李金鋮，羅 輝，吳晗平?

（1 武漢工程大學(xué)光電信息與能源工程學(xué)院 武漢 430205 2 武漢工程大學(xué)光電子系統(tǒng)技術(shù)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(yuǎn)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(shù)在構(gòu)建空天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)海量對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)效傳輸，突破通信速率瓶頸等方面取得階段性進(jìn)展[2]。空間激光通信系統(tǒng)具有高速率、輕小型等特點(diǎn)，可作為衛(wèi)星的有效載荷，其通常搭載在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，以激光器為光源，并以小束散角發(fā)射，實(shí)現(xiàn)高速率、遠(yuǎn)距離信息傳輸。

空間激光通信調(diào)制技術(shù)作為空間激光通信系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)，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(shù)的原理，從提升系統(tǒng)調(diào)制效率的角度考慮，詳細(xì)描述各種光調(diào)制格式及其原理，并對(duì)空間激光通信系統(tǒng)在未來應(yīng)用中的發(fā)展趨勢(shì)和面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行分析[3]。

1 空間激光通信調(diào)制技術(shù)原理及分類

1.1 空間激光通信調(diào)制技術(shù)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(cè)器，光接收機(jī)進(jìn)行鑒別并解調(diào)攜帶的信息，從而實(shí)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(shí)電場(chǎng)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(hào)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(shù)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(hào)的形式，可分為模擬信號(hào)調(diào)制和數(shù)字信號(hào)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(duì)關(guān)系，可分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制；按照工作機(jī)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(duì)激光調(diào)制的特征參數(shù)進(jìn)行討論，主要包括強(qiáng)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(jìn)制開關(guān)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(dāng)發(fā)送幅度高時(shí)，發(fā)送載波頻率，否則不傳輸載波頻率。OOK 信號(hào)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(guān)函數(shù)。

現(xiàn)階段成熟的空間激光通信系統(tǒng)技術(shù)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(yùn)用于強(qiáng)度調(diào)制/直接探測(cè)IM/DD（Intensity Modulation/Direct Detection）。其顯著特點(diǎn)是低功耗，能產(chǎn)生相對(duì)較高的比特率，但受到探測(cè)靈敏度低等因素的限制，很難實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離或超高速激光通信。

1.2.2 時(shí)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(shí)間維度的調(diào)制格式。通過調(diào)制信號(hào)來控制載波，造成脈沖時(shí)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(yàn)中，PPM 調(diào)制得到廣泛運(yùn)用。PPM 的類型可細(xì)分且各有優(yōu)缺點(diǎn)。

單脈沖位置調(diào)制LPPM 是將二進(jìn)制的n位數(shù)據(jù)組映射到2n個(gè)時(shí)隙上的某一個(gè)時(shí)隙處的單個(gè)脈沖信號(hào)。L-PPM 的映射編碼關(guān)系為：

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

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

表1 幾種常見的時(shí)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(hào)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(duì)變化傳遞信息的絕對(duì)相移；二是利用前后相鄰碼元載波相位的相對(duì)變化傳遞信息的相對(duì)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(hào)表示為：

其中，碼位為“1”時(shí)取正，碼位為“-1”時(shí)取負(fù)。

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(diǎn)是簡單實(shí)用、抗衰弱能力較強(qiáng)；缺點(diǎn)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(yùn)用得較少，主要分為二元頻移鍵控調(diào)制（BFSK）、多進(jìn)制頻移鍵控和最小頻移鍵控（MSK）等。

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

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

MSK 是恒定包絡(luò)連續(xù)相位頻率調(diào)制，其信號(hào)的表達(dá)式為：

依式（6）可知，MSK 信號(hào)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(shù)中的研究熱點(diǎn)。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(jìn)行信息傳輸?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié)是激光偏振態(tài)的調(diào)制解調(diào)技術(shù)。在近地空間激光通信系統(tǒng)中，為了減少湍流大氣中光強(qiáng)閃爍對(duì)光通信鏈路的影響，可通過將線偏振光與起偏器、檢偏器結(jié)合，控制入射激光功率來實(shí)現(xiàn)[6]。偏振調(diào)制有多種分類，機(jī)械調(diào)制憑借機(jī)械帶動(dòng)偏振片、波片的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)；電光調(diào)制憑借材料的電光效應(yīng)實(shí)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(guān)鍵技術(shù)

