空間激光通信調(diào)制技術的研究進展

李金鋮，羅 輝，吳晗平?

（1 武漢工程大學光電信息與能源工程學院 武漢 430205 2 武漢工程大學光電子系統(tǒng)技術研究所 武漢 430205）

引 言

凡“中無所有”之處均可稱為空間，即從地面直至遙遠的宇宙深處的空域，稱之為廣義的空間[1]。經(jīng)過多年探索研究，空間激光通信技術在構建空天地一體化信息網(wǎng)絡，實現(xiàn)海量對地觀測數(shù)據(jù)的時效傳輸，突破通信速率瓶頸等方面取得階段性進展[2]?？臻g激光通信系統(tǒng)具有高速率、輕小型等特點，可作為衛(wèi)星的有效載荷，其通常搭載在運動平臺上，以激光器為光源，并以小束散角發(fā)射，實現(xiàn)高速率、遠距離信息傳輸。

空間激光通信調(diào)制技術作為空間激光通信系統(tǒng)的一項關鍵性技術，可以有效地提高系統(tǒng)的傳輸速率和系統(tǒng)性能。本文將介紹空間激光通信調(diào)制技術的原理，從提升系統(tǒng)調(diào)制效率的角度考慮，詳細描述各種光調(diào)制格式及其原理，并對空間激光通信系統(tǒng)在未來應用中的發(fā)展趨勢和面臨的挑戰(zhàn)進行分析[3]。

1 空間激光通信調(diào)制技術原理及分類

1.1 空間激光通信調(diào)制技術原理

在空間激光通信系統(tǒng)中，激光作為信息的載體，需要將有效信息賦予到激光上。激光攜帶信息通過不同的傳輸環(huán)境傳送到探測器，光接收機進行鑒別并解調(diào)攜帶的信息，從而實現(xiàn)通信。調(diào)制過程即信息加載于激光的過程。

激光的瞬時電場可表示為：

式（1）中，Ac為振幅，ωc為角頻率，φc為相位角。激光調(diào)制就是改變光波的某一參量，使其隨調(diào)制信號的變化而改變，從而“攜帶”傳輸特定信息。

1.2 空間激光通信調(diào)制技術的分類

激光調(diào)制有不同的分類方式，按照載波是否連續(xù)可以分為連續(xù)式調(diào)制和脈沖式調(diào)制；按照調(diào)制信號的形式，可分為模擬信號調(diào)制和數(shù)字信號調(diào)制；按照調(diào)制方法，可分為直接調(diào)制、腔內(nèi)調(diào)制和腔外調(diào)制；按照調(diào)制器與激光器的相對關系，可分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制；按照工作機理，可分為直接調(diào)制、磁光調(diào)制、聲光調(diào)制和電光調(diào)制；按照調(diào)制的特征參數(shù)，又可分為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相等。激光調(diào)制的分類方式如圖1 所示。本文主要對激光調(diào)制的特征參數(shù)進行討論，主要包括強度調(diào)制、幅度調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制和偏振調(diào)制，如圖2 所示。

圖1 激光調(diào)制的分類方式Fig.1 Classification of laser modulation

1.2.1 幅度調(diào)制

二進制開關鍵控調(diào)制OOK（On-Off Keying），也稱為通斷鍵控調(diào)制方式，調(diào)制原理是根據(jù)傳輸幅度控制傳輸頻率。當發(fā)送幅度高時，發(fā)送載波頻率，否則不傳輸載波頻率。OOK 信號可表示為：

式（2）中，A為載波的脈沖幅度；ωc為光載波的頻率；a ngT（t-nTb）為開關函數(shù)。

現(xiàn)階段成熟的空間激光通信系統(tǒng)技術體制分為非相干通信體制和相干通信體制兩大類[4,5]，OOK 調(diào)制廣泛運用于強度調(diào)制/直接探測IM/DD（Intensity Modulation/Direct Detection）。其顯著特點是低功耗，能產(chǎn)生相對較高的比特率，但受到探測靈敏度低等因素的限制，很難實現(xiàn)遠距離或超高速激光通信。

