第八章 相干光通信系统

第八章相干光纤通信系统8.1相干光通信技术的基本原理8.1.1基本概念8.1.2相干光通信基本原理8.2相干检测8.2.1本地振荡器8.2.2零差检测8.2.3外差检测8.2.4信噪比（SNR）8.3光接收机8.3.2调制的实现8.4光纤接收机8.4.1外差接收机8.4.2零差接收8.5系统性能8.5.1异步解调外差系统8.5.2外差同步解调系统8.5.3零差系统8.5.4野外试验8.5.5影响灵敏度下降的因素8.6关键技术2引言迄今为止，所有实用化的光纤系统都是采用非相干的强度调制-直接检测（IM/DD）方式，这类系统成熟、简单，成本低，性能优良，已经在电信网中获得广泛的应用，并仍将继续扮演主要的角色。然而，这种IM/DD方式没有利用光载波的相位和频率信息，无法像传统的无线通信那样实现外差检测，从而限制了其性能的进一步改进和提高。随着光通信技术的发展，人们很自然地想到无线电技术中的外差接受方式。因此，出现了采用外差接受方式的通信系统即外差光通信系统，又称相干光通信系统。38.1相干光通信技术的基本原理8.1.1基本概念强度调制-直接检波系统，虽然可以通过高码速来实现大容量传输，而且具有调制、解调较容易的优点，但是，从理论上来讲，这种调制系统所采用的光源不是理论上单一频率的相干光源，而有相当的频宽、对这种由一个频带组成的光源进行强度调制（调整个信号的光强），显然，已调信号就具有相当宽的带宽（当然，相对于光纤本身的传输带宽来讲，仍然是个窄频带）。另外，在强度调制中，仅仅利用了光的振幅参量，相当于早期无线电通信中采用火花发射机那样，是一种噪声通信系统。它的传输容量和中断距离都受到限制。相干光通信系统则采用单一频率的相干光做光源（载波），沿用无线电技术中早已实现的相干通信方式，再配合幅移键控（ASK）,频移键控（FSK）、相移键控（PSK）等调制方式，实现一种新型的光纤通信方式----这就是理论上具有先进性的外差光纤通信系统。4相干光通信系统原理如图8-1所示。与强度调制-直接检测系统相比，其主要差别在于光接收机中增加了外差接收所需要的本级振荡器（简称本振）和光混频器。8.1相干光通信技术的基本原理图8-1相干光通信系统原理框图在相干光通信系统传输的信号可以是模拟信号，也可以是数字信号。无论何种信号，其工作原理均可以用图8-1来加以说明。5图中的光载波经调制器受数字信号调制后形成已调信号光波。调制方式有很多种，将光信号通过调幅、调频或调相的方式被调制（设调制频率为ωs）到光载波上的，当该信号传输到接收端时，首先与频率为ωL本振光信号进行相干混合，然后由光电检测器进行检测，这样获得了中频频率为ωIF=ωs-ωL的输出电信号，因为ωIF≠0，故称该检测为外差检测，那么当输出信号的频率ωIF=0（即ωs=ωL）时，则称之为零差检测，此时在接收端可以直接产生基带信号。8.1相干光通信技术的基本原理6根据平面波的传播理论，可以写出接收光信号Es（t）和本振光信号E（t）的复数电场分布表达式为L)](exp[)(SSsstjEtE（8.1.1）)](exp[)(LLLLtjEtE（8.1.2）式中，Es-----接收光信号的电场幅度值；EL----本振光信号电场幅度值Φs-----接收光信号的相位调制信息ΦL----本振光的相位的调制信息8.1相干光通信技术的基本原理7当Es（t）和EL（t）彼此相互平行，均匀地入射到光电监测器表面上时，由于总入射光强I正比于[Es（t）+EL（t）]，即)cos(2)(LSIFLSLStPPRPPRI(8.1.3)式中，R为光电监测器的相应度，PS、PL分别为接收光信号和本振光信号。