空間零差相干光通信的鎖相技術

劉旭東，李　晶，郭肅麗，楊　旭

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0　引言

隨著衛(wèi)星探測能力的不斷增強，星載分辨率極高的傳感器產(chǎn)生了海量的探測數(shù)據(jù)需及時傳回地面站[1]。因此，對星地鏈路數(shù)據(jù)傳輸速率的要求越來越高，骨干鏈路數(shù)據(jù)速率需求甚至超過20 Gbps；另外，低軌道衛(wèi)星(LEO)從地面站上空經(jīng)過的時間短，很難完成大數(shù)據(jù)量的回傳。大量數(shù)據(jù)需要經(jīng)過對地靜止軌道(GEO)轉(zhuǎn)發(fā)至地面站[2-3]，帶來了35 000 km超遠距離傳輸信號衰減嚴重的問題。

空間光通信是未來高數(shù)據(jù)速率、遠距離空間通信的重要發(fā)展方向[4-7]。對比微波無線通信系統(tǒng)，光通信在傳輸速率、靈敏度、功耗體積和信息安全性等方面具有明顯優(yōu)勢。根據(jù)調(diào)制、解調(diào)體制不同，將光通信劃分為強度調(diào)制/直接探測和多調(diào)制方式/相干探測2類，后者具有更高的靈敏度，約10～20 dB。相干探測體制的光通信系統(tǒng)根據(jù)接收信號光與本振光頻率差是否相等，又可劃分為外差和零差兩類，后者具有更高的靈敏度，約3 dB。為此，零差相干光通信技術成為國內(nèi)外研究熱點。

零差相干光通信系統(tǒng)能實現(xiàn)光的自鎖相，要求接收信號光和本振光頻率、相位同步。這也是該系統(tǒng)靈敏度高的原因。國內(nèi)上海光機所[9-10]、長春光機所[11]、北京郵電大學[12]和電子科大[13]等研究機構均已開展了星地/星間光通信應用研究。而針對零差相干體制下的光鎖相環(huán)技術，各家尚處于理論和原理驗證階段。為此，研究了星間光傳輸鏈路特性，分析了零差相干光通信的光鎖相技術需求指標，建立了零差相干光通信系統(tǒng)模型，得到了信號光相位鎖定過程以及失鎖的邊界條件。

1　星間光傳輸特性

1.1　動態(tài)性

星間、星地鏈路的動態(tài)特性研究采用以下衛(wèi)星軌道根數(shù)，如表1所示。

表1GEO和LEO軌道根數(shù)

衛(wèi)星a/kmeiΩωMGEO42 164.20°0°0°77°298.68°LEO6 686.220°98°0°224.328°0°

地面站位置設為東經(jīng)74°，北緯36°。光通信系統(tǒng)取1 550 nm頻段，利用下面公式計算多普勒頻移[14]。

Δf=f×(v/c)。

(1)

經(jīng)過衛(wèi)星工具軟件仿真。1 550 nm光頻率f取193 THz，光速c取2.9×108 m/s，徑向速度v通過對距離求導來得到。計算結果是：GEO對地的多普勒頻移為-47.39～45.25 kHz，GEO對LEO的多普勒頻移為-5.004～5.008 GHz。

1.2　激光器頻差

GEO、LEO星載光通信終端不共源，兩激光器所處環(huán)境溫度不同產(chǎn)生了頻率差，通常這一差值可達到GHz量級[15]，而鎖相環(huán)的固有捕獲帶寬一般都比較窄，難以滿足激光相干解調(diào)器的指標要求。因此需要突破大頻偏載波捕獲技術，擴展環(huán)路的捕獲帶寬，使解調(diào)器在有較大頻偏的情況下仍能正常工作。目前通常采用光鎖相環(huán)實現(xiàn)混頻光信號的相干探測，并將相干光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?；除此之外，需要額外增加一個鎖頻環(huán)路，即頻差捕獲電路。此大范圍的頻差補償往往通過本振激光器溫度控制調(diào)節(jié)實現(xiàn)，根據(jù)衛(wèi)星軌道預報，多普勒可被預測為隨時間連續(xù)的數(shù)據(jù)，根據(jù)文獻[16]，多普勒頻移的殘差可縮小至30 MHz。本文重點研究頻率差縮小至一定范圍后，窄捕獲帶下的快速捕獲技術。

