相干光通信若干关键技术的研究

1、华技大学相干光通信若干的研究姓名：王修阁申请学位级别：专业：通信与信息系统指导教师：;20080602华技大学摘要激光通信按照接收方式可以分为相干光通信和非相干光通信。早期的激光通信系统采用非相干通信方式达到了中低速通信的要求，但系统的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。相干光通信系统还有许多需要解决，例如，由通信终端的相对快速移动引起的频移使载波同步受到影响；激光器的噪声引起激光器频率不稳定加大了解调难度；大气湍流的影响使通信链路的中断概率加大。本文这些问题研究了相应的解决对策：频移补偿算法，噪声抑制算法，多

2、光束技术等。本文选择 BPSK 作为相干光通信的调制勒频移的影响，提出了基于 FFT 及 VV对其误码率进行了多普合的方法并研究了基于最小二乘的多普勒频移估计算法。对于噪声的影响，采用改进的 LMS 算法对其进行抑制。由于大气湍流引起通信链路中断概率加大的问题，本文引入了多光束技术，采用分集接收中的等增益合并和最佳合并接收算法，有效地减小了链路的中断概率。在对相干光通信中进行理论分析的基础上，本文使用对各个算法分别进行了。从结果来看，本文所给出的算法，有效地解决了上述问题，达到了系统性能的目的，为相干光通信系统的设计提供了参考依据。关键字：相干光通信信道编码频移补偿噪声多光束技术I华技大学Ab

3、stractAccording to thedifference of coherent receivers, satellite laser communication sys-tems can be divided to coherent and non-coherent optical communications. Early satellite laser communication systems have adopted non-coherent optical communication systems that satisfy a low-bit-rate communica

4、tion request, but the power of transmitter and sensi-tivity of receiver limit the communication rate. While coherent optical communicationsystem has great advantages in the long-distance, high-speed communications andthe major means of satellite laser communications.eCoherent optical communication s

5、ystem has many key technologies to be resolved, such as Doppler frequency shift caused by the relatively rapid movement of communica- tion terminals makes carrier synchronization worse. The phase noise of laser makes it dif- ficult for receiver to demodulate the signal. Atmospheric turbulence causes

6、 the outage probability increase. In this thesis, we have proposed some algorithms corresponding to these issues: Doppler frequency shift compensation algorithm, phase noise reduction algo- rithm, multi-beam technology.This thesis chooses BPSK as the modulation of the coherent optical communicationa

7、nd simulates its bit error rate. Against the impact of Doppler frequency shift, This thesis proposed FFT and V&V algorithm and least-squares estimation algorithm. In order to re-duce the impact of phase noise, constrained LMS algorithm is proposed. Toe at-mospheric turbulence that caused outage

8、probability increase, this paper has introduced a multi-beam technology, and studied the equal gain combination and optimal combination that effectively reduce the outage probability.Based on the theoretical analysis, this thesis has all the algorithms simulated by Mat- lab, respectively. From the r

9、esults, all the algorithms proposed by this thesis have solvedthe above problems effectively, achieving the aim of improving the performance of co-II华技大学herent optical communication system. This thesis has provided theoretical support for thedesign of coherent optical communication system.Key word:

10、Coherent optical communication; Channel Encoding; Doppler shift compensa- tion; Phase noise; Multi-beamIII独创性本人所呈交的是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明的内容外，本不包含任何其他个人或集体已经或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中已明确方式标明。本人完全本的法律结果由本人承担。作者签名：日期：年月日使用书本保留并向和借阅。本人作者完全了解学校有关保留、使用的规定，即：学校被查阅有关部门或机构送交的复印件和华技大学可以

11、将本的全部或部分内容编入有保存和汇编本据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等。，在年后适用本书。本属于不。（请在以上方框内打“”）作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华技大学1绪 论1.1研究背景在信息量在大容量性增长的今天，对大容量通信技术需求非常强烈。这特别表现、信息传输技术需求方面。在目前仍大量使用微波通信的同时，人们迫切需求大容量通信技术的出现。在这种情，新兴的激光通信技术就应用在了通信中。早期的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，但系统的和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

