相干光通信系统的设计与实现
相干光通信技术
信号处理单元
1 2 3
作用
信号处理单元负责对接收到的电信号进行解调、 解码和纠错等处理，提取出传输的信息。
特点
信号处理单元通常采用数字信号处理技术实现， 具有处理精度高、稳定性好、易于实现高速传输 等优点。
算法
常用的信号处理算法包括相位恢复算法、载波恢 复算法、判决反馈均衡器等，用于改善系统的性 能和传输距离。
面发射激光器）。
作用
光源负责产生相干光信号，其性能 直接影响系统的传输质量和距离。
特点
单频激光器具有输出光谱窄、线宽 小、相干性好的优点，适合于高速 长距离的相干光通信。
光调制器
01
02
03
类型
光调制器通常采用电光效 应或声光效应材料制成， 如LiNbO3或SiO2等。
作用
光调制器负责将电信号转 换为光信号，实现信息的 加载。
抗干扰能力
相干光通信具有较强的抗干扰能 力，能够更好地抵御噪声和干扰 的影响，确保信号传输的稳定性。
与无线通信的比较
传输媒介
相干光通信依赖于光纤作为传输 媒介，具有较低的传输损耗和较 小的信号干扰。无线通信则通过 空气传输，容易受到环境因素的 影响。
传输速率
相干光通信支持更高的传输速率， 能够满足大数据和多媒体传输的 需求。无线通信的传输速率相对 较低。
抗干扰能力强
相干光通信技术能够有效地 抑制光噪声和干扰，提高通
信系统的抗干扰能力。
传输容量大
相干光通信技术可以实 现多载波调制，从而大
幅度提高传输容量。
相干光通信技术的发展历程
01
02
03
04
20世纪60年代
相干光通信技术的概念被提出 。
相干光通信技术
相干光通信技术徐飞 20114487【摘要】:随着各种新型通信技术的发展以及互联网带来的信息爆炸式增长，科学研究工作者们提出了相干光通信这一解决办法。
本文简要介绍了相干光通信的基本原理、相干光通信相对其他通信方式的优点和它所涉及的主要技术，以及在超长波长光纤通信系统中的应用等问题。
【关键词】:相干调制、外差检波、稳频、超长波长光纤引言:在光纤通信领域，更大的带宽、更长的传输距离、更高的接受灵敏度，是科学研究者们永远的追求。
虽然波分复用(WDM)技术和掺铒光纤放大器(,,,,)的应用已经使光纤通信系统的带宽和传输距离得到了极大地提升但随着视频会议等一系列新的通信技术的不断发展应用和互联网普及带来的信息爆炸式增长，相干光通信技术的研究与应用显得越发的重要。
1.相干光通信的基本原理:在相干光通信中主要利用了相干调制和外差检测技术,所谓相干调制,就是利用要传输的信号来改变光载波的频率、相位和振幅,这就需要光信号有确定的频率和相位,即应是相干光。
激光就是一种相干光。
所谓外差检测,就是利用一束本机振荡产生的激光与输人的信号光在光混频器中进行混频,得到与信号光的频[1]率、相位和振幅按相同规律变化的中频信号。
在光发射端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，再经过光匹配器送入光纤中进行传输，当信号光传输到光接收端时，先用一束本振光信号与之进行相干混合，然后用探测器检测。
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。
外差检测相干光通信经光电检波器获得的是中频信号，还需要进行二次解调才能被转换成基带信号。
外差检测相干光通信又可根据中频信号的解调方式分为同步解调和包络解调。
零差检测相干光通信的光信号经光电检波器后被直接转换成系带信号，不需要进行二次解调，但本振光频率与信号光频率要求严格匹配，并且要求本振光与信号光的相位锁定。
2.相干光通信的优点:相干光通信技术充分利用了它的混频增益、信道选择性及可调性出色以及充分利用光纤通信的带宽等特点，逐步适应当前通信的巨大需求，与传统的通信系统相比，具有以下突出的优点。
[整理]相干光通信
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[整理]相干光通信相干光通信一、相干光通信的基本工作原理在相干光通信中主要利用了相干调制和外差检测技术。
所谓相干调制，就是利用要传输的信号来改变光载波的频率、相位和振幅，这就需要光信号有确定的频率和相位(而不像自然光那样没有确定的频率和相位)，即应是相干光。
