相干光通信外差異步解調(diào)接收機(jī)的設(shè)計

肖 西 陳名松

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）

相干光通信外差異步解調(diào)接收機(jī)的設(shè)計

肖 西 陳名松

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）

比較了相干光通信系統(tǒng)與幅度調(diào)制/直接解調(diào)系統(tǒng)，以及各類相干光系統(tǒng)的優(yōu)缺點，得出了研究外差異步解調(diào)系統(tǒng)的必要性和實用性的結(jié)論。通過分析相干探測的原理及相干通信的解調(diào)方式，設(shè)計了相干光通信的外差異步解調(diào)接收機(jī)，制作了外差異步解調(diào)接收機(jī)中電路部分的電路板，并通過實驗驗證了電路設(shè)計的正確性。

相干光通信；外差探測；異步解調(diào)

（一）系統(tǒng)實現(xiàn)原理

1.相干探測原理介紹

通常所說到的相干光，實際上就是指兩個激光器產(chǎn)生的光場空間上進(jìn)行疊加，且相互干涉的激光。具體來說就是從信道過來的信號光場與接收端本振激光器產(chǎn)生的光場經(jīng)混頻器相互作用后產(chǎn)生了一個新的相干光場。相干光通信，與傳統(tǒng)的無線電通信和微波通信是一樣的道理，在發(fā)射端對光載波進(jìn)行幅度調(diào)制（也可以是頻率或相位調(diào)制），在接收端，則采用零差或外差探測，這種探測方式我們稱之為相干探測。

圖 1為相干探測原理方框圖。光接收機(jī)接收到的從信道過來的信號光和本振激光器產(chǎn)生的本振光經(jīng)過混頻器作用后，光場發(fā)生干涉。干涉光場經(jīng)光探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后輸出光電流信號，該光電流信號經(jīng)相關(guān)處理后，以基帶信號的形式輸出。

圖1 相干探測原理方框圖

接收機(jī)接收到的信號光光場及本振光光場分別為

其中，AS、ωs及φs分別是光載波的幅度、頻率及相位。AL、ωL和φL分別是本振光的幅度、頻率及相位。

由ωs和ωL可得中頻頻率為

或

當(dāng)信號光與本振光偏振方向相同時，則投射至光探測器的光強(qiáng)度為

相干探測分兩種情況，即零差探測和外差探測。

（1）當(dāng) ωs=ωL時，即 ωIF= 0時稱為零差探測。由（3）式以及I=RP可得光檢探器產(chǎn)生的光電流為

式中R是探測器的響應(yīng)度。上式中的最后一項里包含了所要傳輸?shù)男畔ⅰV去直流分量，且假設(shè)本振光相位鎖定在信號光相位上，即 φL=φs，由此可得光探測器產(chǎn)生的光電流為

由于PL>>PS，顯然，接收光功率大大增加了。

（2）當(dāng)ωL≠ωs時，即ωIF≠ 0時，稱為外差探測。由（3）式以及I=RP可得光探測器產(chǎn)生的光電流的表達(dá)式為

通常來說， PL>>PS，可認(rèn)為第一項是直流常數(shù)，很容易被濾除，此時含有信息的外差電流的表達(dá)式為：

與零差探測相似，外差探測接收光功率放大了，從而提高了靈敏度。盡管外差探測的靈敏度稍微降低了，但是接收機(jī)設(shè)計相對簡單，不需要考慮相位鎖定這個難題，且對激光器線寬要求沒零差探測那么高，因此實現(xiàn)起來較零差探測容易。因此，本文就采用了外差探測的方式。

2.解調(diào)方式的選擇

由上文介紹，我們已經(jīng)知道，相干光通信系統(tǒng)分為零差系統(tǒng)和外差系統(tǒng)。在零差系統(tǒng)中，攜帶有信息信號的光載波經(jīng)探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，信息信號將直接從光載波上解調(diào)下來，成為基帶信號。

