07.相干光通信系统探析.pptVIP

第七章 相干光通信系统;;;;;;;;;;;;;;;;;7.1 相干检测基本原理;接收端的光匹配器是为了达到光混频器最大可能的混频效率而使接收的光复数振幅和偏振与本振光波相匹配。光隔离器的作用是避免反射光反馈回信号光源或本振光源而引起光源频谱发生展宽，甚至是多纵模工作。 相干光通信根据本振光信号频率与接收到的信号光频率是否相等，可分为外差检测相干光通信和零差检测相干光通信。前者经光电检波器获得的是中频信号，中频信号还需二次解调才能被转换成基带信号。;根据中频信号的解调方式不同，外差检测又分为同步解调和包络解调。 外差包络解调是在包络检测器后接一个低通滤波器而直接检测出基带信号。外差检测相干光通信不要求本振光与信号光之间的相位锁定和光频率严格匹配。 外差同步解调的光信号经光电检波器后被直接转换成基带信号，而不用二次解调，但它要求本振光频率与信号光频率严格匹配，并且要求本振光与信号光的相位锁定。;下面简单分析相干检测的过程。设信号光载波角频率为?S，本振光角频率为?L，则信号光与本振光光场分别表示为 式中，下标S和L分别表示与信号和本振有关的量。?S(t)包含频率调制或相位调制信号。;对正弦调制，?S(t)=?sin?mt，?为调制指数。 对ASK调制信号，?S(t)为常数，信号幅度取0或1； 对于FSK调制，?S(t)取?2t;在外差检测中，?L=?S+?IF，?IF为中频频率(一般为几十到几千MHz)； 在零差检测中，?IF=0，即?L=?S。;设ES(t)和EL(t)方向互相平行，且均在探测器表面内，则检测的光电流正比于入射光强(总电场平方)。入射光强为 ;上式中有三项的频率在2?S左右，通常超出光电二极管的响应范围，因此没有检波输出。这样，上式简化为;注意到，该式第一项为信号光强度，其余两项都是本振光出现后的强度。第三项表示信号光与本振光之间的差拍效应，其振幅与信号光场成正比，差拍的相位与信号的相位变化成线性关系。因此，接收信号中的振幅和相位都存在在差拍场的强度中。通常，本振光比信号光强得多，上式可简化为;由于入射光功率正比于光电场的平方，因 此光检测器输出的电流为;对???外差检测，信号电流为;在接收机中，只有信号电流被放大。从以上两式可以看出，采用相干检测时，信号光电流正比于sqrt{PL}，因此尽管信号光功率可能很小，但只要本振光功率，仍能获得足够大的光信号电流，从而提高检测灵敏度。所以，本振起着信号放大器的作用，可使接收机达到散弹噪声极限的工作状态。但也不是无限增加本振功率就可以无限提高接收灵敏度。考虑到本振的强度噪声，有一个最佳光功率。;同时注意到式中的相位角，本振相位和信号相位是直接相加的，因此，本振相位的任何变化都将干扰信号相位中包含的信息，这就是说，本振光的相位稳定是很重要的。 ;7.2 相干光通信系统的组成; 1．光发射机 由光频振荡器发出相干性很好的光载波通过调制器调制后，变成受数字信号控制的已调光波，并经光匹配器后输出，这里的光匹配器有两个作用：一是使从调制器输出已调光波的空间复数振幅分布和单模光纤的基模之间有最好的匹配；二是保证已调光波的偏振态和单模光纤的本征偏振态相匹配。;2．单模光纤 单模光纤的作用是将已调光波从发射端传送到接收端，传输模式为HE11模。在整个传输过程中，光波的幅度被衰减、相位被延迟，偏振方向也可能发生变化。;3．光接收机 接收到的光波首先进入匹配器，它的作用与发射机的匹配器相同，也是使接收光波的空间分布和偏振状态与本振激光器输出的本振光波相匹配。光混频器是将本振光波(频率为f1)和接收光波(频率为fs)相混合，并由后面的光电检测器进行检测，然后由中频放大器检出其差频信号(频率为fs-f1)进行放大。;经过理论计算，在完全匹配的情况下，所输出的中频信号电流幅度可用下式表达：;(1)由于本振光没有经过传输，所以，P1Ps，即通过混频后，中频信号产生了增益，称之为本振增益。正是由于本振增益的存在，可以使接收机的灵敏度大大提高，约为10-25dB。;(2)若在接收端改变本振光波的频率?1，因为后面中频放大器只允许固定的中频信号通过，而fs-f1=中频，所以，随着f1的改变，fs也相应地改变，即可从光纤输出的多种信息中选择出所需要的信号。 中频放大器输出的信号通过解调器，即根据发射机的调制形式进行解凋，就可以获得原始的数字信号。;7.3 相干光通信的优点;1．灵敏度高，中继距离长 相干光通信的一个最主要的优点是相干探测能改善接收机的灵敏度。在相干光通信系统中，经相干混合后的输出光电流的大小与信号光功率和本振光功率的乘积成正比；由于本振光功率远大于信号光功率，从而使接收机的灵敏度大大提高，以至于可以达到探测器的点噪声极限，并因此也增加了光信号的传输距离。;在直接检测接收机中