基于PPM的深空光通信的接收技術(shù)

【摘 要】本文主要論述基于PPM調(diào)制方式下的深空光通信的接收技術(shù)，主要針對從月球到地面?zhèn)鬏數(shù)募す庑盘栠M(jìn)行接收，能夠增強(qiáng)深空激光通信能力、順利有效地完成各項深空通信任務(wù)，對工程應(yīng)用、軍事發(fā)展、國防科研等有重要意義。

【關(guān)鍵詞】PPM 深空光通信 接收技術(shù)

目前深空探測數(shù)據(jù)傳輸采用微波通信方式，火星和地球之間的最大通信速率僅能達(dá)到120kbps。而空間激光通信是指用激光束作為信息載體進(jìn)行空間，包括大氣空間、低軌道、中軌道、同步軌道、星際間、太空間通信與空地通信。激光通信具有通信速率高、信息容量大、體積小、功耗低等突出特點(diǎn)，恰恰能有效解決帶寬瓶頸，因此國外競相開展空間激光通信的研究工作。單光子探測器是地面通信系統(tǒng)中接收深空激光信號的重要部分，單光子探測是一種極微弱光探測法，隨著人們對單光子探測領(lǐng)域的研究，研制和開發(fā)有高靈敏度新型結(jié)構(gòu)的光探測器；研究和改進(jìn)現(xiàn)有探測器對弱信號的信息探測和信息處理技術(shù)、使其進(jìn)行單光子探測已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。這將使深空通信的地面探測接收端能更好地探測并接收深空中發(fā)來的光信號。因而在激光雷達(dá)探測技術(shù)上，由于對激光雷達(dá)探測器靈敏度的要求提高，出現(xiàn)了具有單光子靈敏度的新型探測器——蓋革模式下雪崩光電二極管（GM-APD）陣列的激光雷達(dá)探測。相對于由半導(dǎo)體光電二極管（PIN）、光電倍增管（PWT）等構(gòu)成的光電檢測器，蓋革模式下的雪崩光電二極管（GM-APD）用于單光子探測，具有靈敏度高、響應(yīng)速度快，功耗低、工作頻譜范圍大、體積小、工作電壓較低，在弱光信號檢測方面有較大優(yōu)勢等特點(diǎn)，其應(yīng)用在國內(nèi)外近10年來發(fā)展迅速。

一、深空信道環(huán)境及對激光傳輸?shù)挠绊?/p>

大氣在垂直方向可分為對流層、平流層、中間層、熱層和外層（如圖），深空信道環(huán)境包括溫度、氣壓、高層大氣、原子氧、空間等離子體、地磁場、高能帶電粒子、空間碎片等多種因素，對激光信號的傳輸產(chǎn)生各種影響，導(dǎo)致通訊信號的深度衰減。大氣的湍流運(yùn)動使大氣折射率具有隨機(jī)起伏的性質(zhì)，造成光束在大氣信道中傳輸時產(chǎn)生光強(qiáng)閃爍、光斑漂移、光束擴(kuò)展、畸變及光能損失等現(xiàn)象。大氣湍流信道中的閃爍效應(yīng)和光束漂移等嚴(yán)重影響了打在光檢測器接收平面上信號光的能量，此時大氣信道的噪聲以及背景光和系統(tǒng)本身的噪聲對通信系統(tǒng)誤碼性能的影響將非常顯著?？偟膩碚f，深空信道環(huán)境使光信號信號產(chǎn)生衰落、散射等影響后直接對深空激光通信系統(tǒng)的通信速率、跟蹤精度等都產(chǎn)生負(fù)面影響。

二、深空光通信系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

深空激光通信系統(tǒng)由航天器通信端、地面通信端和信道組成。航天器通信端完成下行鏈路信息的發(fā)送和上行鏈路信息的接收，地面通信端完成下行鏈路信息的接收和上行鏈路信息的發(fā)送。深空激光發(fā)射終端經(jīng)過激光器發(fā)射激光，進(jìn)行PPM外調(diào)制與光學(xué)放大與天線發(fā)射后完成下行鏈路信息的發(fā)送。地面探測通信終端通過蓋革模式下的APD單光子探測器進(jìn)行探測接收，再經(jīng)過信號處理部分放大解調(diào)出信號。

三、基于蓋革模式下的激光探測系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由工作在蓋革模式下的雪崩光電二極管作為光探測器，激光信號由光學(xué)天線接收經(jīng)過探測器與前置放大器變?yōu)殡娦盘?，再對電信號進(jìn)行均衡放大，時鐘提取，判決等處理。高靈敏度和高抗干擾的光信號接收技術(shù)