激光是一種光頻段的電磁波，其頻率遠(yuǎn)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(shí)隨著光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，激光調(diào)制技術(shù)不斷取得突破，除了基礎(chǔ)的激光調(diào)Q 技術(shù)、鎖模[9]等技術(shù)外，很多相關(guān)的調(diào)制關(guān)鍵技術(shù)同樣得到發(fā)展，主要有：

①自動(dòng)偏置控制技術(shù)。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(yīng)用，其特點(diǎn)是低電壓、插入損耗較低、傳輸帶寬高且在復(fù)雜環(huán)境下性能穩(wěn)定。然而，由于外部電場(chǎng)的漂移、復(fù)雜環(huán)境中溫度的劇烈變化以及輸入和發(fā)射射頻信號(hào)的正常波動(dòng)，鈮酸鋰電光調(diào)制器會(huì)引起鈮酸鋰介質(zhì)的熱積累效應(yīng)和調(diào)制器工作點(diǎn)的漂移，導(dǎo)致發(fā)射射頻信號(hào)失真，嚴(yán)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(diǎn)，需要對(duì)鈮酸鋰電光調(diào)制器的偏置電壓進(jìn)行自動(dòng)控制。其中，偏壓控制電路可有效進(jìn)行自動(dòng)跟蹤和控制直流偏壓，并通過監(jiān)測(cè)調(diào)制特性曲線及時(shí)調(diào)整直流偏壓值，使調(diào)制器始終在最佳工作點(diǎn)穩(wěn)定工作，確保最佳調(diào)制性能[11]。

② 自動(dòng)增益控制技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)。它的存在是為了保證電光調(diào)制器的高效運(yùn)作，保護(hù)輸入驅(qū)動(dòng)電信號(hào)在通信過程中可調(diào)控并不受外界的影響。自動(dòng)增益控制可以控制電光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)電壓，使電光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)電壓的增益自動(dòng)地隨信號(hào)強(qiáng)度而調(diào)整，進(jìn)而調(diào)整驅(qū)動(dòng)器的增益。

③調(diào)制轉(zhuǎn)移穩(wěn)頻技術(shù)。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(dǎo)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(shù)來抑制激光波長漂移。技術(shù)思路是利用在共振頻率處原子與激光會(huì)發(fā)生損耗導(dǎo)致信號(hào)誤差，通過激光器對(duì)其進(jìn)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(shù)。高階調(diào)制可攜帶多個(gè)bit 信號(hào)，最早應(yīng)用于地面光纖通信，目的是在技術(shù)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(huì)受到空間輻射、衛(wèi)星振動(dòng)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(duì)高階調(diào)制技術(shù)在衛(wèi)星平臺(tái)上的發(fā)展和應(yīng)用提出了新的要求，需要進(jìn)一步提高光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理等方面的能力[13]。

⑤ 非線性補(bǔ)償技術(shù)。在激光調(diào)制過程中，會(huì)發(fā)生傳輸信號(hào)非線性失真，需要進(jìn)行非線性補(bǔ)償?？尚蟹椒ò娐奉A(yù)失真補(bǔ)償和光線性化補(bǔ)償，電路預(yù)失真補(bǔ)償是利用反正弦函數(shù)在外調(diào)制器前構(gòu)建一個(gè)反函數(shù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，相互補(bǔ)償，使輸出信號(hào)與光強(qiáng)之間的關(guān)系變得線性[14]。光補(bǔ)償方法只需將多個(gè)結(jié)構(gòu)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(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1960 年，世界上第一臺(tái)激光器誕生，利用激光束作為信息載體實(shí)現(xiàn)寬帶通信成為人們追求的目標(biāo)。各國積極研究發(fā)展激光調(diào)制技術(shù)并將其應(yīng)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(shù)的研究方面處于領(lǐng)先地位，引領(lǐng)了全球的發(fā)展[15,16]。經(jīng)過不斷的試驗(yàn)與研究，調(diào)制技術(shù)已經(jīng)充分運(yùn)用到實(shí)際工程之中，同時(shí)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(shù)的發(fā)展主要分兩個(gè)階段。

