星際高速激光通信中時(shí)鐘同步技術(shù)研究

張　彬

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林 長春　130033)

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星際高速激光通信中時(shí)鐘同步技術(shù)研究

張彬

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林 長春130033)

摘要：討論了星際激光通信中脈沖位置調(diào)制技術(shù)中的時(shí)鐘同步方案。脈沖寬度調(diào)制方案旨在實(shí)現(xiàn)信噪比約束下的最大數(shù)據(jù)傳輸速率。時(shí)鐘同步是脈沖寬度調(diào)制的核心技術(shù),利用統(tǒng)計(jì)鑒相機(jī)制實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)端的時(shí)鐘同步。本文在深入分析激光通訊時(shí)鐘同步方案的基礎(chǔ)上,建立了時(shí)鐘抖動的數(shù)學(xué)模型,并在此基礎(chǔ)上分析了數(shù)據(jù)傳輸速率與時(shí)鐘同步的權(quán)衡關(guān)系,對激光通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：PPM; 激光通訊; 數(shù)據(jù)傳輸; 時(shí)鐘同步

引言

激光通信與射頻通信相比,激光通信在2.76 AU或更遠(yuǎn)的通信距離的高數(shù)據(jù)率信息傳輸?shù)膽?yīng)用上具有很大的潛力[1]。在相同的通訊速率下,激光通訊設(shè)備質(zhì)量更輕,有利于建立有效載荷的成本。 假設(shè)傳輸距離為2.67 AU,碼速率要求為1 Gbit/s時(shí),RF設(shè)備的質(zhì)量需為100～175 kg,而光學(xué)終端則為42 kg。于此同時(shí)采用光通信的設(shè)備所需功耗明顯比射頻設(shè)備更低。因而激光通訊技術(shù)成為發(fā)達(dá)國家研究的熱點(diǎn)之一。

歐空局針對激光通訊技術(shù)的SILEX計(jì)劃是啟動較早的衛(wèi)星間激光通訊鏈路科研項(xiàng)目[2]。實(shí)驗(yàn)裝置由兩個(gè)激光通信終端組成,終端之一搭載在法國地面觀測衛(wèi)星SPOT4(低軌衛(wèi)星)上,另一個(gè)終端搭載在歐空局的通信衛(wèi)星ARTEMS(地球同步軌道衛(wèi)星)上。SILEX計(jì)劃的目的是完成在軌激光通信試驗(yàn),以及執(zhí)行一項(xiàng)由SPOT4衛(wèi)星的地球觀測數(shù)據(jù)至ARTEMS衛(wèi)星的基本傳輸任務(wù),再將此數(shù)據(jù)由ARTEMS衛(wèi)星的Ka波段饋路傳播至地面站。

日本高級無線通信組織NeLS研究中心也積極致力于激光通訊技術(shù)的研究,其激光通訊研究項(xiàng)目的目標(biāo)是開發(fā)全球多媒體移動衛(wèi)星通信服務(wù),使掌上設(shè)備的通信速率達(dá)到2 Mbit/s[3]。NeLS研究中心設(shè)計(jì)了具有完整激光通信發(fā)射機(jī),該設(shè)備將測量到的任務(wù)數(shù)據(jù)存儲在任務(wù)處理器的存儲器里,并利用X波段發(fā)射機(jī)并通過星載處理器向外傳輸,通過改裝后的通信異頻雷達(dá)收發(fā)機(jī)傳回地面站。該設(shè)備已經(jīng)成功搭載于SmartSat-1a衛(wèi)星上,并實(shí)現(xiàn)了速率為2.488 Mbit/s的光信號衛(wèi)星-地面站數(shù)據(jù)通訊實(shí)驗(yàn)。

