90°空间光混频器分光比的影响分析及自适应调整

吴潇杰; 张鹏; 南航; 王圆鑫; 佟首峰; 王大帅; 刘洋

doi:doi:10.3788/LOP57.150602

激光与光电子学进展, 2020, 57 (15): 150602, 网络出版: 2020-08-04

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Effect Analysis and Adaptive Adjustment for Splitting Ratio of 90° Space Optical Hybrid

论文大纲

吴潇杰 ^1,2张鹏 ^1,2,*南航 ^1,2王圆鑫 ^1,2佟首峰 ^1,2王大帅 ^1,2刘洋 ^1,2

作者单位

¹ 长春理工大学光电工程学院, 吉林长春 130022

² 长春理工大学空间光电技术国家与地方联合工程研究中心, 吉林长春 130022

相干通信零差接收机混频器锁相环自适应系统 coherent communication homodyne receiver hybrid phase-locked loop adaptive system

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摘要

为研究混频器中信号光分光比对相干零差接收机性能的影响,建模分析了90°空间光混频器的信号光分光比对接收机锁相性能和通信性能的影响。数值模拟结果表明,信号光Q路分光比k<0.5时,可提高通信性能,增加探测灵敏度;k=0.5时,环路锁相时间最短,锁频范围最大;k>0.5时,分光比存在最优值使锁相残余相位误差最小。根据分析结果设计了一种基于旋转半波片的分光比自适应调整系统,利用软件仿真研究了系统在不同分光比时的通信和锁相性能。结果表明,激光波长为1550 nm,线宽为5 kHz,通信速率为10 Gbit/s时,通过旋转半波片使Q路的分光比在0.1~0.6之间自适应调整,就能改变系统的锁相性能和探测灵敏度。当k=0.1时,探测灵敏度提高了2.56 dB;当k=0.5时,锁相支路可实现的频差锁定范围为133 MHz;当k=0.6时,锁相残余相位误差最小。仿真结果验证了该系统的可行性,同时为自适应调整分光比的90°混频器实用化提供了参考。

Abstract

In order to investigate the effect of signal light splitting ratio on the performance of coherent homodyne receiver, the effect of signal light splitting ratio of 90° spatial optical hybrid on the phase-locked performance of the receiver and the communication performance is modeled and analyzed. From our numerical simulation results, we know that the communication performance and detection sensitivity are improved with the signal light splitting ratio of Q branch k<0.5, and the loop locked-in time is the shortest and frequency-locked range is maximum when k=0.5. In the case of k>0.5, we can obtain an optimal value of k to minimize the residual phase error. Based on the above analysis, we design an adaptive adjustment system with signal light splitting ratio based on a half-wave plate using softare simulations, and its communication and phase-locked performances are analyzed at different splitting ratios. Those results show that under conditions of 1550 nm laser wavelength, 5 kHz linewidth and 10 Gbit/s communication rate, the phase-locked performance and detection sensitivity can be adjusted when k varies in the range of 0.1-0.6 by rotating half-wave plate. The detection sensitivity is improved by 2.56 dB with k=0.1, and for k=0.5, the frequency deviation lock range of the phase-locked branch is 133 MHz. What's more, the residual phase error is the smallest when k=0.6. Those results illustrate the system is feasible and also provide a reference for the application adjustment of the 90° hybrid with adaptive splitting ratio.

1 引言

空间相干激光通信技术具有速率高、灵敏度高、安全性高等优势,因此逐渐成为空间通信领域的研究热点^[1-4]。零差相干激光通信系统的灵敏度最高,其相干过程是通过光混频器和光锁相环实现的,常用的二进制相移键控(BPSK)零差相干接收机具有灵敏度高、对激光线宽要求低等优点,在远距离高速率自由空间光通信(FSOC)中有广泛的应用前景^[5-8]。

