高速BPSK相干光通信系统对激光器线宽要求.pdf

收稿日期:2009 10 12;修回日期:2009 12 24高速 BPSK 相干光通信系统对激光器线宽要求徐争放(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)摘要文章概述了激光器相位噪声对零差相干检测光通信系统性能的影响，对特定的基于平衡探测的科斯塔斯(Costas)环路接收系统相位误差进行了详细的理论分析，最后获得了不同传输码速率下的零差相干检测光通信系统对激光器线宽的具体要求。关键词激光通信相干检测锁相环(PLL)0引言光通信系统因其本身具有的巨大带宽、好的方向性及可以无线连接而受到关注。另外，激光系统的体积小、质量轻、功耗低等优点以及空间激光链路抗截获能力强、保密性好的特点，其在特定领域的应用越来越受到关注1。随着激光技术的飞速发展，实用的无线激光通信系统也从最初的强度调制/直接检测逐渐向相位调制/相干检测过渡2 5。相对于直接探测系统，相干检测系统的条件要苛刻得多，所有这些限制条件为系统换来的最大好处是极大地提高了系统的灵敏度。其中，对高稳定度、极窄线宽的本振激光源就有很严格的要求。目前，受限于激光器发射功率、频率稳定度及线宽，对激光相干技术的研究将更多的注意力放在1064nm 和 1550nm 两个波段。文章将以特定的平衡探测、零差接收系统为研究对象，对激光器线宽与传输码速率的相互关系进行简单的讨论。1激光器相位噪声对零差检测光接收系统性能的影响光通信系统与电通信系统比较，载频与信息信号带宽方面有巨大差异，导致在光通信系统中会提出特定的技术问题。例如光通信领域，相干常用来描述存在本机振荡器光波叠加到输入信号的系统，并不要求一定要恢复、利用载波的相位、频率进行解调和检测，这一点与经典相干通信系统的含义不同;在电学领域，载波线宽的概念很少被提及，主要是因为它的线宽可低至几分之一赫兹。而根据半导体激光器的工作原理，即使对于单频激光器，由于受到相位噪声的影响，发射的信号也不能用纯正弦波来表征，其大小是用激光器的线宽来评判的，换言之，激光器相位噪声的大小与其线宽直接相关。在文献 6中，将激光器的噪声频谱根据不同的物理现象分为 3 个主要的区域:激光器温度波动产生的闪烁噪声、对应于激光器腔谐振频率的张弛频率噪声、及处于闪烁噪声和张弛频率噪声之间比较平坦的白频率噪声。在实际系统中，闪烁噪声将导致低频成份(慢变部分);张弛频率噪声位于比系统带宽高得多的频率上，其对激光器相位噪声的影响由于频率、相位的积分关系而大大减弱;白频率噪声的影响是最为关键的。基于白频率噪声影响的设定，激光器发射的未调制信号可以表示为:es(t)=Esej w0t+(t)，其中，(t)为零均值白高斯噪声，其功率谱密度为 2v，可以获得激光器输出谱为罗伦兹线形的结论(v 是激光器的谱线宽度)，与实际测试结果相符，这也进一步6空间电子技术SPACE ELECTRONIC TECHNOLOGY2011 年第 1 期证明了白频率噪声影响的重要性。在相干光通信的同步系统中，检测过程利用了载波的相位。由于信号源本身受到相位噪声的严重影响，同步检测系统甚至会出现利用信号功率的增加也无法减小误码率的情况，即系统出现误码率本底。针对本机振荡器参考信号不准确相位对 PSK系统性能的影响，参考文献 6 中有明确的结论，如图 1 所示。图中给出了不同相位误差(相位误差的标准偏差用 e表示)下，误码率与比特光子数表示的接收信号功率之间的关系。图 1不同相位噪声偏差下，零差 BPSK 接收系统误码率与比特光子数的关系根据图 1 可以获得激光器相位噪声对零差检测的光接收系统的影响情况。图中每条曲线大致可以分为 2 个部分:前半部分误码率随着接收信号功率的增加迅速减小、后半部分误码率随着接收信号功率的增加几乎没有变化，即出现误码率本底;激光器相位噪声越大，本底误码率值出现得越早。特别是激光器相位噪声越大、本底误码率值出现得越早这一特点，将是零差 BPSK 载波跟踪光通信系统的一个基本限制。2相位误差对基于平衡探测的 Costas环路接收系统的相关分析在零差探测的激光相干接收系统中，常用于恢复载频的方法包括残余载波跟踪环路、判决驱动环路、Costas 环路法，以上几种方法各有优缺点。文中主要选择基于平衡探测的 Costas 环路接收系统，对系统的相位误差进行分析。基于平衡探测的 Costas 环路接收系统的原理图如图 2 所示。用于载频恢复的组成部分主要包括:桥接器(2 4)、平衡接收单元、乘法器、环路滤波器、压控振荡器(本振光源)等。图 2BPSK 的 Costas 零差检测系统的原理图在 2 束光完全满足相干条件的情况下，信号光用 es(t)表示，其中，a 代表需传输的信息，本振光用eLo(t)表示，在混频面上合成后的功率表达式用 P(t)表示，相干过程理论上可由式(1)(3)表示。es(t)=aEsejw0t+(t)(1)其中，(t)表示相位噪声。eLo(t)=ELoejw0t(2)p(t)=|es(t)+eLo(t)|2=PS+PLo+2aPSP槡Locos(t)(3)基于平衡探测的 Costas 环路接收系统的工作过程描述如下:假设2 4 桥接器对输入信号功率的分配情况为 K1(0及 180的和信号功率)、K2(90及 270的和信号功率)，经平衡探测后的输出信号分别为 V1(t)、V2(t)，rl为负载电阻，R 为探测器响应度。V1(t)=4rlRK1aPSP槡Locos(e(t)+NT1(t)(4)V2(t)=4rlRK2aPSP槡Losin(e(t)+NT2(t)(5)e(t)表示输入信号与本振信号总相位误差，光电探测过程的散粒噪声 NT1(t)的频谱密度为K1qr2lRPLo，NT2(t)的频谱密度为 K2qr2lRPLo。