3.1.1 第一階段：理論發(fā)展及技術(shù)創(chuàng)新

美國林肯實(shí)驗(yàn)室采用功率為30 mW 的商用GaAlAs 半導(dǎo)體激光器，通過FSK 調(diào)制成功實(shí)現(xiàn)終端-終端高碼速率衛(wèi)星通信的演示試驗(yàn)；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(shù)，包括ASK、FSK、PSK 等。其中，GEO-GEO 鏈路的試驗(yàn)顯示：外差PSK 的探測(cè)靈敏度優(yōu)于20 光子每比特。

美國加州理工學(xué)院JPL 實(shí)驗(yàn)室的相干光通信調(diào)制解調(diào)技術(shù)得到突破后，重點(diǎn)研究幅移鍵控ASK 和PSK 調(diào)制，以此擴(kuò)充空間光通信鏈路的信道容量，并在1994 年運(yùn)用OOK 調(diào)制方式研制成功OCD 通信端機(jī)，具備結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、功耗低等特點(diǎn)。

為了實(shí)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(jìn)行合作研究。采用零差BPSK 調(diào)制解調(diào)技術(shù)，并于2000 年發(fā)表文章稱，成功研制零差BPSK 接收機(jī)，大大降低了系統(tǒng)復(fù)雜性。其試驗(yàn)系統(tǒng)碼速率達(dá)到622 Mbit/s，接收靈敏度可達(dá)18 光子每比特，接近13 光子每比特的理論極限[18]。

2020 年，針對(duì)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(shù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(duì)于FSK，在傾角為3°時(shí)發(fā)現(xiàn)BER 增加了10 %，而對(duì)于OOK，僅在傾角為1°時(shí)就顯示出了相同的誤差（100 cm 處測(cè)量），展現(xiàn)了極大的進(jìn)步[19]。

3.1.2 第二階段：技術(shù)驗(yàn)證及在軌試驗(yàn)

在理論與技術(shù)得到發(fā)展與創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，各國積極將理論落地，開展技術(shù)驗(yàn)證與在軌試驗(yàn)。在實(shí)際設(shè)計(jì)運(yùn)用中，根據(jù)應(yīng)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(gè)星間激光通信鏈路試驗(yàn)——半導(dǎo)體激光星間鏈路試驗(yàn)SILEX（Semiconductor Laser Inter satellite Link Experiment）運(yùn)用直接調(diào)制技術(shù)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(shí)現(xiàn)了OOK 調(diào)制技術(shù)在星間通信中的運(yùn)用[22]。

2005 年末，為了驗(yàn)證零差BPSK 相干通信技術(shù)的性能，分析了解星間巨量信息的傳輸體制及大氣信道對(duì)相干鏈路的影響。ARTEMIS 同日本宇航探索局JAXA（Japan Aerospace Exploration Agency）的光學(xué)通信工程試驗(yàn)OICETS（Optical Inter-orbit Communication Engineering Test Satellite）項(xiàng)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(shè)備”LUCE（Laser Utilizing Commu nications Equipment），進(jìn)行了自由空間軌道間的激光通信試驗(yàn)[23]。

2002 年11 月，DLR 資助的項(xiàng)目LCTSX 啟動(dòng)，將用兩個(gè)終端LCTs（Laser Communication Terminal）進(jìn)行星間通信。2007 年4 月23 日，首個(gè)通信終端搭載美國衛(wèi)星NFIRE 升空；2007 年6 月14 日，第二個(gè)通信終端搭載德國衛(wèi)星TerraSAR-X 成功升空會(huì)師。2008 年2 月21 日，LCTSX 采用BPSK 調(diào)制技術(shù)進(jìn)行星間通信，是國際上首次星間相干激光通信試驗(yàn)。此后，為了進(jìn)一步提升空間通信網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸能力，加強(qiáng)星間激光通信的實(shí)用化，ESA 計(jì)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(jìn)入地球軌道，并以BPSK 調(diào)制技術(shù)實(shí)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(shù)的成熟[24]。

② 星地激光通信系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)地月之間的高速激光通信，NASA 于2005 年委托MIT 林肯實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了月球激光通信演示驗(yàn)證試驗(yàn)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(yàn)中，首次實(shí)現(xiàn)了全程無誤碼傳輸。

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

2021 年，NASA 在激光通信中繼演示試驗(yàn)計(jì)劃的基礎(chǔ)上，開展GEO-地面站之間的雙向激光通信試驗(yàn)，同時(shí)驗(yàn)證調(diào)制兼容技術(shù)，其通信制式兼容DPSK 和PPM[27,28]。

