相干光通信零差BPSK系统的设计

论文摘要

自由空间光通信利用调制激光束通过自由空间或大气发送信息。自由空间光通信被视为能满足日益增加的高数据速率传输需求的下一代技术,如果应用到混合光纤和射频通信网络,其在重量、功率和容量方面较之射频系统的优势将非常突出。近三十年来,已经在各种不同的平台之间,如卫星、车辆、轮船、飞机、高空气球和光学地面站等,进行了广泛的自由空间光通信系统试验。自由空间光通信系统研究的主要目标是实现可靠的通信链接,通过大气、太空和地面自由空间光通信骨干光缆,建立一个高速、不受射频干扰的、全光的无线光网络。自由空间光通信系统(FSO:Free space optics)结合了光纤通信和无线通信的优点。随着人们对空间光通信传输码率高、功耗低、抗干扰能力强、保密性好、体积小、重量轻等一系列优点认识之后,空间光通信的应用成为了通信领域研究的热点,并逐渐向工程化方向发展。传统的自由空间光通信系统基于强度调制和直接检测(IM/DD:intensity modulation and direct detection)的调制解调方案。这种方案历史悠久,但是近年来,将光的相干探测技术整合到自由空间光通信系统,成为了研究的热点。这种技术具有不少优势,其中最突出的优势体现在接收灵敏度上,这是通信系统的一个重要性能指标,尤其是在自由空间光通信系统中。但相干激光通信系统具有很多关键技术和问题需要解决,其中,光学锁相环技术(OPLL:Optical Phase Locked Loop)就是一项核心关键问题。本文基于空间相干光通信的基本理论和数学模型,深入分析了通信系统关键技术环节(光调制调解技术、空间相干技术、光学锁相环技术),重点讨论了光锁相环技术的设计和实现,并且探讨了各种系统噪声和光锁相环性能参数对光相干接收机性能的影响,尤其是对光零差探测接收性能的影响。设计了一种二进制相移键控(BPSK:Binary Phase Shift Keying)调制/零差探测的光相干系统,进行了模块级仿真实验。建立了星间相干光通信的链路方程,提出了系统方案的初步设想、总体思路和主要设计参数,为高灵敏度空间激光通信链路相干通信系统的实现提供了初步的理论基础和设计参考,有利于将自由空间光通信融入到空间全光网络的未来应用。研究表明,高速空间相干光通信链路完全可以得到实际应用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 自由空间光通信简介
• 1.2 相干光通信体制
• 1.3 国内外动态
• 1.4 本课题基本内容及安排
• 第二章 直接探测与相干体制
• 2.1 强度调制/直接探测
• 2.2 相干光通信的光源、调制和探测接收
• 2.2.1 激光器及其噪声
• 2.2.2 光调制器
• 2.2.3 光电平衡探测
• 2.2.4 光零差接收机
• 2.3 本章 小结
• 第三章 光学锁相环
• 3.1 OPLL 作用下的相干光接收机
• 3.2 两种OPLL 架构及其数学模型
• 3.2.1 平衡OPLL 的原理组成及其数学模型
• 3.2.2 判决反馈OPLL 的原理组成及其数学模型
• 3.3 OPLL 中的噪声源
• 3.4 平衡OPLL 中的噪声分析
• 3.4.1 散粒噪声对平衡OPLL 锁相误差和环路带宽的影响
• 3.4.2 相位噪声对平衡OPLL 性能的综合影响
• 3.4.3 数据－锁相串扰对平衡OPLL 性能的影响
• 3.5 判决反馈OPLL 中的噪声分析
• 3.5.1 受散粒噪声影响的判决反馈OPLL 性能
• 3.5.2 受相位噪声影响的判决反馈OPLL 性能
• 3.6 两种OPLL 的比较
• 3.7 本章 小结
• 第四章 基于OPLL 的零差BPSK 系统的主要参数设计
• 4.1 系统方案设计
• 4.1.1 波长选择
• 4.1.2 光学相干方式
• 4.1.3 捕获跟踪方式
• 4.2 高速BPSK 调制模块
• 4.2.1 信号激光器
• 4.2.2 调制器
• 4.3 光电平衡探测模块
• 4.4 光锁相环模块
• 4.4.1 本振激光器
• 4.4.2 90°混频器件
• 4.5 通信参数设计
• 4.6 本章 小结
• 第五章 相干光通信链路仿真与分析
• 5.1 远距离空间相干激光通信链路方程
• 5.2 接收信号光功率和锁相误差方差的关系
• 5.3 各种发射光功率条件下的误码率分析
• 5.4 数据信号接收光功率与误码率的关系
• 5.5 本章 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果