经两路相乘，略去噪声高次项，输出电压表达式为:72011 年第 1 期徐争放:高速 BPSK 相干光通信系统对激光器线宽要求Vd(t)=8r2lR2K1K2a2PSPLosin(2e(t)+N(t)(6)N(t)的频谱密度为:4r3lR2k1k2apsp槡LoqPLocos(e(t)+4r3lR2k1k2apsp槡LoqPLOsin(e(t)(7)在相位误差项较小时，Vd(t)可表示为:Vd(t)=Kde(t)+N(t)(8)Kd=16r2lR2K1K2a2PSPLO(9)对照整个环路，如果用 F(P)代表滤波器的传函，K0代表压控振荡器的灵敏度，锁相环路的线性化相位模型可以如图 3 所示。其中，N(t)为接收信号相位噪声，C(t)为本振产生的相位噪声。与一般的锁相环路没有区别，可以利用已有锁相环的相关结论。图 3基于平衡探测的 Costas 环路接收系统的线性化相位模型这时环路相位误差可以表示为:e(f)=N(f)1 HPLL(f)N(f)HPLL(f)Kd(10)其中，HPLL(f)表示环路的闭环传输函数。由表达式(10)可以看出，环路的干扰源主要有2 项:相位噪声项 N(F)和相加噪声项 N(f)。基于相位噪声和相加噪声过程的独立性，可以分别对相位误差项和相加噪声项的影响进行分析。1)相位噪声的影响令 N(f)=0，计算由相位噪声引起的相位误差的功率频谱:GPN(f)=GN(f)1 HPLL(f)2(11)其中，GN(f)为相位噪声的功率频谱。相位误差的方差表示为:2PN=GN(f)1 HPLL(f)2df(12)假定发射激光器和本振激光器的相位噪声相等，总相位噪声的功率频谱为:GN(f)=GN(f)(j2f)2=vf2(13)相位误差方差为:2PN=v|1 HPLL(f)|2f2df(14)在采用一阶有源滤波器、环路增益很高时7，相位误差方差表达式为:2PN=(1+42)v82BPLL(15)代表一阶有源环路的阻尼系数，BPLL表示环路噪声带宽。2)相加噪声的影响令 N(f)=0，计算由环路相加噪声引起的相位误差的功率频谱。GSN(f)=Gnt(f)|HPLL(f)|2K2d(16)其中，Gnt(f)为相加相位误差的功率频谱，Gnt(f)对应表达式(6)中的 N(t)项。相位误差方差为:2SN=Gnt(f)|HPLL(f)|2K2ddf=4r3lR2K1K2aPSP槡LO*qPLOK2d*|HPLL(f)|2df=q64R2rlK1K2PSP槡LOPS*BPLL=TBPLL64NRRrlK1K2PSP槡LO(17)式(17)中，1/T 表示系统的传输码速率，NR代表比特光子数。3)总环路相位误差总方差根据上面相位噪声和相加噪声的分析，可以求得相位误差的总方差:2e=2PN+2SN=(1+42)V82BPLL+TBPLL64NRRK1K2PSP槡LO(18)式(18)对 BPLL求导并令其为零，得到环路噪声的最佳值:8空间电子技术2011 年第 1 期BPLLopt=(1+42)V82*1T64NRRK1K2PSP槡槡LO(19)将(19)式代入(18)式，得最小相位误差方差:2emin=2*(1+42)V82*T64NRRK1K2PSP槡槡LO(20)定义 2M为系统能容忍的 2emin最大值，可以获得参数 vT 的上限:VT4M*24NRRrlK1K2PSP槡LO(1+42)82(21)上面的表达式不结合实际系统无法作进一步的计算，下面结合实际进行进一步分析。3高速 BPSK 相干通信系统的线宽需求为了能够获得激光器线宽的具体数值，通过给定一个接收系统的各种参数，来进一步确定激光器线宽。各参数设置如下:确定 PLL 的阻尼系数值。考虑噪声带宽和捕获速度两方面的因素，选择 为 1/槡2;误码率设计。确定为 109;系统承受的功率代价及由相位误差导致的功率代价。根据图 1 所示，系统承受的功率代价取为0 5dB，M取为 0 175rad，NR等于 12，根据实际情况，R 取为 0 75A/W;Costas 环路导致的分光使得系统必须付出的功率代价，取 K1=K2=0 5;对于 PS和 PLO的选择，参考国外相关系统8，设置 PLO为 5mW，结合比特光子数、功率代价及分光情况，计算获得所需接收 PS如表 1 所示。表 1计算得到的 PS值传输码速率(Gbit/s)12345678910PS功率/dBm56 453 551 750 549 548 748 147 547 046 5根据式(21)，结合上面给出的各种参数，可以获得图 4 的传输码速率和激光器线宽要求关系。图 4传输码速率和激光器线宽要求关系4结束语文中对特定的基于平衡探测的科斯塔斯(Cos-tas)环路接收系统相位误差进行了详细的理论分析，在设置了诸多相关参数的基础上获得了不同传输码速率下的零差检测相干光通信系统对激光器线宽的具体要求。但文中对系统性能的分析及系统参数的设置还是比较理想的，例如没有考虑接收光、本振光的偏振态问题，光桥接器的插入损耗，光电转换后的放大器性能等，这一点需要予以说明。