12、。灵敏度，延长中继距离1。通过适当增相干光通信系统可以大幅度提高光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10-20dB2。这将大大延长中继干光通信的接收灵敏度比强度调制直接检测系统距离，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，所以的稳定性。越来越多的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34。近十年来，特别是美

13、国、欧洲的一些在相干光通信技术方面的研究进展非常迅速567。若我国在及段时期内能在相干光通信的以及工程化实施方面取得性的进展，就可在军事通信领域进一步缩短与美国、以及欧洲的差距，同时有效地促进我国军事通信的高科技化，现代化，提高全面综合能力。实现相干光通信还、民用对多种将使我国在信息掌握主动，带动信息产业的迅速发展，满足通信方式及高码速率、大容量、通信的需求。相干光通信的研究可以推动、1华技大学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

14、信尤其在之间的激光通信中， 频移的补成为了限具有重还有许多亟待解决，例如相干光通信中调制方式的选择、偿、噪声的抑制，以及在此基础上多光束技术的应用。这些制相干光通信技术发展的瓶颈。在这个背景下，研究相干光通信的大的意义，本文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相干光通信的研究现状与趋势相干光通信系统比强度调制/直接探测（IM/DD）的常规激光通信系统有更长的传输距离，更有利于提高通信质量。因此，相干光通信技术在激光通信领域的应用是各国研究发展的热点。在国内，相干光通信才逐渐兴起，还有许多有待。本节首先描述相干光通信的基本原理8，然后论述国内外发展

15、现状及趋势。相干光通信的基本工作原理如图 1.1 所示9。其工作过程为：在端，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。如图 1.2 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测。产生的光信号进行相干混合，然后由探测器进行探2华技大学图 1.1 相干光通信发射机框图放大器信号处理器图 1.2 相干光通收机框图根据本振光信号频率与接收到的信号光频率是否相等，相干光通信可分为外差检测相干光通信和零差检测相干光通信。两者均要求激光光源的频率和十分稳定。其中外差检测不要求本振光与信号光之间的锁定和光频率严格匹配，但外差

16、检测经光电检测器获得的是中频信号，中频信号还需经二次解调才能转换成基带信号。零差检测要求本振光频率与信号光频率严格匹配，并且要求本振光与信号光的锁定，但光信号经光电检测器后被直接转换成基带信号，不需要二次解调。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1011。我国对相干光通信技术的研究也开始提上了日程，逐渐开展了对相干光通信1990 年, 欧洲航天局开始研究固体激光器相干光通信系统12,的研究。重点是系统设计的测试, 实和器件的研究, 完成了 YAG 固体激光器、光电调制器和相干现了基于 YAG 激光器

17、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相干光通信的短程光学链路商业项目3本振光器光电探测器光耦合器光学接收天线激光器光学发射天线外调制器信道编码信号源华技大学(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(LEO) 星系的移动通信和同步化、高码率的方法，天线(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3.5cm，通信速率 1.5Gbps，

18、误码率 10-6，系统质量小于 10kg,功耗低于 40W，激光波长为 1550nm。在发展 SILEX 计划的同时13Contraves 的空间中心在欧空局星座链路，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是高码率零差相干光通信技术，采用的是 BPSK调制方式14。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-

19、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)可以用来进行激光通信（美国的低轨）和激光通信，用于实时传输孔径上的数据，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激光通信和激光通信，在10-9 的误码率情双向通信的速率为：距离为6000km 时的通信速率为8Gbps,距离为 20000km 时的通信速率为 1Gbps（为 0.5W），距离为 72000km 时的通信速率为 50

20、0Mbps（零差相干检测。为 5-7W）终端采用相干光通信方案，BPSK 调制，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，噪声、多频移的补偿、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、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，本文将确定以下几个方面作为进行研究。导频法对信道进对于频移估计，在无线通信方面最常用的方法是采用4华技大学行估计和补偿。在相干光通信中，可在中频部分采用电锁相环技术进行频移的补偿，亦可借鉴电锁相环技术，利用光锁相环来对其频率

