相干通信与光孤子通信最全课件.ppt
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- 相干 通信 孤子 课件
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1、第五章相干通信与光孤子通信第五章相干通信与光孤子通信内容提要内容提要 光孤子通信系统光孤子通信系统 附附补充知识补充知识 相干光通信系统相干光通信系统5.7 5.7 相干光通信相干光通信v 目前实用化的光纤通信系统都是采用目前实用化的光纤通信系统都是采用光强度调制光强度调制/直接探直接探测测 (Intensity Modulation with Direct Detection,IM-DD)方式,方式,v 其原理简单,成本低,但不能充分发挥光纤通信的优越其原理简单,成本低,但不能充分发挥光纤通信的优越性,存在频带利用率低、接收机灵敏度差、中继距离短性,存在频带利用率低、接收机灵敏度差、中继距离
2、短等缺点。等缺点。v 为了充分利用光纤通信的带宽,将无线电数字通信中的为了充分利用光纤通信的带宽,将无线电数字通信中的相干通信方式应用于光纤通信。于是,相干通信方式应用于光纤通信。于是,相干光通信相干光通信便产便产生了。生了。v 相干光通信旳理论和实验始于相干光通信旳理论和实验始于8080年代。由于相干光通信年代。由于相干光通信系统被公认为具有灵敏度高旳优势,各国在相干光传输技术系统被公认为具有灵敏度高旳优势,各国在相干光传输技术上做了大量研究工作。经过十年旳研究,相干光通信进入实上做了大量研究工作。经过十年旳研究,相干光通信进入实用阶段。英美日等国相继进行了用阶段。英美日等国相继进行了系列相
3、干光通信实验。系列相干光通信实验。AT&TAT&T及及BellBell公司于公司于19891989和和19901990年在宾州旳罗灵年在宾州旳罗灵克里克地面克里克地面站与森伯里枢纽站间先后进行了站与森伯里枢纽站间先后进行了1.3m1.3m和和1.55m1.55m波长旳波长旳1.7Gbit/s FSK1.7Gbit/s FSK现场无中继相干传输实验,相距现场无中继相干传输实验,相距3535公里,接公里,接收灵敏度达到收灵敏度达到-41.5dBm-41.5dBm。NTTNTT公司于公司于19901990年在濑户内陆海旳年在濑户内陆海旳大分大分尹予和吴站之间进行了尹予和吴站之间进行了2.5Gbit/
4、s CPFSK2.5Gbit/s CPFSK相干传输实相干传输实验,总长验,总长431431公里。直到公里。直到1919世纪世纪8080年代末,年代末,EDFAEDFA和和WDMWDM技术旳技术旳发展,使得相干光通信技术旳发展缓慢下来。在这段时期,发展,使得相干光通信技术旳发展缓慢下来。在这段时期,灵敏度灵敏度和每个通道旳信息容量已经不再备受关注。和每个通道旳信息容量已经不再备受关注。5.7 5.7 相干光通信相干光通信v 相干光通信的基本工作原理如图相干光通信的基本工作原理如图5.415.41所示。所示。图图5.41 5.41 相干光通信系统原理图相干光通信系统原理图相干光通信的基本工作原理
5、相干光通信的基本工作原理v 基本工作原理基本工作原理:在发送端,采用外光调制方式将信号以调:在发送端,采用外光调制方式将信号以调幅、调相或调频的方式调制到光载波上,再经光匹配器送幅、调相或调频的方式调制到光载波上,再经光匹配器送入光纤中传输。当入光纤中传输。当信号光信号光传输到达接收端时,首先传输到达接收端时,首先与本振与本振光信号进行相干混合光信号进行相干混合,然后由探测器进行检测。,然后由探测器进行检测。v 其中,发射端的光匹配器是其中,发射端的光匹配器是保证从光调制器输出的已调光保证从光调制器输出的已调光波的空间场分布和单模光纤中的基模波的空间场分布和单模光纤中的基模HE11之间有尽可能
6、好之间有尽可能好的匹配,以及已调光波的偏振状态和单模光纤中的本征偏的匹配,以及已调光波的偏振状态和单模光纤中的本征偏振状态相匹配。振状态相匹配。v 接收端的光匹配器是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。率而使接收的光复数振幅和偏振与本振光波相匹配。相干光通信的基本工作原理相干光通信的基本工作原理v 相干光通信相干光通信按照本振光信号频率与接收到的信号光频率按照本振光信号频率与接收到的信号光频率是否相等是否相等,可分为,可分为外差检测相干光通信外差检测相干光通信和和零差检测相干零差检测相干光通信光通信。v
