星際高速激光通信中時鐘同步技術研究

張　彬

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,吉林 長春　130033)

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星際高速激光通信中時鐘同步技術研究

張彬

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,吉林 長春130033)

摘要：討論了星際激光通信中脈沖位置調(diào)制技術中的時鐘同步方案。脈沖寬度調(diào)制方案旨在實現(xiàn)信噪比約束下的最大數(shù)據(jù)傳輸速率。時鐘同步是脈沖寬度調(diào)制的核心技術,利用統(tǒng)計鑒相機制實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)端的時鐘同步。本文在深入分析激光通訊時鐘同步方案的基礎上,建立了時鐘抖動的數(shù)學模型,并在此基礎上分析了數(shù)據(jù)傳輸速率與時鐘同步的權衡關系,對激光通訊系統(tǒng)設計具有一定的指導意義。

關鍵詞：PPM; 激光通訊; 數(shù)據(jù)傳輸; 時鐘同步

引言

激光通信與射頻通信相比,激光通信在2.76 AU或更遠的通信距離的高數(shù)據(jù)率信息傳輸?shù)膽蒙暇哂泻艽蟮臐摿1]。在相同的通訊速率下,激光通訊設備質(zhì)量更輕,有利于建立有效載荷的成本。 假設傳輸距離為2.67 AU,碼速率要求為1 Gbit/s時,RF設備的質(zhì)量需為100～175 kg,而光學終端則為42 kg。于此同時采用光通信的設備所需功耗明顯比射頻設備更低。因而激光通訊技術成為發(fā)達國家研究的熱點之一。

歐空局針對激光通訊技術的SILEX計劃是啟動較早的衛(wèi)星間激光通訊鏈路科研項目[2]。實驗裝置由兩個激光通信終端組成,終端之一搭載在法國地面觀測衛(wèi)星SPOT4(低軌衛(wèi)星)上,另一個終端搭載在歐空局的通信衛(wèi)星ARTEMS(地球同步軌道衛(wèi)星)上。SILEX計劃的目的是完成在軌激光通信試驗,以及執(zhí)行一項由SPOT4衛(wèi)星的地球觀測數(shù)據(jù)至ARTEMS衛(wèi)星的基本傳輸任務,再將此數(shù)據(jù)由ARTEMS衛(wèi)星的Ka波段饋路傳播至地面站。

日本高級無線通信組織NeLS研究中心也積極致力于激光通訊技術的研究,其激光通訊研究項目的目標是開發(fā)全球多媒體移動衛(wèi)星通信服務,使掌上設備的通信速率達到2 Mbit/s[3]。NeLS研究中心設計了具有完整激光通信發(fā)射機,該設備將測量到的任務數(shù)據(jù)存儲在任務處理器的存儲器里,并利用X波段發(fā)射機并通過星載處理器向外傳輸,通過改裝后的通信異頻雷達收發(fā)機傳回地面站。該設備已經(jīng)成功搭載于SmartSat-1a衛(wèi)星上,并實現(xiàn)了速率為2.488 Mbit/s的光信號衛(wèi)星-地面站數(shù)據(jù)通訊實驗。

OICETS是日本空間探測局研制的星際間通信工程測試衛(wèi)星[4-5],工作于軌道高度610 km、傾角97.8°的近地太陽同步軌道。2005年12月9日,首次成功建立了OICETS與ARTEMIS衛(wèi)星之間的雙向激光通信鏈接。從2005年12月開始,在為期6個月的時間內(nèi)成功地進行了星間激光通信演示驗證試驗,試驗次數(shù)超過100次。試驗中,對捕獲程序、跟蹤性能和誤碼率進行了測試與統(tǒng)計,結果表明捕獲概率超過90%,誤碼率小于10-6。2006年3月底,利用日本NICT光學地面站進行了星地之間的激光通信試驗,并于3月28日地面站首次接收到了下行數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)誤碼率為10-5。在試驗期間,多次重復并成功建立起光學鏈路。

美國NASA研究中心啟動火星激光通信演示驗證(MLCD)項目[6],旨在距離變化范圍在0.7~2.4太空單位,MLCD系統(tǒng)將以1~30 Mbit/s的速率從火星MTO軌道發(fā)送實驗數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù),并從地球向火星將以1~75 bit/s的低速率傳送數(shù)據(jù)。光學鏈接演示驗證設備已經(jīng)于2010年8月成功到達火星后持續(xù)運作一年,成功建立數(shù)據(jù)鏈路。

