相干光通信外差異步解調(diào)接收機(jī)的設(shè)計(jì)

肖 西 陳名松

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）

相干光通信外差異步解調(diào)接收機(jī)的設(shè)計(jì)

肖 西 陳名松

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）

比較了相干光通信系統(tǒng)與幅度調(diào)制/直接解調(diào)系統(tǒng)，以及各類相干光系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，得出了研究外差異步解調(diào)系統(tǒng)的必要性和實(shí)用性的結(jié)論。通過分析相干探測(cè)的原理及相干通信的解調(diào)方式，設(shè)計(jì)了相干光通信的外差異步解調(diào)接收機(jī)，制作了外差異步解調(diào)接收機(jī)中電路部分的電路板，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電路設(shè)計(jì)的正確性。

相干光通信；外差探測(cè)；異步解調(diào)

（一）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

1.相干探測(cè)原理介紹

通常所說到的相干光，實(shí)際上就是指兩個(gè)激光器產(chǎn)生的光場(chǎng)空間上進(jìn)行疊加，且相互干涉的激光。具體來說就是從信道過來的信號(hào)光場(chǎng)與接收端本振激光器產(chǎn)生的光場(chǎng)經(jīng)混頻器相互作用后產(chǎn)生了一個(gè)新的相干光場(chǎng)。相干光通信，與傳統(tǒng)的無線電通信和微波通信是一樣的道理，在發(fā)射端對(duì)光載波進(jìn)行幅度調(diào)制（也可以是頻率或相位調(diào)制），在接收端，則采用零差或外差探測(cè)，這種探測(cè)方式我們稱之為相干探測(cè)。

圖 1為相干探測(cè)原理方框圖。光接收機(jī)接收到的從信道過來的信號(hào)光和本振激光器產(chǎn)生的本振光經(jīng)過混頻器作用后，光場(chǎng)發(fā)生干涉。干涉光場(chǎng)經(jīng)光探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后輸出光電流信號(hào)，該光電流信號(hào)經(jīng)相關(guān)處理后，以基帶信號(hào)的形式輸出。

圖1 相干探測(cè)原理方框圖

接收機(jī)接收到的信號(hào)光光場(chǎng)及本振光光場(chǎng)分別為

其中，AS、ωs及φs分別是光載波的幅度、頻率及相位。AL、ωL和φL分別是本振光的幅度、頻率及相位。

由ωs和ωL可得中頻頻率為

或

當(dāng)信號(hào)光與本振光偏振方向相同時(shí)，則投射至光探測(cè)器的光強(qiáng)度為

相干探測(cè)分兩種情況，即零差探測(cè)和外差探測(cè)。

（1）當(dāng) ωs=ωL時(shí)，即 ωIF= 0時(shí)稱為零差探測(cè)。由（3）式以及I=RP可得光檢探器產(chǎn)生的光電流為

式中R是探測(cè)器的響應(yīng)度。上式中的最后一項(xiàng)里包含了所要傳輸?shù)男畔ⅰV去直流分量，且假設(shè)本振光相位鎖定在信號(hào)光相位上，即 φL=φs，由此可得光探測(cè)器產(chǎn)生的光電流為

由于PL>>PS，顯然，接收光功率大大增加了。

（2）當(dāng)ωL≠ωs時(shí)，即ωIF≠ 0時(shí)，稱為外差探測(cè)。由（3）式以及I=RP可得光探測(cè)器產(chǎn)生的光電流的表達(dá)式為

通常來說， PL>>PS，可認(rèn)為第一項(xiàng)是直流常數(shù)，很容易被濾除，此時(shí)含有信息的外差電流的表達(dá)式為：

與零差探測(cè)相似，外差探測(cè)接收光功率放大了，從而提高了靈敏度。盡管外差探測(cè)的靈敏度稍微降低了，但是接收機(jī)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要考慮相位鎖定這個(gè)難題，且對(duì)激光器線寬要求沒零差探測(cè)那么高，因此實(shí)現(xiàn)起來較零差探測(cè)容易。因此，本文就采用了外差探測(cè)的方式。

2.解調(diào)方式的選擇

由上文介紹，我們已經(jīng)知道，相干光通信系統(tǒng)分為零差系統(tǒng)和外差系統(tǒng)。在零差系統(tǒng)中，攜帶有信息信號(hào)的光載波經(jīng)探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，信息信號(hào)將直接從光載波上解調(diào)下來，成為基帶信號(hào)。