21、进行捕获15。另外一种方法是利用发端导频作地载波信号16，然后利用这些带有信道信息的载波与调频移的抵消。文献17还提出对数包络的方法对制信号进行计。总体上，频移进行估频移估计的方法逐渐从导频方法向在数字域进行信号处理频移研究了基于 FFT 和 VV（一的方法转变18。本文在相干光通信中的种估计算法）合的频移估计算法以及基于最小二乘的频移估计算法。在消除噪声影响方面文献19用锁相环技术对其进行捕捉。在快速的抖动中，对锁相环的带宽、捕捉速度方面要求很严格，需要对系统进行权衡。导频法，在接收端对导频信号的星座图进行矫正，这种方法在大信噪比下对噪声的处理效果很好，但是增加了系统的功率开销。另外一些技术

22、在电域对其进行补偿，主要是将模拟信号转化为数字信号通过数字信号处理技术进行处理，这对 AD转换速率提出了一定的要求。本文采用了一种改进的 LMS 算法对噪声进行了抑制，达到了系统性能的效果。在多光束方面国内刚刚起步，还有很多工作需要做20。多光束发射的概念是首先由加利福尼亚理工学院(Caltch)的 James Lesh 和 Keith Wilson 等人提出的。早期主要研究多光束在大气光学参数检测和大气中传输的理论模型。在多光束发射概念被提出以后，开始转向对多光束在大气激光通信的发射技术和接收合并技术进行研究。自多光束发射的概念提出以后，美国的喷气推进和麻省理工学院的实验室对多光束在大气中传

23、输进行了多次实验，得到了大量的实验结果。从 1995 年开始，美日进行多次 GOLD 实验21，验证了多光束发射技术在克服大气湍流效应方面的有效性。I.I.Kim 等人专门做了 TerraLinkTM8-155 大气闪烁测量实验，验证了接收天线口径一定时，随着发射光束数目的增加，大气湍流引起的接收光强起伏将逐渐减小22，从而达到减小通信链路中断概率的目的。综合国内外在相干光通信领域的研究现状，相干光通信中还存在若干需要。因此本文主要研究了相干光通信中的调制方式，频移的补偿，噪声的抑制，以及多光束的分集合并技术。以上问题的解决对相干光通信的发展有5华技大学很大的促进意义。1.3本文研究内容和章节

24、安排本文以若干激光通信为应用背景，以相干光通信为主线，研究了相干光通信中的，包括调制方式的选取、频移的估计、噪声的抑制、多光束技术的应用。第一章 主要介绍相干光通信的背景，现状和发展趋势，并归纳了相干光通信中的若干。第二章 主要分析了相干光通信中的 BPSK 调制方式，了 BPSK 调制方式的误码率。比较了相干光通信系统中零差与外差解调方式，最后设计了相干简单模型。的第三章 主要研究频移的影响，计算了低轨频移值为补偿算法估计的方法）提供了依据。重点研究了发端导频法，FFT 及 VV（一种合的载波、法的性能。估计算法，基于最小二乘的频率、估计方法，并分析了相关算噪声的定义、产生，采用改进的 LM

25、S第四章 主要研究了相干光通信中算法对噪声进行抑制。第五章 主要介绍了多光束技术，重点研究了等增益合并接收以及最佳合并接收技术。第六章 主要对进行了总结，并对今后工作进行了展望。6华技大学2相干光通信中的调制解调技术研究BPSK 在相干光通信系统中适合长距离激光通信，并且具有性强的优越性能2324。与现有的相干光通信中其它调制方式相比 BPSK 具有误码率低的优点。因此本文将选择 BPSK 作为相干光通信的调制方式。本章主要分析 BPSK 的误码率，以及相干光解调中零差和外差两种解调方式，在此基础上给出相干般模型。设计的一2.1BPSK 调制误码率研究误码率是衡量调制方式好坏的一个重要指标，因

26、此本节首先从理论上分析 BPSK在信道下的误码率。然后给出几种信道编码的模型并分析 BPSK 经过编码以后在信道下的误码率。2.1.1BPSK 误码率理论研究在 BPSK 相干解调中，假定信道噪声为白噪声，在一个码元时间内的输出为t) sin(wct)y(t) = ìA cos(t) cos(，1码，0码（2.1.1）í- A cos(t) sin(w t)t) cos(î低通滤波器输出为 x(t) = ìcscA + nc (t) ，1码，0码x(t) 呈分布，所以发 1 码时í- A + n (t) î(x - A)2 ù