激光通信最基本的核心技術是脈沖位置調(diào)制(PPM)技術,PPM技術能夠獲取能量峰均差較大的激光。時鐘同步技術又是脈沖調(diào)制技術的核心,用以實現(xiàn)發(fā)射機與接收機的時鐘的精確對準。本文首先討論了采用脈沖寬度調(diào)制(PPM)情況下的時鐘同步方案,推導了該方案下相位噪聲與帶寬的定量關系,并進一步討論了時鐘同步需求與傳輸速率的權衡關系。運用該理論以火星激光通信為例討論了時鐘同步方案的設計,為激光通訊技術研究提供一定指導意義。

1激光通訊中時鐘同步方案

脈沖位置調(diào)制方式可以有效將單位時間的平均激光功率降低為峰值功率的1/M,從而提高激光光源的使用壽命。引入數(shù)據(jù)重復雖然將編碼長度降低為原來的1/P,但是經(jīng)過數(shù)據(jù)處理可以通過將重復的單位數(shù)據(jù)時隙相加,從而等效的數(shù)據(jù)光功率變?yōu)樵瓉淼腜倍。如果激光光源的平均功率為λs,則等效峰值脈沖激光功率為M*P*λs,如果背景雜光功率為λb,則等效的信噪比比起其他的調(diào)制方式來說提高了M*P倍。這樣即便在白天,背景雜光功率很強的情況下,也能很好地完成數(shù)據(jù)傳輸。

激光通訊時鐘同步方案如圖1所示,在激光通信中采用插入同步幀的方式進行同步,傳輸協(xié)議分為數(shù)據(jù)幀和同步幀,每S幀插入一個同步幀,數(shù)據(jù)幀和同步幀都由M個時隙組成,每個時隙占有D個時鐘周期。每個數(shù)據(jù)采用重復P次的編碼方案,單位數(shù)據(jù)時隙長度為N。

同步幀主要用于完成高速時鐘恢復,同步幀的插入利用了統(tǒng)計鑒相機制可以有效的實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸。在某個時隙位置插入同步光脈沖,如果時鐘不同步引發(fā)時隙的偏移,則會使得同步光脈沖偏移到鄰近的時隙中,通過對同步時隙以及前后一個時隙的光子計數(shù),可以定量的得到同步脈沖的偏移量;對一定積分時間的多個同步幀進行統(tǒng)計,可以得到準確的同步脈沖偏移量,用這個同步脈沖偏移量作為鎖相環(huán)路的鑒相器件,可以采用鎖相技術得到準確的時鐘同步。

采用脈沖寬度調(diào)制的激光通信方案中的多個系統(tǒng)參數(shù)需要權衡數(shù)據(jù)傳輸速度與同步需求之間的矛盾,例如幀時隙長度M增加,可以提高單位時間的編碼長度,但是也會減少同步光脈沖的長度從而增加了統(tǒng)計鑒相機制所帶來的相位噪聲,進而增加了脈沖的抖動。建立準確的時鐘抖動計算模型,并準確的表達出各種系統(tǒng)參數(shù)與同步需求的關系對于激光通訊系統(tǒng)設計至關重要。

圖1　激光通信的時鐘同步方案

2激光通信的時鐘抖動數(shù)學模型

激光通信時鐘恢復電路主要有光子計數(shù)器、統(tǒng)計鑒相器、數(shù)字濾波器以及壓控振蕩器,其系統(tǒng)框圖如圖2所示。其中光子計數(shù)器由高靈敏度雪崩二極管陣列組成,可以測量出單位時隙的光子數(shù)量。統(tǒng)計鑒相器通過統(tǒng)計一定積分時間內(nèi)的同步幀中同步時隙與其前后時隙的光子計數(shù)的比來計算相位偏差。數(shù)字濾波器可以提高鎖相環(huán)路的時域鎖相性能,減少相位鎖定的時間和提高鎖相精度。壓控振蕩器用于產(chǎn)生用以與輸入光脈沖序列相比較的參考時鐘序列,鑒相器得到相位偏差可以調(diào)節(jié)壓控振蕩器輸出的參考時鐘序列的相位從而實現(xiàn)精確的鎖相功能。 時鐘恢復電路的時鐘抖動與三部分噪聲源有關,第一部分是由光子計數(shù)器帶來的相位噪聲,第二部分是由鑒相器統(tǒng)計誤差帶來的相位噪聲,第三部分是由壓控振蕩器帶來的相位噪聲。可以根據(jù)近似的線性傳遞函數(shù)模型計算輸出總的相位噪聲。

