光學前端平衡失配下的衛星相干接收性能

張 鵬，秦開宇，蔣大鋼，鄧 科，黃 建，幺周石

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光學前端平衡失配下的衛星相干接收性能

張 鵬，秦開宇，蔣大鋼，鄧 科，黃 建，幺周石

(電子科技大學航空航天學院 成都 611713

該文主要討論衛星相干光通信中光接收前端的平衡接收支路上功率和傳輸時間失配對相干接收性能的影響，并通過參數優化進行改善。與數據接收支路具有的大接收帶寬不同，光鎖相環路的低通窄帶特性，使其僅受功率失配的影響。通過優化激光器線寬、鎖相環路的帶寬和本振功率將靈敏度惡化最小化。為使失配帶來的附加靈敏度下降小于5.5 dB，即保證接收機具有優于-40 dBm的接收靈敏度，此時設計的接收前端的功率失配小于0.5 dB，傳輸時間失配小于3 ps，為高靈敏度接收前端的設計和鏈路裕量計算提供參考。

相干光通信; 共模抑制比; 光鎖相環; 相對強度噪聲

隨著德國低軌衛星-地面站(LEO-GOS 5.6 Gbps)和低軌衛星間(LEO-LEO 5.6 Gbps)相干激光通信實驗的成功，相干通信成為衛星激光鏈路首選方案。未來德國低軌衛星-同步軌道衛星(LEO-GEO 1.8 Gbps)激光鏈路和美國的激光通信中繼實驗(2.88 Gbps)以及日本的下一代激光通信終端(2.5 Gbps)均采用相干技術[1-2]?？紤]到衛星相干光通信要求的強抗空間抗輻照能力、低功率損耗和大范圍的多普勒補償能力，目前日趨成熟的基于DSP技術的光纖相干接收技術并不適用于衛星激光通信[3]，基于OPLL的相干接收技術仍是星間和星地激光鏈路的第一選擇[4-6]。

因為衛星激光鏈路無法進行中繼和再生，因此高靈敏度相干接收機是衛星光通信的關鍵技術之一，而高性能的OFE是實現高靈敏度接收的關鍵。在過去的研究中，由于通信碼速率比較低，僅將OFE作為理想的器件進行考慮[5-7]，而更多的是關注相干接收機的結構設計及相位噪聲的抑制[8-9]。理想的OFE要求平衡接收支路上信號功率和傳輸時間嚴格相等。但混頻器內各支路上的分光不均和平衡探測器上兩光探測器響應的不一致造成了兩支路間的功率失配[10-11]，同時光混頻器內各支路光程差引起的傳輸時間差別和兩光電探測器響應時間的不一致產生了傳輸時間失配。兩種失配降低了前端對相對強度噪聲(RIN)的抑制和差分信號的放大。隨著通信速率的上升，失配帶來的影響更加明顯，成為制約高靈敏度接收的重要因素。

本文針對星地20 Gbps BPSK的相干接收機中，OFE中功率失配和傳輸失配對數據接收和相位鎖定的影響進行了分析，并進行參數優化將失配帶來的接收機性能惡化降低到最小，為接收前端的設計和通信鏈路裕量提供設計參考。

1 光學接收前端的失配及共模抑制比

理想的平衡探測器可以消除本振激光器帶來的RIN噪聲，其對RIN噪聲的抑制能力用共模抑制比(CMRR)表示[12]，同樣將OFE的CMRR定義為：

a. 90°空間光混頻器

b. 光接收前端中的失配來源

圖1 90°空間光混頻器及光接收前端中的失配源

在空間光混頻器內分光誤差主要來自于二分之一波片的安裝誤差和PBS的偏振分光誤差[13]。二分之一波片2.5 mrad的旋轉將帶來0.08 dB的分光誤差[13]；對于一個典型的PBS其P光S光的透射率和反射率分別為：，和，，其將帶來約0.35 dB的分光誤差。在平衡探測器內，兩探測器的響應度最大有0.5 dB的誤差，此時的最大值達到0.93 dB。一般為幾個皮秒。圖2給出了在和影響下，接收前端的CMRR隨頻率變換的曲線。

a. 不同頻率下的OFE的CMRR

b. 頻率為8 GHz時的OFE的有效CMRR

圖2 不同頻率下OFE的有效CMRR

通過圖2a可以看出，CMRR受分功率失配和時間失配影響，在低頻段主要是受功率失配的影響，而在高頻段時間失配的影響增大。圖2b給出了頻率為8 GHz時，不同功率失配下，有效CMRR[10]隨時間失配的變化趨勢。該頻率對應20 Gbps BPSK接收機的接收帶寬?？梢钥闯?，如果和取值分別為0.25 dB和2 ps，CMRR取值為-22.35 dB；如果兩者增加到1 dB和3 ps，那么將CMRR增大到-12.47 dB。CMRR的取值表征了光接收前端對于LO帶來的RIN噪聲的抑制能力。CMRR值增加使接收機中的RIN噪聲增加，同時降低數據接收的信噪比和OPLL的輸入信噪比，影響OPLL性能。

