相干光通信Word下载.doc

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利用光频信号在空间传输实现通信被认为是解决该“瓶颈”的最佳方案。

2卫星相干光通信的原理及优势

2.1卫星相干光通信的原理

相干光通信中的“相干”是指光相干接收技术，根据本征激光器和信号光的频率不同，分为零差或外差接收。

图1为相干接收机的基本结构…，光信号经空间传输，由光学天线接收后，接收到的信号光同本征光混频，经光电检测器转换，输出电信号，解调处理，得到信号。

2.2相干光通信的优势

相干光通信具有很多潜在优势，可以提高通信系统性能，接收机灵敏度高，而且能够在电域补偿光传输过程中的信号劣化；

支持多种调制方式，多电平的调制方式可提高光通信链路的数据容量；

波长的选择性好，频分复用方式实现更高速率传输，提升现有光通信的数据容量。

图1相干接收机原理图

3国内外发展现状

卫星相干光通信，由于技术和光电器件的原因，发展不是连续的。

1980年到1990年间，光相干检测技术是通信领域研究的热点，并有一系列相干通信理论文章发表及实验系统相继完成。

但因窄线宽高稳频激光器尚未成熟，不能实现工程上的应用。

1990年到1995年，随光纤通信中光放大器技术的发展，尤其是掺铒光纤放大器的实用化，相干检测原理及应用的研究渐少，各国研究机构都转向了直接检测的光通信系统，并相继实现了低速的星地、卫星间的通信试验。

加世纪90年代末以后，光电器件逐渐成熟，大量关键技术被突破，人们再次转向小型化、高速化相干光通信系统研究。

目前，国外的卫星相干光通信链路已接近工

程应用阶段。

3.1欧洲航空局

欧洲航天局（ESA）最初计划了相干检测的卫星光通信项目，但由于系统必需的激光器尚未成熟，而转向了直接检测的通信系统。

欧洲航空局的星间光通信SILEX项目1986年之前的首选方案为CO2激光器零差系统，然后改用YAG激光器，最后选择了当时器件较成熟的830nm半导体激光，采用了直接检测方式，2001年，该系统实现了卫星间的首次光通信实验。

该系统质量157kg，功耗150W，实现通信速率50Mbps，与微波终端相比优势并不明显。

在1990年，欧洲航天局开始研究固体激光器相干光通信系统，重点是系统设计和器件的研究，完成了YAG固体激光器、光电相位调制器和相干接收机的测试，实现了基于YAG激光器的。

通信演示系统。

实验参数为：

在模拟太空环境下，采用零差数字相移调制（BPSK）／基于Costas环路原则的试验系统，通信速率为140Mbps，误码率为10-8，信噪比为28photons／bit。

1996年，欧洲航天局启动了研究星间相干光通信作为商业项目。

其设计参数为：

采用零差数字相移调制的调制／接收方法，天线尺寸3．5cm，通信速率1．5Gbps，误码率10-6，系统质量小于10Kg，功耗低于40W。

2000年，随着光纤激光器和放大器技术的发展，欧洲航天局SROIL项目组在瑞士SPPOⅡ项目组的协助下，联合开展了光纤放大器和光纤激光器应用于相干卫星光通信的研究。

前期，该项目以YAG激光器和双包层光纤放大器为发射源，单频输出的光纤激光器为本征激光器，重点研究了激光器和放大器的相位噪声特性。

近几年，该项目以光纤激光器为发射光源，研制了基于光纤的相位调制器，其通信速率最高达100Mb／s，为实现器件全光纤化、通信系统集成化打下了基础。

欧洲航天局与德国航天中心（DLR）合作进行卫星光通信研究项目，计划实现星地激光通信中地面站对同步卫星光外差探测：

以窄带、高稳定性YAG激光器为光源，实现了卫星相干通信的理论和实验的验证；

评估了大气效应导致的波前偏差对外差接收机性能的影响；

采用新技术的零差接收机（vie）降低了系统的复杂性。

据2006年7月《激光世界》的报道，德国宇航中心光学地面站（OGS—OP）与日本宇航局进行了“光学轨道间通信工程试验卫星”问的光通信试验。

卫星高度约600km，日德证实光通信成功进行了3min，这意味着利用卫星与移动光学地面站建立灵活的光通信网络的可行性。

图2SROIL终端的装配外形图

3.2美国

美国宇航局（NASA）、加州理工学院喷气推进实验室（JPL）和美国空军支持的麻省理工学院林肯实验室等研究机构是研究卫星光通信最主要的部门。

早在1970年，美国航天局就开始了基于CO2激光器的卫星光通信项目，但由于激光器的原因未能完成通信试验。

美国空军动力实验室采用倍频YAG固体激光器进行了机载飞行试验系统（AFTS），并于1980年在白沙试验场，实现了KC一135飞机与地面站的通信，通信速率达1Gbps，链路距离10km。

从20世纪80年代中期到1994年，林肯实验室建起的高速星问激光通信实验装置（LITE），其主要光源是用商用的30mWa1GaAs半导体激光器，频率调制（FSK）采用外差法成功地实现了终端一终端高码率卫星通信的演示实验。

并且演示了空间捕获和跟踪定位功能。

美国近年来报道的多是地面大气激光系统与检测等关键技术方面的研究。

1999年，JPL重点研究各种调制方式及对应的检测与解调方案量子极限的理论和方法，扩展星间光通信链路的信道

容量。

同时，林肯实验室研究了各种相干通信方案在低轨道星问平台振动条件下的信噪比、误码率等通信性能，并提出了发射功率自适应技术方案，其实验装置通信距离3000km，误码率10-6，传输速率2Gbps。