7、 前者经光电检波器获得的是中频信号,中频信号还需二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。外差检测相干光通信不次解调才能被转换成基带信号。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。要求本振光与信号光之间的相位锁定和光频率严格匹配。v 对于后者,光信号经光电检波器后被直接转换成基带信对于后者,光信号经光电检波器后被直接转换成基带信号,不用二次解调,但它要求本振光频率与信号光频率号,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相位锁定。严格匹配,并且要求本振光与信号光相位锁定。相干光通信的基本工作原理相
8、干光通信的基本工作原理v图图5.425.42为相干检测原理图为相干检测原理图。v 图图5.42 5.42 相干检测原理图相干检测原理图相干光通信的基本工作原理相干光通信的基本工作原理v 图图5.425.42中的光信号是以调幅、调频或调相的方式调制到光中的光信号是以调幅、调频或调相的方式调制到光载波(载波频率为载波(载波频率为 )上的。当该信号传输到接收端时,)上的。当该信号传输到接收端时,首先与频率为首先与频率为 的本振光信号进行相干混合(混频),的本振光信号进行相干混合(混频),然后由光电检测器进行检测,这样就获得了中频频率为然后由光电检测器进行检测,这样就获得了中频频率为 的输出电信号。设
9、信号光和本振光的电场分量分别为的输出电信号。设信号光和本振光的电场分量分别为 ,式中,式中,和和 ,A AS S 和和A AL L,和和 分别是信号光和本分别是信号光和本振光的频率、振幅和相位。振光的频率、振幅和相位。SSSScos()EAtLLLLcos()EAtLsIFsLsLsL相干光通信的相干光通信的基本工作原理基本工作原理v 假定信号光和本振光的偏振方向相同,光检测器上的光强假定信号光和本振光的偏振方向相同,光检测器上的光强度为正比于度为正比于 ,设检测到的功率为,设检测到的功率为P=K K ,K为比例系数。将和式代入,则为比例系数。将和式代入,则v P(t)v 式中,式中,为接收信
10、号光功率;为接收信号光功率;为本振信号光功率;为本振信号光功率;为中频;为中频;信号频率超出光检信号频率超出光检测器频段,可以忽略。测器频段,可以忽略。2SLEE2SLEESLS LIFSL2cos()P PPPt22SSSScos()PK At22LLLLcos()PK Atcos()sLIFsL相干光通信的基本工作原理相干光通信的基本工作原理v 当当 时,必须把接收信号光载波频率转换为中频信时,必须把接收信号光载波频率转换为中频信号(典型值为号(典型值为0.10.15 GHz5 GHz),然后再把该中频信号转变成),然后再把该中频信号转变成基带信号,这种相干检测方式称为基带信号,这种相干检
11、测方式称为外差检测外差检测。v 当当 =时,可以把接收到的光信号直接转变为基带信时,可以把接收到的光信号直接转变为基带信号,这种相干检测方式称为号,这种相干检测方式称为零差检测零差检测。v 1 1零差检测零差检测v 零差检测时,选择本振光频率零差检测时,选择本振光频率 与信号光载波频率与信号光载波频率 相同,此时相同,此时 =0=0,光检测器产生的光电流为,光检测器产生的光电流为sLsLLsIF相干光通信的基本工作原理相干光通信的基本工作原理v v 式中,式中,R是检测器的响应度。因为通常是检测器的响应度。因为通常 ,所以可以,所以可以认为认为 为常数。为常数。v 式的最后一项包含要传送的信息
12、。考虑到本振光相位被锁式的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,即定在信号光相位上,即 ,因此零差检测产生的,因此零差检测产生的信号电流为信号电流为 。SLSLSL()()2cos()I tRPR PPR P PSLLPPPSLSSL()2()ItR P t PSLPP 相干光通信的基本工作原理相干光通信的基本工作原理v 2 2外差检测外差检测v 在外差检测情况下,选择本振光频率在外差检测情况下,选择本振光频率 与信号光载波频率与信号光载波频率 不同,使差频不同,使差频 落在微波范围内落在微波范围内(1 GHz)1 GHz)。因。因此光检测器产生的光生电流为此光检测器