2 失配對光鎖相環路性能的影響

2.1 失配對相位跟蹤的影響

圖3為基于COSTAS光鎖相環的BPSK接收機原理圖。對于I支路，信號光和本振光分別表示為：

圖3 基于OPLL的BPSK接收機

那么I支路的輸出電流信號可以表示為：

2.2 失配對OPLL環路相位噪聲的影響

環路中的相位噪聲主要來自于信號光激光器和本振激光器的相位噪聲以及進入環路內的強度噪聲，主要包括散粒噪聲、RIN噪聲和熱噪聲，而在以往的研究中將OFE認為是理想器件，完全將RIN噪聲消除而不予考慮，但失配降低對RIN噪聲的抑制能力，在高性能的接收中必須進行考慮。

激光器相位噪聲的功率譜密度(PSD)為[8-9]：

同理[10]，有：

在優化帶寬下，相位噪聲為[8]：

通過式(15)可以看出，在優化的帶寬下，總的相位噪聲是一個與LO功率和OFE的CMRR相關的量，可以進一步對通過對LO功率優化來降低相位噪聲。

通過本振優化，那么此時總的相位噪聲可以表示為：

相位噪聲隨LO功率的變化如圖4所示，通過仿真看出，CMRR增加將使得整體的相位噪聲增加，OPLL的帶寬僅為兆赫茲量級，因此引起相位噪聲增加主要來至于接收前端內功率失配的影響。同時在一定的CMRR下，總相位噪聲隨本振功率的增加發生變化，并存在一個最優值。在CMRR=-12.8，18.8，-12.5 dB時，最小的相位噪聲對應的本振光分別為：10.5、7.5、4.5 dBm。此時，=200 kHz，A/W，dBm。圖4同樣給出了僅考慮散粒噪聲情況下相位噪聲值。在最優的本振功率下，相對于僅考慮散粒噪聲的情況，相位噪聲分別增加了2.4、3.9、5.9 dB。

2.3 存在環路延遲下的相位噪聲

在鎖相環路中，環路的延遲是不能消除的，其值影響環路的穩定性。在考慮到環路延遲下的相位噪聲可以表示為[14]：

圖5給出了不同的延遲和固定頻率下的相位噪聲?？梢钥闯鲈谧顑灥沫h路帶寬下的相位噪聲除了取決于延遲外，還受到失配的影響。失配越嚴重，剩余相位噪聲越大，并且失配帶來的相位噪聲的增加無法通過優化環路帶寬和LO功率來消除。為保證穩定的相位跟蹤，要求rad[8]。在10 ns和15 ns的環路延遲下，相位噪聲均大于此值，需要減小激光器的線寬消除影響。對于15 ns的延遲，對應CMRR=-12.9，-18.8，-24.8 dB，依次減小到116、126、132 kHz以下。

3 失配對相干接收機靈敏度的影響

通過上面的分析可以看出，接收前端的功率失配增大降低了對RIN噪聲的抑制能力，噪聲增加，降低數據接收的信噪比。在LO功率優化下，此時信噪比可以表示為：

那么此時接收機的誤碼率可以表示為[15]：

4 結 論

本文討論了OFE內功率失配和傳輸時間失配的來源和失配對接收機靈敏度的影響。OFE內的功率失配和傳輸時間失配降低了平衡接收對RIN噪聲的抑制，使得接收機信噪比下降，鎖相環路的相位噪聲增加。在鎖相環路中通過本振優化和帶寬優化可以將相位噪聲的增加量最小化。對于失配的影響表現出頻率特性使得鎖相環路僅受到功率失配的影響，而數據接收同時受功率失配和時間失配的影響。為保證接收機具有優于-40 dBm的接收靈敏度，要求OFE功率失配小于0.5 dB，傳輸失配小于3 ps。

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編 輯 稅 紅

Performance of Satellites Coherent Receivers with Optical Front-End Imbalance

ZHANG Peng, QIN Kai-yu, JIANG Da-gang, DENG Ke, HUANG Jian, and YAO Zhou-shi

(School of Astronautics and Aeronautics, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 611731)

The influence coming from imbalance of optical front-end (OFE) on the satellites coherent receivers is discussed and the compensation method is considered. Different from data recovering branch which has wide bandwidth, the optical phase-locked loops (OPLLs) with narrow bandwidth and low-pass characteristics are only influenced by power imbalance. By optimizing laser linewidth, the OPLL bandwidth, local oscillation (LO) power, and deterioration can be minimized. In order to make the loss is less than 5.5 dB, or the sensitivity of receivers is better than-40 dBm, the power imbalance must be less than 0.5 dB, the time imbalance no more than 3 ps. The presented results could be a beneficial reference for high-sensitivity coherent receivers.

coherent optical communication; common mode rejection ratio; optical phase-locked loop; relative intensity noise

TN2

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2016.03.025

2015 - 01 - 10；

2015 - 03 - 16