光混频器作为光学零差相干接收机的关键器件,一直是空间相干激光通信领域研究的热点。混频器将信号光与本振光相干混频后输出同相信号(I路信号)和正交信号(Q路信号),Q路信号经乘法器与I路信号相乘得到信号光与本振光之间的频差和相位差信号,通过光锁相环进行频率捕获及相位锁定。一旦本振光与信号光实现相位锁定,由于残余无载波特性,信号光携带的数据会被同步解调到I路。混频器性能受多种因素的影响,现有研究在混频器I、Q路光功率相同条件下分析了偏振失配、激光器线宽、相位偏移、环路延时等因素对混频性能的影响^[9-11]。由于空间激光通信中接收到的信号光非常微弱(小于-40 dBm),研究人员开始考虑优化分光比k以提高通信性能。Djordjevic等^[12]研究了混频器分光比和激光器线宽对通信性能影响;曹海帅等^[13]研究了90°空间光混频器相位补偿及分光比调整方法;南航等^[14]分析了分光比对通信误码率的影响,并搭建实验进行验证;Zhou等^[15]分析了保持带宽不变时分光比对同相支路通信性能的影响,表明在环路锁定条件下增加I路分光比可有效提高系统的探测灵敏度。上述研究仅分析了信号光分光比对I路信号的影响,因I路信号用于信号解调,提高I路信号光分光比可以提高探测灵敏度。但I路信号光分光比增大后,Q路信号光分光比降低,鉴相信号减弱,导致锁相环锁相性能降低。因此全面分析分光比对通信性能和锁相性能的影响,并在此基础上对不同工作过程中的分光比进行动态调控有重要意义。

本文首先根据90°空间光混频器和Costas光学锁相环数学模型^[16-17]推导了分光比对锁相性能和通信性能的影响模型,然后用模型计算分析光混频器信号光分光比对锁相残余相位误差、环路锁相时间、锁相范围和系统通信误码率的影响。得到Q路信号光在通信和锁相工作条件下的最优分光比,并在此基础上提出一种通过旋转半波片实现信号光在不同工作状态下自适应调整I、Q路分光比的系统。最后通过Optisystem和Simulink软件分析验证该系统的可行性,证明了该系统可实现环路最优工作性能。

2 理论模型

建立零差相干光通信理论模型,设信号光和本振光的光场分布分别为^[18]

\begin{array}{l} E_{S} = \sqrt[]{P_{S}} (\begin{array}{l} k_{1} \\ k_{2} \end{array}) \exp [i ϕ_{S} (t)], (1) \\ E_{L} = \sqrt[]{P_{L}} (\begin{array}{l} k_{3} \\ k_{4} \end{array}) \exp [i ϕ_{L} (t)], (2) \end{array}

式中,P_S、P_L分别为信号光和本振光的光功率,k₁、k₂分别为信号光水平方向和垂直方向的偏振分量,k₃、k₄分别为本振光水平方向和垂直方向的偏振分量,t为时间因子,ϕ_S(t)、ϕ_L(t)分别为信号光和本振光的相位,可表示为

\begin{array}{l} ϕ_{S} (t) = Δ ωt + ϕ_{NS} (t) + π d (t), (3) \\ ϕ_{L} (t) = ϕ_{NL} (t) + ϕ_{C} (t), (4) \end{array}

式中,Δω为信号光和本振光之间的频差,ϕ_NS(t)、ϕ_NL(t)分别为信号激光器和本振激光器固有相位,ϕ_C(t)为本振光的输出相位,d(t)为BPSK信号调制信息,取值为0或1。

两束光经过90°空间光混频器混频、平衡探测器检测放大后,I、Q路的电压信号分别为

\begin{array}{l} U_{I} (t) = 2 Rr (1 - k) \sqrt[]{P_{S} P_{L}} \cos [ϕ_{S} (t) - ϕ_{L} (t)] + n_{1} (t), (5) \\ U_{Q} (t) = 2 Rrk \sqrt[]{P_{S} P_{L}} \sin [ϕ_{S} (t) - ϕ_{L} (t)] + n_{2} (t), (6) \end{array}

