相干光通信外差异步解调接收机的设计

肖 西 陈名松

（桂林电子科技大学信息与通信学院，广西 桂林 541004）

相干光通信外差异步解调接收机的设计

肖 西 陈名松

（桂林电子科技大学信息与通信学院，广西 桂林 541004）

比较了相干光通信系统与幅度调制/直接解调系统，以及各类相干光系统的优缺点，得出了研究外差异步解调系统的必要性和实用性的结论。通过分析相干探测的原理及相干通信的解调方式，设计了相干光通信的外差异步解调接收机，制作了外差异步解调接收机中电路部分的电路板，并通过实验验证了电路设计的正确性。

相干光通信；外差探测；异步解调

（一）系统实现原理

1.相干探测原理介绍

通常所说到的相干光，实际上就是指两个激光器产生的光场空间上进行叠加，且相互干涉的激光。具体来说就是从信道过来的信号光场与接收端本振激光器产生的光场经混频器相互作用后产生了一个新的相干光场。相干光通信，与传统的无线电通信和微波通信是一样的道理，在发射端对光载波进行幅度调制（也可以是频率或相位调制），在接收端，则采用零差或外差探测，这种探测方式我们称之为相干探测。

图 1为相干探测原理方框图。光接收机接收到的从信道过来的信号光和本振激光器产生的本振光经过混频器作用后，光场发生干涉。干涉光场经光探测器进行光电转换后输出光电流信号，该光电流信号经相关处理后，以基带信号的形式输出。

图1 相干探测原理方框图

接收机接收到的信号光光场及本振光光场分别为

其中，AS、ωs及φs分别是光载波的幅度、频率及相位。AL、ωL和φL分别是本振光的幅度、频率及相位。

由ωs和ωL可得中频频率为

或

当信号光与本振光偏振方向相同时，则投射至光探测器的光强度为

相干探测分两种情况，即零差探测和外差探测。

（1）当 ωs=ωL时，即 ωIF= 0时称为零差探测。由（3）式以及I=RP可得光检探器产生的光电流为

式中R是探测器的响应度。上式中的最后一项里包含了所要传输的信息。滤去直流分量，且假设本振光相位锁定在信号光相位上，即 φL=φs，由此可得光探测器产生的光电流为

由于PL>>PS，显然，接收光功率大大增加了。

（2）当ωL≠ωs时，即ωIF≠ 0时，称为外差探测。由（3）式以及I=RP可得光探测器产生的光电流的表达式为

通常来说， PL>>PS，可认为第一项是直流常数，很容易被滤除，此时含有信息的外差电流的表达式为：

与零差探测相似，外差探测接收光功率放大了，从而提高了灵敏度。尽管外差探测的灵敏度稍微降低了，但是接收机设计相对简单，不需要考虑相位锁定这个难题，且对激光器线宽要求没零差探测那么高，因此实现起来较零差探测容易。因此，本文就采用了外差探测的方式。

2.解调方式的选择

由上文介绍，我们已经知道，相干光通信系统分为零差系统和外差系统。在零差系统中，携带有信息信号的光载波经探测器进行光电转换后，信息信号将直接从光载波上解调下来，成为基带信号。

外差探测系统则与之不同，信道过来的光信号经探测器进行光电转换后得到一个光电流信号，在光电转换的同时将信号的载波由光载波下变频为中频电载波。中频电载波的频率一般为几百MHz或几GHz。中频电信号经电流-电压转换及放大后，需要进行解调以得到基带信号。

外差探测系统的解调方式有包络解调（也称异步解调）和同步解调两种选择。同步解调需要对中频电信号进行载波恢复，同步的意思就是说必须保证这两个载波的频率和相位都相同。实现这个目的需要一个电锁相环，电锁相环通常是基于标准压控振荡器。因此，相对包络解调而言，是较为麻烦的，而且同步解调系统对激光器线宽的要求要比包络解调系统高，因此本文的设计中就采用了包络解调方式。

相比于同步解调，包络解调要简单很多，它无需电锁相环，只需要一个或几个二极管或三极管再加上低通滤波电路就可以将信号解调出来。很显然，包络解调结构简单，实现容易，费用降低，而且性能也可以，因此往往成为人们的首选。

（二）外差异步解调接收机的设计

通过上文对探测方式和解调方式的叙述，我们选择了外差探测方式和包络解调方式。这样，系统的组成基本上就确定了，下面简要叙述一下外差异步接收机流程图。从信道过来的信号光进入接收机后，首先和本振激光器产生的本振光通过光混频器进行混频，二者产生的干涉光场经过光探测器进行光电转换后得到一个中频电流信号，该电流信号通过前置放大器后转换成电压信号，随后又通过主放大器对电压信号进一步放大，以达到后面解调所需的电压。放大后的信号进入包络解调及低通滤波部分，得到基带信号，最后送至数据恢复与判决器进行判决。外差异步解调接收机框图如图 2所示。

