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(lái)源課題來(lái)源于“光電跟蹤設(shè)備研制項(xiàng)目”，為所內(nèi)創(chuàng)新項(xiàng)目。課題來(lái)源課題來(lái)源于“光電跟蹤設(shè)備研制項(xiàng)目”，為所內(nèi)創(chuàng)新項(xiàng)目。 目錄1、課題背景及研究意義2、課題主要研究?jī)?nèi)容3、實(shí)驗(yàn)可行性分析4、預(yù)期目標(biāo)及創(chuàng)新點(diǎn)5、研究進(jìn)度及具體時(shí)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(zhǎng)、通信容量大等優(yōu)點(diǎn)，成為各國(guó)學(xué)者爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)，也成為未來(lái)空間光通信發(fā)展中極具潛力的選擇。 國(guó)外在此領(lǐng)域的研究起步較早，技術(shù)較成熟，已經(jīng)進(jìn)行了多次的地面或者空間實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)進(jìn)入工程化和實(shí)用化的階段。研究機(jī)構(gòu)主要集中在美國(guó)、歐洲、

2、日本。國(guó)內(nèi)的研究起步較晚，在借鑒國(guó)外研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)度較快。目前在研究相干激光通信的大學(xué)和研究所主要有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、長(zhǎng)春理工大學(xué)、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(qiáng)度調(diào)制/直接探測(cè)（IM/DD），這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shì)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(qiáng)度調(diào)制/直現(xiàn)對(duì)直接探測(cè)和相干探測(cè)方式的通信系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比如下：直接探測(cè)相干探測(cè)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(cè)器前加窄濾光片來(lái)抑制 接收時(shí)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(duì)直接探測(cè)和相干探測(cè)方式的通信系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比如下：直接探測(cè)相 通過(guò)對(duì)比并基于以上相干激光通信的優(yōu)點(diǎn)，相干激光通信系統(tǒng)將可以取代強(qiáng)度調(diào)制/直接探測(cè)（IM/DD）系統(tǒng)，在軍事上可應(yīng)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(chǎng)合。 1.2 研究意義 通過(guò)對(duì)比并基于以上相干激光通信的優(yōu)點(diǎn)，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?jī)?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(xué)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?jī)?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(hào)可以經(jīng)過(guò)調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相的方式調(diào)制到光載波上，當(dāng)該信號(hào)傳輸?shù)浇邮芏藭r(shí)，首先與頻率為 本振光信號(hào)在混頻器處進(jìn)行相干混頻，然后由光電檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，最后經(jīng)過(guò)電信號(hào)處理輸出基帶信號(hào)。信號(hào)源編碼器驅(qū)動(dòng)器調(diào)制器發(fā)射激光器光纖準(zhǔn)直器發(fā)射天線2、課題主要研究?jī)?nèi)容2.1 基本原理光混頻器光電檢測(cè)器解調(diào)判決信號(hào)恢復(fù)本振激光器接收天線圖1 相干激光通信框架圖 如圖：信號(hào)可以經(jīng)過(guò)調(diào)， 成為中頻信號(hào)。光檢測(cè)器輸出的光電流為：式中 和 、 和 、 和 分別為信號(hào)光與本振光的頻率、振幅和相位。假定信號(hào)光與本振光偏振方向相同，則投

5、射至光檢測(cè)器的光強(qiáng)度為 檢測(cè)到的功率為 ，K為比例系數(shù)，利用上兩式可得：設(shè)信號(hào)光與本振光的電場(chǎng)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(hào)功率很小，但由于輸出電流與 成正比，仍能夠通過(guò)增大 而獲得足夠大的輸出電流。本振光在相干探測(cè)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(xiàng)可認(rèn)為是直流常數(shù)，很容易被濾除，此時(shí)含有信息的外差電流為 從上式可以看出即使接收光信號(hào)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(guò)光混頻器在探測(cè)器光敏面上的相干效應(yīng)，信號(hào)光和本振光載混頻時(shí)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(guò)調(diào)節(jié)光功率實(shí)現(xiàn)。相位匹配實(shí)現(xiàn)較難，對(duì)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(dāng)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(hào)光和本振光入射到透鏡上，通過(guò)透鏡成像在探測(cè)器光敏面上，完成混頻過(guò)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(cè)要求信號(hào)光束與本振光束必須有相同的偏振方向，也就是說(shuō)，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(guò)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(jià)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(cè)要求信號(hào)光2.3 實(shí)驗(yàn)方案的選取本方案主要的選取主要分為兩方面：探測(cè)方式和解調(diào)方式。對(duì)于探測(cè)方式分為：零差探測(cè)和外差探測(cè)。對(duì)于解調(diào)方式分為：同步解調(diào)和異步解調(diào)。2.3 實(shí)驗(yàn)方案的選取本方案主要的選取主要分為兩方面：探測(cè)方零差探測(cè)與外差探測(cè)：圖2 零差探測(cè)2.3 實(shí)驗(yàn)方案的選取零差探測(cè)與外差探測(cè)：圖2 零差探測(cè)2.3 實(shí)驗(yàn)方案的選取圖3 外差探測(cè)2.3 實(shí)驗(yàn)方案的選取圖3 外差探測(cè)2.3 實(shí)驗(yàn)方案的選取2.3 實(shí)驗(yàn)方案的選取 零差探測(cè)需要光鎖相環(huán)對(duì)相位和頻率進(jìn)行鎖定，而對(duì)外差探測(cè)則只需要相對(duì)簡(jiǎn)單的

