基于模式分集的星地激光通信技術(shù)研究*

陳 悅，胡貴軍

基于模式分集的星地激光通信技術(shù)研究*

陳 悅，胡貴軍

（吉林大學(xué)通信工程學(xué)院 長(zhǎng)春 130012）

針對(duì)星地激光通信的大氣湍流導(dǎo)致信號(hào)光損傷這一問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)搭建了一種能夠補(bǔ)償大氣湍流的空間激光通信系統(tǒng)，采用模式分集接收結(jié)合最大比合并方法對(duì)大氣湍流進(jìn)行補(bǔ)償，采用相干探測(cè)技術(shù)對(duì)高階調(diào)制信號(hào)進(jìn)行光電探測(cè)。在不同湍流強(qiáng)度下進(jìn)行了傳輸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：模式分集空間激光通信系統(tǒng)的性能相比較于單模光纖接收系統(tǒng)有較大提升，隨著湍流強(qiáng)度的增加，性能提升更加顯著。在弱、中、強(qiáng)三種湍流強(qiáng)度以及相同目標(biāo)誤碼率情況下，模式分集系統(tǒng)相比單模光纖接收系統(tǒng)分別降低了約4.2 dB、5.1 dB和5.5 dB的鏈路損耗。在弱、中、強(qiáng)三種湍流強(qiáng)度以及相同目標(biāo)中斷概率下，模式分集接收系統(tǒng)相比單模光纖接收系統(tǒng)分別降低了約3 dB、5.9 dB和4.3 dB的鏈路損耗。

空間光通信；大氣湍流；少模光纖；模式分集技術(shù)

引 言

空間激光通信具有無(wú)需頻帶許可、保密性好、帶寬高等優(yōu)點(diǎn)，在地面通信、衛(wèi)星通信、星際通信等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用[1]。2020年11月，日本宇航研發(fā)機(jī)構(gòu)成功發(fā)射了一顆JDRS-1中繼衛(wèi)星[2]，通過(guò)近紅外激光束與遙感衛(wèi)星連接，從而實(shí)現(xiàn)最高速率為1.8 Gbps的高速數(shù)據(jù)傳輸，用于光學(xué)中繼衛(wèi)星的激光終端直徑僅為14 cm。2019年8月6日，歐洲空間局（ESA）發(fā)射的EDRS-C激光終端入軌[3]，使用激光與地球觀(guān)測(cè)衛(wèi)星通信，通信速率為1.8 Gbps，并提供近乎實(shí)時(shí)的大數(shù)據(jù)回傳地球，建鏈次數(shù)超過(guò)2.5×104次。ESA計(jì)劃將于2025年發(fā)射EDRS-D衛(wèi)星，星上將配置3套激光終端，從而實(shí)現(xiàn)全球數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，鏈路距離8×104km，速率3.6 Gbps，波長(zhǎng)兼容1 064 nm和1 550 nm。

然而，由于空間激光通信的傳輸信道是大氣，所以光信號(hào)在自由空間傳輸過(guò)程中，容易受大氣湍流影響而嚴(yán)重劣化通信質(zhì)量。因此，如何補(bǔ)償大氣湍流對(duì)空間激光通信的不利影響是一項(xiàng)十分重要的工作。

目前存在多種大氣湍流補(bǔ)償技術(shù)，例如孔徑平均技術(shù)[4]、空間分集技術(shù)[5]、自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)[6]等。孔徑平均技術(shù)通過(guò)在接收端增大接收孔徑來(lái)抑制大氣湍流閃爍效應(yīng)，但大孔徑接收同時(shí)意味著接收機(jī)尺寸和重量的增大，在很多便攜性要求高的應(yīng)用中會(huì)受到限制?？臻g分集技術(shù)可以有效克服大氣湍流造成的多徑衰落現(xiàn)象，但涉及多束發(fā)射和多路接收，系統(tǒng)較復(fù)雜，成本較高。自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)通過(guò)實(shí)時(shí)探測(cè)、控制、校正光束波前的相位畸變來(lái)實(shí)現(xiàn)大氣湍流補(bǔ)償，但在強(qiáng)湍流情況下，光強(qiáng)閃爍十分強(qiáng)烈，光束強(qiáng)度很容易超出波前探測(cè)器的正常工作范圍，波前校正會(huì)產(chǎn)生比較大的誤差。

