星间高速激光通信的光学锁相环技术与性能分析

"本文主要探讨了星间高速相干激光通信系统中光学锁相环技术的应用，分析了其工作原理、数学模型以及对系统性能的影响。文章深入研究了光学锁相环的开环和闭环传递函数，揭示了误差传递函数的特征，并探讨了环路带宽对相位噪声和接收灵敏度的决定性作用。通过建立误差因素、探测灵敏度和环路带宽之间的关系，确定了锁相环的最佳带宽为1.5 MHz。实验结果显示，在5 Gbit/s的通信速率和二进制相移键控调制方式下，接收机的接收灵敏度达到-41.4 dBm，误码率低至10^-7。" 在星间高速相干激光通信系统中，光学锁相环是实现精确信号同步和相位控制的关键技术。零差相干通信因其高数据传输速率和长距离传输能力而在星间通信网络中扮演着核心角色。光学锁相环利用光电检测器将接收到的光信号转换为电信号，并通过环路内的相位比较和反馈机制，使本地振荡器的相位与接收到的信号相位保持一致，从而提高系统的相位稳定性和通信质量。 本文首先介绍了光学锁相环的基本工作原理，即通过将输入信号和本地振荡器信号进行相位比较，然后通过低通滤波器和电压控制振荡器形成一个负反馈系统，确保相位误差能够被有效抑制。接着，建立了光学锁相环的数学模型，分析了开环传递函数和闭环传递函数，这有助于理解环路动态响应和稳定性条件。 为了分析锁相环的性能，研究者推导了误差传递函数，该函数描述了输入相位噪声如何转化为输出相位噪声。环路带宽是决定锁相环性能的关键参数，它影响了系统的相位跟踪能力和噪声抑制能力。通过对误差因素、探测灵敏度和环路带宽的综合考虑，作者得出最佳环路带宽为1.5 MHz，这可以在保证相位跟踪精度的同时，有效地抑制外部噪声源的影响。 实验部分，当通信速率达到5 Gbit/s，采用二进制相移键控（BPSK）调制方式时，通过优化后的锁相环系统，接收机的接收灵敏度达到了-41.4 dBm，这意味着即使在较低的信号功率水平下，系统仍能保持极低的误码率（10^-7）。这一结果验证了光学锁相环在提高星间激光通信系统性能方面的有效性。 光学锁相环技术在星间高速相干激光通信系统中起着至关重要的作用，通过精细设计和优化，可以显著提高系统的通信质量和可靠性。这一研究为未来空间激光通信网络的设计和实施提供了重要的理论和技术支持。