1.2.2 時間間隙調(diào)制

數(shù)字脈沖調(diào)制PPM（Pulse Position Modulation）使用不間斷的周期性光脈沖作為載波，是基于時間維度的調(diào)制格式。通過調(diào)制信號來控制載波，造成脈沖時間位置改變并傳輸信息。作為空間激光通信非相干通信體制的另一種方式，PPM 相比于OOK 調(diào)制，其平均功率較低，具備信道抗干擾能力。適用于傳輸速率不高、峰值功率較大的通信系統(tǒng)。因此，在早期的空間激光通信試驗中，PPM 調(diào)制得到廣泛運用。PPM 的類型可細分且各有優(yōu)缺點。

單脈沖位置調(diào)制LPPM 是將二進制的n位數(shù)據(jù)組映射到2n個時隙上的某一個時隙處的單個脈沖信號。L-PPM 的映射編碼關系為：

式（3）中，M=（m1,m2,…,mn）為n位數(shù)據(jù)組，l為時隙位置。

差分脈沖位置調(diào)制DPPM 是在L-PPM 基礎上進行改進，即將PMM 信號中的高電平后的“0”時隙去掉；多脈沖位置調(diào)制MPPM 是將n位二進制的信息元映射為有M個時隙段上的多個脈沖；重疊脈沖位置調(diào)制OPPM 是將脈沖波形占的時隙分為w個時隙，符號間隔被平均分為n個時隙，每個時隙間隔為Tc。幾種常見的時間間隙調(diào)制方式的比較見表1。

表1 幾種常見的時間間隙調(diào)制方式的比較Table 1 Comparison of several common time gap modulation methods

1.2.3 相位調(diào)制

相位鍵控調(diào)制PSK（Phase-Shift Keying）是通過調(diào)制器將傳輸?shù)男畔⒄{(diào)制在光信號的相位上，主要可分為兩大類：一是以未調(diào)制載波的相位為參考，利用載波相位的絕對變化傳遞信息的絕對相移；二是利用前后相鄰碼元載波相位的相對變化傳遞信息的相對相移。相位調(diào)制是空間激光通信系統(tǒng)相干通信體制的主要調(diào)制方式，主要分為二元相移鍵控（BPSK）、差分相移鍵控（DPSK）和四相相移鍵控（QPSK）等。

調(diào)制器輸出的BPSK 信號表示為：

其中，碼位為“1”時取正，碼位為“-1”時取負。

DPSK 是為了克服PSK 系統(tǒng)相位模糊問題而產(chǎn)生的一種調(diào)制手段，根據(jù)前后數(shù)據(jù)的相位差來判斷數(shù)據(jù)信息；QPSK 是一種具有良好的抗噪特性和頻帶利用率的相位調(diào)制。

1.2.4 頻率調(diào)制

頻移鍵控調(diào)制FSK（Frequency Shift Keying）是利用載波頻率傳輸信息的一種調(diào)制信息。它的優(yōu)點是簡單實用、抗衰弱能力較強；缺點是功率利用率差，在相同的信噪比條件下，比PSK 占用帶寬多。頻移鍵控調(diào)制在空間激光通信系統(tǒng)中運用得較少，主要分為二元頻移鍵控調(diào)制（BFSK）、多進制頻移鍵控和最小頻移鍵控（MSK）等。

BFSK 信號可視為兩個振幅鍵控信號ASK（Amplitude Shift Keying）之和，通過ASK 信號的功率譜表達式就可求出BFSK 信號的功率譜表達式。其功率譜表達式為：

依式（5）可知，BFSK 信號產(chǎn)生方法有兩種：一種是用兩個頻率分別為f1、f2的獨立振蕩器產(chǎn)生，此時載波振蕩的相位φ1、φ2相互獨立的；另一種是用調(diào)制信號控制一個振蕩器，使其頻率隨“1”，“0”序列在兩個f值上變化，此時載波振蕩的φ1、φ2相位連續(xù)的。

