楊 靜,呂曉萌,陳少勇,楊 燁,蔚增禧,崔 巖,李文亮,喬 瀾

(1.中國電子科技集團公司第二十九研究所,四川 成都 610029; 2.四川省寬帶微波電路高密度集成工程研究中心,四川 成都 610029)

1 引 言

空間激光通信憑借其高速數據傳輸能力、極高接收靈敏度,已成為未來高速星間通信重要的技術手段。光通信技術經過幾十年的發(fā)展至今碩果累累,以提高靈敏度、通信速率為核心目標,總共經歷了五代技術改進[1]。光通信按探測體制分為直接探測與相干探測,前者光電探測器響應信號光的強度,而后者響應信號光與本振光混頻后的強度,通常本振光強度遠大于信號光,因而相干探測比直接探測具有可觀的相干增益,所以在摻鉺光纖放大器(EDFA)發(fā)明之前,相干探測靈敏度遠高于直接探測,因而在前三代光通信系統中,相干探測是主要技術發(fā)展焦點。相干探測雖然具有極高靈敏度,但系統復雜,對激光器線寬、數字信號處理器(DSP)速度等要求較高。1990年EDFA出現后,信號光不需要通過光-電-光中繼器周期性再生,而是直接在光域上放大且不用考慮插損,這使直接探測的靈敏度大大提高,且結合波分復用(WDM)通信速率也大大提高達到Tbps量級,因而系統簡單、對器件要求不高的直接探測成為發(fā)展熱點,此即第四代光通信系統。

到目前最先進的第五代光通信系統,為適應現代社會對通信網絡速率要求的不斷提高[2],且受益于窄線寬激光器、高速數模轉換器(DAC)、DSP的發(fā)展,譜效率更高的相干探測再一次成為研究熱點,調制格式由低階調制發(fā)展到高階調制,即一個符號代表多個比特,譜效率由第四代系統的0.8 bps/Hz以下,發(fā)展到8 bps/Hz以上。

除了技術體制上的改進,隨著人類社會發(fā)展通信場景也趨向多樣化,因而脫離開光纖傳輸介質而通過自由空間傳輸的空間相干激光通信逐漸成為當前研究熱點[3]。由于光纖通信需要在通信雙方鋪設光纜,受限于成本、地形等存在一定局限性,而空間激光通信傳輸介質為自由空間,應用場景局限性大大降低,且真空傳輸不存在光纖中的色散問題,因而數據處理更簡單快速。在諸多應用場景中,通過將大量通信衛(wèi)星發(fā)射至太空組網,實現覆蓋全球的高速通信網絡,對民用、軍用領域都具有巨大吸引力而受到較大關注。

本文對高階調制的QPSK空間相干激光通信技術進行研究,第一章詳細介紹系統鏈路結構:包括發(fā)射端、自由空間傳輸、接收端,第二章概述相干鏈路原理,通過在發(fā)射端將二進制數字信號調制到光載波上,并在接收端相干解調實現雙方通信,第三章針對空間鏈路進行數字化仿真分析,從而得到信號星座圖,并在實驗室搭建相應鏈路完成實驗驗證,根據仿真結果搭建相應通信鏈路,在輸入光功率為-45 dBm、-48.5 dBm時,經測試得到相應星座圖EVM分別為17.8 %、24.4 %,與仿真結果較符合。

2 QPSK空間相干激光通信鏈路結構:

本文設計的QPSK空間相干激光通信基本鏈路如圖1所示。

圖1 QPSK空間相干激光通信鏈路結構

通信雙方分為發(fā)射端和接收端,連接線條的箭頭方向代表信號流向,其中實線代表光纖,承載光信號傳輸;虛線代表電纜,承載電信號傳輸。發(fā)射端包含:窄線寬激光器、QPSK調制器、驅動放大器、高功率EDFA、發(fā)射光學天線,接收端包括:接收光學天線、低噪聲EDFA、本振窄線寬激光器、光混頻器(hybrid)、平衡探測器、DSP。

對于發(fā)射端的鏈路,窄線寬激光器發(fā)出激光作為光通信載波,調制電信號經過驅動放大器放大以滿足調制器半波電壓要求[4],通過QPSK調制器將要傳輸的電信號加載到激光相位上,調制后的信號光經高功率EDFA進行受激放大,放大后的信號光由發(fā)射光學天線準直擴束,擴束后輻射至自由空間。

