基于轨道角动量的星间激光通信技术.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月空 间 电 子 技 术 .收稿日期:修回日期:引用格式:栾晓晖赵伟刘吉等.基于轨道角动量的星间激光通信技术.空间电子技术():.():.:./.基于轨道角动量的星间激光通信技术栾晓晖赵 伟刘 吉侴胜男吴 晗(中国空间技术研究院西安分院西安)摘 要:介绍了将轨道角动量()作为新复用维度的星间激光通信系统设计 轨道角动量理论上具有无限种模态且各模态间两两相互正交这意味着基于 复用的通信系统可大幅度提高频谱效率和信道容量 分别对星间激光链路的发射机和接收机的实现架构进行了介绍发端采用无衍射贝塞尔 高斯光束进行编码、调制和 多路复用收端利用具有与发端相反的螺旋相位移除 光束的方位
2、角相位以恢复光束的平面相位波前并通过光电探测器、解调器和译码器来恢复数据 此外还分析了多普勒频率、卫星摆动和背景噪声等因素对于系统的影响 提出的基于 技术的星间激光收发系统设计方案对于未来大容量星间通信系统设计与实现具有重要意义关键词:轨道角动量星间链路激光通信中图分类号:文献标志码:文章编号:()():().:引言 近年来随着卫星通信业务以及互联网技术的快速发展极大地增加了对卫星通信有效性、可靠性以及宽带数据接入能力的需求同时随着系统复 年第 期栾晓晖等:基于轨道角动量的星间激光通信技术杂度及传输规模的提升星间通信对大带宽、高速率传输提出了较高的要求 由于相较于传统微波通信的诸多优势激光通信
3、在卫星星间链路信息传输中得到了广泛的应用 等介绍了深空激光链路应用的发展趋势和关键技术表明激光通信可满足深空通信的未来需求并可提升通信性能 等详细介绍了深空星间激光通信所面临的挑战和相应解决方案 高铎瑞等详细介绍了国内外卫星激光通信的最新研究进展和未来发展规划近年来针对星间激光链路学者们开展了一系列研究 文献提出了一种基于 架构的高速并行解调处理方案可实现星间 以上的激光通信速率 柳青峰等研究了深空环境中采用波分复用的星间激光通信系统模型并分析了深空辐射和温度场对系统性能的影响 文献提出了一种基于全球导航卫星系统的星间激光链路分配算法该算法可在保证网络可靠性的前提下最小化星间的平均传播时延 王
4、玉凡等基于星间链路自跟踪系统提出了一种 点加权平均滑动窗算法解决了角跟踪接收机在低信噪比、高速率下的误差抖动对系统性能的影响 陈昊等针对星间静止通信卫星提出了一种基于正弦波高精度互模糊函数频差的估计方法有效提高了通信卫星系统抗干扰信号的定位精度 文献中在低轨星间链 路 采 用 零 差 传 输 时 数 据 速 率 可 达 而在高数据速率传输中由于 码比 码有更低的解码复杂度和时间复杂度因此 码更为可取同时可变速率的 码可以进一步增加信道容量并提供良好的编码增益目前卫星通信技术通常采用时分、频分、空分、码分等复用方式这些常规的复用技术能在一定程度上缓解通信容量和需求的矛盾但是随着星间组网应用需求的
5、提升对于卫星通信的带宽和传输速率提出了更高的要求因此需要进一步考虑提升卫星通信信道容量和频谱效率以满足星间激光通信链路的现有需求 轨道角动量()作为光波的固有属性可作为卫星间激光通信中的新型复用维度 相比于光波传统的光强、频率及相位调制方式而言携带轨道角动量的光波相位与旋转方位角 和拓扑荷数 指数相关该光波理论上可实现无限高阶的调制且不同拓扑荷数的调制光波间相互正交因此能极大满足星间激光通信链路的大容量和高频谱效率的需求 近来 多路复用星间激光通信链路领域逐渐得到大家的广泛关注 研究者们开始关注星间激光通信系统中 波束能力的利用 刘梅林等介绍了 在卫星激光通信中的应用前景 利用干涉或全息方法
6、生成和分析不同 模态的可能性使得星间激光通信系统工程化成为可能 等 的研究证明 信道编码技术可以很好地改善基于 星间激光通信系统的性能综上所述考虑到基于 技术的星间激光通信的可实现性、对星间链路性能提升的有效性、在星间通信中的广泛应用前景基于 这一新型自由度的星间激光通信技术具有重要研究意义 现有的基于 激光通信技术的研究主要集中在光束传输理论分析方面通信收发机设计的相关研究较少本文在研究基于 技术的星间通信技术的基础上提出了一种星间激光收发系统设计方案重点解决了收发系统中 复用与解复用的难题对于未来大容量星间通信系统的设计与实现具有重要参考价值 轨道角动量角动量作为经典量子力学中最基本物理量
7、可分为与光子自旋相关的自旋角动量()和与光波螺旋相关的轨道角动量 与光子的极化有关而 则与光子的空间分布有关携带 的波束在空间相位上表现为独特的螺旋前进结构 具有螺旋相位波前的光波中单位光子携带的 其中 表示拓扑荷数 是普朗克常数 除以 携带 的光子只能采用 的两种可能状态而携带有 的光子可采用具有无数种不同拓扑荷数 的状态 同时携带不同模态的 光束之间相互正交从而可通过携带 的多路波束复用获得额外的自由度星间激光链路不同于星地激光链路其不受大气环境中的悬浮气溶胶粒子和湍流介质等的影响因此不会改变涡旋光束的传播特性也不会影响波前螺旋结构同时不会因为螺旋相位的畸变引入 各模态间的串扰即单光子的
8、特性不会发生改变 因此基于 的星间激光链路能够大幅度提高光波的频谱效率和激光通信系统容量空间电子技术 年第 期 基于 的星间激光通信系统 星间激光链路不受天气条件或湍流介质的影响由于相位相干技术能提供极高的接收机灵敏度且能实现高容量通信链路星间激光通信通常采用零差或外差相位相干技术对于携带 的涡旋光束用以提高星间链路的容量和频谱效率可采用以下五种典型方式:)采用具有不同 特性的多种波束相结合)采用正负拓扑荷数)采用波分复用)采用偏振复用)采用多组同心环进行复用 同时为降低对准、多普勒频移等相关因素对星间激光链路的影响 如图 所示本系统针对发射端和接收端分别展开介绍 发射端采用携带 的无衍射光束
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