MSK 是恒定包絡連續(xù)相位頻率調(diào)制，其信號的表達式為：

依式（6）可知，MSK 信號的峰值頻偏為1/4 碼元速率，其調(diào)制指數(shù)為（峰值頻偏×2）/碼元速率。

1.2.5 偏振調(diào)制

作為激光在大氣信道中最穩(wěn)定的傳輸特性，激光的偏振特性是調(diào)制技術中的研究熱點。偏振調(diào)制的原理是改變“攜帶”信息的光的偏振狀態(tài)，而進行信息傳輸?shù)年P鍵環(huán)節(jié)是激光偏振態(tài)的調(diào)制解調(diào)技術。在近地空間激光通信系統(tǒng)中，為了減少湍流大氣中光強閃爍對光通信鏈路的影響，可通過將線偏振光與起偏器、檢偏器結合，控制入射激光功率來實現(xiàn)[6]。偏振調(diào)制有多種分類，機械調(diào)制憑借機械帶動偏振片、波片的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)；電光調(diào)制憑借材料的電光效應實現(xiàn)；液晶空間光調(diào)制是基于液晶的電控雙折射特性[7]；此外還有光纖調(diào)制、光彈調(diào)制等[8]。

2 空間激光通信調(diào)制的關鍵技術

激光是一種光頻段的電磁波，其頻率遠高于一般的電磁波。激光調(diào)制能夠提高空間激光通信的傳輸速率，同時隨著光學技術的發(fā)展，激光調(diào)制技術不斷取得突破，除了基礎的激光調(diào)Q 技術、鎖模[9]等技術外，很多相關的調(diào)制關鍵技術同樣得到發(fā)展，主要有：

①自動偏置控制技術。在空間激光通信系統(tǒng)中，鈮酸鋰電光調(diào)制器得到廣泛應用，其特點是低電壓、插入損耗較低、傳輸帶寬高且在復雜環(huán)境下性能穩(wěn)定。然而，由于外部電場的漂移、復雜環(huán)境中溫度的劇烈變化以及輸入和發(fā)射射頻信號的正常波動，鈮酸鋰電光調(diào)制器會引起鈮酸鋰介質(zhì)的熱積累效應和調(diào)制器工作點的漂移，導致發(fā)射射頻信號失真，嚴重影響通信質(zhì)量[10]。為了確保無論溫度如何變化，調(diào)制器始終工作在最佳工作點，需要對鈮酸鋰電光調(diào)制器的偏置電壓進行自動控制。其中，偏壓控制電路可有效進行自動跟蹤和控制直流偏壓，并通過監(jiān)測調(diào)制特性曲線及時調(diào)整直流偏壓值，使調(diào)制器始終在最佳工作點穩(wěn)定工作，確保最佳調(diào)制性能[11]。

② 自動增益控制技術AGC（Automatic Gain Control）。在空間激光通信調(diào)制中，電光調(diào)制器的增益控制是其關鍵技術。它的存在是為了保證電光調(diào)制器的高效運作，保護輸入驅(qū)動電信號在通信過程中可調(diào)控并不受外界的影響。自動增益控制可以控制電光調(diào)制器的驅(qū)動電壓，使電光調(diào)制器的驅(qū)動電壓的增益自動地隨信號強度而調(diào)整，進而調(diào)整驅(qū)動器的增益。

③調(diào)制轉(zhuǎn)移穩(wěn)頻技術。在空間激光通信過程中，為了穩(wěn)定通信質(zhì)量，避免由于外界環(huán)境改變而導致的激光波長偏移現(xiàn)象，需要使用調(diào)制轉(zhuǎn)移穩(wěn)頻技術來抑制激光波長漂移。技術思路是利用在共振頻率處原子與激光會發(fā)生損耗導致信號誤差，通過激光器對其進行頻率鎖定[12]，使得激光在空間中有較好的穩(wěn)定頻率，獲得高質(zhì)量的有效信息。

