摘 要

在时间跨入21世纪之后，通信行业开始了快速的发展，为使通信系统能够实现高速大容量传输，相干光通信技术便成为了人们的首要选择。而如果想要更好的研究相干光通信系统，最重要的就是让接收机的灵敏度得到提高。在各种各样的接收机中，在理想条件下，性能表现最好的，就要属零差接收机了。因为它比其他同类型接收机相比，具有更高的接受精度，接受信号的保真度也最好，从而迅速成为了当下最热之一。但通信 传输不是字面意义上的那么简单，即使采用了最好的接收机，也还是需要保证信号相位 的同步，否则就无法得到最理想的效果。

为解决信号相位同步问题，提升通信质量，众多学者和开发人员做了大量的尝试，提出了一些方案。在目前众多的解决方法中，光锁相环技术(OPLL)毫无疑问成为了最佳，也已经得到了最广泛的应用。但凡事都有利有弊，不存在真正的完美，OPLL也是如此。实践证明，OPLL技术要受到很多因素的影响，例如信号功率、众多设备参数等等，当然还有一些不可避免的误差，都会让信号质量产生一定的损失，这也大大增加了平衡探测的难度。

本文对相干光通信系统接收机的各个模块都进行了一定程度上的优化，并设计了平衡探测相干光通信系统。本系统的基础来源于CONTAS锁相环。同时还设计了以下的参数：系统的码率为2. 5Gbit/s，总增益为1 MHz/V，COSTAS锁相环的固有频率为 0.11MHz，激光器线宽为l0kHz,并且利用Matlab软件对系统各参数进行了仿真，然后又对本系统的总体性能进行了分析，提出了理论上的可行的改进方案，使相干光通信系统能够更快更好的进行传输。综上所述进一步可以得出结论：进行分析可以得知，平衡探测相干光通信系统能够应用于实际的工程上，并且在基于COSTAS锁相环的基础上达成更大的效果

关键词：相干光通信；光锁相环；零差探测；平衡探测

Abstract

After the time entered the 21st century, the communication industry began rapid development. In order to enable the communication system to achieve high-speed and high-capacity transmission, coherent optical communication technology has become the primary choice for people. If you want to better study coherent optical communication systems, the most important thing is to improve the receiver's sensitivity. Because it has higher receiving accuracy than other receivers of the same type, the fidelity of the received signal is also the best. In summary, the following conclusions are further drawn: It quickly became one of the hottest moments. Even if the best receiver is used, it is still necessary to ensure the synchronization of the signal phase. Otherwise, the best results cannot be obtained.

In order to solve the problem of signal phase synchronization and improve communication quality, many scholars and developers have made a large number of attempts and proposed some solutions. Among the numerous solutions currently available, the Optical Phase-Locked Loop (OPLL) technology has undoubtedly become the best, and has also been used most widely. But everything has advantages and disadvantages, there is no real perfection, as is OPLL. Practice has proved that OPLL technology must be affected by many factors, such as signal power, many equipment parameters, etc. Of course, there are some unavoidable errors that will cause a certain loss of signal quality, which also greatly increases the difficulty of balance detection.

This paper optimizes each module of the receiver of a coherent optical communication system to a certain extent and designs a balanced detection coherent optical communication system. The basis of this system comes from the CONTAS phase-locked loop. At the same time, the following parameters were also designed: the system's code rate is 2.5 Gbit/s, the total gain is 1 MHz/V, the natural frequency of the COSTAS phase-locked loop is 0.11 MHz, the laser line width is 10 kHz, and the system is used by Matlab software. To sum up the above, we can draw the conclusion that the analysis of the coherent optical communication system can be applied to the actual project and achieve a greater effect based on the COSTAS phase-locked loop.

