卫星相干激光通信系统与技术发展*

叶紫晴，丁宸聪，周海军

(1.海军研究院，上海 200436；2.中国西南电子技术研究所，成都 610036)

0 引 言

随着高分辨遥感卫星、合成孔径雷达、天基信息系统等技术发展，航天器之间的信息传输速率达到了Gb/s～Tb/s，并呈现指数级增长。现有的微波通信难以实现高速信息传输，需进行数据压缩、复杂高阶调制-解调、星上存储-再转发等，也影响到数据传输的质量、实时性、抗干扰性等[1-3]。随着高速传输需求与多业务需求的快速增长，基于自由空间激光通信(Free Space Optical Communication,FSOC)的新型卫星通信技术日益成为星间、星地大容量信息传输的热点方向，也是天地空一体化信息网络的重要发展方向[4-6]。

与传统微波卫星通信相比，卫星激光通信系统具有传输容量大、传输速率高、尺寸体积小、保密性高、功耗低等优势[1-3]。得益于激光的高载频(180～500 THz)特性，激光通信具有通信速率高(Gb/s～Tb/s量级)、系统容量大的特点。另一方面，激光的波长小，在很小的发射孔径下也可实现较低的发散角(μrad量级)，不但可极大减轻收发通信终端的体积，适合于卫星载荷，也能有效防止窃听与截获，适用于保密、抗干扰要求高的应用场合。

受到光电器件性能等限制，早期的卫星激光通信系统多采用强度调制/直接探测体制，如欧空局(European Space Agency,ESA)的SILEX计划，但难以实现高速率信息传输与高灵敏度接收。随着光电器件、解调算法等关键技术的突破，卫星激光通信系统逐渐转向相位调制(BPSK或者QPSK)和相干探测的相干体制。基于相干体制的卫星激光通信，灵敏度能提高10～20 dB，尤其是零差相干接收的灵敏度能接近散粒噪声极限(Shot Noise Level,SNL)，能极大提高卫星激光通信的传输距离[1-4]。另一方面，相干体制的卫星激光通信系统具有极高的波长选择性，可采用波分复用技术来提高激光通信系统的频带利用率，为星间激光通信组网奠定了基础[7-10]。

从20世纪70年代开始，欧、美、日等大力发展卫星激光通信技术，尤其是对相干激光通信进行了系列研究和在轨验证，并朝向实用化、商业化、网络化方向发展。在此技术前景与应用背景下，本文介绍了国内外的卫星相干激光通信进展，简要分析了卫星相干激光系统，梳理出卫星相干激光通信中的关键技术，并在此基础上指出了卫星相干激光通信的发展方向。

1 相干激光通信研究进展

1.1 国外研究进展

1990年，ESA基于科斯塔斯(Costas)光锁相环(Optical Phase-Locked Loop，OPLL)的零差相干接收思路，研制了第一代相干激光通信系统，并进行了600 Mb/s BPSK相干激光通信演示[11-12]。

2002年11月，德国航天中心资助了TESAT公司的零差相干接收机的研制计划。在系统设计中，发射端机的调制格式为BPSK，接收端机采用Costas OPLL的零差相干接收结构，并在收发端均采用Nd:YAG激光器(中心波长1.06 μm，线宽为5 kHz，频率稳定度优于50 MHz/d)[13-16]。2008年，收发光端机分别搭载在德国地球观测卫星(TerraSAR-X)和美国近场红外试验(NFIRE)卫星上进行了世界上首次星间相干激光通信实验，通信速率为5.625 Gb/s，通信间距为4 900 km。此次试验首次验证了零差BPSK相干激光通信在高速率、高灵敏度、低功耗等方面的优势，也标志着卫星相干激光通信的开始。2013年，ESA和 TESAT公司合作进行了GEO-地面之间的10 Gb/s商用高速相干卫星通信演示。