近年來(lái)，出現(xiàn)了一種基于模式分集接收的大氣湍流補(bǔ)償技術(shù)，其基本思想是利用少模光纖[7]中的模式正交性，將不同模式作為獨(dú)立的空間信道，對(duì)經(jīng)過(guò)大氣信道傳輸?shù)目臻g光進(jìn)行模式分集接收，使用相干探測(cè)技術(shù)對(duì)接收的多路光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)最大比合并算法MRC（Maximum Ratio Combining）將接收的多路信號(hào)恢復(fù)成一路信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)受損信號(hào)的接收。

本文實(shí)驗(yàn)搭建了模式分集接收系統(tǒng)以及沒(méi)有湍流抑制能力的單模光纖接收[8]系統(tǒng)作為對(duì)照系統(tǒng)。在不同湍流條件下，對(duì)4 Gbps 正交相移鍵控QPSK（Quadrature Phase Shift Keying）信號(hào)進(jìn)行了傳輸實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了系統(tǒng)的平均誤碼率與中斷概率，對(duì)比分析了模式分集接收系統(tǒng)的湍流補(bǔ)償能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在弱、中、強(qiáng)三種湍流強(qiáng)度以及相同目標(biāo)誤碼率情況下，模式分集接收系統(tǒng)相比較于單模光纖接收系統(tǒng)分別降低了約4.2 dB、5.1 dB和5.5 dB的鏈路損耗；在弱、中、強(qiáng)三種湍流強(qiáng)度以及相同目標(biāo)中斷概率情況下，模式分集接收系統(tǒng)相比較于單模光纖接收系統(tǒng)分別降低了約3 dB、5.9 dB和4.3 dB的鏈路損耗。綜合對(duì)比平均誤碼率和中斷概率，在弱、中、強(qiáng)三種湍流強(qiáng)度下，模式分集接收系統(tǒng)均能實(shí)現(xiàn)較大的性能增益。模式分集接收系統(tǒng)對(duì)大氣湍流表現(xiàn)出明顯補(bǔ)償作用，有效提升了空間激光通信的接收性能。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

模式分集接收系統(tǒng)由發(fā)送端、空間傳輸鏈路和接收端三部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 模式分集接收系統(tǒng)框圖

在發(fā)送端，電信號(hào)通過(guò)電光調(diào)制器將信息加載到光載波上，然后通過(guò)發(fā)射鏡發(fā)射到自由空間。本文對(duì)QPSK信號(hào)進(jìn)行了傳輸實(shí)驗(yàn)。激光光源波長(zhǎng)為1 550 nm，線(xiàn)寬約為100 kHz，設(shè)定光功率后輸入至I/Q調(diào)制器。傳輸信號(hào)為兩路長(zhǎng)度為211－1的PRBS信號(hào)，QPSK編碼后再控制DAC開(kāi)發(fā)板轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)。電信號(hào)由射頻放大器放大后控制I/Q調(diào)制器產(chǎn)生4 Gbps的QPSK信號(hào)光。調(diào)制后的光信號(hào)經(jīng)過(guò)偏振控制器后發(fā)射到自由空間。

在空間傳輸鏈路部分，大氣湍流[9]會(huì)使信道的折射率產(chǎn)生隨機(jī)波動(dòng)，并進(jìn)一步導(dǎo)致光斑閃爍、光束漂移、光束擴(kuò)展、相位抖動(dòng)等問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)中，在光束路徑上放置液晶空間光調(diào)制器作為湍流模擬器，由電腦終端控制空間光調(diào)制器加載特定湍流強(qiáng)度下的相位分布圖。利用液晶的雙折射效應(yīng)調(diào)制光載波，從而實(shí)現(xiàn)相位的調(diào)制，用來(lái)模擬大氣湍流。本文使用相位屏上光斑尺寸和大氣相干長(zhǎng)度0的比值，即/0，表征大氣湍流對(duì)傳輸光斑的影響。/0=0對(duì)應(yīng)無(wú)湍流的理想高斯光傳輸情況，/0=3,9,16分別對(duì)應(yīng)傳輸光斑受到弱、中、強(qiáng)大氣湍流的影響，不同湍流強(qiáng)度下空間光調(diào)制器加載的相位分布示意圖如圖2所示。/0越大，光束的空間相干性就越低，光闌內(nèi)功率減小，焦點(diǎn)分散，相位波動(dòng)更劇烈。本文在/0=3,9,16對(duì)應(yīng)的三種湍流強(qiáng)度下，分別隨機(jī)生成100張湍流相位圖來(lái)模擬大氣信道。