外差探測系統(tǒng)則與之不同，信道過來的光信號經(jīng)探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后得到一個光電流信號，在光電轉(zhuǎn)換的同時將信號的載波由光載波下變頻為中頻電載波。中頻電載波的頻率一般為幾百M(fèi)Hz或幾GHz。中頻電信號經(jīng)電流-電壓轉(zhuǎn)換及放大后，需要進(jìn)行解調(diào)以得到基帶信號。

外差探測系統(tǒng)的解調(diào)方式有包絡(luò)解調(diào)（也稱異步解調(diào)）和同步解調(diào)兩種選擇。同步解調(diào)需要對中頻電信號進(jìn)行載波恢復(fù)，同步的意思就是說必須保證這兩個載波的頻率和相位都相同。實現(xiàn)這個目的需要一個電鎖相環(huán)，電鎖相環(huán)通常是基于標(biāo)準(zhǔn)壓控振蕩器。因此，相對包絡(luò)解調(diào)而言，是較為麻煩的，而且同步解調(diào)系統(tǒng)對激光器線寬的要求要比包絡(luò)解調(diào)系統(tǒng)高，因此本文的設(shè)計中就采用了包絡(luò)解調(diào)方式。

相比于同步解調(diào)，包絡(luò)解調(diào)要簡單很多，它無需電鎖相環(huán)，只需要一個或幾個二極管或三極管再加上低通濾波電路就可以將信號解調(diào)出來。很顯然，包絡(luò)解調(diào)結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)容易，費(fèi)用降低，而且性能也可以，因此往往成為人們的首選。

（二）外差異步解調(diào)接收機(jī)的設(shè)計

通過上文對探測方式和解調(diào)方式的敘述，我們選擇了外差探測方式和包絡(luò)解調(diào)方式。這樣，系統(tǒng)的組成基本上就確定了，下面簡要敘述一下外差異步接收機(jī)流程圖。從信道過來的信號光進(jìn)入接收機(jī)后，首先和本振激光器產(chǎn)生的本振光通過光混頻器進(jìn)行混頻，二者產(chǎn)生的干涉光場經(jīng)過光探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后得到一個中頻電流信號，該電流信號通過前置放大器后轉(zhuǎn)換成電壓信號，隨后又通過主放大器對電壓信號進(jìn)一步放大，以達(dá)到后面解調(diào)所需的電壓。放大后的信號進(jìn)入包絡(luò)解調(diào)及低通濾波部分，得到基帶信號，最后送至數(shù)據(jù)恢復(fù)與判決器進(jìn)行判決。外差異步解調(diào)接收機(jī)框圖如圖 2所示。

圖2 外差異步接收機(jī)框圖

由上面的相關(guān)理論介紹，我們設(shè)計了相干光通信外差異步解調(diào)接收機(jī)。光探測器我們選用的是日本日本濱松公司生產(chǎn)的G9820-02。該探測器是一款集成了前置放大器的光電探測器，由于不用再另外考慮前置放大器，因此簡化了系統(tǒng)的設(shè)計。主放大器是MAXIM公司生產(chǎn)的MAX3748限幅放大器。解調(diào)部分首先采用肖特基二極管橋式整流電路，接著是RC低通濾波電路，最后采用隔直電容以隔除直流電流。數(shù)據(jù)判決部分采用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX3873A芯片。

（三）實驗

根據(jù)上面對相關(guān)器件和電路的選擇，本文完成了從主放大器MAX3748芯片到判決芯片MAX3873A之間電路的硬件電路板制作。為了測試證明電路的可行性，我們利用信號發(fā)生器給主放大器 MAX3748輸入 ASK調(diào)制信號，并在判決芯片MAX3873A后接示波器觀測波形。輸入 ASK信號的載波為500MHz，幅度為200 mV，脈沖周期為8us時波形圖如圖3所示。