激光就是一种相干光。
所谓外差检测，就是利用一束本机振荡产生的激光与输入的信号光在光混频器中进行混频，得到与信号光的频率、位相和振幅按相同规律变化的中频信号。
在发送端，采用外调制方式将信号调制到光载波上进行传输。
当信号光传输到达接收端时，首先与一本振光信号进行相干耦合，然后由平衡接收机进行探测。
相干光通信根据本振光频率与信号光频率不等或相等，可分为外差检测和零差检测。
前者光信号经光电转换后获得的是中频信号，还需二次解调才能被转换成基带信号。
后者光信号经光电转换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严格匹配，并且要求本振光与信号光的相位锁定。
相干光通信系统可以把光频段划分为许多频道，从而使光频段得到充分利用，即多信道光纤通信。
我们知道无线电技术中相干通信具有接收灵敏度高的优点，相干光通信技术同样具有这个特点，采用该技术的接收灵敏度可比直接检测技术高18dB。
早期，研究相干光通信时要求采用保偏光纤作传输介质，因为光信号在常规光纤线路中传输时其相位和偏振面会随机变化，要保持光信号的相位、偏振面不变就需要采用保偏光纤。
但是后来发现，光信号在常规光纤中传输时，其相位和偏振面的变化是慢变化，可以通过接收机内用偏振控制器来纠正，因此仍然可以用常规光纤进行相干通信，这个发现使相干光通信的前景呈现光明。
相干光纤通信系统在光接收机中增加了外差或零差接收所需的本地振荡光源，该光源输出的光波与接收到的已调光波在满足波前匹配和偏振匹配的条件下，进行光电混频。
混频后输出的信号光波场强和本振光波场强之和的平方成正比，从中可选出本振光波与信号光波的差频信号。
相干光通信
相干光通信1引言卫星光通信的概念最早提出于20世纪60年代中期，但由于当时技术水平的限制．激光器件的研究刚刚起步，无法满足卫星光通信的要求。
直到80年代，随着光电技术与器件工艺的发展，卫星光通信的研究才开始逐渐受到重视。
卫通信按接收方式分为相干光通信系统和非相干通信系统。
早期的卫星光通信系统借鉴光纤通信技术采用了直接检测的系统方案，虽然能够实现中低速通信系统，但系统的发射功率和接收灵敏度都受到一定的限制。
随着信息时代的高速发展，卫星通信传输量剧增，宽带卫星通信技术成为卫星通信研究的热点。
建立卫星通信链路有两种选择：射频通信和光通信，目前通用的卫星射频通信系统受到传输容量、功耗、重量、体积等方面的严格限制，出现了1 Gbps以上通信的速率“瓶颈”，难以适应未来高速、宽带通信的需求；利用光频信号在空间传输实现通信被认为是解决该“瓶颈”的最佳方案。
2卫星相干光通信的原理及优势2.1卫星相干光通信的原理相干光通信中的“相干”是指光相干接收技术，根据本征激光器和信号光的频率不同，分为零差或外差接收。
图1为相干接收机的基本结构…，光信号经空间传输，由光学天线接收后，接收到的信号光同本征光混频，经光电检测器转换，输出电信号，解调处理，得到信号。
2.2相干光通信的优势相干光通信具有很多潜在优势，可以提高通信系统性能，接收机灵敏度高，而且能够在电域补偿光传输过程中的信号劣化；支持多种调制方式，多电平的调制方式可提高光通信链路的数据容量；波长的选择性好，频分复用方式实现更高速率传输，提升现有光通信的数据容量。
图1相干接收机原理图3国内外发展现状卫星相干光通信，由于技术和光电器件的原因，发展不是连续的。
1980年到1990年间，光相干检测技术是通信领域研究的热点，并有一系列相干通信理论文章发表及实验系统相继完成。
但因窄线宽高稳频激光器尚未成熟，不能实现工程上的应用。
1990年到1995年，随光纤通信中光放大器技术的发展，尤其是掺铒光纤放大器的实用化，相干检测原理及应用的研究渐少，各国研究机构都转向了直接检测的光通信系统，并相继实现了低速的星地、卫星间的通信试验。
光通信中的相干光通信系统性能分析
光通信中的相干光通信系统性能分析随着信息技术的快速发展和对高速数据传输的需求不断增长，光通信作为一种高速、大容量、低损耗的传输方式，在通信领域发挥着重要的作用。
而相干光通信系统则是一种基于光的相位信息来实现数据传输的技术，它能够提供更高的传输速率和更强的抗干扰能力。
本文将对光通信中相干光通信系统的性能进行详细分析，从相干度、误码率和传输距离等方面进行评估。