圖2 不同湍流強(qiáng)度下的相位分布示意圖

在接收端，通過(guò)接收鏡將空間光耦合進(jìn)入少模光纖。在耦合過(guò)程中，由于光波受到大氣湍流的散射和多徑效應(yīng)等因素影響，光能量會(huì)分散到少模光纖中的不同模式。不同模式的光都攜帶相同的信息，同時(shí)又彼此正交，可以作為不同的空間信道實(shí)現(xiàn)分集接收。

系統(tǒng)中由光子燈籠型模式解復(fù)用器實(shí)現(xiàn)模式分集功能[10]，光子燈籠的結(jié)構(gòu)如圖3所示。光子燈籠的一端為少模光纖，中間為錐形過(guò)渡區(qū)，通過(guò)光纖拉錐技術(shù)使其與另一端的6根單模光纖相連接，能夠?qū)崿F(xiàn)從一段多模波導(dǎo)到復(fù)數(shù)單模波導(dǎo)的低損耗傳輸。6根單模光纖中的基模在低折射率毛細(xì)管中演變成“超模”，演變后的“超?！钡墓鈭?chǎng)分布與少模光纖中的高階模式的光場(chǎng)分布具有一致性，從而實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換。出射端由6根包層或纖芯半徑不同的單模光纖呈五邊形放置，如圖3（b）所示，光信號(hào)從少模端口入射，從1到6號(hào)端口射出，分別對(duì)應(yīng)少模光纖中LP01、LP11a、LP11b、LP21a、LP21b以及LP02模轉(zhuǎn)化成的基模信號(hào)光，從而完成對(duì)入射少模信號(hào)光的模式解復(fù)用。

圖3 光子燈籠型模式解復(fù)用器原理圖

從1到6號(hào)端口射出的基模信號(hào)光分別接入相干接收機(jī)中，采用平衡探測(cè)技術(shù)[11]進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。信號(hào)光和本振光在90°光混頻器中完成混頻，混頻后的信號(hào)通過(guò)光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，然后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣，最后在數(shù)字信號(hào)處理單元DSP（Digital Signal Processing）中完成信號(hào)的補(bǔ)償和合并。模式分集接收系統(tǒng)的DSP流程圖如圖4所示。

圖4 模式分集接收系統(tǒng)的DSP流程圖

采集到的電信號(hào)首先進(jìn)行預(yù)處理，主要包括歸一化和正交不平衡補(bǔ)償，為后續(xù)處理作準(zhǔn)備。完成預(yù)處理后，分別補(bǔ)償每路采樣數(shù)據(jù)的信號(hào)損傷，然后對(duì)所有采樣信號(hào)進(jìn)行信號(hào)同步后，執(zhí)行合并運(yùn)算，最后直接判決得到解調(diào)信息。

信號(hào)的補(bǔ)償和恢復(fù)[12]包括時(shí)鐘同步、頻偏補(bǔ)償和相偏補(bǔ)償?shù)榷鄠€(gè)步驟，從而恢復(fù)出各個(gè)模式的接收信號(hào)。本文采用Gardner時(shí)鐘恢復(fù)算法、基于環(huán)形分圈的四次方頻偏補(bǔ)償及Viterbi-Viterbi載波相位恢復(fù)算法對(duì)實(shí)驗(yàn)傳輸QPSK信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償和恢復(fù)。