一般情况下PLPS,,这样式（8.1.3）可以简化成)cos(2LSIFLSLtPPRRPI(8.1.4)从上式中可以看出，其中第一项为与传输信息无关的直流项，因而经外差检测后的输出信号电流为（8.1.4）中的第二项，很明显其中含发射端传送信息：)cos(2)(LSIFLSoutPPRti(8.1.5)对零差检测，ωIF=0输出信号电流为)cos(2)(LSLsoutPPRti(8.1.6)8.1相干光通信技术的基本原理8从式（8.1.5）和式（8.1.6）可以清楚地看到：（1）即使接收光信号功率很小，但由于输出电流与成正比，仍能够通过增大PL而获得足够大的输出电流，这样，本振光相干检测中还起到了光放大的作用，从而提高了信号的接收灵敏度。LP（2）由于在相干检测中，要求ωS-ωL随时保持常数（ωIF或0），因而要求系统中所使用的光源具备非常高的频率稳定性、非常窄的光谱宽度以及一定的频率调谐范围。8.1相干光通信技术的基本原理9（3）无论外差检测还是零差检测，其检测根据都来源于接收光信号与本振光信号之间的干涉，因而在系统中，必须保持它们之间的相位锁定，或者说具有一致的偏振方向。按上面的分析，相干光纤通信系统的基本框图如图8-2所示，由图可以清楚地看出，该系统由光发射机、光纤和光接收机组成。8.1相干光通信技术的基本原理图9-2相干光通信系统结构图108.2相干检测相干光通信系统与强度调制-直接检测系统相比，其主要差别在于光接收机中增加了外差接收所需要的本级振荡器（简称本振）和光混频器。118.2.1本地振荡器相干光波系统是信号光在接收端射到光电探测器之前用另外一个光波与它相干地混频，如图8-3所示.。图8-3光相干检测原理图12在接收端，借用无线电通信文献中的术语，把产生本地光波的窄线宽激光器称作本地振荡器（LO，LocalOscillator），为了说明接收到的光信号与本地光混合后如何提高接收机的性能，让我们首先考虑接收光信号的光场)](exp[)(SSsstjEtE（8.1.1）式中ωS是载波频率，ES是幅值，Φs是相位。与接收光信号光场类似，本振光的光场是：)](exp[)(LLLLtjEtE（8.1.2）式中EL、ΦL和ωL分别是本振光的幅值、频率和相位。假定信号光和本振光极化相同，均可以不考虑它们的相位。8.2.1本地振荡器13图8-3中的光电探测器只响应强度。[Es（t）+E（t）]。因为光功率与光强成正比，接收光功率可由P=K[Es（t）+E（t）]给出，式中K是比例常数。从（8.1.1）和（8.1.2）式，可以得到I（t）表达式LsIFLSLsPPPPtIcos2(8.1.7)2SSKEP2LLKEPLIF0(8.1.8)角频率与中频（IF，IntermediateFrequency）的关系式是IF2/IFIF。当时，要想恢复基带信号，首先，LL0必须把接收光信号载波频率转变为中频（典型值为0.1-5GHz），然后再把该中频转变成基带信号，这种相干检测称作外差检测。当时,可以把接收到的光信号直接转变成基带信号，这种方式称作零差检测。下面对此分别加以讨论。IFL08.2.1本地振荡器148.2.2零差检测零差检测时，选择本振光光频ωL与信号光载波频率ω0相同，所以ωF=0，使用式（8.1.7），光电探测器产生的光电流是)cos(2)(LSIFLSLStPPRPPRI(8.1.3)式中I=RP，R是探测器灵敏度。通常，，所以SLPPLLSPPP(8.1.3)式中最后一项包含要传送的信息。考虑到本振光相位被锁定在信号光相位上，因此ΦL=ΦS，此时，零差信号由下式给出LSPPtPRtI2(8.1.4)由此式可看出零差检测的优点。假如，我们注意到直接检测的信号电流为，由此可见，零差检测平均电信号功率比直接检测的信号功率增加倍。既然，通常，所以该值将增加几个数量级。虽然散粒噪声也增加了，但是零差检测仍可提高信噪比（SNR）许多倍。)()(tRPtIsddSLPP4LSPP15零差检测的缺点是它对相位的变化非常敏感。