衛(wèi)星相干激光通信系統(tǒng)與技術(shù)發(fā)展*

葉紫晴，丁宸聰，周海軍

(1.海軍研究院，上海 200436；2.中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

0 引 言

隨著高分辨遙感衛(wèi)星、合成孔徑雷達(dá)、天基信息系統(tǒng)等技術(shù)發(fā)展，航天器之間的信息傳輸速率達(dá)到了Gb/s～Tb/s，并呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)?，F(xiàn)有的微波通信難以實(shí)現(xiàn)高速信息傳輸，需進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮、復(fù)雜高階調(diào)制-解調(diào)、星上存儲(chǔ)-再轉(zhuǎn)發(fā)等，也影響到數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量、實(shí)時(shí)性、抗干擾性等[1-3]。隨著高速傳輸需求與多業(yè)務(wù)需求的快速增長(zhǎng)，基于自由空間激光通信(Free Space Optical Communication,FSOC)的新型衛(wèi)星通信技術(shù)日益成為星間、星地大容量信息傳輸?shù)臒狳c(diǎn)方向，也是天地空一體化信息網(wǎng)絡(luò)的重要發(fā)展方向[4-6]。

與傳統(tǒng)微波衛(wèi)星通信相比，衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)具有傳輸容量大、傳輸速率高、尺寸體積小、保密性高、功耗低等優(yōu)勢(shì)[1-3]。得益于激光的高載頻(180～500 THz)特性，激光通信具有通信速率高(Gb/s～Tb/s量級(jí))、系統(tǒng)容量大的特點(diǎn)。另一方面，激光的波長(zhǎng)小，在很小的發(fā)射孔徑下也可實(shí)現(xiàn)較低的發(fā)散角(μrad量級(jí))，不但可極大減輕收發(fā)通信終端的體積，適合于衛(wèi)星載荷，也能有效防止竊聽與截獲，適用于保密、抗干擾要求高的應(yīng)用場(chǎng)合。

受到光電器件性能等限制，早期的衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)多采用強(qiáng)度調(diào)制/直接探測(cè)體制，如歐空局(European Space Agency,ESA)的SILEX計(jì)劃，但難以實(shí)現(xiàn)高速率信息傳輸與高靈敏度接收。隨著光電器件、解調(diào)算法等關(guān)鍵技術(shù)的突破，衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)逐漸轉(zhuǎn)向相位調(diào)制(BPSK或者QPSK)和相干探測(cè)的相干體制?；谙喔审w制的衛(wèi)星激光通信，靈敏度能提高10～20 dB，尤其是零差相干接收的靈敏度能接近散粒噪聲極限(Shot Noise Level,SNL)，能極大提高衛(wèi)星激光通信的傳輸距離[1-4]。另一方面，相干體制的衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)具有極高的波長(zhǎng)選擇性，可采用波分復(fù)用技術(shù)來提高激光通信系統(tǒng)的頻帶利用率，為星間激光通信組網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)[7-10]。

從20世紀(jì)70年代開始，歐、美、日等大力發(fā)展衛(wèi)星激光通信技術(shù)，尤其是對(duì)相干激光通信進(jìn)行了系列研究和在軌驗(yàn)證，并朝向?qū)嵱没?、商業(yè)化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。在此技術(shù)前景與應(yīng)用背景下，本文介紹了國(guó)內(nèi)外的衛(wèi)星相干激光通信進(jìn)展，簡(jiǎn)要分析了衛(wèi)星相干激光系統(tǒng)，梳理出衛(wèi)星相干激光通信中的關(guān)鍵技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上指出了衛(wèi)星相干激光通信的發(fā)展方向。

1 相干激光通信研究進(jìn)展

1.1 國(guó)外研究進(jìn)展

1990年，ESA基于科斯塔斯(Costas)光鎖相環(huán)(Optical Phase-Locked Loop，OPLL)的零差相干接收思路，研制了第一代相干激光通信系統(tǒng)，并進(jìn)行了600 Mb/s BPSK相干激光通信演示[11-12]。