圖3 載波為500MHz，幅度為200mV，脈沖周期為8us時的輸出波形

（四）結(jié)束語

20世紀(jì)70年代末到90年代中期，相干光通信是國際光通信研究領(lǐng)域的熱點。1995年前后，隨著摻鉺光纖放大器（EDFA）和密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)的成熟，使得相干光通信技術(shù)的發(fā)展緩慢下來[5]。近幾年來，由于激光器、探測器等相關(guān)器件的發(fā)展，對傳輸容量急劇增長的需求等等因素，相干光通信又開始逐漸復(fù)蘇了。但是人們對相干光通信的研究大多集中在理論方面，對實際系統(tǒng)的搭建和硬件的制作還是比較少見。本文從這個角度出發(fā)，設(shè)計了相干光通信中的外差異步解調(diào)接收機(jī)，制作了接收機(jī)電路部分的電路板，并通過實驗測試證明了電路設(shè)計的正確性。下一步等實驗室正在購買的可調(diào)諧激 光器等儀器到貨后，搭建出完整的相干光外差異步解調(diào)通信系統(tǒng)并進(jìn)行相關(guān)實驗研究。

[1]李其聰,孫力軍.外調(diào)制寬帶外差光相干傳輸鏈路的構(gòu)建[J].半導(dǎo)體光電,2009,30(5):738-792.

[2]劉增基,周洋溢等.光纖通信[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2001:165-167

[3]趙春英.相干光通信的外差異步解調(diào)技術(shù)的研究[D].長春:長春理工大學(xué),2010

[4]J.H. Franze V.K.Jain.光通信器件與系統(tǒng)[M].徐宏杰,等譯.北京:電子工業(yè)出版社,2002:328.

[5]D.Becker,C.Wree,D. Mohr, and A. Joshi Optical Coherent Receivers for 2.5 and 10Gb/s[J]. Proceedings of the IEEE Avionics Fiber-Optics and Photonics Conference, Minneapolis,MN,USA,September 20-22,2005:1-2.

TN929.1

A

1008-1151(2011)04-0021-02

當(dāng)前主流的光通信系統(tǒng)一般采用幅度調(diào)制/直接解調(diào)(IM/DD)的方法來進(jìn)行通信。簡單來說，就是把光作為載波，信號對光載波采用強(qiáng)度調(diào)制方式，在接收端，對信道過來的光信號直接進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)，以恢復(fù)發(fā)端的信號，完成通信。這種系統(tǒng)調(diào)制和解調(diào)相對容易，成本也較低，但是這種系統(tǒng)接收靈敏度不高，而且頻帶利用率很低，因此系統(tǒng)的中繼距離和傳輸容量都相當(dāng)有限。

與傳統(tǒng)的強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測通信系統(tǒng)相比，相干光通信系統(tǒng)有著不少的優(yōu)點，主要如下：1.靈敏度高，中繼距離長。2.選擇性好，通信容量大。3.具有多種調(diào)制方式。隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人們對帶寬的要求越來越高，對系統(tǒng)的容量要求越來越大，相干光通信由于其更高的靈敏度和優(yōu)良的選擇性使得系統(tǒng)的容量得以大大增加，因此正逐漸成為下一代通信系統(tǒng)的研究熱門。

相干光通信系統(tǒng)分為零差系統(tǒng)和外差系統(tǒng)，外差系統(tǒng)中又分為外差同步系統(tǒng)和外差異步系統(tǒng)。其中，外差異步系統(tǒng)相比于其它相干光系統(tǒng)雖然靈敏度稍有所下降，但是其結(jié)構(gòu)要簡單，造價要便宜，對激光器等器件要求要低，實現(xiàn)起來比較容易，從必要性和實用性等方面綜合考慮，外差異步系統(tǒng)較其它相干光通信系統(tǒng)有著較大的優(yōu)勢。

2011-01-27

肖西（1983－），男，湖南新化人，桂林電子科技大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向為光通信；陳名松（1967－），男，湖南永州人，桂林電子科技大學(xué)碩士生導(dǎo)師，教授，從事光通信方向的教學(xué)和研究。