Key Words：Coherent optical communications; optical phase-locked loops; homodyne detection; balanced detection

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1相干光通信系统 1

1.1.1国内外研究现状 1

1.1.2课题研究的目的及意义 2

1.2论文主要工作 3

第二章 相干光通信系统接收机的关键技术 4

2.1相干光接收机关键技术 5

第三章 零差接收机和减小误差的方法 7

3.1零差接收机的相位误差 7

3.1.1环阻尼因子 7

3.1.2总相位误差方差 8

3.2 CONTAS锁相环 10

3.2.1 CONTAS锁相环总噪声分析与通信系统设计 11

3.3 本章小结 14

第四章 基于CONTAS锁相环的仿真调制 16

4.1 光通信系统的仿真调制 16

4.1.1 不同的接收光功率与锁相环总误差方差的关系研究 16

4.1.2 不同的接收光功率与误码率的关系研究 18

4.2 基于CONTAS锁相环相干光通信系统的改进 21

4.3 本章小结 24

第五章 总结与展望 25

5.1 总结 25

5.2 展望 25

参考文献 27

致谢 29

第一章 绪论

1.1相干光通信系统

1.1.1国内外研究现状

在20世纪90年代初，欧美两方开始进行激光通信技术的研究，而激光通信技术也开始不断地发展进步。最开始是使用IM/OD激光强度调制来进行直接检测，而随着技术的不断发展，人们开始使用相干光调制与解调技术进行通信。我国也开始研究相干光通信技术，并不断的深入。

在20世纪90年代，欧洲航天局将固体激光器相干光通信系统列入了研究的范畴。并开始重点研究系统的设计和技术。他们完成了相干光接收机，光电信号的相位调制器和YAG固体激光器的研发与测试。并且还实现了基于上述器件的通信演示系统。在合适的模拟环境下，采用了BPSK (零差数字相移调制)的实验系统，设定了通信速率为140 Mbps，误码率为。在20世纪90年代中期，欧洲航天局启动了SROIL，该项目使得相干光通信系统的相关技术得到了大幅度的发展。其目的是为了探索和研究在低轨道上移动的星体的通信和同步卫星(GEO)轨道间通信之间的相互联系。在先进的激光器件与技术的支持下，小型化、高码率的可以应用于星际的相干通信端机诞生了。该相干通信端机的调制接收方法是基于BPSK的调制接收，其具体的相关数据如下：天线尺寸3.5cm，通信速率1.5Gbps，误码率为，该系统质量小于10 kg，功耗低于40W，激光波长为1550nm 。

瑞士采用了BPSK的调制方式，以高码率的零相位差相干光通信技术作为发展和解决问题的主要关键技术。在发展SILEX计划的同时，Contraves中心基于通用技术，卫星间链路先进技术和和卫星星座链路技术等一系列相关的重要技术合作作为基础，为了实现技术的工业化应用，设计了OPTEL系列的激光通信终端，以满足人们对于相干光通信的各种需求。OPTEL系列的激光通信终端有很多种类，其中最常见的分为短距离终端、中距离终端和远距离终端三种。短距离终端，主要是指传输距离低于2000公里的终端，这种终端对传输速率要求没有那么苛刻，但也要求达到1.5Gbps；当传输距离达到25000公里，就要使用中距离终端，这种终端传输速率与短距离相当或稍有提高；当传输距离到80000公里的时候，短距离和中远距离就不再适用了，需要采用远距离终端，传输速率也较前两种有了明显提升，达到2.5Gbps。

世界各国都在积极发展自己地激光信号终端设备，也都取得了一定的成绩，一个典型的案例就是，德国正在计划构建自己的激光通信终端(LTC)。该激光通信终端可以使卫星与卫星之间或者卫星与地面之间进行通信，从而能够实时传输雷达上的数据。德国自主研发的这个激光终端，可以与本震信号进行相干处理，完成一些检测性和验证性实验，还支持地空和星球间的通信技术创新，而且具有很快的传输速率。例如，传输距离为6000公里的情况下，传输速率可以达到8Gb/s，随着长度的增加，速率不可避免地要有所减少，当增加到两万公里地时候，速度将为1Gb/s，增加到7万公里，速度为500Mb/s。

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