1.3　相干光探測原理

零差相干光通信系統(tǒng)包括發(fā)射激光器、本振激光器、信號光的耦合(光學混頻器)、平衡接收、光鎖相環(huán)(OPLL)和信號處理部分，其組成如圖1所示。為提高接收增益(靈敏度)，需將接收信號光與本振光在光學混頻器中進行干涉混合。當2束光的偏振方向、頻率和相位基本一致時(外差)，光電探測器可從混頻器輸出端檢測到含有頻率和相位噪聲的信號；當本振光與信號光的頻率相等時(零差)，探測器輸出信號摻雜噪聲最低。理論計算表明零差探測靈敏度比外差探測高約3 dB[17]。

圖1　零差相干光系統(tǒng)主要模塊

2　零差相干光系統(tǒng)建模

2.1　系統(tǒng)方案

首先確定選取哪種光鎖相環(huán)(OPLL)，OPLL分為平衡鎖相環(huán)、科斯塔斯鎖相環(huán)和判決反饋鎖相環(huán)等。平衡鎖相環(huán)是以180°混頻器為基礎構成的線性OPLL，為避免相位相消，需要傳輸在殘余載波，要求本振光垂直于殘余載波做鎖相，才能保證本振光和接收信號光的相位相同，且線性OPLL不易消除直流分量。故此考慮后面2種鎖相環(huán)之一，兩者均是以90°混頻器為基礎構成的非線性OPLL，可采用交流耦合前置電路消除直流分量。從性能上看，判決反饋鎖相環(huán)優(yōu)于科斯塔斯環(huán)，但對激光器的線寬要求更加嚴格，并且為了實現(xiàn)I、Q支路同步，需要精準控制1 bit時延，高速率條件下技術實現(xiàn)難度大。故此，在綜合考慮之下選擇了科斯塔斯光鎖相環(huán)。根據(jù)圖1在Matlab/Siumlink環(huán)境下搭建零差相干光通信仿真模型，主要包含：激光發(fā)射器和外調(diào)制器、本振激光器和壓電調(diào)節(jié)器(PZT)、90°光混頻器和光電探測器、環(huán)路低通濾波器和信號處理部分。

2.2　外調(diào)制激光發(fā)射器

激光發(fā)射器和外調(diào)制器主要指標包括：信號光功率、相位初值、調(diào)制信息、激光器線寬和相位噪聲等。經(jīng)相位調(diào)制后的信號光由式(2)表示：

(2)

圖2　激光發(fā)射器和外調(diào)制器

式中，接收光的功率為Ps、幅度為Es、初始相位為θs，調(diào)制深度為φ，BPSK雙極性調(diào)制信息為d(t)。BPSK相位調(diào)制原理是：將隨機碼發(fā)生器產(chǎn)生的隨機二進制信號轉(zhuǎn)換為雙極性(±1)信號，與相位調(diào)制指數(shù)θ相乘后與光載波混頻，完成信號光調(diào)制。

引入頻率偏移(多普勒)、頻率噪聲、相位初值和相位噪聲后，調(diào)制到光載波頻段。建立的發(fā)射激光器及外調(diào)制模塊如圖2所示。

2.3　本振激光器及壓電調(diào)節(jié)器(PZT)

本振激光器和壓電調(diào)諧節(jié)器(PZT)主要參數(shù)包括：本振光功率、相對信號光的頻偏，初始相位、PZT 壓電調(diào)節(jié)系數(shù)和相位噪聲。本地激光器輸出可用式(3)表示：

(3)

PZT輸入電信號經(jīng)電壓/頻率轉(zhuǎn)換，經(jīng)過積分器可得到所需的調(diào)諧信號。引入頻率偏移(固定)、相位噪聲后，調(diào)制到光載波頻段，建立的本振激光器及PZT模塊如圖3所示。

圖3　本振激光器及PZT調(diào)諧模塊

2.4　相干光混頻器

科斯塔斯鎖相環(huán)的90°光混頻器輸出相位相差90°的4路光信號：

(4)

