劉旭東，李　晶，郭肅麗，楊　旭

(中國(guó)電子科技集團(tuán)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(cè)能力的不斷增強(qiáng)，星載分辨率極高的傳感器產(chǎn)生了海量的探測(cè)數(shù)據(jù)需及時(shí)傳回地面站[1]。因此，對(duì)星地鏈路數(shù)據(jù)傳輸速率的要求越來(lái)越高，骨干鏈路數(shù)據(jù)速率需求甚至超過(guò)20 Gbps；另外，低軌道衛(wèi)星(LEO)從地面站上空經(jīng)過(guò)的時(shí)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(guò)對(duì)地靜止軌道(GEO)轉(zhuǎn)發(fā)至地面站[2-3]，帶來(lái)了35 000 km超遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)衰減嚴(yán)重的問(wèn)題。

空間光通信是未來(lái)高數(shù)據(jù)速率、遠(yuǎn)距離空間通信的重要發(fā)展方向[4-7]。對(duì)比微波無(wú)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(shì)。根據(jù)調(diào)制、解調(diào)體制不同，將光通信劃分為強(qiáng)度調(diào)制/直接探測(cè)和多調(diào)制方式/相干探測(cè)2類，后者具有更高的靈敏度，約10～20 dB。相干探測(cè)體制的光通信系統(tǒng)根據(jù)接收信號(hào)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(shù)成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。

零差相干光通信系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)光的自鎖相，要求接收信號(hào)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(guó)內(nèi)上海光機(jī)所[9-10]、長(zhǎng)春光機(jī)所[11]、北京郵電大學(xué)[12]和電子科大[13]等研究機(jī)構(gòu)均已開(kāi)展了星地/星間光通信應(yīng)用研究。而針對(duì)零差相干體制下的光鎖相環(huán)技術(shù)，各家尚處于理論和原理驗(yàn)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(shù)需求指標(biāo)，建立了零差相干光通信系統(tǒng)模型，得到了信號(hào)光相位鎖定過(guò)程以及失鎖的邊界條件。

1　星間光傳輸特性

1.1　動(dòng)態(tài)性

星間、星地鏈路的動(dòng)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(shè)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(jì)算多普勒頻移[14]。

Δf=f×(v/c)。

(1)

經(jīng)過(guò)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(guò)對(duì)距離求導(dǎo)來(lái)得到。計(jì)算結(jié)果是：GEO對(duì)地的多普勒頻移為-47.39～45.25 kHz，GEO對(duì)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(dá)到GHz量級(jí)[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(biāo)要求。因此需要突破大頻偏載波捕獲技術(shù)，擴(kuò)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(shí)現(xiàn)混頻光信號(hào)的相干探測(cè)，并將相干光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)；除此之外，需要額外增加一個(gè)鎖頻環(huán)路，即頻差捕獲電路。此大范圍的頻差補(bǔ)償往往通過(guò)本振激光器溫度控制調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)，多普勒可被預(yù)測(cè)為隨時(shí)間連續(xù)的數(shù)據(jù)，根據(jù)文獻(xiàn)[16]，多普勒頻移的殘差可縮小至30 MHz。本文重點(diǎn)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(shù)。

1.3　相干光探測(cè)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(hào)光的耦合(光學(xué)混頻器)、平衡接收、光鎖相環(huán)(OPLL)和信號(hào)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(hào)光與本振光在光學(xué)混頻器中進(jìn)行干涉混合。當(dāng)2束光的偏振方向、頻率和相位基本一致時(shí)(外差)，光電探測(cè)器可從混頻器輸出端檢測(cè)到含有頻率和相位噪聲的信號(hào)；當(dāng)本振光與信號(hào)光的頻率相等時(shí)(零差)，探測(cè)器輸出信號(hào)摻雜噪聲最低。理論計(jì)算表明零差探測(cè)靈敏度比外差探測(cè)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(chǔ)構(gòu)成的線性O(shè)PLL，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(hào)光的相位相同，且線性O(shè)PLL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(chǔ)構(gòu)成的非線性O(shè)PLL，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(duì)激光器的線寬要求更加嚴(yán)格，并且為了實(shí)現(xiàn)I、Q支路同步，需要精準(zhǔn)控制1 bit時(shí)延，高速率條件下技術(shù)實(shí)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(cè)器、環(huán)路低通濾波器和信號(hào)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(biāo)包括：信號(hào)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(hào)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(jī)碼發(fā)生器產(chǎn)生的隨機(jī)二進(jìn)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為雙極性(±1)信號(hào)，與相位調(diào)制指數(shù)θ相乘后與光載波混頻，完成信號(hào)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(duì)信號(hào)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(hào)經(jīng)電壓/頻率轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)積分器可得到所需的調(diào)諧信號(hào)。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(hào)：

(4)

(5)

經(jīng)過(guò)光電探測(cè)后四路電信號(hào)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(shè)計(jì)

將上節(jié)中介紹的各個(gè)模塊封裝后連接，可進(jìn)行零差相干光通信系統(tǒng)仿真。開(kāi)展BPSK傳輸速率、鎖相時(shí)間、相位誤差水平等方面的仿真試驗(yàn)。在此之前需對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行配置，下面介紹主要模塊的參數(shù)設(shè)計(jì)情況。

3.1.1激光器參數(shù)

發(fā)射端1 550 nm激光器功率設(shè)置為10 dBm(10 mW)，線寬1 kHz，相對(duì)強(qiáng)度噪聲系數(shù)-140 dB/Hz。當(dāng)傳輸距離為35 000 km時(shí)，接收光信號(hào)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(shí)間的2個(gè)重要參數(shù)是信號(hào)快速捕獲時(shí)間和捕獲帶寬大小。其中，快速捕獲時(shí)間是OPLL入鎖所需要的時(shí)間，捕獲帶寬是環(huán)路能夠快捕入鎖的最大頻差。在捕獲過(guò)程環(huán)路鎖定的條件是，相位差的改變時(shí)間大于OPLL鑒相特性周期時(shí)間。

本文采用的無(wú)源超前滯后濾波器的快捕時(shí)間和捕獲帶寬計(jì)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(shí)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(shí)間TL/μs28

3.2　不同頻差的鎖相過(guò)程

通過(guò)對(duì)帶有補(bǔ)償多普勒頻移的相干零差1 550 nm激光通信系統(tǒng)進(jìn)行了的系統(tǒng)建模，對(duì)BPSK信號(hào)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(cè)器的信號(hào)電平，如圖5、圖6和圖7所示。

圖5　頻差45 MHz時(shí)探測(cè)器輸出信號(hào)

圖6　頻差47 MHz時(shí)探測(cè)器輸出信號(hào)

圖7　頻差50 MHz時(shí)探測(cè)器輸出信號(hào)

得到結(jié)論如下：

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

② 補(bǔ)償超過(guò)±5 GHz的多普勒頻移，可根據(jù)衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)計(jì)算多普勒補(bǔ)充信號(hào)，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(yù)先將頻差引入光鎖相環(huán)的捕獲帶。

4　結(jié)束語(yǔ)

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