参考文献 1 Arnon S，Rotman S R，Kopeika N S Bandwidth maximi-zation for satellite laser Communication J IEEE Transon Aerospace and Electronic Systems 1999，Vol 35，No 2:675 682 2Nielsen T T，Oppenhaeuser G In orbit test result of anoperational optical intersatellite link between ARTEMISand SPOT 4 J SILEX SPIE，2002，Vol 4635:1 15 3 Perlot N，Knapek M，Giggenbach D Results of the opti-cal downlink experiment KIODO from OICETS satellite tooptical ground station Oberpfaffenhofen(OGS OP)J SPIE 2007，Vol 6457，645704 1:8(下转第 26 页)92011 年第 1 期徐争放:高速 BPSK 相干光通信系统对激光器线宽要求Array Fed Focusing Imaging Double Reflector Limited Scan AntennaZhang ZhenjieLi Zhengjun(China Academy of Space Technology(Xian)，Xian 710000，China)AbstractThe configuration and radiation features of Ka band array-fed focusing imaging double reflector ispresented in this paper Through the conjugate function of ellipsoidal subreflector，the phased array aperture ismapped to the main paraboloidal aperture to obtain a larger aperture equivalent phased array Simulations show thatthe element secondary field shaped like a“gate”with flat-top characteristics which can degrade grating lobe Final-ly，the scanning beams have been achieved by combining CFM with Taylor circular aperture distribution based onthe superstitions of array patterns，and the beam width and gain is superior to the same scale direct arrayKey wordsFocusing imaging double reflectorArray-FedLimited scanCFM(上接第 9 页)4 Lange R，Czichy R，Giggenbach D 142 km，5.625Gbit/sfree-space optical link based on homodyne BPSK modula-tion J SPIE 2006，Vol 6105，61050A 1:9 5 Smutny B，Sterr U，Czichy R In-orbit verification of op-tical inter-satellite communication links based on homo-dyne BPSK J SPIE 2008，Vol 6877，687702-1:6 6Kazovsky L，Benedetto S，Willner A，著 张肇仪，张梓华，徐安士，译 光纤通信系统 M 北京:人民邮电出版社，1999 7 张厥盛，郑继禹，万心平 锁相技术 M 西安:西安电子科技大学出版社，1994 8 Wandernoth B，Franz J Realization of a coherent opticalBPSK heterodyne transmission system with 565Mbit/s at1064m J SPIE 1991，Vol 1552:194 198作者简介徐争放1973 年生，1995 年毕业于陕西工学院无线电专业，2003 年获西安科技大学通信与信息工程专业硕士学位，工程师。目前主要从事光通信方面的研究。The Requirement of Laser Linewidth for High-speedBPSK Homodyne CommunicationXu Zhengfang(China Academy of Space Technology(Xian)，Xian 710000，China)AbstractThis paper briefly describes the effect on the laser phase-noise to the optical homodyne coherent re-ceiver In theory，the detailed analysis of the phase-error with the specifically balanced Costas-type PLL receiver isgiven Finally，the laser linewidth requirement about the optical homodyne coherent receiver is obtained at differentbit ratesKey wordsOptical communicationCoherent detectionPhase-locked Loop(PLL)62空间电子技术2011 年第 1 期