對于接收端的鏈路,由接收光學天線部分接收空間信號光至接收端低噪聲EDFA,經該EDFA放大后的信號光與接收端本振窄線寬激光器發(fā)出的激光(本振光)合束,信號光與本振光間的頻率差可實時反饋補償[5],經過90°hybrid,得到本振光與信號光四組不同相位關系的混頻光,然后四組混頻光經過兩個平衡探測器得到I、Q兩路電信號,經過DSP 對接收的信號進行正交歸一化、時鐘同步、頻偏估計、相位估計等處理[6],即可解算出原始調制數字信號,從而實現雙方高速通信。

3 QPSK相干激光通信原理

相干激光通信主要包括發(fā)射端的信號調制、接收端的信號解調兩個核心部分,其功能分別是將二進制電信號調制到光載波的相位上、將光載波相位攜帶的信息解調恢復到二進制電信號,接下來分別闡述其工作原理。

3.1 調制原理

對于發(fā)射端,由IQ調制器實現電信號QPSK調制,其調制器結構和原理[7]如圖2所示。

圖2 IQ調制器原理圖

圖2(a)中I、Q兩臂調制信號uI(t)、uQ(t)為放大后的數字電信號,則輸出光場為:

Eout(t)=E0cos(2πf0t+θs)

(1)

其中E0為光場幅度;f0為激光載波頻率;θs的取值與I、Q兩路數字電信號取值對應關系為表1。

表1 調制信號映射表

Vπ為調制器的半波電壓。由此,I、Q兩路二進制數字電壓信號,通過電光調制器轉化為光場的相位信息,并體現為載波相位的四個象限變化,如圖2(b)所示,稱為信號的星座圖。

3.2 解調原理

對于接收端,通過hybrid及兩個平衡探測器得到解調后的I、Q兩路電信號:

VI=V0cos(θs),VQ=V0sin(θs)

(2)

其中,V0為探測器輸出電信號幅度,則解調電信號與調制光場的相位關系如表2所示。

表2 解調信號映射表

與表1存在一一對應關系,通過映射譯碼,即可解調出原始二進制數字信號。

4 QPSK空間相干光通信鏈路仿真和實驗

根據圖1,在仿真軟件中搭建相應的仿真鏈路如圖3所示。

圖3 仿真鏈路圖

圖3中上部為發(fā)射端(Transmitter)、自由空間(Free Space),下部為接收端(Receiver),其中誤碼率測試設備發(fā)射偽隨機數字信號作為信號源,并與接收端解調的數字信號對比,從而得到誤碼率,同時在鏈路中加入了噪聲源模擬鏈路噪聲,加入濾波器模擬鏈路帶寬,并濾除鏈路中高頻噪聲以提高信噪比。

器件參數為:通信速率2.5 GHz,發(fā)射端激光器線寬10 kHz,出光功率為10 dBm,波長為1550 nm;發(fā)射端的高功率EDFA噪聲系數7 dB,出光功率為32 dBm(約1.6 W);發(fā)射光學天線口徑40 mm,束散角60 urad;自由空間距離為6000 km,設置為真空環(huán)境,對應的空間損耗為77 dB,此時接收端入射光功率為-45 dBm;接收端的本振窄線寬激光器光功率0.5 dBm,波長為1550 nm,線寬為10 KHz;低噪聲EDFA的線寬2 nm,探測器帶寬為2 GHz,DSP濾波帶寬為2.5 GHz的0.75余弦滾降濾波器?？勺儏禐?接收端入射光功率Pr(通過調節(jié)發(fā)射端EDFA增益調節(jié))、接收端EDFA增益倍數G和噪聲系數NF(本文未特別說明情況下,均指接收端EDFA的增益倍數和噪聲系數)、探測器響應度R。

接下來研究各可變參數的影響。首先研究Pr的影響。根據實驗條件,設定G為30 dB,NF為6 dB,R為0.8 A/W下,研究接收端在不同Pr下的星座圖,仿真得到星座圖如圖4所示。

圖4 仿真星座圖

其中星座圖的橫坐標為I路信號幅度,縱坐標為Q路信號幅度,每個時刻采集到的I、Q信號對應星座圖上的一個點,將一段時間持續(xù)采樣得到的I、Q信號畫出,就得到信號的星座圖。理論上星座圖為四個象限上四個點如圖2b所示,由于系統各器件引入的噪聲,如光放大器的自發(fā)輻射噪聲、探測器的熱噪聲、散粒噪聲等,退化為四組離散點云。通過判定信號處在星座圖象限的位置,則可以得到表2中θs取值,從而得到I、Q數字信號的取值實現雙方通信。