(5)

經(jīng)過光電探測后四路電信號表示為：

(6)

(7)

(8)

(9)

圖4　90°光混頻器模塊

3　零差相干光通信系統(tǒng)仿真

3.1　系統(tǒng)參數(shù)設計

將上節(jié)中介紹的各個模塊封裝后連接，可進行零差相干光通信系統(tǒng)仿真。開展BPSK傳輸速率、鎖相時間、相位誤差水平等方面的仿真試驗。在此之前需對系統(tǒng)參數(shù)進行配置，下面介紹主要模塊的參數(shù)設計情況。

3.1.1激光器參數(shù)

發(fā)射端1 550 nm激光器功率設置為10 dBm(10 mW)，線寬1 kHz，相對強度噪聲系數(shù)-140 dB/Hz。當傳輸距離為35 000 km時，接收光信號功率為-50 dBm。接收端1 550 nm激光器參數(shù)和發(fā)端相同，PZT調(diào)節(jié)系數(shù)取1 MHz/V@100 MHz，控制帶寬為100 kHz。

3.1.2OPLL參數(shù)

影響科斯塔斯OPLL鎖定時間的2個重要參數(shù)是信號快速捕獲時間和捕獲帶寬大小。其中，快速捕獲時間是OPLL入鎖所需要的時間，捕獲帶寬是環(huán)路能夠快捕入鎖的最大頻差。在捕獲過程環(huán)路鎖定的條件是，相位差的改變時間大于OPLL鑒相特性周期時間。

本文采用的無源超前滯后濾波器的快捕時間和捕獲帶寬計算公式為：TL≈2π/ωn；ΔωL=2ξωn[18]；ξ表示阻尼系數(shù)；ωn表示阻尼系數(shù)為0時的自然頻率：ωn=(K/τ1)1/2；K表示環(huán)路增益。系統(tǒng)參數(shù)配置如表2所示。

表2鎖相環(huán)參數(shù)配置

參數(shù)名稱科斯塔斯鎖相環(huán)數(shù)值光電二極管靈敏度R/(A/W)0.5接收器跨阻r/Ω1 000環(huán)路濾波器系數(shù)τ1/ms29.7環(huán)路濾波器系數(shù)τ2/μs22.5環(huán)路增益K/(Mrad/s)500阻尼系數(shù)ξ1.4相位調(diào)制指數(shù)φ/(°)60快捕范圍ΔωL/KHz100快捕時間TL/μs28

3.2　不同頻差的鎖相過程

通過對帶有補償多普勒頻移的相干零差1 550 nm激光通信系統(tǒng)進行了的系統(tǒng)建模，對BPSK信號1 Gbps數(shù)據(jù)傳輸收發(fā)仿真，改變頻移大小觀察光鎖相環(huán)輸出至光電探測器的信號電平，如圖5、圖6和圖7所示。

圖5　頻差45 MHz時探測器輸出信號

圖6　頻差47 MHz時探測器輸出信號

圖7　頻差50 MHz時探測器輸出信號

得到結論如下：

① 在沒有殘余載波情況下，通過科斯塔斯鎖相環(huán)本振激光器控制可實現(xiàn)光相位的快速鎖定(ns級)，頻差范圍：±50 MHz；

② 補償超過±5 GHz的多普勒頻移，可根據(jù)衛(wèi)星軌道預報計算多普勒補充信號，如此大范圍調(diào)節(jié)本振激光器的方法可采用溫度控制，預先將頻差引入光鎖相環(huán)的捕獲帶。

4　結束語

零差相干光通信技術在星間、星地環(huán)境下的應用需要克服多種擾動帶來的頻率偏移干擾，本文工作體現(xiàn)了零差相干探測體制高靈敏度和快速捕獲的特點，并且科斯塔斯光鎖相環(huán)能夠?qū)ο喔商綔y系統(tǒng)帶來明顯提升。光學鎖相環(huán)技術是星間通信的研究方向和發(fā)展趨勢，下一步考慮采用可編程邏輯器件來實現(xiàn)環(huán)路數(shù)字化，通過對環(huán)路自動控制將大頻偏引入捕獲帶范圍。