式中,R为放大器阻抗,r为平衡光电探测器的响应度,k为Q信号分光比,n₁(t)、n₂(t)分别为I、Q路的散粒噪声。

I、Q路信号经乘法器完成鉴相后,得到信号光与本振光间的相位误差,由于锁相完成后环路相位误差极小,则鉴相电压信号近似为

U_{d} (t) = U_{I} (t) U_{Q} (t) = \frac{G}{2} \sin 2 [ϕ_{S} (t) - ϕ_{L} (t)] + N (t) \approx G ϕ_{e} + N (t), (7)

式中,G=4R²r²P_SP_Lk(1-k)为鉴相增益,相位误差ϕ_e=ϕ_S(t)-ϕ_L(t),N(t)为乘法器输出的总散粒噪声。得到的鉴相电压信号经二阶有源比例积分滤波器滤除交流分量,得到的可调谐激光器控制电压U_c(t)用于控制本振光的振荡频率

ω_{L} (t) = ω_{0} + K_{0} U_{c} (t), (8)

式中,ω₀为本振光的初始频率,K₀为可调谐激光器控制灵敏度。锁相环环路总增益K=GK₀,环路闭环传递函数为

H (f) = \frac{KF (f)}{j 2 π f + KF (f)}, (9)

式中,F(f)为二阶有源比例积分滤波器传输算子,f为频率因子。

环路自然频率ω_n= $\sqrt[]{\frac{K}{τ_{1}}}$ ,环路阻尼系数ζ= $\frac{τ_{2}}{2} \sqrt[]{\frac{K}{τ_{1}}}$ ,τ₁、τ₂为滤波器的时间系数。实际应用中环路的锁频范围限制在快捕带范围内,即环路的捕获过程在一个周期内不经过周期跳跃就能入锁^[19]。环路快捕入锁需要的时间称为相位捕获时间。环路的锁频范围Δω₁和锁定时间T₁是环路的重要参数^[20],在工程上的近似估计值分别为

\begin{array}{l} Δ ω_{l} \approx 2 ζ ω_{n} = \frac{4 K_{0} τ_{2} R^{2} r^{2} (1 - k) k P_{S} P_{L}}{τ_{1}}, (10) \\ T_{l} \approx \frac{2 π}{ω_{n}} = \sqrt[]{\frac{π^{2} τ_{1}}{4 K_{0} R^{2} r^{2} (1 - k) k P_{S} P_{L}}} 。 (11) \end{array}

环路残余相位误差决定锁相环的失锁状态,主要包括激光器的相位噪声和光电探测器的散粒噪声^[21]。环路的残余相位误差可表示为

σ^{2} = σ_{SN}^{2} + σ_{PN}^{2} = \frac{q B_{n}}{2 rk P_{S}} + \frac{3 πΔ v}{4 B_{n}}, (12)

式中,Δv为信号光与本振光激光器的总线宽,B_n= $\overset{\infty}{\int_{0}} {|H (f)|}^{2}$ df= $\frac{ω_{n} (1 + 4 ζ^{2})}{8 ζ}$ 为锁相环环路噪声的带宽。环路阻尼系数ζ与鉴相增益G相关,因此相位噪声和环路噪声都受激光器功率和分光比的影响。

3 仿真分析

在BPSK零差相干光通信系统中,根据文献[ 22]设置系统参数:P_S=-40 dBm,P_L=0 dBm,激光器线宽为5 kHz,平衡光电探测器的响应度r=1 A/W,R=2740 Ω,滤波器时间系数τ₁=0.17 MHz,τ₂=2.2 MHz,K₀=5×10¹³ rad/(s·V)^-1。由(10)式、(11)式计算得到锁相范围Δω_l和锁相时间T_l与分光比k的关系,如图1所示。

图 1. 锁频范围、锁相时间与分光比关系曲线

Fig. 1. Relation curve of frequency-locked range, phase-locked time and splitting ratio