④ 高階調(diào)制技術。高階調(diào)制可攜帶多個bit 信號，最早應用于地面光纖通信，目的是在技術成熟穩(wěn)定的情況下提高通信傳輸速率。由于處于高空的衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)，會受到空間輻射、衛(wèi)星振動等環(huán)境因素以及衛(wèi)星能量、體型等資源因素的影響，這對高階調(diào)制技術在衛(wèi)星平臺上的發(fā)展和應用提出了新的要求，需要進一步提高光電轉(zhuǎn)換、信號處理等方面的能力[13]。

⑤ 非線性補償技術。在激光調(diào)制過程中，會發(fā)生傳輸信號非線性失真，需要進行非線性補償?？尚蟹椒ò娐奉A失真補償和光線性化補償，電路預失真補償是利用反正弦函數(shù)在外調(diào)制器前構建一個反函數(shù)傳輸網(wǎng)絡，相互補償，使輸出信號與光強之間的關系變得線性[14]。光補償方法只需將多個結構相同的單調(diào)控制器串聯(lián)，保證調(diào)制器線性化，即可消除傳輸特性的三階或高階奇次失真。

3 空間激光通信系統(tǒng)調(diào)制技術的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1960 年，世界上第一臺激光器誕生，利用激光束作為信息載體實現(xiàn)寬帶通信成為人們追求的目標。各國積極研究發(fā)展激光調(diào)制技術并將其應用于空間激光通信。

3.1 國際發(fā)展現(xiàn)狀

美國、歐洲、日本等國家和地區(qū)在空間激光通信調(diào)制技術的研究方面處于領先地位，引領了全球的發(fā)展[15,16]。經(jīng)過不斷的試驗與研究，調(diào)制技術已經(jīng)充分運用到實際工程之中，同時也有了新的成果、新的發(fā)展[17]。國際空間激光通信調(diào)制技術的發(fā)展主要分兩個階段。

3.1.1 第一階段：理論發(fā)展及技術創(chuàng)新

美國林肯實驗室采用功率為30 mW 的商用GaAlAs 半導體激光器，通過FSK 調(diào)制成功實現(xiàn)終端-終端高碼速率衛(wèi)星通信的演示試驗；日本自1998 年以來，投入大量資源研究各種調(diào)制解調(diào)技術，包括ASK、FSK、PSK 等。其中，GEO-GEO 鏈路的試驗顯示：外差PSK 的探測靈敏度優(yōu)于20 光子每比特。

美國加州理工學院JPL 實驗室的相干光通信調(diào)制解調(diào)技術得到突破后，重點研究幅移鍵控ASK 和PSK 調(diào)制，以此擴充空間光通信鏈路的信道容量，并在1994 年運用OOK 調(diào)制方式研制成功OCD 通信端機，具備結構簡單、質(zhì)量輕、功耗低等特點。

為了實現(xiàn)同步衛(wèi)星到地面站間的星地激光通信，德國宇航中心DLR（Deutsches zentrum fur Luftund Raumfahrt）和歐空局ESA（European Space Agency）進行合作研究。采用零差BPSK 調(diào)制解調(diào)技術，并于2000 年發(fā)表文章稱，成功研制零差BPSK 接收機，大大降低了系統(tǒng)復雜性。其試驗系統(tǒng)碼速率達到622 Mbit/s，接收靈敏度可達18 光子每比特，接近13 光子每比特的理論極限[18]。

2020 年，針對激光通信調(diào)制存在閃變問題，Sujit Chatterje 利用比常用的OOK 更有效的FSK 技術設計實驗裝置，得到了比OOK 低62 %的無閃變傳輸，在30 cm 和480 cm 的距離下，誤碼率分別比后者降低了86.8 %和85.3 %。對于FSK，在傾角為3°時發(fā)現(xiàn)BER 增加了10 %，而對于OOK，僅在傾角為1°時就顯示出了相同的誤差（100 cm 處測量），展現(xiàn)了極大的進步[19]。