图2 外差异步接收机框图

由上面的相关理论介绍，我们设计了相干光通信外差异步解调接收机。光探测器我们选用的是日本日本滨松公司生产的G9820-02。该探测器是一款集成了前置放大器的光电探测器，由于不用再另外考虑前置放大器，因此简化了系统的设计。主放大器是MAXIM公司生产的MAX3748限幅放大器。解调部分首先采用肖特基二极管桥式整流电路，接着是RC低通滤波电路，最后采用隔直电容以隔除直流电流。数据判决部分采用MAXIM公司生产的MAX3873A芯片。

（三）实验

根据上面对相关器件和电路的选择，本文完成了从主放大器MAX3748芯片到判决芯片MAX3873A之间电路的硬件电路板制作。为了测试证明电路的可行性，我们利用信号发生器给主放大器 MAX3748输入 ASK调制信号，并在判决芯片MAX3873A后接示波器观测波形。输入 ASK信号的载波为500MHz，幅度为200 mV，脉冲周期为8us时波形图如图3所示。

图3 载波为500MHz，幅度为200mV，脉冲周期为8us时的输出波形

（四）结束语

20世纪70年代末到90年代中期，相干光通信是国际光通信研究领域的热点。1995年前后，随着掺铒光纤放大器（EDFA）和密集波分复用（DWDM）技术的成熟，使得相干光通信技术的发展缓慢下来[5]。近几年来，由于激光器、探测器等相关器件的发展，对传输容量急剧增长的需求等等因素，相干光通信又开始逐渐复苏了。但是人们对相干光通信的研究大多集中在理论方面，对实际系统的搭建和硬件的制作还是比较少见。本文从这个角度出发，设计了相干光通信中的外差异步解调接收机，制作了接收机电路部分的电路板，并通过实验测试证明了电路设计的正确性。下一步等实验室正在购买的可调谐激 光器等仪器到货后，搭建出完整的相干光外差异步解调通信系统并进行相关实验研究。

[1]李其聪,孙力军.外调制宽带外差光相干传输链路的构建[J].半导体光电,2009,30(5):738-792.

[2]刘增基,周洋溢等.光纤通信[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001:165-167

[3]赵春英.相干光通信的外差异步解调技术的研究[D].长春:长春理工大学,2010

[4]J.H. Franze V.K.Jain.光通信器件与系统[M].徐宏杰,等译.北京:电子工业出版社,2002:328.

[5]D.Becker,C.Wree,D. Mohr, and A. Joshi Optical Coherent Receivers for 2.5 and 10Gb/s[J]. Proceedings of the IEEE Avionics Fiber-Optics and Photonics Conference, Minneapolis,MN,USA,September 20-22,2005:1-2.

TN929.1

A

1008-1151(2011)04-0021-02

当前主流的光通信系统一般采用幅度调制/直接解调(IM/DD)的方法来进行通信。简单来说，就是把光作为载波，信号对光载波采用强度调制方式，在接收端，对信道过来的光信号直接进行包络解调，以恢复发端的信号，完成通信。这种系统调制和解调相对容易，成本也较低，但是这种系统接收灵敏度不高，而且频带利用率很低，因此系统的中继距离和传输容量都相当有限。

与传统的强度调制/直接检测通信系统相比，相干光通信系统有着不少的优点，主要如下：1.灵敏度高，中继距离长。2.选择性好，通信容量大。3.具有多种调制方式。随着社会的发展和科技的进步，人们对带宽的要求越来越高，对系统的容量要求越来越大，相干光通信由于其更高的灵敏度和优良的选择性使得系统的容量得以大大增加，因此正逐渐成为下一代通信系统的研究热门。

相干光通信系统分为零差系统和外差系统，外差系统中又分为外差同步系统和外差异步系统。其中，外差异步系统相比于其它相干光系统虽然灵敏度稍有所下降，但是其结构要简单，造价要便宜，对激光器等器件要求要低，实现起来比较容易，从必要性和实用性等方面综合考虑，外差异步系统较其它相干光通信系统有着较大的优势。

2011-01-27

肖西（1983－），男，湖南新化人，桂林电子科技大学在读硕士研究生，研究方向为光通信；陈名松（1967－），男，湖南永州人，桂林电子科技大学硕士生导师，教授，从事光通信方向的教学和研究。