為了對(duì)比分析模式分集接收系統(tǒng)對(duì)大氣湍流的補(bǔ)償性能，實(shí)驗(yàn)搭建了單模光纖接收的空間激光通信系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 單模光纖接收系統(tǒng)框圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖6 模式分集接收系統(tǒng)和單模光纖接收系統(tǒng)的接收星座圖

觀(guān)察圖6可以發(fā)現(xiàn)，在弱湍流強(qiáng)度的這一時(shí)刻下，模式分集接收系統(tǒng)的MRC合并信號(hào)比單模光纖接收系統(tǒng)的接收信號(hào)質(zhì)量更好。模式分集接收系統(tǒng)的LP01接收信號(hào)與單模光纖接收系統(tǒng)的接收信號(hào)性能近似，信號(hào)光在不同模式中功率占比各不相同，其中LP11a、LP11b中有較多的信號(hào)光，總的來(lái)講還是LP01中光信號(hào)占比最大。當(dāng)湍流強(qiáng)度較弱時(shí)，光束在傳輸過(guò)程中雖然產(chǎn)生了一定的畸變和擴(kuò)散，但光場(chǎng)分布還能基本維持高斯分布的形態(tài)，中心強(qiáng)度較為穩(wěn)定，信號(hào)傳輸質(zhì)量尚佳。然而大氣湍流導(dǎo)致信號(hào)光在傳播過(guò)程中出現(xiàn)時(shí)間和空間上的偏移、發(fā)散問(wèn)題，同時(shí)又會(huì)使得光信號(hào)在耦合入光纖后的能量從基模向其他模式擴(kuò)散。因此，采用少模光纖接收經(jīng)大氣信道傳輸?shù)目臻g光，一部分信號(hào)光會(huì)耦合進(jìn)高階模式。模式分集接收系統(tǒng)對(duì)多個(gè)模式進(jìn)行分集接收避免了這部分信號(hào)光的損失，從而對(duì)大氣湍流帶來(lái)的信號(hào)損傷起到了補(bǔ)償作用。

實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步測(cè)量了模式分集接收系統(tǒng)的平均誤碼率和中斷概率，并與同樣條件下單模光纖接收系統(tǒng)進(jìn)行比較。

圖7 弱湍流條件下模式分集接收系統(tǒng)和單模光纖接收系統(tǒng)的傳輸性能曲線(xiàn)

隨著發(fā)射功率的逐漸減小，模式分集接收系統(tǒng)性能始終優(yōu)于單模光纖接收系統(tǒng)，對(duì)大氣湍流有明顯的補(bǔ)償作用，有效提升了空間光通信接收性能。大氣湍流的干擾使信號(hào)產(chǎn)生了波前畸變，由于存在高階模態(tài)，畸變信號(hào)在少模光纖中的耦合效率高于在單模光纖中。耦合效率的提高導(dǎo)致模式分集接收系統(tǒng)具有更好的系統(tǒng)性能。

圖8 模式分集接收系統(tǒng)和單模光纖接收系統(tǒng)的接收星座圖

圖9 中等湍流條件下模式分集接收系統(tǒng)和單模光纖接收系統(tǒng)的傳輸性能曲線(xiàn)

與弱湍流強(qiáng)度相比，隨著湍流強(qiáng)度的增加，模式分集接收系統(tǒng)相對(duì)于單模光纖接收的性能提升也越來(lái)越顯著。這是由于在更強(qiáng)的大氣湍流環(huán)境中，波前畸變更嚴(yán)重，導(dǎo)致信號(hào)光功率更多地耦合進(jìn)高階模態(tài)中，低模態(tài)的耦合效率降低。因此，模式分集接收系統(tǒng)表現(xiàn)出更好的大氣湍流補(bǔ)償效果。