8、電鎖相環(huán)來(lái)完成頻率鎖定，外差探測(cè)相對(duì)零差探測(cè)不要求直接恢復(fù)光載頻，而且對(duì)光學(xué)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(cè)。經(jīng)過(guò)以上對(duì)比：選擇外差探測(cè)方式2.3 實(shí)驗(yàn)方案的選取 零差探測(cè)需要光鎖相環(huán)對(duì)相同步解調(diào)和異步解調(diào)：圖4 同步解調(diào)2.3 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方案的選取圖5 異步解調(diào)2.3 實(shí)驗(yàn)方案的選取圖5 異步解調(diào)2.3 實(shí)驗(yàn)方案的選取2.3 實(shí)驗(yàn)方案的選取 電信號(hào)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(fù)，即對(duì)接收的中頻信號(hào)的同步檢測(cè)，產(chǎn)生一個(gè)頻率和相位都與之相同的中頻載波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)此功能則需要一個(gè)較復(fù)雜的電鎖相環(huán)；

9、而對(duì)于異步解調(diào)只需要一個(gè)包絡(luò)檢波就可以做到，實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)容易，所以選擇了異步解調(diào)。經(jīng)過(guò)以上對(duì)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(shí)驗(yàn)方案的選取 電信號(hào)解調(diào)方式可以分為同2.4 光學(xué)仿真分析OptiSystemOptiSystem： OptiSystem是Optiwave公司推出的一個(gè)光通信系統(tǒng)仿真軟件，其功能相當(dāng)強(qiáng)大，提供了極其豐富的模塊，這些模塊對(duì)應(yīng)的器件已經(jīng)得到準(zhǔn)確的測(cè)試。同時(shí)，Optisystem還提供了與Matlab的接口功能，使得開發(fā)人員進(jìn)行光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得相對(duì)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(xué)仿真分析OptiSystemOpti

10、Sys 本課題有著豐富的理論指導(dǎo)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室已研制成功激光通信直接探測(cè)的光端機(jī)，實(shí)現(xiàn)了8km的圖像視頻實(shí)時(shí)傳輸。因此在無(wú)線激光通信的硬件平臺(tái)和軟件控制設(shè)計(jì)方面有了大量的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。 通過(guò)以上的理論分析和方案選擇，對(duì)于大氣相干激光通信采用外差異步解調(diào)技術(shù)是切實(shí)可行的。3、實(shí)驗(yàn)可行性分析 本課題有著豐富的理論指導(dǎo)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)預(yù)期目標(biāo) 完成對(duì)相干激光通信系統(tǒng)的理論研究，對(duì)所選系統(tǒng)方案進(jìn)行系統(tǒng)光學(xué)仿真及實(shí)現(xiàn)。 創(chuàng)新點(diǎn) 由相干激光通信外差探測(cè)技術(shù)代替原有的直接探測(cè)技 術(shù)，提高了探測(cè)靈敏度，增大了帶寬。4、預(yù)期目標(biāo)及創(chuàng)新點(diǎn)預(yù)期目標(biāo) 創(chuàng)新點(diǎn)4、預(yù)期目標(biāo)及創(chuàng)新點(diǎn)2019.102019.2 查閱大量的文獻(xiàn)資料，深入學(xué)習(xí)相干激光通信的理論知識(shí)，通過(guò)對(duì)比選擇系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。2019.22019.5 對(duì)所選系統(tǒng)方案進(jìn)行系統(tǒng)光學(xué)仿真分析并進(jìn)行初步的實(shí)時(shí)圖像傳輸試驗(yàn)。201