OICETS是日本空間探測局研制的星際間通信工程測試衛(wèi)星[4-5],工作于軌道高度610 km、傾角97.8°的近地太陽同步軌道。2005年12月9日,首次成功建立了OICETS與ARTEMIS衛(wèi)星之間的雙向激光通信鏈接。從2005年12月開始,在為期6個(gè)月的時(shí)間內(nèi)成功地進(jìn)行了星間激光通信演示驗(yàn)證試驗(yàn),試驗(yàn)次數(shù)超過100次。試驗(yàn)中,對捕獲程序、跟蹤性能和誤碼率進(jìn)行了測試與統(tǒng)計(jì),結(jié)果表明捕獲概率超過90%,誤碼率小于10-6。2006年3月底,利用日本NICT光學(xué)地面站進(jìn)行了星地之間的激光通信試驗(yàn),并于3月28日地面站首次接收到了下行數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)誤碼率為10-5。在試驗(yàn)期間,多次重復(fù)并成功建立起光學(xué)鏈路。

美國NASA研究中心啟動火星激光通信演示驗(yàn)證(MLCD)項(xiàng)目[6],旨在距離變化范圍在0.7~2.4太空單位,MLCD系統(tǒng)將以1~30 Mbit/s的速率從火星MTO軌道發(fā)送實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù),并從地球向火星將以1~75 bit/s的低速率傳送數(shù)據(jù)。光學(xué)鏈接演示驗(yàn)證設(shè)備已經(jīng)于2010年8月成功到達(dá)火星后持續(xù)運(yùn)作一年,成功建立數(shù)據(jù)鏈路。

激光通信最基本的核心技術(shù)是脈沖位置調(diào)制(PPM)技術(shù),PPM技術(shù)能夠獲取能量峰均差較大的激光。時(shí)鐘同步技術(shù)又是脈沖調(diào)制技術(shù)的核心,用以實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的時(shí)鐘的精確對準(zhǔn)。本文首先討論了采用脈沖寬度調(diào)制(PPM)情況下的時(shí)鐘同步方案,推導(dǎo)了該方案下相位噪聲與帶寬的定量關(guān)系,并進(jìn)一步討論了時(shí)鐘同步需求與傳輸速率的權(quán)衡關(guān)系。運(yùn)用該理論以火星激光通信為例討論了時(shí)鐘同步方案的設(shè)計(jì),為激光通訊技術(shù)研究提供一定指導(dǎo)意義。

1激光通訊中時(shí)鐘同步方案

脈沖位置調(diào)制方式可以有效將單位時(shí)間的平均激光功率降低為峰值功率的1/M,從而提高激光光源的使用壽命。引入數(shù)據(jù)重復(fù)雖然將編碼長度降低為原來的1/P,但是經(jīng)過數(shù)據(jù)處理可以通過將重復(fù)的單位數(shù)據(jù)時(shí)隙相加,從而等效的數(shù)據(jù)光功率變?yōu)樵瓉淼腜倍。如果激光光源的平均功率為λs,則等效峰值脈沖激光功率為M*P*λs,如果背景雜光功率為λb,則等效的信噪比比起其他的調(diào)制方式來說提高了M*P倍。這樣即便在白天,背景雜光功率很強(qiáng)的情況下,也能很好地完成數(shù)據(jù)傳輸。

激光通訊時(shí)鐘同步方案如圖1所示,在激光通信中采用插入同步幀的方式進(jìn)行同步,傳輸協(xié)議分為數(shù)據(jù)幀和同步幀,每S幀插入一個(gè)同步幀,數(shù)據(jù)幀和同步幀都由M個(gè)時(shí)隙組成,每個(gè)時(shí)隙占有D個(gè)時(shí)鐘周期。每個(gè)數(shù)據(jù)采用重復(fù)P次的編碼方案,單位數(shù)據(jù)時(shí)隙長度為N。

同步幀主要用于完成高速時(shí)鐘恢復(fù),同步幀的插入利用了統(tǒng)計(jì)鑒相機(jī)制可以有效的實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸。在某個(gè)時(shí)隙位置插入同步光脈沖,如果時(shí)鐘不同步引發(fā)時(shí)隙的偏移,則會使得同步光脈沖偏移到鄰近的時(shí)隙中,通過對同步時(shí)隙以及前后一個(gè)時(shí)隙的光子計(jì)數(shù),可以定量的得到同步脈沖的偏移量;對一定積分時(shí)間的多個(gè)同步幀進(jìn)行統(tǒng)計(jì),可以得到準(zhǔn)確的同步脈沖偏移量,用這個(gè)同步脈沖偏移量作為鎖相環(huán)路的鑒相器件,可以采用鎖相技術(shù)得到準(zhǔn)確的時(shí)鐘同步。