27、;céé(x + A)2 ù11p1 (x) =exp ê-ú ，发 0 码时 p0 (x) =exp ê-ú ，误码率曲ss2ps22ps222ënûënûnn门限电平为 0， x > 0 判为 1， x < 0 判为 0。系统的总误码率线如图 2.1。Pe = P(1)Pe1 + P(0)Pe0 。由于 p1 (x) 和 p0 (x) 对于纵轴对称，因此有 Pe1 (x < 0) = Pe0 (x > 0) ，所以(x)P(1) + P(0)dx = 1er

28、fc( r )2¥PòP =（2.1.2）ee007华技大学0.40.350.30.25)0.2x(p0.150.10.050-4-3-2-10x1234图 2.1 BPSK 信号相干解调误码率几何表示通过上述理论分析，BPSK 信号在信道下误码率曲线如图 2.2 所示。10010-210-410-610-8率码误10-1010-1210-1410-16051015信噪比(dB)图 2.2 BPSK 理论上误码率曲线图从上图的数据上可以看出 BPSK 的抗噪声性能很好，在信噪比为 10dB 时误码率接近 10-6。BPSK 的因之一。强、误码率低是其成为相干光通信中的调制方

29、式的原8华技大学2.1.2信道编码模型误码率的出现不仅与信噪比、信号的调制方式有关，也与码元的结构有关。在上述条件已经确定的情，进行信道编码可以进一步提高系统的性能。本节将给出BPSK 信号在加入信道编码后的误码率提供依据。几种信道编码的模型，为下节（1）汉明码汉明码既有二进制，也有非二进制的。在本文中采用二进制汉明码，它的共同特性是(n, k) = (2m-1, 2m -1- m) ，本节采用的是（7，3）汉明码，它可以纠正一位错误，或可以检测所有两位或两位以下的错误。（2）RS 编码RS 码是 Reed-Solomon 码的缩写，RS 码是多元 BCH 码的一类码。由于 RS码是以每符号

30、m 个比特进行的多元符号编码，在编码方法上与二元(n, k) 循环码不同。分组块长为n = 2m -1 的码子，信息组长度为k 个符号，监督码元n - k = 2t 个符号，最小汉明距离d0 = 2t +1个符号。RS 码的特点是分组长度为n 个符号的 RS 码的长度比2m 小一个符号；最小汉明距离比监督符号数多一个；RS 码的冗余度可以得到高效利用，即根据需要，大范围内调整它的各个参量，特别是便于码率的选择和匹配；方便，效率高；RS 码同时具有纠正随机与突发差错的能力，且纠突发差错能力更强。本节采用的是（7，3）RS 码，它可以纠正两个符号的差错。上述两种编码的编（3）卷积码过程比较简单，在

31、此就不再赘述。卷积码是 1995 年由 P.Elias 最早提出的，由于其编码方法可以用卷积运算形式表达而得名。卷积码是线性码，但不是分组码，因为卷积码是有记忆的编码，对于任一给定时段，编码器的n 位输出不仅与该时段的k 个输入有关，还与输入移位寄存器中的前面m 个k 位输入信息段有关。因此卷积码记为(n, k, m) 卷积码。本节选取(3，1，2)卷积码，利用 poly2trellis(7,171 133,171)函数产生网格图。编码器工作原9华技大学理框图如图 2.3 所示。C i m i+i-1mmi-20000信号入mC i1i输出CC i2图 2.3 卷积码编码器上述编码图虽然很直观

32、，但不能反应编码的时间尺度，可以将其转化为网格图如图 2.4，它有两部分，网格图和编码轨迹图。第二部分：编码轨迹(路径)图第一部分：网格图0/000S0(00)1/1110/0010/0011/111S1(01)0/1010/011S2(10)1/1100/0111/1100/0101/1001/1000/010S3(11)1/101T=0T2T3T4T5T6T图 2.4卷积码编码网格图卷积码基本上是一个有限状态机，它的最佳译码器与有记忆信号的最佳器类似是一个最大似然序列估计器。所以，卷积码的译码就是搜遍网格图找出最可能的序列。根据解调器后的译码器执行软或硬，搜索网格图时所用的度量可以使汉明距

33、离，也可以是距离。译码过程的网格图如图 2.5。10华技大学R1=110R2=111R3=0110001111PM 0 (1) = 0PM 1(1) = 2PM 2 (1) = 5PM 3 (1) = 30012最大似然PM 3 (2) = 2110PM 0 (2) = ¥ PM 1(2) = ¥PM 2 (2) = 20113PM 0 (3) = ¥ 100PM 1(3) = 1PM 2 (3) = 2PM 3 (3) = 40104101PM 0 (3) = ¥ PM 3 (4) = 5PM 1(4) = ¥PM 2 (4) = 2图 2.