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从图1可以发现,当k=0.5时,环路可实现信号光与本振光间的最大频差范围锁定,且相位锁定时间最小。当Q路的分光比k增大或减小时,锁相环的锁频范围减小,相位锁定时间变大。当分光比过小或过大时,环路锁相时间会明显增大。对于高速率的信号传输,锁相时间越长表示损失的数据越多。

当环路完成锁相后,I路输出电压信号为

U_{I} (t) = 2 Rr (1 - k) \sqrt[]{P_{S} P_{L}} \cos [π d (t)] + n_{1} (t) = 2 Rr (1 - k) d (t) \sqrt[]{P_{S} P_{L}} + n_{1} (t) 。 (13)

此时加载在信号光相位上的调制信号直接体现在I路输出电压上,这种无载波特性便于信号解调。可将系统的误码率(BER)表示为^[14]

X_{BER} = Q [2 \sqrt[]{\frac{r L_{ins} P_{s} (1 - k)}{R_{b} q}}], (14)

式中,Q(·)为Q函数,R_b为通信速率,L_ins为混频器插入损耗。信号光经90°空间光混频器分成两路信号,分别用于环路锁定和信号解调,探测灵敏度损耗为3 dB。减小系统Q路的信号分光比可以提高系统探测灵敏度^[12,14-15],但同时会增大环路锁相误差,这不仅会影响系统通信误码率,也会导致环路失锁,因此分光比应在保证环路稳定工作的范围内进行调整。

由(12)式得到5 kHz激光器线宽的相位噪声和散粒噪声引起的相位误差与分光比k关系,如图2所示。可以发现,当k>0.5时,平衡探测器散粒噪声引起的相位误差逐渐减小,激光器相位噪声引起的相位误差逐渐增大,残余总相位误差在k=0.6

图 2. 分光比对环路残余相位误差的影响

Fig. 2. Influence of splitting ratio on residual phase error of loop

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时最小。实际通信过程中,可通过降低激光器线宽抑制激光器相位噪声,从而减小环路残余相位误差^[23]。为了使90°空间光混频器的混频效率达到90%以上,需保证锁相环残余相位误差σ<10°(0.17 rad)^[14]。由(14)式可知,激光器线宽越小,环路残余相位误差越小,满足条件的分光比调控范围越大。图3为不同激光器线宽v时环路残余总误差和分光比之间的关系。可以发现,为满足σ<10°,激光器线宽为50 kHz时,分光比应控制在0.02~0.98之间;激光器线宽为100 kHz时,分光比应控制在0.05~0.95之间;激光器线宽为200 kHz时,分光比应控制在0.1~0.9之间。为了将残余相位误差控制在最小,锁相时分光比应在0.5~1.0之间,此时分光比存在最优值,该值与线宽相关。线宽越小,分光比最优值越大。

图 3. 不同激光器线宽下的分光比对环路残余相位误差的影响

Fig. 3. Influence of splitting ratio under different laser linewidths on loop residual phase error

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锁相环是一个反馈控制系统,因反馈会产生低频自激振荡,因此需要考虑不同分光下系统的稳定性。环路稳定性是保证系统正常工作的先决条件,反馈系统的稳定性通常用开环传递函数的伯德图判断。当开环增益G_m达到0 dB时,开环相移小于180°,即相位余量大于0°,则环路稳定。理论上,有源比例积分滤波器构成的锁相环一定是稳定的^[19]。当分光比减小到0.02时,开环传递函数的伯德图如图4所示,此时环路的相位余量ϕ_m=56.8°,环路仍然保持稳定。

图 4. k=0.02时环路开环传递函数的伯德图。(a)幅频特性;(b)相频特性

Fig. 4. Bode diagram of loop open-loop transfer function when the k=0.02. (a) Amplitude frequency characteristic; (b) phase frequency characteristic