3.1.2 第二階段：技術驗證及在軌試驗

在理論與技術得到發(fā)展與創(chuàng)新的基礎上，各國積極將理論落地，開展技術驗證與在軌試驗。在實際設計運用中，根據(jù)應用背景不同，空間激光通信可分為三大類[20]：①星間激光通信；② 星地激光通信；③地面無線光網(wǎng)（大氣激光通信）。

①星間激光通信系統(tǒng)[21]

2001 年，世界上首個星間激光通信鏈路試驗——半導體激光星間鏈路試驗SILEX（Semiconductor Laser Inter satellite Link Experiment）運用直接調(diào)制技術成功建立激光鏈路。數(shù)據(jù)以50 Mbit/s 的速率從低地球軌道LEO(Low Earth Orbit)衛(wèi)星發(fā)射到地球同步軌道GEO (Geostationary Earth Orbit) 衛(wèi)星。首次實現(xiàn)了OOK 調(diào)制技術在星間通信中的運用[22]。

2005 年末，為了驗證零差BPSK 相干通信技術的性能，分析了解星間巨量信息的傳輸體制及大氣信道對相干鏈路的影響。ARTEMIS 同日本宇航探索局JAXA（Japan Aerospace Exploration Agency）的光學通信工程試驗OICETS（Optical Inter-orbit Communication Engineering Test Satellite）項目，利用日本NEC 東芝空間系統(tǒng)公司研制的通信終端“激光利用通信設備”LUCE（Laser Utilizing Commu nications Equipment），進行了自由空間軌道間的激光通信試驗[23]。

2002 年11 月，DLR 資助的項目LCTSX 啟動，將用兩個終端LCTs（Laser Communication Terminal）進行星間通信。2007 年4 月23 日，首個通信終端搭載美國衛(wèi)星NFIRE 升空；2007 年6 月14 日，第二個通信終端搭載德國衛(wèi)星TerraSAR-X 成功升空會師。2008 年2 月21 日，LCTSX 采用BPSK 調(diào)制技術進行星間通信，是國際上首次星間相干激光通信試驗。此后，為了進一步提升空間通信網(wǎng)絡的信息傳輸能力，加強星間激光通信的實用化，ESA 計劃將星間激光通信與地面通信形成穩(wěn)定鏈路，并制定了歐洲數(shù)據(jù)中心衛(wèi)星EDRS（European Data Relay Satellite）。

2016 年1 月，EDRS 的首顆衛(wèi)星進入地球軌道，并以BPSK 調(diào)制技術實現(xiàn)了與LEO 衛(wèi)星間的通信交流，意味著歐洲BPSK 調(diào)制技術的成熟[24]。

② 星地激光通信系統(tǒng)

為了實現(xiàn)地月之間的高速激光通信，NASA 于2005 年委托MIT 林肯實驗室進行了月球激光通信演示驗證試驗LLCD（Lunar Laser Communications Demonstration）。2013 年，LLCD 通信終端成功發(fā)射升空，并在上行20 Mbit/s 的試驗中，首次實現(xiàn)了全程無誤碼傳輸。

2016 年，日本為了在軌驗證新型調(diào)制/解調(diào)方法——DPSK 調(diào)制技術，啟動先進激光儀器高速通信HICALI（High speed Communication with Advanced Laser Instrument）項目，有效促進了空間激光通信技術的發(fā)展[25,26]。

2021 年，NASA 在激光通信中繼演示試驗計劃的基礎上，開展GEO-地面站之間的雙向激光通信試驗，同時驗證調(diào)制兼容技術，其通信制式兼容DPSK 和PPM[27,28]。

2023 年，NASA 將進行深空探索發(fā)射“獵戶座”探索飛船，目的是為了實現(xiàn)獵戶座與地面站之間的雙向通信。為了提高可靠性，信號的調(diào)制格式將選用較為成熟的PPM 調(diào)制。其通信距離為40 萬千米，下行速率為80 Mbit/s～250 Mbit/s，上行速率為20 Mbit/s[29,30]。