日本的宇宙开发事业团(Japan Aerospace Exploration Agency，NASDA)一直跟进卫星相干激光通信的技术进展，对不同的相干激光通信方案进行了对比研究，包括外差(零差)ASK、FSK、PSK和DPSK等方案。2011年，日本航天局(Japan Aerospace Exploration Agency,JAXA)成功搭建了2.5 Gb/s BPSK的相干激光系统，激光器的中心波长为1.55 μm，线宽小于50 kHz，并强化测试了多普勒频移与补偿性能。项目最大的特色是采用多普勒频移预估-查表补偿的思路，支持的最大多普勒频移范围为±7 GHz，最大频移变化速率为10 MHz/s，接近实际星载应用需求[17]。

1.2 国内研究进展

国内在激光通信尤其是相干激光通信的研究起步较晚，与欧、美、日等国有较大的差距。近年来，中国相继发射了“海洋二号”卫星、“墨子”号等系列星地激光通信试验卫星，进行了单光子-量子保密通信验证、低速率(0.5 Gb/s BPSK)零差相干接收等在轨验证。对于高灵敏度接收、20～40 Gb/s BPSK相干解调、稳定光锁相技术、大范围多普勒频移补偿等，大多停留在理论仿真、原理验证阶段。

中国科学院上海光学精密机械研究所在PPM调制-非相干接收、低速率(1 Gb/s BPSK)零差相干接收机与多普勒频移补偿方面取得了一定研究成果[3,18]。电子科技大学在空间光学混频器、平衡光锁相环(1 Gb/s BPSK信号解调)等方面有一定的研究进展[19]。2014年，上海交通大学光纤研究所在光锁相技术积累的基础上，最早研制出高灵敏度的5 Gb/s、12.5 Gb/s BPSK零差相干接收机，并实现了±20 GHz范围的多普勒频移补偿和400 MHz/s多频率频移跟踪，满足卫星相干激光通信的设计要求[9-10,20-21]。长春理工大学在空间光学混频器设计、星间光束自动捕获、对准和跟踪、激光相干探测仿真等技术上也取得了进展[22-24]。

1.3 国内外零差相干接收机性能对比

表1给出了国内外零差相干接收机的性能比较。

表1 国内外零差相干接收机性能对比

2 相干激光通信系统

对于BPSK信号的相干解调，既可通过光锁相(OPLL)进行零差相干解调，也可通过数字信号处理(DSP)+算法进行内差相干解调。由于OPLL具有高速实时接收、功耗低、抗宇宙辐射、抗多普勒偏移等优势[1-4]，在卫星相干激光通信中被广泛应用。在卫星相干激光中，采用载波抑制调制来实现高灵敏度接收，即将信号光功率全部用于数据传输。对于无载波调制，一般采用Costas OPLL来实现光载波恢复、光相位同步和信号解调[9-10,20-21]。

基于Costas OPLL的卫星相干激光通信链路具有结构简洁、调制格式透明等优势，如图1所示。发射端采用BPSK或QPSK等相位调制，经光放大后通过光学天线发射到自由空间中。在接收端，信号光与本振光(Local Oscillator，LO)在光混频器上进行相干混频，经光电探测器检测后，相位差信息反馈到OPLL，从而实现本振光的快速频率调谐、光相位同步与信号解调。

图1 基于光锁相环的卫星相干激光通信系统

具体的Costas OPLL结构[9-10]如图2所示。信号光、LO光在90°光混频器上混频后，I、Q两路的光电跨阻抗放大器(Transimpedance Amplifier,TIA)输出为

图2 Costas OPLL的基本结构

UI(t)=[II1(t)-II2(t)]ZL=

cos(ωIFt+Δφ(t)+φe(t))+NT(t),

(1)

UQ(t)=[IQ1(t)-IQ2(t)]ZL=

sin(ωIFt+Δφ(t)+φe(t))+NT(t)。

(2)

由于I、Q两路的调制信号相同，将UI(t)、UQ(t)进行相乘便可擦除调制信号，从而得到相位误差信息(pe)，如式(3)所示：

Upe(t)=UI(t)×UQ(t)≈

sin(2ωIFt+2Δφ(t)+2φe(t))+(NT(t))2。

(3)