采用脈沖寬度調(diào)制的激光通信方案中的多個(gè)系統(tǒng)參數(shù)需要權(quán)衡數(shù)據(jù)傳輸速度與同步需求之間的矛盾,例如幀時(shí)隙長度M增加,可以提高單位時(shí)間的編碼長度,但是也會減少同步光脈沖的長度從而增加了統(tǒng)計(jì)鑒相機(jī)制所帶來的相位噪聲,進(jìn)而增加了脈沖的抖動。建立準(zhǔn)確的時(shí)鐘抖動計(jì)算模型,并準(zhǔn)確的表達(dá)出各種系統(tǒng)參數(shù)與同步需求的關(guān)系對于激光通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

圖1　激光通信的時(shí)鐘同步方案

2激光通信的時(shí)鐘抖動數(shù)學(xué)模型

激光通信時(shí)鐘恢復(fù)電路主要有光子計(jì)數(shù)器、統(tǒng)計(jì)鑒相器、數(shù)字濾波器以及壓控振蕩器,其系統(tǒng)框圖如圖2所示。其中光子計(jì)數(shù)器由高靈敏度雪崩二極管陣列組成,可以測量出單位時(shí)隙的光子數(shù)量。統(tǒng)計(jì)鑒相器通過統(tǒng)計(jì)一定積分時(shí)間內(nèi)的同步幀中同步時(shí)隙與其前后時(shí)隙的光子計(jì)數(shù)的比來計(jì)算相位偏差。數(shù)字濾波器可以提高鎖相環(huán)路的時(shí)域鎖相性能,減少相位鎖定的時(shí)間和提高鎖相精度。壓控振蕩器用于產(chǎn)生用以與輸入光脈沖序列相比較的參考時(shí)鐘序列,鑒相器得到相位偏差可以調(diào)節(jié)壓控振蕩器輸出的參考時(shí)鐘序列的相位從而實(shí)現(xiàn)精確的鎖相功能。 時(shí)鐘恢復(fù)電路的時(shí)鐘抖動與三部分噪聲源有關(guān),第一部分是由光子計(jì)數(shù)器帶來的相位噪聲,第二部分是由鑒相器統(tǒng)計(jì)誤差帶來的相位噪聲,第三部分是由壓控振蕩器帶來的相位噪聲?？梢愿鶕?jù)近似的線性傳遞函數(shù)模型計(jì)算輸出總的相位噪聲。

圖2　激光通信時(shí)鐘恢復(fù)電路框圖

將時(shí)鐘抖動過程看成平穩(wěn)隨機(jī)過程,相位噪聲是時(shí)鐘抖動的功率譜密度。時(shí)鐘抖動與相位噪聲S(f)的關(guān)系可以表示為

(1)

其中S(f)表示單邊功率譜密度,T0為時(shí)鐘周期,S(f)為噪聲源的相位噪聲譜密度?？偟墓β首V密度與各個(gè)噪聲源相位噪聲間的關(guān)系為

(2)

式中：Sapd(f),Spd(f),Svco(f)分別為光子計(jì)數(shù)器、統(tǒng)計(jì)鑒相器以及壓控振蕩器的相位噪聲譜;Hapd(f),Hpd(f),Hvco(f)分別為光子計(jì)數(shù)器、統(tǒng)計(jì)鑒相器以及壓控振蕩器的傳遞函數(shù)?？梢赃M(jìn)一步表示為

(3)

式中:G(f)為開環(huán)傳遞函數(shù),它是鑒相器、環(huán)路濾波器與壓控振蕩器傳遞函數(shù)的乘積,是2型傳遞函數(shù),具有零點(diǎn)ωz和極點(diǎn)ωp。下面分析各個(gè)噪聲源的相位噪聲譜從而推導(dǎo)時(shí)鐘抖動與各種系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系。