2002年11月，德國(guó)航天中心資助了TESAT公司的零差相干接收機(jī)的研制計(jì)劃。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，發(fā)射端機(jī)的調(diào)制格式為BPSK，接收端機(jī)采用Costas OPLL的零差相干接收結(jié)構(gòu)，并在收發(fā)端均采用Nd:YAG激光器(中心波長(zhǎng)1.06 μm，線寬為5 kHz，頻率穩(wěn)定度優(yōu)于50 MHz/d)[13-16]。2008年，收發(fā)光端機(jī)分別搭載在德國(guó)地球觀測(cè)衛(wèi)星(TerraSAR-X)和美國(guó)近場(chǎng)紅外試驗(yàn)(NFIRE)衛(wèi)星上進(jìn)行了世界上首次星間相干激光通信實(shí)驗(yàn)，通信速率為5.625 Gb/s，通信間距為4 900 km。此次試驗(yàn)首次驗(yàn)證了零差BPSK相干激光通信在高速率、高靈敏度、低功耗等方面的優(yōu)勢(shì)，也標(biāo)志著衛(wèi)星相干激光通信的開始。2013年，ESA和 TESAT公司合作進(jìn)行了GEO-地面之間的10 Gb/s商用高速相干衛(wèi)星通信演示。

日本的宇宙開發(fā)事業(yè)團(tuán)(Japan Aerospace Exploration Agency，NASDA)一直跟進(jìn)衛(wèi)星相干激光通信的技術(shù)進(jìn)展，對(duì)不同的相干激光通信方案進(jìn)行了對(duì)比研究，包括外差(零差)ASK、FSK、PSK和DPSK等方案。2011年，日本航天局(Japan Aerospace Exploration Agency,JAXA)成功搭建了2.5 Gb/s BPSK的相干激光系統(tǒng)，激光器的中心波長(zhǎng)為1.55 μm，線寬小于50 kHz，并強(qiáng)化測(cè)試了多普勒頻移與補(bǔ)償性能。項(xiàng)目最大的特色是采用多普勒頻移預(yù)估-查表補(bǔ)償?shù)乃悸罚С值淖畲蠖嗥绽疹l移范圍為±7 GHz，最大頻移變化速率為10 MHz/s，接近實(shí)際星載應(yīng)用需求[17]。

1.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)在激光通信尤其是相干激光通信的研究起步較晚，與歐、美、日等國(guó)有較大的差距。近年來，中國(guó)相繼發(fā)射了“海洋二號(hào)”衛(wèi)星、“墨子”號(hào)等系列星地激光通信試驗(yàn)衛(wèi)星，進(jìn)行了單光子-量子保密通信驗(yàn)證、低速率(0.5 Gb/s BPSK)零差相干接收等在軌驗(yàn)證。對(duì)于高靈敏度接收、20～40 Gb/s BPSK相干解調(diào)、穩(wěn)定光鎖相技術(shù)、大范圍多普勒頻移補(bǔ)償?shù)?，大多停留在理論仿真、原理?yàn)證階段。

中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所在PPM調(diào)制-非相干接收、低速率(1 Gb/s BPSK)零差相干接收機(jī)與多普勒頻移補(bǔ)償方面取得了一定研究成果[3,18]。電子科技大學(xué)在空間光學(xué)混頻器、平衡光鎖相環(huán)(1 Gb/s BPSK信號(hào)解調(diào))等方面有一定的研究進(jìn)展[19]。2014年，上海交通大學(xué)光纖研究所在光鎖相技術(shù)積累的基礎(chǔ)上，最早研制出高靈敏度的5 Gb/s、12.5 Gb/s BPSK零差相干接收機(jī)，并實(shí)現(xiàn)了±20 GHz范圍的多普勒頻移補(bǔ)償和400 MHz/s多頻率頻移跟蹤，滿足衛(wèi)星相干激光通信的設(shè)計(jì)要求[9-10,20-21]。長(zhǎng)春理工大學(xué)在空間光學(xué)混頻器設(shè)計(jì)、星間光束自動(dòng)捕獲、對(duì)準(zhǔn)和跟蹤、激光相干探測(cè)仿真等技術(shù)上也取得了進(jìn)展[22-24]。

1.3 國(guó)內(nèi)外零差相干接收機(jī)性能對(duì)比

表1給出了國(guó)內(nèi)外零差相干接收機(jī)的性能比較。

表1 國(guó)內(nèi)外零差相干接收機(jī)性能對(duì)比

2 相干激光通信系統(tǒng)

對(duì)于BPSK信號(hào)的相干解調(diào)，既可通過光鎖相(OPLL)進(jìn)行零差相干解調(diào)，也可通過數(shù)字信號(hào)處理(DSP)+算法進(jìn)行內(nèi)差相干解調(diào)。由于OPLL具有高速實(shí)時(shí)接收、功耗低、抗宇宙輻射、抗多普勒偏移等優(yōu)勢(shì)[1-4]，在衛(wèi)星相干激光通信中被廣泛應(yīng)用。在衛(wèi)星相干激光中，采用載波抑制調(diào)制來實(shí)現(xiàn)高靈敏度接收，即將信號(hào)光功率全部用于數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)于無載波調(diào)制，一般采用Costas OPLL來實(shí)現(xiàn)光載波恢復(fù)、光相位同步和信號(hào)解調(diào)[9-10,20-21]。