此外，采用AC耦合仍能获得相位差信息，能避免偏置电流、TIA非平衡性等对光锁相环路的影响。

虽然Costas OPLL结构简单，但是实现Costas OPLL的环路锁定与保持却较为困难：一方面，由于激光器的频率漂移较大，信号光、LO光之间的频率锁定难以维持；另一方面，受限于激光相位噪声(kHz～MHz量级)、环路延迟(ns量级)、电子噪声等影响，信号光、LO光之间的相位锁定更为困难[9-10,25-26]。由于具有低功耗、多普勒频移跟踪能力强等优点，Costas OPLL的零差相干光接收机在星间激光通信中得到了广泛研究。

3 卫星相干激光通信关键技术

3.1 Costas OPLL残余相噪与环路参数优化

Costas OPLL的环路锁定与相干解调性能受散粒噪声(Shot Noise,SN)、激光器相位噪声(Phase Noise,PN)、电子学噪声等影响，小信号模型如图3所示。

图3 Costas OPLL的小信号模型

(4)

上式表明，随着环路自然频率f的增加，激光器相噪的影响(第一项)逐渐减小，而散粒噪声(第二项)和ASE噪声的影响(第三项)逐渐增大。因此，存在最优环路自然频率，使得总残余相位噪声最小[25-28]。与此同时，环路自然频率还受环路延时、激光器控制带宽等影响。因此，Costas OPLL环路参数的设计优化需综合考虑多种因素。

3.2 90°光混频器的分光比优化

对于BPSK信号的Costas零差相干解调，I路用于数据解调，Q路用于相位误差提取。一般而言，90°光混频器的分光比1∶1，I、Q两路可互换使用。为了提高接收灵敏度，可采用非平衡的分光比，将大部分光功率分配给数据解调支路。当信号光功率全部分给I支路时，可实现3 dB的理论灵敏度提升。在实际环路锁定中，Q支路功率减小时将导致相位检测精度的下降，致使残余相噪增大，反而恶化接收灵敏度。因此，存在最优信号光分光比，使接收灵敏度达到最优值。

如何实现分光比最优的灵敏度提高是Costas零差相干接收的重要方向之一。根据Djordjevic等的研究[25,28-29]，信号光的理论最优分光比如图4所示。在实际系统设计中，分光比的最优化与激光相位噪声、锁相环路性能、90°光混频器设计等因素相关，需进行相关实验与讨论。

图4 信号光最优分光比k的优化曲线

3.3 多普勒频移补偿能力

在卫星激光通信中，卫星的高速运动(尤其是近地卫星)将引入严重的多普勒频移，范围可达 ±7 GHz以上，速率达到10 MHz/s左右[8-10,26]。一般而言，Costas OPLL具有鲁健的相位锁定、跟踪特性，但其频率锁定、跟踪范围却只有kHz量级，难以跟踪大范围、快速的频率变化。

2.每年发电带来的直接经济收益：（发电功率×楼顶可利用面积×最少可利用日照时间/1000）×国家收购电价×365天=（100W/m2×350m2/单 元 ×5h/天/1000）×0.85 元/度 ×365 天 =54293.75元。

设计Costas零差相干接收机具有跟踪大范围、快速的多普勒频移能力是能否用于卫星激光通信的关键。因此，可采用辅助频率捕获、频率锁定环等来增强Costas OPLL的多普勒频率补偿特性，以满足卫星激光通信的需求。在光锁相环路设计中，可采用压电陶瓷、声光移频器等实现大范围频率补偿、快速频率捕获等[9-10,26]。

3.4 M-PSK等高阶调制信号的解调能力

随着卫星通信数据量的增加，QPSK、8-PSK等高阶调制格式正逐渐获得关注[26]。对于M-PSK等高阶调制信号的相干解调，关键是如何消除调制信号而获取相位误差信息：一方面，可借鉴无线通信与相干解调理论，将经典解调结构移植到Costas OPLL结构中；另一方面，高阶调制需要更复杂的运算，需要综合考虑解调结构复杂性、灵敏度增益、功耗等问题。