2024 年，歐空局計劃進行深空到地面的激光通信在軌試驗，通信系統(tǒng)為深空光通信系統(tǒng)DOCS（Deep-space Optical Communication System），試驗目標是實現(xiàn)通信距離1.5 億千米，其中下行通信速率為10 Mbit/s，上行為1 kHz 正弦波，調(diào)制技術選用較為穩(wěn)定高速的16PPM。

③地面無線光網(wǎng)（大氣激光通信）

無線光網(wǎng)系統(tǒng)（FSO）基于大氣激光傳輸原理建立，其優(yōu)點是不受無線電干擾、功耗低和保密性好等，缺點是外界環(huán)境與氣候?qū)ζ溆绊戄^大[31]。為了實現(xiàn)穩(wěn)定通信需要運用抗干擾、高穩(wěn)高精度的調(diào)制技術，例如美國啟用OCD激光通信系統(tǒng)，采用OOK調(diào)制方式，實現(xiàn)了較為穩(wěn)定的大氣激光通信，速率可達130 Mbit/s。整體來說，地面無線光網(wǎng)所需要的調(diào)制技術多選用非相干/直接調(diào)制技術，如PPM、OOK 等。

3.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國空間激光通信技術的研究起步較晚，但我國科研人員奮起直追，在理論技術創(chuàng)新與技術試驗方面同步推進，完成了多個星地鏈路的激光通信試驗。通過大量研究與試驗，實現(xiàn)了空間激光通信系統(tǒng)并提高了其通信速率、通信距離等性能指標，取得了良好成果。

3.2.1 技術創(chuàng)新與實驗

我國各大學與研究機構反復進行多種理論與技術實驗，為實際在軌試驗打下了堅實的基礎。

2018 年，長春理工大學和浙江大學合作，采用QPSK 技術進行空間光通信試驗。在1 km 的距離上，其調(diào)制單路載波為40 Gbit/s，速率達到120 Gbit/s[32]。不久，在特定條件下實現(xiàn)了單路載波128 Gbit/s，速率384 Gbit/s 的大氣傳輸。

2020 年，中國科學院西安光學精密機械研究所自主研發(fā)DPSK 衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)，通過了力學、熱學空間環(huán)境適應性試驗，在1 550 nm 波段、口徑100 mm 條件下，實現(xiàn)了5 Gbit/s 的通信速率[33]。

2020 年，鄭州大學激光與光電信息技術重點實驗室完成了基于FPGA 的OOK 光通信實驗，收發(fā)電路通信距離達到12 cm，系統(tǒng)傳輸速率達到3.125 Mbit/s[34]。

中國臺灣國立高雄大學在調(diào)制信號安全方面取得一定的成果，提出并論證了一個10 Gbit/s 開關鍵控空間激光通信系統(tǒng)，并使用偏振復用進行信號安全操作。利用兩個偏振方向相互正交的偏振片，將單個波長分離為兩個正交偏振信號，分別表示為FSOp 和FSOs，而FSOp 和FSOs 可以作為通信系統(tǒng)連接的數(shù)據(jù)和干擾通道。當系統(tǒng)注入功率＞-30 dBm 時，正交偏振信號FSOp 會受到嚴重干擾，以達到安全保護的目的。此外，此系統(tǒng)信號可以通過25 km 光纖鏈路，支持1 000 m 的自由空間傳輸長度[35]。

中國杭州電子科技大學，受正交調(diào)制的啟發(fā)提出了一種新的調(diào)制格式，即脈沖位置調(diào)制PPM 上的標記比調(diào)制，利用PPM 符號和反PPM 符號之間的標記比差異來傳遞疊加信號。正交調(diào)制將非幅度調(diào)制信號疊加在曼徹斯特編碼或脈沖位置調(diào)制的幅度移位鍵控ASK 信號上，允許在同一波長信道上調(diào)制具有不同比特率的兩個數(shù)據(jù)流，從而提高頻譜效率[36]。