34、5译码网格图（4）Turbo 码Turbo 码又称并行级联，它将卷积码与随机交织结合在一起，巧妙地实现了随机编码思想，同时采用软输出迭代译码来逼近最大似然译码252627。一个常见的 Turbo 码编码器如图 2.6 所示。两个分量编码器之间通过交织器相连，分量编码器对相同的输入信息进行编码，交织器保证两个分量编码器输出信息尽量不相关。通常输出的信息比特序列只需要从任何一个分量编码器选取即可，但考虑到实现问题，选取不经过交织的那一路比特序列要方便得多。另外，为了能够提高编码速率，两个分量编码器输出的校验比特序列经删理。复用后输出，信息比特序列一般不进行删输入比特图 2.6 Turbo 码编码器

35、11编码器2交织器删余器编码器1复用器输出华技大学Turbo 码获得优异性能的根本之一是采用了迭代译码，通过分量译码器之间的软信息的交换来提高译码性能。对于 Turbo 码这样的并行级联码，如果分量译码器的输出为硬，则不可能实现分量译码器之间软信息的交换，从而限制了系统性能的进一步提高。一个常见的 Turbo 码迭代译码结构如图 2.7。基本译码过程为： 系统信息、校验信息和先验信息进入分量译码器，根据 log(map)译码算法完成对分量编码器的译码，并生成信息比特的外信息。外信息经过交织后，生成作为分量译码器 2 的信息比特的先验信息 2。接收的信息序列经过相同的交织，作为分量译码器 2 的

36、接收信息。分量译码器 2 利用交织后得到的先验信息 2，系统信息及校验信息 2 完成分量编码器 2 的译码，得到外信息 2，外信息 2 经交织后得到分量译码器 1 的先验信息进入下一迭代运算。当迭代次数完成或达到其它条件时，经解交织、得到最终译码输出序列。Le21L(K)y1 p交织译码器2求和ysy2p 图 2.7 Turbo 码迭代译码器综上所述，本小节主要给出了以上几种信道编码模型并对其进行了分析。在下节中将利用以上几种具体编码来BPSK 在加入信道编码后的误码率。2.1.3BPSK 误码率上节给出了几种信道编码模型，本节利用里的 Simulink模块对汉明码、RS 码、卷积码进行，采用

37、 C 语言与合的方法对 Turbo 码进行。系统框图如图 2.8 所示，该图的是信道编码为汉明码的情况，其它编码方法与之类似。12交织译码器1解交织Le12华技大学首先利用中的信源模块产生二进制随机信号，这里 0 与 1 出现的概率相等。然后信号经过编码模块，这里需要设置信号的帧格式。以（7，4）汉明码为例，输入信号每 4 个 bit 组成一帧，经过编码后加上 3bit 的冗余成为 7bit 的帧。经过编码后的信号经过信道叠加白噪声，接着通过解调模块，最后通过译码模块。在译码器模块中同样要设置对应的帧格式，经过译码后的帧由 7 bit 变为 4bit。在误码率统计模块中比较信号源的信号与接收端

38、解调出来的信号，最终进行误码率的统计。其它编码如 RS 码，卷积码只要把相应编码模块和译码模块换成对应的信道编码， 参数设计按照上节的设置即可。Turbo 码的过程采用 C 语言编程的方法完成，仿真流程与上面给出的几种编码方式类似。二进制信源信道编码BPSK调制信道BPSK解调信道译码图 2.8 加入信道编码后 BPSK 系统框图在加入以上各种编码后，可以得到最后的结果如图 2.9。图 2.9 加入信道编码后 BPSK 误码率曲线13计算误码率华技大学从结果来看，加入信道编码后，在相同的信噪比下误码率下降。以性能最好的 Turbo 码为例，在没有加入信道编码时 BPSK 在信噪比为 5dB 时