因为（8.1.3）式中，最后一项ΦL包含本振光相位，很显然ΦL应被控制。理想情况下，除强调相位，ΦL和ΦS应该保持常数。实际上，ΦL和ΦS随时间随机摆动。不过，通过相位锁定环路，它们的差（ΦS-ΦL）几乎可以保持恒定。然而，这种锁定环路的实现并不容易，所以使零差接收机的设计相当复杂。此外，还要求信号光和本振光频率匹配，因此，对这两种光源提出苛刻的要求。使用下节讨论的外差检测可以解决这些问题。8.2.2零差检测168.2.3外差检测在外差检测情况下，选择本振光频ωL与信号载波光频ωS不同，使其外差落在微波范围内。因为I=RP，所以（8.1.7）式可以表示成检测电流的表达式。)cos(2)()(LsIFLsLstPPRPPRtI(8.1.10)通常，所以第一项可认为是直流常数，很容易被滤除，此时外差信号由下面的交流项给出sLPP)cos()(2)(LsIFLsouttPtPRtI（8.1.11）与零差检测类似，因为该式中本振光PL的出现，接收到的光信号被放大了，从而提高了SNR。然而，SNR的改进要比零差检测低两倍（3dB）。引起3dB代价的原因是信号功率与交流电流的平方成正比，以及（8.1.11），式中cos的出现。但是，3dB代价带来的优点是接收机设计相对简单，因为不再需要光相位锁定环路。虽然，ΦS、ΦLPL和的随机变化仍需要使用窄线宽的信号和本振光半导体激光器，然而异步解调方式对线宽的要求相当放松。这种特性使外差检测方式在实际相干光波系统中的实现变得容易。178.2.4信噪比SNR相干检测技术用于光波系统的优点，可用接收机信噪比（SNR，Signal-to-NoiseRatio）定量地描述。为了这个目的，我们首先直接检测接收机。因为散粒噪声和热噪声使接收机光电流在起伏摆动。总噪声功率为2s2T222Ts(8.1.12)式中fIIqds)(22fRTkLBT)/4(2(8.1.14)(8.1.13)式中Id是暗电流，是接收机噪声等效带宽，是绝对温度T时的热能量，是负载电阻。（8.1.13）式中的I是探测器产生的总电流，并由（8.1.3）式（零差检测）或（8.1.10）式（外差检测）给出。fTkBLR18平均信号功率除以平均噪声功率就可以得到SNR。外差检测时，SNR由下式给出：])(2/[2/)(2222fIRPqPPRISNRdLLsout(8.1.15)有零差检测时，假如（8.1.3）式中ΦS=ΦL，SNR则是（8.1.15）式的两倍。相干检测的主要优点从式（8.1.15）可以看出。因为在接收机可以控制本振光频率PL，使它足够大，即)2/(2fqRPL(8.1.16)从而使接收机噪声由散粒噪声所支配，即。在相同的条件下，暗电流也可以忽略（IdRPL），于是由散粒噪声限制的SNR由下面式子给出：22TsfhPfqPRSNRss//(8.1.17)式中R=。使用相干检测，即使对于通常受热噪声支配限制的PIN接收机也可以达到受散粒噪声限制的SNR。hq/8.2.4信噪比SNR19SNR可用单个比特时间内接收到的平均光子数Np表示。平均信号功率与的关系为=hvB，式中B为比特率。通常，Δf=B/2。将Ps和Δf代入（8.1.17）式，可得到SNR的最简表达式：sPPNSNR=2PN(8.1.18)对于零差检测，SNR是上式的两倍，由SNR=给出。PN48.2.4信噪比SNR208.3光接收机使用相干检测技术的主要优点是对接收光信号的幅度和相位进行检测和测量。该特性允许对光载波幅度、相位或频率进行调制来发送信息。在模拟通信系统中，有三种调制方式，即幅度调制（AM），频率调制（FM）和相位调制（PM），在数字通信系统中，也有三种调制方式，即幅移键控（ASK，Amplitude-ShiftKeying），相移键控（PSK，Phase-ShiftKeying）和频移键控（FSK，Frequency-Sh