衡量通信系統的直接參數為誤碼率,然而由于計算機性能有限,當誤碼率較低時無法通過數字信號的碼流對比得到準確的誤碼率,比如對于10-7的誤碼率,理論上需要計算107個碼元才能得到一個誤碼,且由于統計誤差,往往需要更多誤碼的出現才能更準確得到誤碼率,因而通常通過星座圖信號質量(或信噪比)來衡量系統性能,表征信號星座圖信噪比的物理量為誤差矢量幅度(EVM),其計算方法為[8]:

(3)

其中,N為總的計算EVM的信號碼元數;xiyi且分別為第i個碼元的橫縱坐標值,且有:

(4)

EVM越小表明星座圖各象限點云越集中,信號質量越好。經過仿真得到,圖4中的EVM分別為16.9 %和23.6 %,可見隨著Pr的升高,EVM降低,因而要求系統Pr越高越好。

此外,通過EVM可以理論估計系統比特誤碼率(BER),兩者關系為:

(5)

erfc為補余誤差函數,每一個符號由I、Q兩路碼元共同決定,則總符號誤碼率(SER)為:

SER=1-(1-BER)2≈2×BER

(6)

相應變化曲線圖如圖5所示。

圖5 SER與EVM的關系

可見EVM為16.9 %和23.6 %時,估計符號誤碼率約為3.27×10-9和2.26×10-5,不考慮其他情況如前向誤碼糾錯(FEC)等,如果要求系統SER小于10-7,則EVM不得大于20 %。

其次,研究G和R的影響。當Pr為-45 dBm且NF為6 dB時,僅改變G,給出當響應度分別為0.5 A/W和0.8 A/W時的,EVM隨G的變化趨勢如圖6所示。

圖6 EVM與G的關系

可見EVM隨G增大而逐漸降低趨于最小值,而探測器響應度R對此最小值影響不大,只影響EVM隨G變化趨勢,從而可合理設定接收端EDFA的增益倍數G,使得EVM接近最小值。最后,研究NF的影響。在Pr為-45 dBm時,設置接收端的低噪聲EDFA的NF在5、3、1 dB下,經仿真后得到的星座圖如圖7所示。

圖7 仿真星座圖

可見隨著NF的降低,EVM降低,因而要求接收端EDFA的NF越小越好,在保偏系統中其理論極限值為0 dB。

根據仿真結果,我們設計并搭建了空間光通信的相干激光鏈路,其中器件參數與仿真設置值接近。接收端EDFA輸出光功率固定為10 dBm,采用空間插損方式模擬真空環(huán)境中的衰減量,由于光纖較短,級聯光纖帶來的色散可以忽略,因而可以近似模擬真空傳輸。本激光相干通信采用全保偏方式實現,為慢軸對準方式。接收端EDFA的NF為6 dB。調節(jié)光衰減器使得Pr等于-45 dBm和-48.5 dBm,實驗得到的處理后的信號星座圖如圖8所示。

圖8 實驗星座圖

以圖8(a)為例,四個象限圓圈里的點云為處理后的信號,其余點為數字信號的上升、下降沿處采樣到的軌跡,不納入EVM計算范圍,經過計算得到EVM分別為17.8 %,24.4 %,與圖4仿真結果EVM 16.9 %、23.6 %較符合,驗證了本文所設計的QPSK相干光通信鏈路實際工程應用的可行性和合理性。值得注意的是,圖中未歸一化顯示信號幅度,所以圖8(b)入射光功率降低時,信號幅度相應降低。

5 結 論

本文設計并搭建了一套QPSK相干激光通信系統鏈路,依次對其進行原理分析、仿真、實驗驗證。首先,以表征信號誤碼率的星座圖EVM為指標,仿真分析了接收端入射光功率Pr、接收端EDFA增益倍數G和噪聲系數NF、探測器響應度R的影響,在G增大時,EVM逐漸趨近于最小值,R對此最小值影響不大,只影響EVM隨G變化趨勢,該最小值主要由Pr和NF共同決定,且Pr越大、NF越小,此最小值越小,因而兩者作為后續(xù)系統優(yōu)化的重點關注參數。其次搭建實驗鏈路,該鏈路可實現發(fā)射功率為1.6 W時6000 km級的空間激光通信,當接收端輸入功率Pr分別為-45 dBm、-48.5 dBm時,測得EVM分別為17.8 %、24.4 %,與仿真結果16.9 %、23.6 %較符合,驗證了本文所設計的QPSK相干激光通信鏈路實際工程應用的可行性和合理性,對空間相干激光通信的研究具有理論、工程參考意義,為后續(xù)繼續(xù)提高通信速率、靈敏度等打下基礎。