在深空光通信系統(tǒng)中，接收機(jī)接收到的信號十分微弱，同時又有高背景噪聲的干擾，為了精確的接收信號，通常采用提高接收機(jī)靈敏度和對接收信號進(jìn)行處理的辦法。首先光電探測器的性能直接影響到系統(tǒng)的誤碼率以及靈敏度性能，對于深空這種距離遠(yuǎn)、噪聲影響較大的信道來說，高量子效率（QE）、高響應(yīng)速度一級很低的暗電流噪聲的探測器是人們追求的目標(biāo)?，F(xiàn)在運(yùn)用及研究最多的是雪崩光電二極管（APD）類的探測器件，也提出了一種新型的光子計數(shù)探測陣技術(shù)。其傳輸速率：1Mbps；響應(yīng)波長：1550nm；量子效率：0.5—0.8。其次，對接收的信號進(jìn)行處理，采用光窄帶濾波器，以抑制雜散光的干擾。

四、硬件電路設(shè)計

在深空激光通信中，地面接收到的信號很微弱，并伴有噪聲，為了精確的接收信號，本課題激光探測器中，對前置放大器、主放大器、溫度控制電路以及時鐘提取、判決電路進(jìn)行設(shè)計，針對發(fā)射端的PPM調(diào)制方式解調(diào)出低誤碼率、高信噪比的激光信號。

（1） 前置放大電路。光電探測器后的放大器通常稱為前置放大器，將接收器輸出的信號放大到一定的水平，根據(jù)微弱信號檢測理論，通過提高前置放大器的增益和減小前置放大器的噪聲，可大大降低后續(xù)處理電路中的噪聲對系統(tǒng)總信噪比的影響。前置放大器的設(shè)計要點(diǎn)是在帶寬和靈敏度之間進(jìn)行優(yōu)化選取。目前前置放大器主要有低阻前置放大器、高阻前置放大器和跨阻前置放大器。根據(jù)接收信號的大小和通信速率選擇不同類型的前置放大器。

（2）線性放大單元。線性放大單元有三大功能：將前置放大器的輸出電壓（通常在0.1mV量級）放大到后續(xù)判決再生電路需要的電壓值（1V左右），因此增益要達(dá)到40dB量級；為了在光接收機(jī)的輸入光功率變換時維持給定的輸出電壓，使判決電路正常工作，主放大器應(yīng)具有自動增益控制功能（AGC），控制范圍通常為20dB；具有特定的頻率響應(yīng)，以校正和補(bǔ)償前放對帶寬的限制，在主放大器之前要插入一個均衡濾波器，使之輸出無碼間干擾的理想波形。

（3）時鐘提取、恢復(fù)電路。時鐘同步（位同步或稱碼元同步）是在接收端確定每一個碼元的起止時刻，它是數(shù)字通信的諸多同步之中的首要問題。時鐘提取電路通常采用數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)，時鐘同步采用自同步法可以用設(shè)計特殊的鎖相環(huán)路來直接從接收的碼元序列提取位同步信號。

（4）判決電路。判決電路將接收機(jī)中的主放大器輸出的穩(wěn)定信號與一個門限電壓值進(jìn)行比較，作出“1”和“0”的判決，并用恢復(fù)的時鐘進(jìn)行抽樣，在判決電路的輸出端可得到與原信號一致的數(shù)字信號。并通過設(shè)置最佳門限對接收到的信號進(jìn)行硬判決，由于通信實(shí)時性要求比較高，所以需要對解調(diào)的脈沖位置進(jìn)行實(shí)時判決，每采到一個值就與前次采樣值進(jìn)行比較。

21世紀(jì)是光通信獲得極大發(fā)展與應(yīng)用的世紀(jì)，現(xiàn)在已經(jīng)有人研究了大氣激光通信，還有移動激光通信，衛(wèi)星激光通信的研究也正在進(jìn)行著。本文中的深空光通信的接收技術(shù)正是順應(yīng)這一趨勢而作的工作。深空通信是進(jìn)行深空探測的基礎(chǔ)和支撐，在深空探測任務(wù)中也起著關(guān)鍵的作用。光通信技術(shù)以其優(yōu)于現(xiàn)有的深空探測通信技術(shù)的綜合性能，必將成為未來人類深空探測領(lǐng)域的主導(dǎo)通信方式。

作者簡介：

聶睿萌（1987.11），女，滿族，吉林長春人，長春理工大學(xué)工學(xué)學(xué)士，從事無線光通信、深空通信研究。