期目標 完成對相干激光通信系統(tǒng)的理論研究，對所選系統(tǒng)方案進行系統(tǒng)光學仿真及實現(xiàn)。 創(chuàng)新點 由相干激光通信外差探測技術(shù)代替原有的直接探測技 術(shù)，提高了探測靈敏度，增大了帶寬。4、預期目標及創(chuàng)新點預期目標 創(chuàng)新點4、預期目標及創(chuàng)新點2019.102019.2 查閱大量的文獻資料，深入學習相干激光通信的理論知識，通過對比選擇系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。2019.22019.5 對所選系統(tǒng)方案進行系統(tǒng)光學仿真分析并進行初步的實時圖像傳輸試驗。201