基于Costas OPLL的衛(wèi)星相干激光通信鏈路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、調(diào)制格式透明等優(yōu)勢(shì)，如圖1所示。發(fā)射端采用BPSK或QPSK等相位調(diào)制，經(jīng)光放大后通過光學(xué)天線發(fā)射到自由空間中。在接收端，信號(hào)光與本振光(Local Oscillator，LO)在光混頻器上進(jìn)行相干混頻，經(jīng)光電探測(cè)器檢測(cè)后，相位差信息反饋到OPLL，從而實(shí)現(xiàn)本振光的快速頻率調(diào)諧、光相位同步與信號(hào)解調(diào)。

圖1 基于光鎖相環(huán)的衛(wèi)星相干激光通信系統(tǒng)

具體的Costas OPLL結(jié)構(gòu)[9-10]如圖2所示。信號(hào)光、LO光在90°光混頻器上混頻后，I、Q兩路的光電跨阻抗放大器(Transimpedance Amplifier,TIA)輸出為

圖2 Costas OPLL的基本結(jié)構(gòu)

UI(t)=[II1(t)-II2(t)]ZL=

cos(ωIFt+Δφ(t)+φe(t))+NT(t),

(1)

UQ(t)=[IQ1(t)-IQ2(t)]ZL=

sin(ωIFt+Δφ(t)+φe(t))+NT(t)。

(2)

由于I、Q兩路的調(diào)制信號(hào)相同，將UI(t)、UQ(t)進(jìn)行相乘便可擦除調(diào)制信號(hào)，從而得到相位誤差信息(pe)，如式(3)所示：

Upe(t)=UI(t)×UQ(t)≈

sin(2ωIFt+2Δφ(t)+2φe(t))+(NT(t))2。

(3)

此外，采用AC耦合仍能獲得相位差信息，能避免偏置電流、TIA非平衡性等對(duì)光鎖相環(huán)路的影響。

雖然Costas OPLL結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是實(shí)現(xiàn)Costas OPLL的環(huán)路鎖定與保持卻較為困難：一方面，由于激光器的頻率漂移較大，信號(hào)光、LO光之間的頻率鎖定難以維持；另一方面，受限于激光相位噪聲(kHz～MHz量級(jí))、環(huán)路延遲(ns量級(jí))、電子噪聲等影響，信號(hào)光、LO光之間的相位鎖定更為困難[9-10,25-26]。由于具有低功耗、多普勒頻移跟蹤能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，Costas OPLL的零差相干光接收機(jī)在星間激光通信中得到了廣泛研究。

3 衛(wèi)星相干激光通信關(guān)鍵技術(shù)

3.1 Costas OPLL殘余相噪與環(huán)路參數(shù)優(yōu)化

Costas OPLL的環(huán)路鎖定與相干解調(diào)性能受散粒噪聲(Shot Noise,SN)、激光器相位噪聲(Phase Noise,PN)、電子學(xué)噪聲等影響，小信號(hào)模型如圖3所示。

圖3 Costas OPLL的小信號(hào)模型

(4)

上式表明，隨著環(huán)路自然頻率f的增加，激光器相噪的影響(第一項(xiàng))逐漸減小，而散粒噪聲(第二項(xiàng))和ASE噪聲的影響(第三項(xiàng))逐漸增大。因此，存在最優(yōu)環(huán)路自然頻率，使得總殘余相位噪聲最小[25-28]。與此同時(shí)，環(huán)路自然頻率還受環(huán)路延時(shí)、激光器控制帶寬等影響。因此，Costas OPLL環(huán)路參數(shù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化需綜合考慮多種因素。

3.2 90°光混頻器的分光比優(yōu)化

對(duì)于BPSK信號(hào)的Costas零差相干解調(diào)，I路用于數(shù)據(jù)解調(diào)，Q路用于相位誤差提取。一般而言，90°光混頻器的分光比1∶1，I、Q兩路可互換使用。為了提高接收靈敏度，可采用非平衡的分光比，將大部分光功率分配給數(shù)據(jù)解調(diào)支路。當(dāng)信號(hào)光功率全部分給I支路時(shí)，可實(shí)現(xiàn)3 dB的理論靈敏度提升。在實(shí)際環(huán)路鎖定中，Q支路功率減小時(shí)將導(dǎo)致相位檢測(cè)精度的下降，致使殘余相噪增大，反而惡化接收靈敏度。因此，存在最優(yōu)信號(hào)光分光比，使接收靈敏度達(dá)到最優(yōu)值。

