07.相干光通信系统解析

7.1 相干检测基本原理

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。
7.1 相干检测基本原理


对正弦调制，S(t)=sinmt，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
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。
7.1 相干检测基本原理

相干光通信的基本工作原理如下：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。当信号光传输到达接收端时，首先与一本振 光信号进行相干混合，然后由探测器进行探测。 其中，发射端的光匹配器是保证从光调制器输出 的已调光波的空间复数幅度分布和单模光纤中的 基模HE11之间有尽可能好的匹配，以及己调光波 的偏振状态和单模光纤中的本征偏振状态相匹配。
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
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。
上式中有三项的频率在2S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
7.1 相干检测基本原理

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
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)。
7.1 相干检测基本原理


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。


补充： 1. ASK 幅移键控 幅移键控是正弦载波的幅度随数字基带信 号而变化的数字调制。 当数字基带信号为二进制时，则为二进制 振幅键控(2ASK)，又称通断键控信号(OOK 信号) 2ASK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)。
2ASK时间波形
2ASK信号调制原理
7.1 相干检测基本原理
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
式中，R0为检测器的响应度，PS 和PL分别为信号及本振光功率。 上式的第一项构成不随时间变化 的直流项
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7.1 相干检测基本原理

对于外差检测，信号电流为
对于零差检测，信号电流为
7.1 相干检测基本原理

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。
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
第七章 相干光通信 系统

自从光纤通信系统问世至今，几乎所有的系统都 采用强度调制—直接检波(IM-DD)的方式。这种 系统的主要优点是调制、解调容易，成本低。但 由于没有利用光的相干性，所以从本质上讲，这 还是一种噪声载波通信系统。为了进一步扩大通 信距离，提高传输容量，人们开始考虑无线电通 信中使用的外差接收方式是否可以用于光纤通信， 因为光波也是一种电磁波，所以从理论上说，答 案是肯定的，即利用先进的调制方式(幅移键控 ASK，频移键控FSK，相移键控PSK)和外差接收 构成一种新型系统—相干光通信系统。