39、误码率为 10-2 量级，而加入 Turbo 码进行纠错后，在信噪比为 5dB 时的误码率为 10-5 量级。由此可以看出在加入信道编码后，可以有效地调制方式的优越性。系统的性能。结果还验证了 BPSK2.2零差与外差解调方式比较通过上节的分析，在相干光通信中，BPSK 的调制方式误码率低，性强的特点使其成为了未来系统设计时的首选调制方案。在解调时，相干光通信根据本振光与信号光的相干结果分为零差系统和外差系统。零差系统与外差系统各有特点， 在系统设计时根据需要进行权衡选择2829。本节将对这两种解调方式进行比较分析， 首先分析两者的功率，然后分析零差系统与外差系统的信噪比。接收光信号为 ES

40、= AS exp- j(w0t + fS ) ，其中 AS 是幅值， w0 是载波频率， fS 是。本振光为 ELO = ALO exp- j(wLOt + fLO ) ，其中 ALO 是本振光的幅值，wLO 本振光的频率，fLO 是本振光的。假定信号光和本振光的极化方式相同，均不考虑它们的，由 APD 探测器对其进行检测 ，所以接收光的功率为P(t) = PS + PLO + 2 PS PLO cos(wIF + fS - fLO ) ，其中wIF 为中频频率，它是载波频率和本振频率的差值w0 - wLO 。根据wIF 是否为零，可以分为零差检测和外差检测零差检测。零差检测时，选择载波频率w

41、0 与本振光频率wLO 相同，即wIF = 0 。光探测器产生的光电流是： I (t) = R(PS + PLO ) + 2R PS PLO cos(fS - fLO ) ，其中 R 是探测器灵敏度。信号中直流成分很容易被滤波器滤除。考虑到本振光被锁定在信号光上，因此有fS - fLO = 0 ，此时产生的信号为 IP = 2RPS PLO。在外差检测情，选择本振光频wLO 与信号载波w0 不同，使两者差频wIF 落在APD 的监测范围之内。因为 I = RP ，所以光电检测的电流的表（2.2.1）。14华技大学I (t) = R(PS + PLO ) + 2R PS PLO cos(wIFt

42、 + fs - fLO )（2.2.1）通常 PLO 远远大于 PS ，所以第一认为是直流，很容易被滤出，此时外差信号下面的交流项给出为I (t) = 2R PS PLO cos(wIFt + fs - fLO )（2.2.2）从上式（2.2.2）可以看出，本振光 PLO 的出现使得接收到的光信号被放大了，从而提高了信噪比。通过与零差检测信号 IP = 2RPS PLO对比，外差检测的信噪比要比零差检测低 3dB，引起 3dB 的代价的是信号功率与交流的平方成正比。3dB 的功率代价使得外差设计相对简单，因为不再需要光锁定环路。上面分别分析了零差系统与外差系统检测器输出的电流强度。经过分析，零

43、差系统比外差系统功率增益提高了 3dB。利用上面的分析结果来计算引入激光器的噪声后零差系统与外差系统的信噪比。影响光电流起伏摆动的噪声主要是激光器的散粒噪声和热噪声。散粒噪声是由检测器本身引起，它是着一个平均统计值而起伏的随机电流，其方差为s = 2qM F (RP + I )Df 。其中Df 是22带宽， q 使电子电荷， F 是 APD 的过sAindA剩噪声指数， Id 是激光器的暗电流。热噪声是由于电子在光电二极管负载电阻 RL 上随机热运动而引起的，即使在外加电压为零时，也产生电流的随机起伏。这种附加的噪声成分就是热噪声电流，其方差为s = 4(k T / R )F Df 。2TBL

44、n外差系统的信噪比为外差检测的平均信号功率除以平均噪声功率。据此可以得到外差系统的信噪比，如公式（2.2.3）。< I 2 >2R2P P2R2P PSNR =ac=S LO =S LO（2.2.3）s 2s + s2q(RP+ I )Df + s222sTLOdT其中Df = B /2 ， B 为比特率。本振光功率 P ，使它足够大，即 P 远远大于s /(2qRD2因为可以f ) ，LOLOT15华技大学噪声由散粒噪声所支配，即s 远大于s 。在相同条件下，暗电流也可22从而使sT以忽略，于是散粒噪声限制的信噪比可以简化为式（2.3.4）。RPSh PSSNR =(2.3.4)