外差探測(cè)系統(tǒng)則與之不同，信道過來的光信號(hào)經(jīng)探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后得到一個(gè)光電流信號(hào)，在光電轉(zhuǎn)換的同時(shí)將信號(hào)的載波由光載波下變頻為中頻電載波。中頻電載波的頻率一般為幾百M(fèi)Hz或幾GHz。中頻電信號(hào)經(jīng)電流-電壓轉(zhuǎn)換及放大后，需要進(jìn)行解調(diào)以得到基帶信號(hào)。

外差探測(cè)系統(tǒng)的解調(diào)方式有包絡(luò)解調(diào)（也稱異步解調(diào)）和同步解調(diào)兩種選擇。同步解調(diào)需要對(duì)中頻電信號(hào)進(jìn)行載波恢復(fù)，同步的意思就是說必須保證這兩個(gè)載波的頻率和相位都相同。實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的需要一個(gè)電鎖相環(huán)，電鎖相環(huán)通常是基于標(biāo)準(zhǔn)壓控振蕩器。因此，相對(duì)包絡(luò)解調(diào)而言，是較為麻煩的，而且同步解調(diào)系統(tǒng)對(duì)激光器線寬的要求要比包絡(luò)解調(diào)系統(tǒng)高，因此本文的設(shè)計(jì)中就采用了包絡(luò)解調(diào)方式。

相比于同步解調(diào)，包絡(luò)解調(diào)要簡(jiǎn)單很多，它無需電鎖相環(huán)，只需要一個(gè)或幾個(gè)二極管或三極管再加上低通濾波電路就可以將信號(hào)解調(diào)出來。很顯然，包絡(luò)解調(diào)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，費(fèi)用降低，而且性能也可以，因此往往成為人們的首選。

（二）外差異步解調(diào)接收機(jī)的設(shè)計(jì)

通過上文對(duì)探測(cè)方式和解調(diào)方式的敘述，我們選擇了外差探測(cè)方式和包絡(luò)解調(diào)方式。這樣，系統(tǒng)的組成基本上就確定了，下面簡(jiǎn)要敘述一下外差異步接收機(jī)流程圖。從信道過來的信號(hào)光進(jìn)入接收機(jī)后，首先和本振激光器產(chǎn)生的本振光通過光混頻器進(jìn)行混頻，二者產(chǎn)生的干涉光場(chǎng)經(jīng)過光探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后得到一個(gè)中頻電流信號(hào)，該電流信號(hào)通過前置放大器后轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，隨后又通過主放大器對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)一步放大，以達(dá)到后面解調(diào)所需的電壓。放大后的信號(hào)進(jìn)入包絡(luò)解調(diào)及低通濾波部分，得到基帶信號(hào)，最后送至數(shù)據(jù)恢復(fù)與判決器進(jìn)行判決。外差異步解調(diào)接收機(jī)框圖如圖 2所示。

圖2 外差異步接收機(jī)框圖

由上面的相關(guān)理論介紹，我們?cè)O(shè)計(jì)了相干光通信外差異步解調(diào)接收機(jī)。光探測(cè)器我們選用的是日本日本濱松公司生產(chǎn)的G9820-02。該探測(cè)器是一款集成了前置放大器的光電探測(cè)器，由于不用再另外考慮前置放大器，因此簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。主放大器是MAXIM公司生產(chǎn)的MAX3748限幅放大器。解調(diào)部分首先采用肖特基二極管橋式整流電路，接著是RC低通濾波電路，最后采用隔直電容以隔除直流電流。數(shù)據(jù)判決部分采用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX3873A芯片。

（三）實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上面對(duì)相關(guān)器件和電路的選擇，本文完成了從主放大器MAX3748芯片到判決芯片MAX3873A之間電路的硬件電路板制作。為了測(cè)試證明電路的可行性，我們利用信號(hào)發(fā)生器給主放大器 MAX3748輸入 ASK調(diào)制信號(hào)，并在判決芯片MAX3873A后接示波器觀測(cè)波形。輸入 ASK信號(hào)的載波為500MHz，幅度為200 mV，脈沖周期為8us時(shí)波形圖如圖3所示。