2023 年，NASA 將進(jìn)行深空探索發(fā)射“獵戶座”探索飛船，目的是為了實(shí)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(hào)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(jì)劃進(jìn)行深空到地面的激光通信在軌試驗(yàn)，通信系統(tǒng)為深空光通信系統(tǒng)DOCS（Deep-space Optical Communication System），試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是實(shí)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(shù)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(diǎn)是不受無線電干擾、功耗低和保密性好等，缺點(diǎn)是外界環(huán)境與氣候?qū)ζ溆绊戄^大[31]。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定通信需要運(yùn)用抗干擾、高穩(wěn)高精度的調(diào)制技術(shù)，例如美國啟用OCD激光通信系統(tǒng)，采用OOK調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)了較為穩(wěn)定的大氣激光通信，速率可達(dá)130 Mbit/s。整體來說，地面無線光網(wǎng)所需要的調(diào)制技術(shù)多選用非相干/直接調(diào)制技術(shù)，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(shù)的研究起步較晚，但我國科研人員奮起直追，在理論技術(shù)創(chuàng)新與技術(shù)試驗(yàn)方面同步推進(jìn)，完成了多個(gè)星地鏈路的激光通信試驗(yàn)。通過大量研究與試驗(yàn)，實(shí)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(biāo)，取得了良好成果。

3.2.1 技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)驗(yàn)

我國各大學(xué)與研究機(jī)構(gòu)反復(fù)進(jìn)行多種理論與技術(shù)實(shí)驗(yàn)，為實(shí)際在軌試驗(yàn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2018 年，長春理工大學(xué)和浙江大學(xué)合作，采用QPSK 技術(shù)進(jìn)行空間光通信試驗(yàn)。在1 km 的距離上，其調(diào)制單路載波為40 Gbit/s，速率達(dá)到120 Gbit/s[32]。不久，在特定條件下實(shí)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(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)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(xué)、熱學(xué)空間環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，在1 550 nm 波段、口徑100 mm 條件下，實(shí)現(xiàn)了5 Gbit/s 的通信速率[33]。

2020 年，鄭州大學(xué)激光與光電信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成了基于FPGA 的OOK 光通信實(shí)驗(yàn)，收發(fā)電路通信距離達(dá)到12 cm，系統(tǒng)傳輸速率達(dá)到3.125 Mbit/s[34]。

中國臺(tái)灣國立高雄大學(xué)在調(diào)制信號(hào)安全方面取得一定的成果，提出并論證了一個(gè)10 Gbit/s 開關(guān)鍵控空間激光通信系統(tǒng)，并使用偏振復(fù)用進(jìn)行信號(hào)安全操作。利用兩個(gè)偏振方向相互正交的偏振片，將單個(gè)波長分離為兩個(gè)正交偏振信號(hào)，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(dāng)系統(tǒng)注入功率＞-30 dBm 時(shí)，正交偏振信號(hào)FSOp 會(huì)受到嚴(yán)重干擾，以達(dá)到安全保護(hù)的目的。此外，此系統(tǒng)信號(hào)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(xué)，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(biāo)記比調(diào)制，利用PPM 符號(hào)和反PPM 符號(hào)之間的標(biāo)記比差異來傳遞疊加信號(hào)。正交調(diào)制將非幅度調(diào)制信號(hào)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(hào)上，允許在同一波長信道上調(diào)制具有不同比特率的兩個(gè)數(shù)據(jù)流，從而提高頻譜效率[36]。

3.2.2 技術(shù)驗(yàn)證

海洋二號(hào)、墨子號(hào)、實(shí)踐二十號(hào)等多顆衛(wèi)星的成功發(fā)射，對(duì)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(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證[37,38]。

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

2016 年，我國進(jìn)行首次星地高速相干激光通信技術(shù)在軌試驗(yàn)，“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星采用兼容制式調(diào)制技術(shù)，即上行PPM 調(diào)制、下行DPSK 調(diào)制，實(shí)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(gè)QPSK 相干體制的星地激光通信鏈路建立，由2019 年發(fā)射的“實(shí)踐二十號(hào)”衛(wèi)星與麗江光學(xué)地面站構(gòu)成，速率達(dá)到10 Gbit/s，即驗(yàn)證了QPSK 調(diào)制的性能，也象征我國空間激光通信技術(shù)達(dá)到了國際先進(jìn)水平[41]。