圖10 模式分集接收系統(tǒng)和單模光纖接收系統(tǒng)的接收星座圖

觀(guān)察圖10可以發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)湍流強(qiáng)度的這一時(shí)刻下，隨著湍流強(qiáng)度的繼續(xù)增大，相比較于中湍流強(qiáng)度，模式分集接收系統(tǒng)和單模光纖接收系統(tǒng)能接收到的光信號(hào)都有所下降。相對(duì)于單模光纖接收系統(tǒng)，模式分集接收系統(tǒng)的MRC合并信號(hào)質(zhì)量更好，同時(shí)，信號(hào)光在LP21a、LP21b以及LP02這些高階模式中信號(hào)光占比變大。隨著湍流強(qiáng)度逐漸變強(qiáng)，光場(chǎng)的擴(kuò)散和畸變現(xiàn)象更加嚴(yán)重，盡管只能接收到微弱的信號(hào)光，然而仍可以通過(guò)MRC算法對(duì)接收的多路信號(hào)進(jìn)行合并，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣湍流的補(bǔ)償。

圖11 強(qiáng)湍流條件下模式分集接收系統(tǒng)和單模光纖接收系統(tǒng)的傳輸性能曲線(xiàn)

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用模式分集的方法對(duì)大氣湍流進(jìn)行補(bǔ)償，采用最大比合并算法完成對(duì)多路信號(hào)的高效合并。為了分析模式分集接收系統(tǒng)對(duì)大氣湍流的補(bǔ)償效果，搭建了單模光纖接收系統(tǒng)作為對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在弱、中、強(qiáng)三種湍流強(qiáng)度下，模式分集接收系統(tǒng)能夠有效地補(bǔ)償大氣湍流對(duì)空間光通信系統(tǒng)的不利影響。與單模光纖接收系統(tǒng)相比，在相同誤碼率下，模式分集接收系統(tǒng)分別降低了約4.2 dB、5.1 dB和5.5 dB的鏈路損耗。在相同中斷概率下，模式分集接收系統(tǒng)較單模光纖接收系統(tǒng)降低了約3 dB、5.9 dB和4.3 dB的鏈路損耗。另外，相比較于大孔徑接收系統(tǒng)以及多孔徑分集接收系統(tǒng)，基于模式分集接收的空間激光通信系統(tǒng)極大地減少了接收設(shè)備的體積，降低了復(fù)雜度。

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Research on satellite-to-ground laser communication based on mode diversity reception

CHEN Yue, HU Guijun

（College of Communication Engineering, Jilin University, Changchun 130012, China）

Aiming at the problem that atmospheric turbulence causes optical signal damage in satellite-to-ground laser communication, we experimentally set up a kind of space laser communication system which can compensate for atmospheric turbulence. The system uses mode diversity reception combined with maximum ratio combining method to compensate for atmospheric turbulence, the coherent detection technique is adopted to detect high-order modulation signals. Transmission experiments are carried out under different turbulence intensities, and the results show that: Compared with a single-mode fiber receiving system, the performance of the mode diversity receiving system has large improvement, with the increase of turbulence intensity, performance improvement is more significant. Under the weak, moderate, and strong turbulence intensities, in the condition of the same target BER, compared with the single-mode fiber receiving system, the mode diversity receiving system reduces the link loss of about 4.2 dB, 5.1 dB, and 5.5 dB, respectively. Under the weak, moderate, and strong turbulence intensities, in the same target interruption probability, compared with the single-mode fiber receiving system, the mode diversity receiving system reduces the link loss of about 4.2 dB, 5.1 dB, and 5.5 dB, respectively.

Space optical communication; Atmospheric turbulence; Few-mode fiber; Mode diversity

V443+.1

A

CN11-1780(2022)04-0001-08

10.12347/j.ycyk.20211221001

陳悅, 胡貴軍.基于模式分集的星地激光通信技術(shù)研究[J]. 遙測(cè)遙控, 2022, 43(4): 1–8.

10.12347/j.ycyk.20211221001

: CHEN Yue, HU Guijun. Research on satellite-to-ground laser communication based on mode diversity reception[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(4): 1–8.

國(guó)家自然科學(xué)基金（62075080）；吉林省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（20190302014GX）

胡貴軍（hugj@jlu.edu.cn）

2021-12-21

2022-01-07

Website: ycyk.brit.com.cn Email: ycyk704@163.com

陳 悅 1997年生，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樽杂煽臻g光通信技術(shù)。

胡貴軍 1970年生，博士，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楣饫w通信技術(shù)和器件等。

(本文編輯：傅 杰)