首先，我们来看相干度对相干光通信系统性能的影响。
相干度是指光信号的波动性与时间的关系，它直接影响系统的可靠性和传输质量。
在相干光通信系统中，信号的相位和幅度信息需要被精确地判断和恢复，相干度较高可以保证相位信息的传输准确性。
而相干度较低，则会引入相位噪声和失真，影响信号的解调性能和传输质量。
因此，相干度的提高可以显著提升相干光通信系统的性能。
其次，误码率也是相干光通信系统性能评估的重要指标之一。
误码率是指在数据传输过程中出现的比特错误率，通常用误比特率（BER）来衡量。
对于高速的光通信系统来说，传输质量的好坏直接影响到数据传输的准确性和可靠性。
相干光通信系统因其对相位信息的敏感性，往往需要采用更复杂的调制技术和信号处理算法。
通过优化系统的设计和参数设置，降低误码率是提升相干光通信系统性能的关键。
例如，选择适当的编码方案、增加信道的信噪比，以及合理设计调制器和解调器等都可以有效地降低误码率。
此外，传输距离也是相干光通信系统性能评估的一个重要指标。
随着传输距离的增加，光信号容易受到损耗、色散和非线性效应的影响，从而导致信号的失真，使得相干光通信系统的传输质量下降。
为了提高传输距离，可以采用光纤放大器、光纤衰减器等光学器件来补偿光信号的损耗，同时还可以采用适当的调制技术和复用技术来提高光信号的抗干扰能力和传播距离。
除了上述几个方面，还有一些其他因素也会对相干光通信系统的性能产生影响。
例如，光路多径传播和多径干扰会引入时延扩展、码间串扰等问题，从而影响到相干光通信系统的传输质量。
相干光及光孤子通信系统
基本原理
信号光
wS
光检测器
电信号处理
wL
本振光 基带信号
设信号光和本振光的电场分别为:
ES AS exp[ j (wS t S )]
EL AL exp[ j (wLt L )]
检测到的功率为:
P K ES EL
2
P(t ) PS PL 2 PS PL cos(w IF t S L )
光孤子通信系统主要由五部分组成：
光孤子源、调制器 传输光纤、孤子能量补偿放大器 孤子脉冲信号检测接收
光纤传输系统 EDFA 隔离器 隔离器 检测
孤子源
调制
脉冲源
EDFA
EDFA
EDFA
本章小结
本章小结
点对点光纤通信系统
组成原理 数字系统的构成
PDH体制和SDH体制 数字通信系统的设计 其它光纤通信系统
不考虑噪声时，带通滤波器滤波后的光电流可以写成
I f (t ) 2 R PS PL cos(wIF t )
基带信号
1 I d (2 R PS PL cos( ) ic ) 2
相干检测—外差异步解调
外差异步解调
信号光
wS
光检测器
带通 滤波器
包络检波
低通滤 波器
基带信号
wL
6.8 相干光通信系统
相干光通信的优势
接收机灵敏度
与IM/DD系统相比可以改进20dB ,从而在相同发射机功率 下，允许传输距离增加100km 能解调相位信息，可成倍增加光纤带宽利用率
信号输出
带宽利用率
07.相干光通信系统讲解
7.1 相干检测基本原理
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。
7.1 相干检测基本原理
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
7.1 相干检测基本原理
2ASK信号解调原理
2ASK信号解调波形
2. FSK频移键控 若正弦载波的频率随二进制基带信号在f1和 f2两个频率点间变化，则产生二进制移频键 控信号（2FSK）。 二进制移频键控信号可以看成是两个不同 载波的二进制振幅键控信号的叠加。 2FSK信号能够采用非相干解调(包络检波法) 和相干解调(同步检测法)。
2FSK时间波形
2FSK调制原理
2FSK解调原理
2FSK解调波形
3. PSK相移键控 正弦载波的相位随二进制数字基带信号离 散变化，则产生二进制移相键控(2PSK)信 号。 2PSK信号的解调通常都是采用相干解调。
2PSK时间波形
2PSK调制原理
2PSK解调原理
2PSK解调波形
7.1 相干检测基本原理
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
相干光通信系统由光发射机、光纤和光接 收机组成