圖2　激光通信時鐘恢復電路框圖

將時鐘抖動過程看成平穩(wěn)隨機過程,相位噪聲是時鐘抖動的功率譜密度。時鐘抖動與相位噪聲S(f)的關系可以表示為

(1)

其中S(f)表示單邊功率譜密度,T0為時鐘周期,S(f)為噪聲源的相位噪聲譜密度。總的功率譜密度與各個噪聲源相位噪聲間的關系為

(2)

式中：Sapd(f),Spd(f),Svco(f)分別為光子計數(shù)器、統(tǒng)計鑒相器以及壓控振蕩器的相位噪聲譜;Hapd(f),Hpd(f),Hvco(f)分別為光子計數(shù)器、統(tǒng)計鑒相器以及壓控振蕩器的傳遞函數(shù)。可以進一步表示為

(3)

式中:G(f)為開環(huán)傳遞函數(shù),它是鑒相器、環(huán)路濾波器與壓控振蕩器傳遞函數(shù)的乘積,是2型傳遞函數(shù),具有零點ωz和極點ωp。下面分析各個噪聲源的相位噪聲譜從而推導時鐘抖動與各種系統(tǒng)參數(shù)之間的關系。

2.1光子計數(shù)器的相位噪聲

(4)

從公式可以看出光子計數(shù)器引起的時鐘抖動與λ成反比,當光子流密度很大的情況下,由光子計數(shù)引起的時鐘抖動可以忽略不計。

2.2統(tǒng)計鑒相器的噪聲

如果積分時間為τ,則從(k-1)*τ到k*τ時刻積累的抖動的方差Δrms。 時間τ內(nèi)的同步脈沖數(shù)目為Δt=τ/(M*S),同步脈沖鄰近時隙內(nèi)的信號光子數(shù)目為M*λs*Δrms*Δt,同步脈沖鄰近時隙的背景光子數(shù)目為λb*Δt,當同步脈沖鄰近時隙內(nèi)的信號光子數(shù)目比背景光子數(shù)目大3 dB時,認為可分辨時鐘偏移產(chǎn)生相位偏差,滿足下面的公式

(5)

考慮前一個積分時間內(nèi)的抖動不會累積到當前時刻,δ(t)與δ(t+τ)無關,任意時刻的統(tǒng)計鑒相器時鐘抖動的相關函數(shù)為:

(6)

由于功率譜密度為相關函數(shù)的傅里葉變換:

(7)

2.3壓控振蕩器的相位噪聲

壓控振蕩器的相位噪聲來自于白噪聲和閃爍噪聲,其時鐘抖動可以表示為:

(8)

式中:δnoise(τ)為噪聲源的噪聲;Rnoise(τ)為噪聲源的相關函數(shù);δvco(t)為VCO表現(xiàn)出的噪聲。由于相關函數(shù)的傅里葉變換即為功率譜密度。噪聲源主要包括白噪聲和閃爍噪聲,其功率譜密度為

(9)

式中:n為常數(shù)。當振蕩頻率ffc表現(xiàn)為白噪聲。有公式

(10)

式中:c為擬合參數(shù);A1Hz為VCO的1 Hz相位噪聲的功率譜數(shù)值。

2.4VCO相位噪聲表達式

從式(4)、(7)、(10)可以看出對于統(tǒng)計鑒相器和光子計數(shù)器噪聲的傳遞函數(shù)表現(xiàn)為低通濾波器特性,低于環(huán)路濾波器的噪聲被傳遞到輸出,而壓控振蕩器表現(xiàn)為高通濾波器特性,高于環(huán)路帶寬的噪聲被傳遞到輸出。激光通訊時鐘同步總的時鐘偏移的方差可以表示為

(11)

(12)

最小的時鐘偏移的方差可以表示為

(13)