2.1光子計(jì)數(shù)器的相位噪聲

(4)

從公式可以看出光子計(jì)數(shù)器引起的時(shí)鐘抖動與λ成反比,當(dāng)光子流密度很大的情況下,由光子計(jì)數(shù)引起的時(shí)鐘抖動可以忽略不計(jì)。

2.2統(tǒng)計(jì)鑒相器的噪聲

如果積分時(shí)間為τ,則從(k-1)*τ到k*τ時(shí)刻積累的抖動的方差Δrms。 時(shí)間τ內(nèi)的同步脈沖數(shù)目為Δt=τ/(M*S),同步脈沖鄰近時(shí)隙內(nèi)的信號光子數(shù)目為M*λs*Δrms*Δt,同步脈沖鄰近時(shí)隙的背景光子數(shù)目為λb*Δt,當(dāng)同步脈沖鄰近時(shí)隙內(nèi)的信號光子數(shù)目比背景光子數(shù)目大3 dB時(shí),認(rèn)為可分辨時(shí)鐘偏移產(chǎn)生相位偏差,滿足下面的公式

(5)

考慮前一個(gè)積分時(shí)間內(nèi)的抖動不會累積到當(dāng)前時(shí)刻,δ(t)與δ(t+τ)無關(guān),任意時(shí)刻的統(tǒng)計(jì)鑒相器時(shí)鐘抖動的相關(guān)函數(shù)為:

(6)

由于功率譜密度為相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換:

(7)

2.3壓控振蕩器的相位噪聲

壓控振蕩器的相位噪聲來自于白噪聲和閃爍噪聲,其時(shí)鐘抖動可以表示為:

(8)

式中:δnoise(τ)為噪聲源的噪聲;Rnoise(τ)為噪聲源的相關(guān)函數(shù);δvco(t)為VCO表現(xiàn)出的噪聲。由于相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換即為功率譜密度。噪聲源主要包括白噪聲和閃爍噪聲,其功率譜密度為

(9)

式中:n為常數(shù)。當(dāng)振蕩頻率ffc表現(xiàn)為白噪聲。有公式

(10)

式中:c為擬合參數(shù);A1Hz為VCO的1 Hz相位噪聲的功率譜數(shù)值。

2.4VCO相位噪聲表達(dá)式

從式(4)、(7)、(10)可以看出對于統(tǒng)計(jì)鑒相器和光子計(jì)數(shù)器噪聲的傳遞函數(shù)表現(xiàn)為低通濾波器特性,低于環(huán)路濾波器的噪聲被傳遞到輸出,而壓控振蕩器表現(xiàn)為高通濾波器特性,高于環(huán)路帶寬的噪聲被傳遞到輸出。激光通訊時(shí)鐘同步總的時(shí)鐘偏移的方差可以表示為

(11)

(12)

最小的時(shí)鐘偏移的方差可以表示為

(13)

3時(shí)鐘同步與傳輸速率的權(quán)衡關(guān)系

激光通信脈沖寬度調(diào)制技術(shù)的難點(diǎn)在于協(xié)調(diào)時(shí)鐘同步與傳輸速率的關(guān)系,本文第3部分已經(jīng)建立了脈沖抖動的詳細(xì)數(shù)學(xué)模型,下面討論脈沖抖動與傳輸速率的權(quán)衡關(guān)系。激光通訊傳輸速率由兩部分決定,一部分是脈沖位置編碼決定的編碼速率,可以表示為

(14)

另一部分是信道信噪比決定的最大信息量傳輸速率,根據(jù)香濃定理對于每個(gè)固定的信道,在一種信源使得傳輸每個(gè)信號平均傳輸?shù)淖畲笮畔⒘?/p>

(15)

式中:N0是每單位頻率的信噪比;B為帶寬;S/N為信噪比。當(dāng)帶寬B趨于無窮時(shí),高斯信道的信息量速率極限

C=1.44S/N0

(16)