45、qDfhvDfSNR 可用单个比特时间内接收到的平均光子数 NP 表示。平均信号功率 PS 与 NP 的关系为 PS = NPhvB ，式中 B 为比特率。通常， Df = B /2 。由此可以得到信噪比的最简SNR = 2h NP 。单的表对于零差检测，激光器的噪声仍然由散粒噪声和热噪声组成，噪声的功率与外差系统相同。从上面的分析得知，零差系统检测器的输出功率是外差的两倍，因此零差系统的信噪比是外差系统的 2 倍，即SNR = 4h NP 。对于直接检测，因为热噪声，暗电流和许多其它因素影响，误码率为 BER = 10-9 时，要求每比特光子数为NP = 1000 。但在相干光通信中，不论是

46、在零差系统还是在外差系统接收的情，上述条件是很容易实现的，因为借助增加本振光功率，使散粒噪声占支配地位，其它噪声均可以忽略不计。综上所述，在相干光通信中，零差系统的接收功率要比外差系统高 3dB，系统的性强。零差系统的功率优势使其在长距离激光通信中得到了广泛应用。外差系统由于不需要信号光与本地载频的严格同步，所以系统设计比较简单。在选择具体的检测系统时，应从功率、性、系统设计复杂度等几个方面综合考虑。2.3相干解调的设计在对 BPSK 误码率，零差与外差系统功率分析的基础上，本节将分析相干光通收机的解调模型。相干光通信系统的解调一般是由光锁相环提取同步载波进行相干检测的。根据对国内外系统的调研

47、，主要有基于平衡环，环等解调方法3031。平衡环在系统性和检测灵敏度方面比环性能要差。所以16华技大学本节在相干解调器的设计上，采用了基于环的方法。输出In-Phase 信号1接收信号TIABBA2光混频器混合器Quadrature 信号3本振光(LO)TIABBA4Nd:YAG激光器PI图 2.15 基于环解调示意图解调器的设计如图 2.15 所示，接收信号和本地信号通过一个 90 度的光混频器， 混频器有四个输出端，每个输出端对应一个光电检测器。光信号的 I 路信号的电：=(1- a )PS exp jfs (t) + 1- a a(t) + j 1- a b(t)ESI（2.3.1）式中

48、 PS 和fs (t) 分别为接收信号的功率和。参数a 代表信号功率比。I 路信号的a(t) 和 Q 路信号的b(t) 分别代表噪声对接收信号的影响。而f (t) = p d (t) + f(t) ，其中d (t) 表示的信号+1 或者-1。f(t) 代表激光器的sSNSN2噪声。本地激光器 I 路信号的电：épìùüE= a P expj+ f(t) + f (t)，其中 P地激光器的功率，fLN (t) 地íýêúLILLNcLë2ûîþtòf (t) = G激

49、光器的随机噪声。v (t)dt ，而G和v (t) 分别为振的增益和cvcocvcoc-¥17BBABBAAGCBBABBABBA华技大学输入电压。 光子检测器的输入信号分别为1E =(E + E )（2.3.2）1SILI21E =(E - E )（2.3.3）2SILI2I 路分支中光电检测器 1 输出的电流为i = RE × E*111= R (1- a )P + 2(1- a )a(t) PSS2p× cos(d (t) + fSN (t) 2p+ 2(1- a )b(t) PS sin( 2 d (t) + f(t)SN（2.3.4）+ (1- a )(

50、a (t) + b (t) + a P22L+ 2 (1- a )a P P cos(p d (t) + f (t) - p )S Le22+ 2 (1- a )a P a(t) cos(q (t) + p )L2+ 2 (1- a )a PL b(t) sin(q路分支中光电检测器 2 输出的电流为)i = RE × E*222= R (1- a )P + 2(1- a )a(t)PSS2p× cos(d (t) + fSN (t) 2p+ 2(1- a )b(t)PS sin( 2 d (t) + f(t)SN（2.3.5）+ (1- a )(a (t) + b (t) + a P22Lpt + f (t) - p )+ 2 (1- a a ) P P cos(d ( )S Le22- 2 (1- a )a P a(t) c