3.2.2 技術驗證

海洋二號、墨子號、實踐二十號等多顆衛(wèi)星的成功發(fā)射，對IM/DD 通信體制、PPM、DPSK/QPSK相干體制等空間激光通信調(diào)制技術進行了驗證[37,38]。

2011 年，成功點火升空的“海洋二號”衛(wèi)星是我國首次星地激光通信試驗，在驗證了IM/DD 通信體制可行性的同時，填補了我國調(diào)制技術及星地激光通信試驗的空白[39]。

2016 年，我國進行首次星地高速相干激光通信技術在軌試驗，“墨子號”量子衛(wèi)星采用兼容制式調(diào)制技術，即上行PPM 調(diào)制、下行DPSK 調(diào)制，實現(xiàn)了衛(wèi)星與地面的雙向通信傳輸，其上行速率為20 Mbit/s，下行速率為5.12 Gbit/s，具備圖片與視頻的傳輸能力[40]。

2020 年，國際首個QPSK 相干體制的星地激光通信鏈路建立，由2019 年發(fā)射的“實踐二十號”衛(wèi)星與麗江光學地面站構成，速率達到10 Gbit/s，即驗證了QPSK 調(diào)制的性能，也象征我國空間激光通信技術達到了國際先進水平[41]。

空間激光通信調(diào)制技術的發(fā)展是分階段、循序漸進的，先經(jīng)過理論突破和模擬環(huán)境實驗，最后通過實際在軌試驗得到驗證并走向成熟。在此基礎上，不同應用環(huán)境下的激光調(diào)制技術也是不同的。如深空遠距離激光通信大多使用成熟可靠的PPM 調(diào)制技術；衛(wèi)星與衛(wèi)星之間，需要高速率通信，多使用相干調(diào)制或高階調(diào)制技術。例如，零差BPSK 調(diào)制技術特別適用于超長距離星間高速光通信，可以有效拓寬鏈路功率預算；星地激光通信要求實現(xiàn)快速精確的地面站與衛(wèi)星激光終端間的數(shù)據(jù)傳輸（主要包括GEO、LEO 和空間站與地面站之間），同時必須考慮大氣層對激光傳輸?shù)挠绊懀虼硕嗍褂眉嫒菔秸{(diào)制技術，如PPM 與DPSK 混合調(diào)制；大氣激光通信系統(tǒng)極易受外界環(huán)境影響，如大氣對激光的吸收與散射、大氣湍流效應等，因此常用OOK 調(diào)制技術。

4 發(fā)展趨勢

空間激光通信調(diào)制技術正朝著高速率、高頻帶利用率和高穩(wěn)定性發(fā)展。通信系統(tǒng)將從IM/DD 通信系統(tǒng)向相干光通信系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，光調(diào)制器將向著輕小型化、低功耗、高可靠性方向發(fā)展。在此基礎上，空間激光通信調(diào)制技術還有以下發(fā)展趨勢：

①基本調(diào)制格式上進行創(chuàng)新。其中，偏振調(diào)制技術是星地激光通信的一個發(fā)展方向，目前在空間激光通信中沒有系統(tǒng)地應用。該技術通過調(diào)制器對傳輸?shù)墓庑盘柶駪B(tài)信息進行調(diào)制，其新型光調(diào)制格式包括比特間插偏振調(diào)制、雙二進制偏振位移鍵控調(diào)制等[42]。除此之外，可以根據(jù)激光的傳輸特性在空間激光通信領域進行深層次開發(fā)研究。

② 各領域新興技術與調(diào)制技術相結合。航天科學與工業(yè)研究所根據(jù)激光束具有良好的方向性和較低的發(fā)散度的特點，將飛秒激光時頻傳輸技術與調(diào)制解調(diào)技術相結合，取得了新進展，極大地提高了接收端的信號質(zhì)量和時頻傳輸精度[43]。同樣，生化環(huán)材等各領域技術的不斷創(chuàng)新都可進行借鑒引用，來推動空間激光通信調(diào)制技術的發(fā)展。