高速激光通訊系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)必須權(quán)衡上述公式約束的時(shí)鐘同步以及傳輸速率需求,其中信號光背景光平均功率λs和λb,取決于實(shí)際通信環(huán)境,可以將這些約束關(guān)系繪制在λs和λb所構(gòu)成的平面中,并以此為基礎(chǔ)討論這些系統(tǒng)參數(shù)之間的權(quán)衡關(guān)系。

(17)

圖3　時(shí)鐘同步與傳輸速率的關(guān)系曲線Fig.3　The relationship between clock synchronization and transmission speed

采用了火星激光通信演示項(xiàng)目中的一些基本參數(shù),可以繪制時(shí)鐘同步與傳輸速率關(guān)系曲線,如圖3所示。圖中實(shí)線為使用這些參數(shù)做出了時(shí)鐘抖動約束曲線,虛線為信噪比所約束的最高傳輸速率。從圖中可以看到1/S,M,τ三種參數(shù)越小越有利于數(shù)據(jù)傳輸,即插入更多的同步幀,選擇更長的編碼時(shí)隙,選擇更長的鑒相器積分時(shí)間等。而A和Ntel兩個(gè)參數(shù)越大約有利于數(shù)據(jù)的傳輸,即更低的壓控振蕩器相位噪聲和采用少數(shù)量的望遠(yuǎn)鏡陣列。但是考慮到編碼傳輸速率以及制造成本等要求,很多參數(shù)需要進(jìn)一步進(jìn)行權(quán)衡:

(1) 增加M和1/S,從傳輸速率的公式R,增加插入同步信號的頻率會減少數(shù)據(jù)編碼傳輸速率。

(2) 增加τ,若積分時(shí)間超過一定的限度則必須考慮采樣對時(shí)鐘恢復(fù)電路的影響,因?yàn)檫@時(shí)系統(tǒng)不能看成連續(xù)系統(tǒng)而需要考慮離散采樣對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

(3) 增加Ntel,意味著將大口徑望遠(yuǎn)鏡換成多個(gè)小口徑望遠(yuǎn)鏡陣列,即可以減輕制造成本,因此實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率的提高,會影響時(shí)鐘抖動和極限傳輸速率。

因而激光通訊脈沖調(diào)制技術(shù)需要協(xié)調(diào)多方面的設(shè)計(jì)要求,達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸速率、時(shí)鐘同步需求的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

4結(jié)論

本文建立了激光通訊脈沖調(diào)制方案中時(shí)鐘抖動的詳細(xì)數(shù)據(jù)模型,以美國火星實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的相關(guān)數(shù)據(jù)為依據(jù)討論了激光通信的技術(shù)難點(diǎn),協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸速率和激光通信的脈沖抖動的矛盾,推導(dǎo)了傳輸速率和時(shí)鐘同步對PPM調(diào)制參數(shù)的約束關(guān)系,并在此基礎(chǔ)上分析了數(shù)據(jù)傳輸速率與時(shí)鐘同步的權(quán)衡關(guān)系。

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(編輯:張磊)

Clock synchronization technology on interstellar high speed laser communication

ZHANGBin

(Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China)

Abstract：Clock synchronization technology of pulse position modulation(PPM) modulation is discuss in this paper. The main target of PPM modulation scheme is to gain the fastest data transition speed. Clock synchronization plays an important role in the PPM modulation scheme. Statistic phase detection technology is used in the clock synchronization to achieve the timing requirement between modulation and demodulation. The theory model about clock jitter is provided, and its influence with PPM modulation parameters is discussed. The relationship between clock synchronization and data stream timing requirement is provided. The analytical results have some guidance which is significant to the interstellar high speed laser design.

Keywords：PPM; laser communication; data transition; clock synchronization

中圖分類號：TN201

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1005-5630.2016.01.017

作者簡介：張彬(1982—),男,副研究員,主要從事光電測控設(shè)備研制工作。E-mail:zb5700@gmail.com

收稿日期：2015-05-18