13、产生的光生电流为v v 因为通常因为通常 ,所以,所以 为常数,所以上式的第为常数,所以上式的第一项可认为是直流常数,很容易被滤除。此时,含有信息的一项可认为是直流常数,很容易被滤除。此时,含有信息的外差信号电流为外差信号电流为 LSIFfIFSLSLIFSL()()2cos()I tR PPR P PtSLIFSL()2cos()I tR P PtSLLPPPSLPP 相干光通信的基本工作原理相干光通信的基本工作原理 从式和式可以清楚地看到从式和式可以清楚地看到:v(1)(1)即使接收光信号功率很小,但由于输出电流与即使接收光信号功率很小,但由于输出电流与 成正比,仍能够通过增大成正比,仍能
14、够通过增大P PL L而获得足够大的输出电流。本而获得足够大的输出电流。本振光在相干检测中还起到了光放大的作用,振光在相干检测中还起到了光放大的作用,系统获得了系统获得了混频增益,从而提高了信号的接收灵敏度。混频增益,从而提高了信号的接收灵敏度。v(2)(2)由于在相干检测中,要求由于在相干检测中,要求s s-L L随时保持常数随时保持常数(IFIF或或0)0),因而要求系统中所使用的光源具备非常高的频率稳,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。定性、非常窄的光谱宽度以及一定的频率调谐范围。v(3)(3)无论外差检测还是零差检测,其检测根据都
15、来源于接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和偏振方向匹配。须保持它们之间的相位锁定和偏振方向匹配。LPv相干光通信充分利用了相干通信方式具有的混频相干光通信充分利用了相干通信方式具有的混频增益、出色的信道选择性及可调性等特点。增益、出色的信道选择性及可调性等特点。v与与 IM-DD 系统相比,具有以下独特的优点。系统相比,具有以下独特的优点。v(1)(1)灵敏度高,中继距离长灵敏度高,中继距离长v相干光通信旳相干光通信旳个最主要旳优点是相干检测个最主要旳优点是相干
16、检测能改善接收机旳灵敏度。在相同旳条件下,相干能改善接收机旳灵敏度。在相同旳条件下,相干接收机比普通接收机提高灵敏度约接收机比普通接收机提高灵敏度约20dB20dB,可以达,可以达到接近散粒噪声极限旳高性能,因此也增加了光到接近散粒噪声极限旳高性能,因此也增加了光信号旳无中继传输距离。信号旳无中继传输距离。相干光通信的特点相干光通信的特点v(2)(2)选择性好,通信容量大选择性好,通信容量大v 相干光通信旳另相干光通信旳另个主要优点是可以提高接收机旳个主要优点是可以提高接收机旳选择性。在直接探测中选择性。在直接探测中,接收波段较大,为抑制接收波段较大,为抑制噪声噪声旳旳干扰,探测器前通常需要放
17、置干扰,探测器前通常需要放置窄带滤光片窄带滤光片,但其频带仍但其频带仍然很宽。在相干外差探测中,探测旳是信号光和本振光然很宽。在相干外差探测中,探测旳是信号光和本振光旳混频光,因此只有在中频频带内旳噪声才可以进入系旳混频光,因此只有在中频频带内旳噪声才可以进入系统,而其它噪声均被带宽较窄旳微波中频放大器滤除。统,而其它噪声均被带宽较窄旳微波中频放大器滤除。可见,外差探测有良好旳滤波性能,这在星间光通信旳可见,外差探测有良好旳滤波性能,这在星间光通信旳应用中会发挥重大作用。此外,由于相干探测优良旳波应用中会发挥重大作用。此外,由于相干探测优良旳波长选择性,相干接收机可以使频分复用系统旳频率间隔长
18、选择性,相干接收机可以使频分复用系统旳频率间隔大大缩小,即密集波分复用(大大缩小,即密集波分复用(DWDMDWDM),取代传统光复用),取代传统光复用技术旳大频率间隔,具有以频分复用实现更高传输速率技术旳大频率间隔,具有以频分复用实现更高传输速率旳潜在优势。旳潜在优势。v(3)(3)具有多种调制方式具有多种调制方式v在传统光通信系统中,只能使用强度调制方在传统光通信系统中,只能使用强度调制方式对光进行调制。而在相干光通信中,除了可以式对光进行调制。而在相干光通信中,除了可以对光进行幅度调制外,还可以使用对光进行幅度调制外,还可以使用PSKPSK、DPSKDPSK、QAMQAM等多种调制格式,利
19、于灵活旳工程应用,虽等多种调制格式,利于灵活旳工程应用,虽然这样增加了系统旳复杂性,但是相对于传统光然这样增加了系统旳复杂性,但是相对于传统光接收机只响应光功率旳变化,相干探测可探测出接收机只响应光功率旳变化,相干探测可探测出光旳振幅、频率、位相、偏振态携带旳所有信息,光旳振幅、频率、位相、偏振态携带旳所有信息,因此相干探测是因此相干探测是种全息探测技术,这是传统光种全息探测技术,这是传统光通信技术不具备旳。通信技术不具备旳。三、国内外光孤子通信走向实用的动态采用以上外调制器,可以完成对光载波的振幅、频率和相位的调制。因此,只有保证光载波振荡器和光本振振荡器的高频率稳定性,才能保证相干光通信系