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。
相干光通信技术
相干光通信技术徐飞20114487【摘要】：随着各种新型通信技术的发展以及互联网带来的信息爆炸式增长，科学研究工作者们提出了相干光通信这一解决办法。
本文简要介绍了相干光通信的基本原理、相干光通信相对其他通信方式的优点和它所涉及的主要技术，以及在超长波长光纤通信系统中的应用等问题。
【关键词】：相干调制、外差检波、稳频、超长波长光纤引言：在光纤通信领域，更大的带宽、更长的传输距离、更高的接受灵敏度，是科学研究者们永远的追求。
虽然波分复用（WDM）技术和掺铒光纤放大器（ＥＤＦＡ）的应用已经使光纤通信系统的带宽和传输距离得到了极大地提升但随着视频会议等一系列新的通信技术的不断发展应用和互联网普及带来的信息爆炸式增长，相干光通信技术的研究与应用显得越发的重要。
1.相干光通信的基本原理：在相干光通信中主要利用了相干调制和外差检测技术,所谓相干调制,就是利用要传输的信号来改变光载波的频率、相位和振幅,这就需要光信号有确定的频率和相位,即应是相干光。
激光就是一种相干光。
所谓外差检测,就是利用一束本机振荡产生的激光与输人的信号光在光混频器中进行混频,得到与信号光的频率、相位和振幅按相同规律变化的中频信号[1]。
在光发射端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，再经过光匹配器送入光纤中进行传输，当信号光传输到光接收端时，先用一束本振光信号与之进行相干混合，然后用探测器检测。
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。
外差检测相干光通信经光电检波器获得的是中频信号，还需要进行二次解调才能被转换成基带信号。
外差检测相干光通信又可根据中频信号的解调方式分为同步解调和包络解调。
零差检测相干光通信的光信号经光电检波器后被直接转换成系带信号，不需要进行二次解调，但本振光频率与信号光频率要求严格匹配，并且要求本振光与信号光的相位锁定。
2.相干光通信的优点：相干光通信技术充分利用了它的混频增益、信道选择性及可调性出色以及充分利用光纤通信的带宽等特点，逐步适应当前通信的巨大需求，与传统的通信系统相比，具有以下突出的优点。
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过 单 模光 纤长 距离 传输 后 ，偏振 态是 随机 起伏 的 ，为 了克 服这 个 问
题 ，可采 用保 偏光 纤 、偏振 控制 器和 偏振 分集 接 收等 方法 。光 在 普
通光 纤 中传输 时 ，相位 和 偏振 面会 随机 变化 ，保 偏光 纤就 是通 过 工
艺和 材料 的选 择使 得光 相位 和偏 振保 持 不变 的特 种光 纤 ，但是 这种 光纤 损耗 大 ，价格 也 非常 昂贵 ；偏振 控 制器 主要 是使 信号 光和 本 振
些特 殊应 用 中作 为理 想偏置 点 。
２．２．２ 相干 光接 收端机 的 设计
相 干光 接 收端机 包 括光 混频 、本 振光 、光 电探测 、放 大滤 波 、
信 号 处 理 、 解 调等 。本 系 统 设 计 的相 干 光 接 收 端机 采 用 平 衡 探 测
接 收 ，平衡 探测 光 电探 测器 是 由集成 在 一个 芯片 上 的两个 波导 集成 探 测 器 组 成 ，这 种 结 构 确保 了这 一 对 探 测 器 的 均匀 性 非 常 好 ，波 导 技 术 确 保 了探 测 器频 率 响 应 和 相位 响应 ，甚 至在 高输 入 功 率 下
反 向 电压
Ｖ
２．Ｏ
２．８
３．３
响 应 度 ＠１５５０ｎｍ
Ａ／Ｗ
０．５
Ｏ．６
ｆ
偏 振 相 关 损 耗
ｄＢ
０．２
０．３
｜
回波 损 耗
ｄＢ
２７
｝
｛
３ｄＢ截 止 频 率
ＧＨｚ
３７
４２
脉 冲 宽 度
ｐｓ
｜
１１
ｌ２
表 ３光 混 频 器 性 能 参 数
相干 光通 信 的接 收技 术包 括两 部分 ，一部 分是 光 的接收 技 术 ， 另 一部 分是 中频 之后 的各 种制 式 的解 调技 术 。解调 技术 实 际上 是 电 子 的ＡＳＫ、ＦＳＫ和ＰＳＫ等 的解 调技 术 。光 的接 收技 术 包括 ：