3.5 Costas OPLL的集成化问题

受限于分光电器件的插损大、尾纤长、损耗高等，不仅导致光锁相的环路带宽只有MHz级别，而且支持解调的信号速率也只有10 Gb/s左右，远未发挥出Costas OPLL在相干解调上的优势[9-10,26]。因此，可采用光电集成技术，一方面可缩短环路延时，实现更宽带的光锁相，从而减缓对激光器的窄线宽需求；另一方面可实现40 Gb/s以上的高速信息解调。

美国加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校(University of California, Santa Barbara,UCSB)等课题组在Costas OPLL光电集成化方面进展喜人[30]，如图5所示，在一块InP光子芯片上集成了90°光混频器、LO激光器(线宽为MHz量级)、光电探测器等，极大降低了光路插损和环路延迟；另一方面，在一块IC芯片上集成了高速放大器、高速频率-相位鉴别器、电延迟线等，降低了射频信号传输损耗，提高了传输速率。基于该光电混合电路，Costas OPLL的环路带宽高达1 GHz，对激光器线宽的容忍度提高到了10 MHz量级，实现了40 Gb/s BPSK信号的相干解调，极大降低了零差相干接收的设计难度、功耗、体积，极具应用前景。

图5 基于光电集成的Costas零差相干接收机

4 发展动向与展望

卫星激光通信的主要挑战是传输距离远、信息传输容量大、设备功耗体积要求苛刻等，因此，基于相干体制的卫星激光通信研究中，应长期关注如何提高接收灵敏度、提高传输速率及如何降低设备体积、功耗等。随着天地一体化网络建设，卫星激光通信组网等也逐渐开始获得关注。

4.1 更高的接收灵敏度

为实现更远的传输距离，要求相干接收机的灵敏度需进一步提高，接近散粒噪声极限。受激光器相位噪声、光电器件插损、电子学噪声等影响，相干接收机的灵敏度远未达到散粒噪声极限。因此，需从低相噪激光器(降低线宽)、低插损光混频器件、光锁相环路优化、新型调制格式等方面入手，进一步提高接收灵敏度。

4.2 更高的传输速率

现阶段，5～10 Gb/s的传输速率已基本满足卫星激光通信的在轨数据传输需求。但是，随着星间、星地传输数据量的爆发式增长，40 Gb/s甚至100 Gb/s的传输速率正逐渐提上日程，并成为5～10年内的卫星激光通信攻克难点。

为实现更高速率传输，可充分借鉴地面光纤通信技术，在波分复用、频分复用、时分复用、空分复用等多个角度开展高速信息传输研究。

4.3 小型化、集成化光端机

由于卫星通信对载荷重量、体积、功耗等有严苛要求，这也要求激光通信终端向小型化、轻量化和集成化等方向发展。

2008年，德国TESAT公司的5.625 Gb/s零差相干光接收终端的尺寸为0.5 m×0.5 m×0.5 m，质量为35 kg，功耗为120 W。美国UCSB等高校课题组在光锁相光电集成方面的进展表明，将光子芯片与卫星激光通信结合将进一步降低设备体积功耗，实现相干接收机的微芯片化大有应用价值。随着光电集成技术的发展，光端机的体积将更小，集成化程度将更高。

4.4 卫星相干激光通信组网

传统卫星激光通信以点对点传输为主，随着卫星数量的增长以及星间数据交互需求的增长，卫星激光通信链路正逐渐从单一链路向网络化发展。光码分多址、光频分复用、中继放大-转发等技术与相干光解调技术融合，易于实现全光传输网络，可使得卫星激光通信网络的吞吐量达到Tb/s量级。

5 结束语

基于相干体制的卫星激光通信以高灵敏度、高传输速率、高频谱效率等优点逐渐成为未来高速空间通信的重要手段，也是各国近年来的研究重点。和欧美等光电技术发达的国家相比，我国在光电器件、试验验证、光电集成、光锁相技术积累等方面与国外差距明显。对于整个激光通信系统，我国在高精度捕获跟踪技术、大功率发射等方面具有一定积累，但还需进一步攻克高稳频激光器、高可靠光电器件、高灵敏度相干接收机等关键技术，为天地一体化网络、高分辨率遥感卫星、卫星通信组网和下一代高通量卫星通信等奠定技术基础。