20、统的正常工作。设信号光和本振光的电场分量分别为为中频;考虑到本振光相位被锁定在信号光相位上,即 ,因此零差检测产生的信号电流为相干光通信的基本工作原理相干光通信旳个最主要旳优点是相干检测能改善接收机旳灵敏度。图5.二、光孤子通信系统的构成三、国内外光孤子通信走向实用的动态基本工作原理:在发送端,采用外光调制方式将信号以调幅、调相或调频的方式调制到光载波上,再经光匹配器送入光纤中传输。5Gbit/s CPFSK相干传输实验,总长431公里。与此同时,麻省理工林肯实验室研究了各种相干通信方案在LEO星间平台振动条件下旳信噪比、误码率等通信性能,并提出了发射功率自适应技术方案,其实验装置通信距离30
21、00km,误码率1.,目前实用化的光纤通信系统都是采用光强度调制/直接探测(Intensity Modulation with Direct Detection,IM-DD)方式,在该系统中超长波长光纤是至关重要旳。(2)光孤子源技术相干系统的光调制相干系统的光调制v在相干光纤通信系统中,发送端可以采用直接调在相干光纤通信系统中,发送端可以采用直接调制或外调制方式,对光载波进行幅度、频率和相制或外调制方式,对光载波进行幅度、频率和相位调制。它可以传输模拟信号,也可以传输数字位调制。它可以传输模拟信号,也可以传输数字信号,但多数情况下传送的是数字信息。信号,但多数情况下传送的是数字信息。v对于数
22、字调制,一般可采用三种基本形式:幅移对于数字调制,一般可采用三种基本形式:幅移键控键控 (amplitude-shift keying(amplitude-shift keying,ASK)ASK),相移,相移键控键控(phase-shift keying(phase-shift keying,PSK)PSK)和频移键控和频移键控(frequency-shift keying(frequency-shift keying,FSK)FSK)相干系统的光调制相干系统的光调制v如果基带数字信号只用来控制光载波的幅度大小,如果基带数字信号只用来控制光载波的幅度大小,称幅移键控称幅移键控.v如果基带数字
23、信号用来控制光载波的频率,称频如果基带数字信号用来控制光载波的频率,称频移键控移键控.v基带数字信号只对光载波的相位进行控制的方式,基带数字信号只对光载波的相位进行控制的方式,称为数字调相,也叫作相移键控。称为数字调相,也叫作相移键控。相干系统的光调制相干系统的光调制相干光通信的关键技术相干光通信的关键技术v 为了实现准确、有效、可靠的相干光通信,应采用以下关为了实现准确、有效、可靠的相干光通信,应采用以下关键技术。键技术。v 1 1外光调制技术外光调制技术v 外光调制是根据某些电光或声光晶体的光波传输特性随电外光调制是根据某些电光或声光晶体的光波传输特性随电压或声压等外界因素的变化而变化的物
24、理现象而提出的。压或声压等外界因素的变化而变化的物理现象而提出的。v 外光调制器主要包括三种:外光调制器主要包括三种:利用利用电光效应电光效应制成的电光调制制成的电光调制器、利用器、利用声光效应声光效应制成的声光调制器和利用制成的声光调制器和利用磁光效应磁光效应制成制成的磁光调制器。采用以上外调制器,可以完成对光载波的的磁光调制器。采用以上外调制器,可以完成对光载波的振幅、频率和相位的调制。振幅、频率和相位的调制。相干光通信的关键技术相干光通信的关键技术v 2 2偏振保持技术偏振保持技术v 在相干光通信中,相干探测要求信号光束与本振光束必须在相干光通信中,相干探测要求信号光束与本振光束必须有相
25、同的偏振方向,才能获得相干接收所能提供的高灵敏有相同的偏振方向,才能获得相干接收所能提供的高灵敏度,否则,会使相干探测灵敏度下降。度,否则,会使相干探测灵敏度下降。v 为了充分发挥相干接收的优越性,在相干光通信中应采取为了充分发挥相干接收的优越性,在相干光通信中应采取光波偏振稳定措施光波偏振稳定措施。目前,主要有两种方法:目前,主要有两种方法:v 一是采用一是采用“保偏光纤保偏光纤”使光波在传输过程中保持光波的偏使光波在传输过程中保持光波的偏振态不变。振态不变。v 二是使用普通的单模光纤,在接收端采用偏振分集技术。二是使用普通的单模光纤,在接收端采用偏振分集技术。相干光通信的关键技术相干光通信
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