3時鐘同步與傳輸速率的權衡關系

激光通信脈沖寬度調(diào)制技術的難點在于協(xié)調(diào)時鐘同步與傳輸速率的關系,本文第3部分已經(jīng)建立了脈沖抖動的詳細數(shù)學模型,下面討論脈沖抖動與傳輸速率的權衡關系。激光通訊傳輸速率由兩部分決定,一部分是脈沖位置編碼決定的編碼速率,可以表示為

(14)

另一部分是信道信噪比決定的最大信息量傳輸速率,根據(jù)香濃定理對于每個固定的信道,在一種信源使得傳輸每個信號平均傳輸?shù)淖畲笮畔⒘?/p>

(15)

式中:N0是每單位頻率的信噪比;B為帶寬;S/N為信噪比。當帶寬B趨于無窮時,高斯信道的信息量速率極限

C=1.44S/N0

(16)

高速激光通訊系統(tǒng)方案設計必須權衡上述公式約束的時鐘同步以及傳輸速率需求,其中信號光背景光平均功率λs和λb,取決于實際通信環(huán)境,可以將這些約束關系繪制在λs和λb所構成的平面中,并以此為基礎討論這些系統(tǒng)參數(shù)之間的權衡關系。

(17)

圖3　時鐘同步與傳輸速率的關系曲線Fig.3　The relationship between clock synchronization and transmission speed

采用了火星激光通信演示項目中的一些基本參數(shù),可以繪制時鐘同步與傳輸速率關系曲線,如圖3所示。圖中實線為使用這些參數(shù)做出了時鐘抖動約束曲線,虛線為信噪比所約束的最高傳輸速率。從圖中可以看到1/S,M,τ三種參數(shù)越小越有利于數(shù)據(jù)傳輸,即插入更多的同步幀,選擇更長的編碼時隙,選擇更長的鑒相器積分時間等。而A和Ntel兩個參數(shù)越大約有利于數(shù)據(jù)的傳輸,即更低的壓控振蕩器相位噪聲和采用少數(shù)量的望遠鏡陣列。但是考慮到編碼傳輸速率以及制造成本等要求,很多參數(shù)需要進一步進行權衡:

(1) 增加M和1/S,從傳輸速率的公式R,增加插入同步信號的頻率會減少數(shù)據(jù)編碼傳輸速率。

(2) 增加τ,若積分時間超過一定的限度則必須考慮采樣對時鐘恢復電路的影響,因為這時系統(tǒng)不能看成連續(xù)系統(tǒng)而需要考慮離散采樣對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

(3) 增加Ntel,意味著將大口徑望遠鏡換成多個小口徑望遠鏡陣列,即可以減輕制造成本,因此實際數(shù)據(jù)傳輸速率的提高,會影響時鐘抖動和極限傳輸速率。

因而激光通訊脈沖調(diào)制技術需要協(xié)調(diào)多方面的設計要求,達到數(shù)據(jù)傳輸速率、時鐘同步需求的最優(yōu)設計。

4結論

本文建立了激光通訊脈沖調(diào)制方案中時鐘抖動的詳細數(shù)據(jù)模型,以美國火星實驗計劃的相關數(shù)據(jù)為依據(jù)討論了激光通信的技術難點,協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸速率和激光通信的脈沖抖動的矛盾,推導了傳輸速率和時鐘同步對PPM調(diào)制參數(shù)的約束關系,并在此基礎上分析了數(shù)據(jù)傳輸速率與時鐘同步的權衡關系。

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(編輯:張磊)

Clock synchronization technology on interstellar high speed laser communication

ZHANGBin

(Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China)

Abstract：Clock synchronization technology of pulse position modulation(PPM) modulation is discuss in this paper. The main target of PPM modulation scheme is to gain the fastest data transition speed. Clock synchronization plays an important role in the PPM modulation scheme. Statistic phase detection technology is used in the clock synchronization to achieve the timing requirement between modulation and demodulation. The theory model about clock jitter is provided, and its influence with PPM modulation parameters is discussed. The relationship between clock synchronization and data stream timing requirement is provided. The analytical results have some guidance which is significant to the interstellar high speed laser design.

Keywords：PPM; laser communication; data transition; clock synchronization

中圖分類號：TN201

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1005-5630.2016.01.017

作者簡介：張彬(1982—),男,副研究員,主要從事光電測控設備研制工作。E-mail:zb5700@gmail.com

收稿日期：2015-05-18