空間激光通信調(diào)制技術(shù)的發(fā)展是分階段、循序漸進(jìn)的，先經(jīng)過理論突破和模擬環(huán)境實(shí)驗(yàn)，最后通過實(shí)際在軌試驗(yàn)得到驗(yàn)證并走向成熟。在此基礎(chǔ)上，不同應(yīng)用環(huán)境下的激光調(diào)制技術(shù)也是不同的。如深空遠(yuǎn)距離激光通信大多使用成熟可靠的PPM 調(diào)制技術(shù)；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(shù)。例如，零差BPSK 調(diào)制技術(shù)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(yù)算；星地激光通信要求實(shí)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(shí)必須考慮大氣層對(duì)激光傳輸?shù)挠绊懀虼硕嗍褂眉嫒菔秸{(diào)制技術(shù)，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(duì)激光的吸收與散射、大氣湍流效應(yīng)等，因此常用OOK 調(diào)制技術(shù)。

4 發(fā)展趨勢(shì)

空間激光通信調(diào)制技術(shù)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(chǔ)上，空間激光通信調(diào)制技術(shù)還有以下發(fā)展趨勢(shì)：

①基本調(diào)制格式上進(jìn)行創(chuàng)新。其中，偏振調(diào)制技術(shù)是星地激光通信的一個(gè)發(fā)展方向，目前在空間激光通信中沒有系統(tǒng)地應(yīng)用。該技術(shù)通過調(diào)制器對(duì)傳輸?shù)墓庑盘?hào)偏振態(tài)信息進(jìn)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(jìn)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(lǐng)域進(jìn)行深層次開發(fā)研究。

② 各領(lǐng)域新興技術(shù)與調(diào)制技術(shù)相結(jié)合。航天科學(xué)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(diǎn)，將飛秒激光時(shí)頻傳輸技術(shù)與調(diào)制解調(diào)技術(shù)相結(jié)合，取得了新進(jìn)展，極大地提高了接收端的信號(hào)質(zhì)量和時(shí)頻傳輸精度[43]。同樣，生化環(huán)材等各領(lǐng)域技術(shù)的不斷創(chuàng)新都可進(jìn)行借鑒引用，來推動(dòng)空間激光通信調(diào)制技術(shù)的發(fā)展。

③硬件上可進(jìn)行陣列式排列。為了使空間激光通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度、快速度的通信傳輸，可以在硬件方面優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如，陣列激光信息傳輸是通過對(duì)激光器進(jìn)行不同頻率的調(diào)制信號(hào)來實(shí)現(xiàn)的。可利用硬件電路產(chǎn)生不同頻率的多路調(diào)制波信號(hào)，驅(qū)動(dòng)多個(gè)半導(dǎo)體激光器同時(shí)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(shí)現(xiàn)終端單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(duì)帶寬、功率和誤碼性能的要求不斷提高，傳統(tǒng)上獨(dú)立地基于幅度、頻率、時(shí)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(jié)合，逐漸成為研究熱點(diǎn)[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(yīng)，破壞激光載波的信息，導(dǎo)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(duì)光源進(jìn)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(jié)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(luò)中的重要組成部分，具有十分廣闊的應(yīng)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(shù)是該系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)之一。在今后的工作中，調(diào)制技術(shù)需要進(jìn)一步研究，主要包括以下幾個(gè)方面：

①一對(duì)多、多制式兼容調(diào)制。單目標(biāo)到多目標(biāo)的多制式兼容通信是極具價(jià)值的發(fā)展方向，由于單目標(biāo)到多目標(biāo)，端點(diǎn)式“點(diǎn)-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(jié)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(shù)，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(shí)現(xiàn)空間激光通信系統(tǒng)的規(guī)?；?。

② 進(jìn)一步發(fā)展星上高階調(diào)制技術(shù)。空間激光通信對(duì)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(duì)于高階的調(diào)制技術(shù)來說，為了獲得高質(zhì)量的通信，對(duì)誤差向量幅度的要求也更高，但實(shí)際操作中比較難實(shí)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(shí)也得考慮實(shí)際制造上的難度。

③產(chǎn)品化設(shè)計(jì)。隨著對(duì)高速空間三維通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行不斷的建設(shè)，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(huì)對(duì)空間激光通信的需求有所提高。面對(duì)新的契機(jī)，在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，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(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化做好準(zhǔn)備。