如何實(shí)現(xiàn)分光比最優(yōu)的靈敏度提高是Costas零差相干接收的重要方向之一。根據(jù)Djordjevic等的研究[25,28-29]，信號(hào)光的理論最優(yōu)分光比如圖4所示。在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，分光比的最優(yōu)化與激光相位噪聲、鎖相環(huán)路性能、90°光混頻器設(shè)計(jì)等因素相關(guān)，需進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)與討論。

圖4 信號(hào)光最優(yōu)分光比k的優(yōu)化曲線

3.3 多普勒頻移補(bǔ)償能力

在衛(wèi)星激光通信中，衛(wèi)星的高速運(yùn)動(dòng)(尤其是近地衛(wèi)星)將引入嚴(yán)重的多普勒頻移，范圍可達(dá) ±7 GHz以上，速率達(dá)到10 MHz/s左右[8-10,26]。一般而言，Costas OPLL具有魯健的相位鎖定、跟蹤特性，但其頻率鎖定、跟蹤范圍卻只有kHz量級(jí)，難以跟蹤大范圍、快速的頻率變化。

2.每年發(fā)電帶來的直接經(jīng)濟(jì)收益：（發(fā)電功率×樓頂可利用面積×最少可利用日照時(shí)間/1000）×國(guó)家收購(gòu)電價(jià)×365天=（100W/m2×350m2/單 元 ×5h/天/1000）×0.85 元/度 ×365 天 =54293.75元。

設(shè)計(jì)Costas零差相干接收機(jī)具有跟蹤大范圍、快速的多普勒頻移能力是能否用于衛(wèi)星激光通信的關(guān)鍵。因此，可采用輔助頻率捕獲、頻率鎖定環(huán)等來增強(qiáng)Costas OPLL的多普勒頻率補(bǔ)償特性，以滿足衛(wèi)星激光通信的需求。在光鎖相環(huán)路設(shè)計(jì)中，可采用壓電陶瓷、聲光移頻器等實(shí)現(xiàn)大范圍頻率補(bǔ)償、快速頻率捕獲等[9-10,26]。

3.4 M-PSK等高階調(diào)制信號(hào)的解調(diào)能力

隨著衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)量的增加，QPSK、8-PSK等高階調(diào)制格式正逐漸獲得關(guān)注[26]。對(duì)于M-PSK等高階調(diào)制信號(hào)的相干解調(diào)，關(guān)鍵是如何消除調(diào)制信號(hào)而獲取相位誤差信息：一方面，可借鑒無線通信與相干解調(diào)理論，將經(jīng)典解調(diào)結(jié)構(gòu)移植到Costas OPLL結(jié)構(gòu)中；另一方面，高階調(diào)制需要更復(fù)雜的運(yùn)算，需要綜合考慮解調(diào)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、靈敏度增益、功耗等問題。

3.5 Costas OPLL的集成化問題

受限于分光電器件的插損大、尾纖長(zhǎng)、損耗高等，不僅導(dǎo)致光鎖相的環(huán)路帶寬只有MHz級(jí)別，而且支持解調(diào)的信號(hào)速率也只有10 Gb/s左右，遠(yuǎn)未發(fā)揮出Costas OPLL在相干解調(diào)上的優(yōu)勢(shì)[9-10,26]。因此，可采用光電集成技術(shù)，一方面可縮短環(huán)路延時(shí)，實(shí)現(xiàn)更寬帶的光鎖相，從而減緩對(duì)激光器的窄線寬需求；另一方面可實(shí)現(xiàn)40 Gb/s以上的高速信息解調(diào)。

美國(guó)加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校(University of California, Santa Barbara,UCSB)等課題組在Costas OPLL光電集成化方面進(jìn)展喜人[30]，如圖5所示，在一塊InP光子芯片上集成了90°光混頻器、LO激光器(線寬為MHz量級(jí))、光電探測(cè)器等，極大降低了光路插損和環(huán)路延遲；另一方面，在一塊IC芯片上集成了高速放大器、高速頻率-相位鑒別器、電延遲線等，降低了射頻信號(hào)傳輸損耗，提高了傳輸速率?；谠摴怆娀旌想娐?，Costas OPLL的環(huán)路帶寬高達(dá)1 GHz，對(duì)激光器線寬的容忍度提高到了10 MHz量級(jí)，實(shí)現(xiàn)了40 Gb/s BPSK信號(hào)的相干解調(diào)，極大降低了零差相干接收的設(shè)計(jì)難度、功耗、體積，極具應(yīng)用前景。

