相干光通信外差異步解調接收機的設計

肖 西 陳名松

（桂林電子科技大學信息與通信學院，廣西 桂林 541004）

相干光通信外差異步解調接收機的設計

肖 西 陳名松

（桂林電子科技大學信息與通信學院，廣西 桂林 541004）

比較了相干光通信系統與幅度調制/直接解調系統，以及各類相干光系統的優缺點，得出了研究外差異步解調系統的必要性和實用性的結論。通過分析相干探測的原理及相干通信的解調方式，設計了相干光通信的外差異步解調接收機，制作了外差異步解調接收機中電路部分的電路板，并通過實驗驗證了電路設計的正確性。

相干光通信；外差探測；異步解調

（一）系統實現原理

1.相干探測原理介紹

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

圖 1為相干探測原理方框圖。光接收機接收到的從信道過來的信號光和本振激光器產生的本振光經過混頻器作用后，光場發生干涉。干涉光場經光探測器進行光電轉換后輸出光電流信號，該光電流信號經相關處理后，以基帶信號的形式輸出。

圖1 相干探測原理方框圖

接收機接收到的信號光光場及本振光光場分別為

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

當信號光與本振光偏振方向相同時，則投射至光探測器的光強度為

相干探測分兩種情況，即零差探測和外差探測。

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

式中R是探測器的響應度。上式中的最后一項里包含了所要傳輸的信息。濾去直流分量，且假設本振光相位鎖定在信號光相位上，即 φL=φs，由此可得光探測器產生的光電流為

由于PL>>PS，顯然，接收光功率大大增加了。

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

通常來說， PL>>PS，可認為第一項是直流常數，很容易被濾除，此時含有信息的外差電流的表達式為：

與零差探測相似，外差探測接收光功率放大了，從而提高了靈敏度。盡管外差探測的靈敏度稍微降低了，但是接收機設計相對簡單，不需要考慮相位鎖定這個難題，且對激光器線寬要求沒零差探測那么高，因此實現起來較零差探測容易。因此，本文就采用了外差探測的方式。

2.解調方式的選擇

由上文介紹，我們已經知道，相干光通信系統分為零差系統和外差系統。在零差系統中，攜帶有信息信號的光載波經探測器進行光電轉換后，信息信號將直接從光載波上解調下來，成為基帶信號。

外差探測系統則與之不同，信道過來的光信號經探測器進行光電轉換后得到一個光電流信號，在光電轉換的同時將信號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MHz或幾GHz。中頻電信號經電流-電壓轉換及放大后，需要進行解調以得到基帶信號。

外差探測系統的解調方式有包絡解調（也稱異步解調）和同步解調兩種選擇。同步解調需要對中頻電信號進行載波恢復，同步的意思就是說必須保證這兩個載波的頻率和相位都相同。實現這個目的需要一個電鎖相環，電鎖相環通常是基于標準壓控振蕩器。因此，相對包絡解調而言，是較為麻煩的，而且同步解調系統對激光器線寬的要求要比包絡解調系統高，因此本文的設計中就采用了包絡解調方式。

相比于同步解調，包絡解調要簡單很多，它無需電鎖相環，只需要一個或幾個二極管或三極管再加上低通濾波電路就可以將信號解調出來。很顯然，包絡解調結構簡單，實現容易，費用降低，而且性能也可以，因此往往成為人們的首選。

（二）外差異步解調接收機的設計

通過上文對探測方式和解調方式的敘述，我們選擇了外差探測方式和包絡解調方式。這樣，系統的組成基本上就確定了，下面簡要敘述一下外差異步接收機流程圖。從信道過來的信號光進入接收機后，首先和本振激光器產生的本振光通過光混頻器進行混頻，二者產生的干涉光場經過光探測器進行光電轉換后得到一個中頻電流信號，該電流信號通過前置放大器后轉換成電壓信號，隨后又通過主放大器對電壓信號進一步放大，以達到后面解調所需的電壓。放大后的信號進入包絡解調及低通濾波部分，得到基帶信號，最后送至數據恢復與判決器進行判決。外差異步解調接收機框圖如圖 2所示。

圖2 外差異步接收機框圖

由上面的相關理論介紹，我們設計了相干光通信外差異步解調接收機。光探測器我們選用的是日本日本濱松公司生產的G9820-02。該探測器是一款集成了前置放大器的光電探測器，由于不用再另外考慮前置放大器，因此簡化了系統的設計。主放大器是MAXIM公司生產的MAX3748限幅放大器。解調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。數據判決部分采用MAXIM公司生產的MAX3873A芯片。

（三）實驗

根據上面對相關器件和電路的選擇，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。為了測試證明電路的可行性，我們利用信號發生器給主放大器 MAX3748輸入 ASK調制信號，并在判決芯片MAX3873A后接示波器觀測波形。輸入 ASK信號的載波為500MHz，幅度為200 mV，脈沖周期為8us時波形圖如圖3所示。

圖3 載波為500MHz，幅度為200mV，脈沖周期為8us時的輸出波形

（四）結束語

20世紀70年代末到90年代中期，相干光通信是國際光通信研究領域的熱點。1995年前后，隨著摻鉺光纖放大器（EDFA）和密集波分復用（DWDM）技術的成熟，使得相干光通信技術的發展緩慢下來[5]。近幾年來，由于激光器、探測器等相關器件的發展，對傳輸容量急劇增長的需求等等因素，相干光通信又開始逐漸復蘇了。但是人們對相干光通信的研究大多集中在理論方面，對實際系統的搭建和硬件的制作還是比較少見。本文從這個角度出發，設計了相干光通信中的外差異步解調接收機，制作了接收機電路部分的電路板，并通過實驗測試證明了電路設計的正確性。下一步等實驗室正在購買的可調諧激 光器等儀器到貨后，搭建出完整的相干光外差異步解調通信系統并進行相關實驗研究。

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

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

[3]趙春英.相干光通信的外差異步解調技術的研究[D].長春:長春理工大學,2010

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

當前主流的光通信系統一般采用幅度調制/直接解調(IM/DD)的方法來進行通信。簡單來說，就是把光作為載波，信號對光載波采用強度調制方式，在接收端，對信道過來的光信號直接進行包絡解調，以恢復發端的信號，完成通信。這種系統調制和解調相對容易，成本也較低，但是這種系統接收靈敏度不高，而且頻帶利用率很低，因此系統的中繼距離和傳輸容量都相當有限。

與傳統的強度調制/直接檢測通信系統相比，相干光通信系統有著不少的優點，主要如下：1.靈敏度高，中繼距離長。2.選擇性好，通信容量大。3.具有多種調制方式。隨著社會的發展和科技的進步，人們對帶寬的要求越來越高，對系統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良的選擇性使得系統的容量得以大大增加，因此正逐漸成為下一代通信系統的研究熱門。

相干光通信系統分為零差系統和外差系統，外差系統中又分為外差同步系統和外差異步系統。其中，外差異步系統相比于其它相干光系統雖然靈敏度稍有所下降，但是其結構要簡單，造價要便宜，對激光器等器件要求要低，實現起來比較容易，從必要性和實用性等方面綜合考慮，外差異步系統較其它相干光通信系統有著較大的優勢。

2011-01-27

肖西（1983－），男，湖南新化人，桂林電子科技大學在讀碩士研究生，研究方向為光通信；陳名松（1967－），男，湖南永州人，桂林電子科技大學碩士生導師，教授，從事光通信方向的教學和研究。