圖3 載波為500MHz，幅度為200mV，脈沖周期為8us時(shí)的輸出波形

（四）結(jié)束語(yǔ)

20世紀(jì)70年代末到90年代中期，相干光通信是國(guó)際光通信研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。1995年前后，隨著摻鉺光纖放大器（EDFA）和密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)的成熟，使得相干光通信技術(shù)的發(fā)展緩慢下來[5]。近幾年來，由于激光器、探測(cè)器等相關(guān)器件的發(fā)展，對(duì)傳輸容量急劇增長(zhǎng)的需求等等因素，相干光通信又開始逐漸復(fù)蘇了。但是人們對(duì)相干光通信的研究大多集中在理論方面，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的搭建和硬件的制作還是比較少見。本文從這個(gè)角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了相干光通信中的外差異步解調(diào)接收機(jī)，制作了接收機(jī)電路部分的電路板，并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明了電路設(shè)計(jì)的正確性。下一步等實(shí)驗(yàn)室正在購(gòu)買的可調(diào)諧激 光器等儀器到貨后，搭建出完整的相干光外差異步解調(diào)通信系統(tǒng)并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

[1]李其聰,孫力軍.外調(diào)制寬帶外差光相干傳輸鏈路的構(gòu)建[J].半導(dǎo)體光電,2009,30(5):738-792.

[2]劉增基,周洋溢等.光纖通信[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2001:165-167

[3]趙春英.相干光通信的外差異步解調(diào)技術(shù)的研究[D].長(zhǎng)春:長(zhǎng)春理工大學(xué),2010

[4]J.H. Franze V.K.Jain.光通信器件與系統(tǒng)[M].徐宏杰,等譯.北京:電子工業(yè)出版社,2002:328.

[5]D.Becker,C.Wree,D. Mohr, and A. Joshi Optical Coherent Receivers for 2.5 and 10Gb/s[J]. Proceedings of the IEEE Avionics Fiber-Optics and Photonics Conference, Minneapolis,MN,USA,September 20-22,2005:1-2.

TN929.1

A

1008-1151(2011)04-0021-02

當(dāng)前主流的光通信系統(tǒng)一般采用幅度調(diào)制/直接解調(diào)(IM/DD)的方法來進(jìn)行通信。簡(jiǎn)單來說，就是把光作為載波，信號(hào)對(duì)光載波采用強(qiáng)度調(diào)制方式，在接收端，對(duì)信道過來的光信號(hào)直接進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)，以恢復(fù)發(fā)端的信號(hào)，完成通信。這種系統(tǒng)調(diào)制和解調(diào)相對(duì)容易，成本也較低，但是這種系統(tǒng)接收靈敏度不高，而且頻帶利用率很低，因此系統(tǒng)的中繼距離和傳輸容量都相當(dāng)有限。

與傳統(tǒng)的強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)通信系統(tǒng)相比，相干光通信系統(tǒng)有著不少的優(yōu)點(diǎn)，主要如下：1.靈敏度高，中繼距離長(zhǎng)。2.選擇性好，通信容量大。3.具有多種調(diào)制方式。隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人們對(duì)帶寬的要求越來越高，對(duì)系統(tǒng)的容量要求越來越大，相干光通信由于其更高的靈敏度和優(yōu)良的選擇性使得系統(tǒng)的容量得以大大增加，因此正逐漸成為下一代通信系統(tǒng)的研究熱門。

相干光通信系統(tǒng)分為零差系統(tǒng)和外差系統(tǒng)，外差系統(tǒng)中又分為外差同步系統(tǒng)和外差異步系統(tǒng)。其中，外差異步系統(tǒng)相比于其它相干光系統(tǒng)雖然靈敏度稍有所下降，但是其結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，造價(jià)要便宜，對(duì)激光器等器件要求要低，實(shí)現(xiàn)起來比較容易，從必要性和實(shí)用性等方面綜合考慮，外差異步系統(tǒng)較其它相干光通信系統(tǒng)有著較大的優(yōu)勢(shì)。

2011-01-27

肖西（1983－），男，湖南新化人，桂林電子科技大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)楣馔ㄐ牛魂惷桑?967－），男，湖南永州人，桂林電子科技大學(xué)碩士生導(dǎo)師，教授，從事光通信方向的教學(xué)和研究。