dpsk调制自差动零差相干探测技术克服星地激光通

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1、DPSK调制自差动零差相干探测技术克服星地激光通卫星激光通信经过近20年的发展，在传输码率、天线尺寸、保密性、带宽容量和能耗等多方面展现出相对于无线电通信的种种优越性，并且通信终端机有更小的体积和更轻的质量，具有良好的应用前景。自20世纪80年代以来，卫星激光通信经历了充分的理论论证和全面的地面验证[1—2]。进入21世纪，美国、日本、德国等国家都成功实现了在轨激光通信链路。其中，在2001年11月，欧洲航天局(ESA)实施了SILEX计划[3]，在高轨道通信卫星ARTEMIS和低轨道地面观测卫星SPOT-4之间成功实现了远程星际激光通信，这是世界上首次实现

2、星际激光通信链路，通信体制采用强度调制/直接探测，适合低通信速率应用。为获得更高通信速率，德国空间中心于2008年在低轨卫星TerraSAR-X和NFIRE之间实现了速率为5.6Gb/s的相干激光通信[4]，采用二进制相移键控(BPSK)零差调制，相干探测，提高接收灵敏度。星间激光通信已经达到实用化、商用化水平，但星地激光通信技术_直未能获得突破，是目前天地_体化激光通信X络的瓶颈。星地激光通信面临的首要问题是星地自由空间和大气组成的混合传输信道。大气湍流不仅造成接收端强度的起伏，也会造成接收波前的严重畸变，从而大大降低接收灵敏度和探测效率。为了克服大气扰动

3、对星地激光通信链路的影响，欧洲航天局、德国航天局(DLR)和日本情报通信研究机构(NICT)都开展了相关的理论研究和实地验证实验[5]，目前提出的设想方案有三种：)减小接收孔径。但是这种方法由于无法充分利用孔径平均效应，不能克服光束漂移和闪烁带来的光强波动，使得功率的动态范围过大，增大误码率。目前关于减小接收口径克服大气湍流的研究进展较少。2)采用自适应光学利用可变型镜实时检测、校正接收波面，提高耦合效率。欧洲航天局和德国宇航中心开展了相关的研究工作。但是自适应光学系统需要等晕角大于通信两点的相对角度，同时增加系统复杂度，造价较高。3)采用差分相移键控(DP

4、SK)调制[]，不需要波前补偿技术，不需要本振光，也不需要频率锁定。加载相位信息的接收信号光通过差分结构，一路延迟后在输出端发生干涉解调信息。一种自由空间差分干涉结构接收装置，与文献[]中的4f差分干涉结构相比中，该结构紧凑简单，适合高速率通信，避免了差分支路中4f透镜像差对探测效率的影响。重点介绍了DPSK调制机理，并数值模拟了接收到的光学信号在该装置中的光学衍射传播过程和相位信息解调原理。根据同步数字通信体系(SDH)理论，在不同通信速率下，信号光束波面受不同程度大气湍流效应影响产生畸变。给出了表征湍流强度的大气折射率常数和偏光干涉端零差探测效率的变化关

5、系以及通过自由空间差分干涉结构解调差分相位信息的使用范围及条件，从而提高探测效率、降低误码率。2差分干涉接收机结构及其原理分析2.1差分相移键控调制机理DPSK是一种相位调制模式，把信息加载在载波上相邻码元的相对相位变化中[]。相邻码元的相移为0或n对应要传递的信息数据为0或1。在接收端，两个连续码元通过非等臂的信号支路和自相位延时T信号支路进行偏光干涉，解调得到数据信息，2.2差分干涉接收系统装置差分相移键控调制信号的接收机不采用光纤传输光信号，是由偏振分束器、波片和反射镜、透镜等光学器件组成的全光器件结构装置，如图2所示，包括接收望远镜、马赫-曾德尔(M

6、Z)型非等臂差分干涉系统、2X490°自由空间光学桥接器[8—9]、平衡光电探测器和数据处理电路。采用平衡接收机平衡探测信号，理论上探测的灵敏度比直接探测的情况高3dB。通过前置放大器等电路实现稳相和对数据的处理。3仿真实验模型及其原理分析3.1仿真实验模型根据DPSK原理和接收机示意图要求，给出相应的实验装置图，如图3所示。在差分接收机中，自由空间差分干涉部分是相干解调过程中的核心技术环节。星地激光通信中，在卫星终端上的信号发射机发出DPSK调制信号，经过长距离大气衍射传输，受湍流扰动影响，产生波前畸变的调制信号光进入接收机前端的接收望远镜。经过望远镜内部

7、焦距分别为和P2的共焦透镜组，在偏振分束器(PBS1)的偏振分束面分成两束光，分别进入短臂差分支路和延迟1bit周期了的长臂差分支路。差分距离由通信速率决定，而且短支路放置精密相位控制器，保证差分距离是波长的整数倍。此后两路光束分别进入2X490°自由空间光学桥接器[1°]两输入端，将两束光偏振分束分成八束光，分别在PBS3/PBS4的偏振分束面合束偏振干涉，光电探测器探测到光功率，平衡接收机采用平衡接收原理进行数据处理，得到信息相位的正弦和余弦部分，余弦信号支路输出数据信号。3.2衍射过程原理分析假设星上激光通信终端发射的信号光为高斯光束，经过发射端准直扩

8、束后，再经历自由空间-大气混合信道传输，到达光学地面