③硬件上可進行陣列式排列。為了使空間激光通信系統(tǒng)實現(xiàn)高精度、快速度的通信傳輸，可以在硬件方面優(yōu)化設計。例如，陣列激光信息傳輸是通過對激光器進行不同頻率的調(diào)制信號來實現(xiàn)的?？衫糜布娐樊a(chǎn)生不同頻率的多路調(diào)制波信號，驅(qū)動多個半導體激光器同時發(fā)射激光，形成集合多路調(diào)制光的混合光，在一定的條件下可實現(xiàn)終端單點對多點的通信傳輸[44]。

④ 激光通信混合式調(diào)制。隨著通信系統(tǒng)對帶寬、功率和誤碼性能的要求不斷提高，傳統(tǒng)上獨立地基于幅度、頻率、時間、相位和偏振態(tài)的各種調(diào)制方法有其局限性，已無法滿足通信要求。將多種調(diào)制方式相結合，逐漸成為研究熱點[45]，產(chǎn)生的多維混合調(diào)制方式可以有效提高空間激光通信系統(tǒng)的性能，如PM-QPSK 等混合調(diào)制的不斷創(chuàng)新。

⑤ 光源空間調(diào)制。在空間激光通信過程中，難免出現(xiàn)大氣湍流等湍流效應，破壞激光載波的信息，導致通信質(zhì)量降低。為了提升大氣湍流信道中激光通信質(zhì)量問題，對光源進行空間調(diào)制得到高質(zhì)量新型光束，如渦旋光束。通過調(diào)制獲得具有高信噪比、大接受能量、高螺旋譜模式純度等傳輸特性的渦旋光束。

5 結束語

空間激光通信系統(tǒng)作為我國空天地一體化信息網(wǎng)絡中的重要組成部分，具有十分廣闊的應用前景。其中，具有高穩(wěn)定性和抗輻射性、高調(diào)制效率和低誤差矢量幅度的調(diào)制技術是該系統(tǒng)的研究熱點之一。在今后的工作中，調(diào)制技術需要進一步研究，主要包括以下幾個方面：

①一對多、多制式兼容調(diào)制。單目標到多目標的多制式兼容通信是極具價值的發(fā)展方向，由于單目標到多目標，端點式“點-線-面”通信極大地減少了調(diào)制通信終端的數(shù)量，提高了通信系統(tǒng)的兼容性和可靠性。多制式兼容調(diào)制通過結合多種調(diào)制手段，根據(jù)不同通信環(huán)境選擇調(diào)制技術，有效提高了系統(tǒng)通信速率，節(jié)約了環(huán)境成本和資源成本，有利于實現(xiàn)空間激光通信系統(tǒng)的規(guī)?；?。

② 進一步發(fā)展星上高階調(diào)制技術?？臻g激光通信對數(shù)據(jù)傳輸速率的要求越來越高，使用更高階的調(diào)制方式是一種有效的方法。但對于高階的調(diào)制技術來說，為了獲得高質(zhì)量的通信，對誤差向量幅度的要求也更高，但實際操作中比較難實現(xiàn)。因此須統(tǒng)籌考慮，在提高激光通信系統(tǒng)性能的同時也得考慮實際制造上的難度。

③產(chǎn)品化設計。隨著對高速空間三維通信網(wǎng)絡進行不斷的建設，很多商用衛(wèi)星星座和高速衛(wèi)星數(shù)據(jù)中繼通信系統(tǒng)也得到了發(fā)展，社會對空間激光通信的需求有所提高。面對新的契機，在對系統(tǒng)進行設計時，要在保證系統(tǒng)性能優(yōu)化的前提下，降低調(diào)制系統(tǒng)的成本，為實現(xiàn)產(chǎn)品化做好準備。