圖5 基于光電集成的Costas零差相干接收機(jī)

4 發(fā)展動(dòng)向與展望

衛(wèi)星激光通信的主要挑戰(zhàn)是傳輸距離遠(yuǎn)、信息傳輸容量大、設(shè)備功耗體積要求苛刻等，因此，基于相干體制的衛(wèi)星激光通信研究中，應(yīng)長(zhǎng)期關(guān)注如何提高接收靈敏度、提高傳輸速率及如何降低設(shè)備體積、功耗等。隨著天地一體化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，衛(wèi)星激光通信組網(wǎng)等也逐漸開始獲得關(guān)注。

4.1 更高的接收靈敏度

為實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的傳輸距離，要求相干接收機(jī)的靈敏度需進(jìn)一步提高，接近散粒噪聲極限。受激光器相位噪聲、光電器件插損、電子學(xué)噪聲等影響，相干接收機(jī)的靈敏度遠(yuǎn)未達(dá)到散粒噪聲極限。因此，需從低相噪激光器(降低線寬)、低插損光混頻器件、光鎖相環(huán)路優(yōu)化、新型調(diào)制格式等方面入手，進(jìn)一步提高接收靈敏度。

4.2 更高的傳輸速率

現(xiàn)階段，5～10 Gb/s的傳輸速率已基本滿足衛(wèi)星激光通信的在軌數(shù)據(jù)傳輸需求。但是，隨著星間、星地傳輸數(shù)據(jù)量的爆發(fā)式增長(zhǎng)，40 Gb/s甚至100 Gb/s的傳輸速率正逐漸提上日程，并成為5～10年內(nèi)的衛(wèi)星激光通信攻克難點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)更高速率傳輸，可充分借鑒地面光纖通信技術(shù)，在波分復(fù)用、頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用、空分復(fù)用等多個(gè)角度開展高速信息傳輸研究。

4.3 小型化、集成化光端機(jī)

由于衛(wèi)星通信對(duì)載荷重量、體積、功耗等有嚴(yán)苛要求，這也要求激光通信終端向小型化、輕量化和集成化等方向發(fā)展。

2008年，德國(guó)TESAT公司的5.625 Gb/s零差相干光接收終端的尺寸為0.5 m×0.5 m×0.5 m，質(zhì)量為35 kg，功耗為120 W。美國(guó)UCSB等高校課題組在光鎖相光電集成方面的進(jìn)展表明，將光子芯片與衛(wèi)星激光通信結(jié)合將進(jìn)一步降低設(shè)備體積功耗，實(shí)現(xiàn)相干接收機(jī)的微芯片化大有應(yīng)用價(jià)值。隨著光電集成技術(shù)的發(fā)展，光端機(jī)的體積將更小，集成化程度將更高。

4.4 衛(wèi)星相干激光通信組網(wǎng)

傳統(tǒng)衛(wèi)星激光通信以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸為主，隨著衛(wèi)星數(shù)量的增長(zhǎng)以及星間數(shù)據(jù)交互需求的增長(zhǎng)，衛(wèi)星激光通信鏈路正逐漸從單一鏈路向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。光碼分多址、光頻分復(fù)用、中繼放大-轉(zhuǎn)發(fā)等技術(shù)與相干光解調(diào)技術(shù)融合，易于實(shí)現(xiàn)全光傳輸網(wǎng)絡(luò)，可使得衛(wèi)星激光通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐量達(dá)到Tb/s量級(jí)。

5 結(jié)束語

基于相干體制的衛(wèi)星激光通信以高靈敏度、高傳輸速率、高頻譜效率等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為未來高速空間通信的重要手段，也是各國(guó)近年來的研究重點(diǎn)。和歐美等光電技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)家相比，我國(guó)在光電器件、試驗(yàn)驗(yàn)證、光電集成、光鎖相技術(shù)積累等方面與國(guó)外差距明顯。對(duì)于整個(gè)激光通信系統(tǒng)，我國(guó)在高精度捕獲跟蹤技術(shù)、大功率發(fā)射等方面具有一定積累，但還需進(jìn)一步攻克高穩(wěn)頻激光器、高可靠光電器件、高靈敏度相干接收機(jī)等關(guān)鍵技術(shù)，為天地一體化網(wǎng)絡(luò)、高分辨率遙感衛(wèi)星、衛(wèi)星通信組網(wǎng)和下一代高通量衛(wèi)星通信等奠定技術(shù)基礎(chǔ)。