ａ）平 衡 接收 法 。平衡 法 的主 要思 想是 当光 信 号从光 纤进 入 后 ， 本振 光 经偏 振控 制 以保证 与 信号 的偏 振状 态相 适应 ，本 振光 和 信号 光 同时 经过 精合 器 分两 路 ，分别 输入 两个 相 同的 光 电检 测 器 ，使得 两 个光 电检 测器 输 出的 是等 幅而 反相 的 包络 信号 ，再 将这 两个 信 号
ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＷＯＲＬＤ ·技 术 交 流
外调 制器 半 波 电压范 围大 ，要 求 偏置 电压 可调 范 围在一１２Ｖ￣＋１２Ｖ。
在 大 多数 应 用 场 合 中 ，外 调 制 器选 择 图２所示 四个 点 中 的Ｑｕａｄ＋和
Ｏｕａｄ一作为 理想 偏置 点 ，而 图２中输 出光功 率最 大 值点Ｍａｘ和Ｍｉｎ在一
干 混 频 ，单 偏 振 光 混频 器可 以从 单 偏振 信 号 中提 取 相位 和 幅 度 信
息 ，其性 能 参数 见表 ３。 表２光 电探 测 器 性 能 参 数
参 数
单 位
最 小值
典 型值
最 大 值
光 波 长
１４８０
｝
１６２０
光接 收功率范 围
ｄＢｍ
ห้องสมุดไป่ตู้－２０
｜
１３
参 数
单 位
最 小值 典型值 最大值
频 率 范 围
ＴＨｚ
１９１
｝
１９７
Ｉｎ与 Ｑｎ相 差
ｄｅｇ
８５
９Ｏ± ２
９５
插 入 损耗
ｄＢ
｛
２．５
７
插损一致性
ｄＢ
｝
ｆ
２．０
回 波 损耗
ｄＢ
４０
｛
｝
平衡端 口时间调节
ｐｓ
｝
１．０
｝
非 平 衡 端 口时 间调 节
光 同偏 ，这种 方法 响 应速 度 比较慢 ，环 路控 制 的要求 也 比较 高 ；偏
振分 集接 收主 要是 利 用信 号光 和本 振光 混频 后 ，由偏 振分 束元 件 将 混合 光分 成两 个相 互 垂直 的偏 振分 量 ，本振 光两 个垂 直偏 振 分量 由
偏振 控 制器控 制 ，使 两个 分量 功率 相等 ，这 样 当信 号光 中偏振 随机
起 伏也 许造 成其 中 一个分 支 中频信 号 衰落 ，但 另一 个分 支 的中频 信
号 仍然存 在 ，所 以该 系统 最后 得到 的解 调信 号 几乎和 信 号光 的偏 振
无 关 ，该技术 响应 速度 比较 快 ，比较 实用 ，但 实现 比较 复杂 。 ３．３ 测试 数据
合 成后 ，使 得 调频信 号增 加 一倍 ，而 寄生 的调 幅 噪声相 互抵 消 ，直 流 成分 也抵 消 ，达到 消除 调幅 噪声影 响 的要 求 。
ｂ）偏 振控 制技 术 。相干 光通 信 系统接 收端 必 须要 求信 号光 和 本
振 光 的相 干 ，才 能 取得 良好 的混 频效 果 ，提 高接 收质 量 。信 号 光经
的线 性 特 性 ， 探测 器 通 过 集 成 的 电压 偏 置 网络 进 行供 电 ，需 要 一 个 正 电压 和 一 个 负 电压 ，集 成 的 ５０ Ｑ阻抗 为 电输 出信 号 提 供 了优 异 的阻 抗 匹配 特 性 ，其 性 能参 数 见表 ２。光 混频 器 的作 用 是将 两 束
频 率相 近 、相 位 差 恒 定 且偏 振 方 向相 同 的信 号 光 与 本 振 光进 行 相
ｐｓ
｝
５０
｛
最大输入光功率
Ｉｎｗ
ｆ
３００
｝
３ 关键 技术及测试数 据
３．１ 窄线 宽光 源技 术 相 干光 通 信系 统光 源包 括 光发 射端 机 的信 号光 、光 接收 端机 的
本 振光二 者所用 的激 光器 ，它要求单 纵模 窄光 谱线 、频 率稳定 度高 ， 信 号激光器 在动态 调制下仍 能保持动 态的单频 特性 ，调 制带宽 能满足 相 应的码 速率要求 ， 同时 需要设计优 良的控 制电路使激 光器在 不同温 度 条件 时稳定输 出极窄谱 线光 。窄的稳定 的谱线宽度 是相干光 通信系 统 实用化 的必要条件 ，光源 谱线越 宽则相位 噪声就越 大 ，灵敏 度就越 差 ，光源 本身 的谱 线宽度将 决定 系统所能达 到的最低 误码率 以及最高 接 收灵敏度 ，谱线宽度越 小越好 ，理想情 况为单频 。 ３－２ 接 收技 术