针对大气扰动对卫星光通信的影响，佛罗里达大学1999年提出了偏振分集的新型相干检测阵列系统，该系统能够消除激光通信中由于大气扰动和目标移动所造成的相位起伏和多谱勒频移，同时解决了光电相位锁定环路所造成的电子电路系统频率瓶颈问题。

在美国国防高级研究计划局（DARPA）的支持下，利弗莫尔国家（LLNL）实验室启动了实现通信、图像及目标追踪等远距离光相干传输项目（CCIT），目标是实现海陆空平台在卫星间环境恶劣的条件下高速、可靠的通信及图像传输。

2003年，CCIT第一阶段的实验系统In采用光纤激光器的主振功率放大系统，高速MEMS空间光调制器，数字的光束控制，全息的相位补偿接收，将自适应光学的相干接收技术应用于常规自适应光学难以适用的强湍流大气。

图3CCIT实验系统结构图

3.3日本

相对美国和欧洲而言，日本在卫星光通信研究方面起步晚，但发展迅速，尤其是通信试验卫星ETS—VI和OICETS的发射，欧洲航天局和美国都利用该卫星进行星间或星地光通信试验。

日本国家宇宙开发事业团（NASDA）自1998年以来进行了大量星间相干光通信的理论研究。

日本国家宇宙开发事业团将1550Bill波段激光应用于卫星相干光通信系统，重点研究了光纤放大器的性能：

发射激光器为1550Bill的分布反馈的激光器（DFB），线宽小于50kHz；

采用掺铒光纤放大器做功放和前放，用窄带滤波器抑制掺铒光纤放大器的放大自发辐射（ASE）噪声，中频部分采用电锁相环补偿多普勒（Doppler）频移，最高速率为2.5Gbps，误码率10-9。

在发射功率500mW条件下，对GEO～GEO通信的模拟实验结果，外差PSK的探测灵敏度优于50photons/bit。

图4OPI'

EL终端通信路径图

3.4商业应用

1997年，Motolora和Teledesic公司合作开始了Teledesic星间链路终端项目，计划建成基于“太空光纤”的全球网络以支持私人与公共用户。

应用于低轨道星座的Teledesic系统，由126颗卫星组成，计划在每颗卫星上加载6个全双工的星间光学终端。

光学终端系统以YAG激光器为发射激光源，24路的光信道实现了通信速率为6．96Gbps，误码率达10-6。

瑞士康特拉夫斯公司（Contraves）在卫星光通信链路技术方面的研究居于国际领先地位，它的一个小组正在开发用于卫星间数据传输的光学终端OPTEL系列，这种光学数据传输系统是基于SRO也项目，并在欧洲航天局研制各关键子系统的基础上建立的。

OPTEL相干光通信终端，利用Nd：

YAG激光器实现双边带同步相位调制，高速同步解调的数字、模拟或数模混合的卫星通信，并能在的“弯管”路径传输（如图4所示），系统设计的通信速率达l～10Gbps。

OPTEL不同系列产品能够满足中低轨道、同步卫星轨道上的卫星间中、长距离链路通信。

3.5国内

我国卫星相干光通信研究刚刚起步，电子科技大学在国内居领先地位，早在20世纪80年代，研究了以CO2激光器为光源的外差大气激光通信系统，并成功完成了60路、960路、宽带数字大气激光相干通信系统和激光频率跟踪系统的研制，为相干光通信的研究打下了基础。

对于新型接收技术，北京大学探索一种采用多量子阱光折变器件的新型相干无线光通信接收方案，与传统方案相比可以省掉繁琐的中频跟踪电子学系统，并对大气光通信传输中常见的波面畸变，偏振面无规律变化及多普勒频移等干扰有所抑制。

4趋势及进展

相干光通信系统发展的最大障碍是窄线宽、高功率的光源技术。

卫星相干光通信研究也因此可分为CO2激光器时代、半导体激光器时代、固体激光器时代、光纤激光器及放大器四个时代。

国际上很多机构都在研究高功率光纤激光器和低噪声光纤放大器，努力开发新一代的卫星光通信系统。

目前，已有KOHERAS、PolarOnyx等几家大公司推出商用的光纤激光器，线宽<

1KHz，残留强度噪声水平<

一115@1MHz。

除了新型高效激光器，新型相干检测技术可以也是系统发展的关键，采用新型检测技术降低光源对系统整体性能的影响，自适应光学、偏振分集等新型接收方法的引入，提高了系统响应速度，更进一步完善其应用。

从卫星相干光通信的研究过程看，由于技术及元器件的影响，系统的关键器件及技术经历了不断改变与适应的过程，卫星光通信从相干接收到直接接收，接着又转向相干接收；

发射激光波段从830nm和1060nm扩展到1550nm。

未来应用光纤通信技术及器件将进一步降低系统成本及复杂性；

近年来，小卫星是卫星星座发展的主要方向，为满足军事和商业的需求，通信系统必须向小型化、低功耗、集成化、高速化。

目前还没有实际应用主要是因为现有的研究项目大都是由政府投资进行一些阶段性的研究，大公司支持的研制机构也较少，缺乏连

续性，许多项目中途终止；

另一方面，已成功的卫星光通信实验系统多是通过多国联合试验实现的，因此系统及器件在太空的测试也受到限制。

利用人造地球卫星作为中继站转发激光信号，具有传输速率高、可利用频带宽、安全性好、可靠性高、保密性强、终端设备体积小、质量轻、功耗低等优点。

卫星相干光通信技术是一种崭新的空间通信手段，关键器件与技术已趋于成熟，只要加大投资力度，实现应用指日可待。