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4 分光比自适应调整系统研究

4.1 分光比自适应调整系统设计

基于上述理论分析,设计了一种分光比自适应调整系统,如图5所示,数据处理和控制单元由可编程门阵列(FPGA)、模数转换器(AD converter)、电机驱动器和步进电机构成,其中虚线为光信号,实线为电信号。该系统可在不同工作状态下将空间相干光通信零差接收机的分光比调整为最优值,减小环路残余相位误差,增大锁相工作条件下的环路锁频范围,减小通信过程中的信号误码率,提高探测灵敏度。

该系统在90°空间光混频器信号光输入端口设置一个可由电机控制快轴旋转角度的半波片,通过旋转半波片改变信号光偏振态,从而改变信号光经过混频器中偏振分光棱镜(PBS)后的分光比。接收到的信号光偏振态与水平方向夹角为45°,此时信号光经90°空间光混频器中的PBS分光后分光比为0.5。半波片快轴(波片中传播速度快的光矢量方向)与信号光偏振方向夹角为θ,则经半波片后信号光水平偏振方向的光能量为

P'_{S} = P_{S} si n^{2} (2 θ + \frac{π}{4}) 。 (15)

信号光分光比为

k = si n^{2} (2 θ + \frac{π}{4}) 。 (16)

图6为用Optisystem软件建立的基于90°空间光混频器的零差相干激光通信系统模型,其中,PM为相位调制器,LO laser为本地激光器。设置的仿真参数按:信号光、本振光的激光器线宽为5 kHz,本振光功率为0 dBm,混频器接收的信号光功率为-40 dBm,系统通信速率为10 Gbit/s,调制方式为二进制相位调制,光混频器的插损为0 dB,平衡探测器的响应度为1 A/W。

图 5. 分光比自适应调整系统示意图

Fig. 5. Schematic diagram of the splitting ratio adaptive adjustment system

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图 6. BPSK零差相干光通信系统仿真模型

Fig. 6. Simulation model of BPSK homodyne coherent optical communication system

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图 7. 半波片旋转角度与分光比曲线

Fig. 7. Curve of splitting ratio with half-wave plate rotation angle

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为验证半波片旋转角度与I、Q路分光比关系,设置本振光与信号光之间频差为2 MHz,混频器输出信号经平衡探测器探测得到拍频信号。仿真得到半波片旋转角度与分光比的关系如图7所示,子图分别为半波片旋转0°、10°、-10°时I路和Q路电信号的输出波形,旋转半波片只改变I、Q路的信号分光比,不会造成I、Q信号间相位变化,I、Q路之间相位差始终为90°。

4.2 通信性能分析

当环路完成锁相后,本振光与信号光之间的频差为0 Hz,相位差恒定,对I路信号进行解调,半波片旋转角度为0°、-7.5°、-13.3°,Q路对应的分光比为0.5、0.25、0.1时,一个比特周期内的系统眼图如图8(a)~图8(c)所示,系统误码率分别为1.86×10^-15,3.12×10^-22,2.85×10^-26;降低Q路分光比时,不同分光比条件下系统误码率如图8(d)所示,其中,Q因子是眼图的一个重要参数,综合反映了眼图质量,Q因子越大,表示误码率越小。可以发现,随Q因子的增大,系统眼图的眼高变大,误码率减小。这表明零差相干接收机在通信工作条件下,降低Q路的分光比可提高系统的探测灵敏度。

调整仿真参数,以BER小于10^-9为基准,当Q路分光比为0.5时,信号光灵敏度为-42.36 dBm,当Q路分光比为0.1时,信号光灵敏度为-44.92 dBm。通过调控分光比,可将系统探测灵敏度提高到2.56 dB。

为了分析弱光条件下分光比对系统误码率的影响,在接收信号光功率为-49 dBm时,其他条件不变,旋转半波片角度改变分光比,得到不同分光比下系统误码率,如表1所示。

图 8. 不同分光比条件下系统眼图和误码率。(a) k=0.5时系统眼图;(b) k=0.25时系统眼图;(c) k=0.06时系统眼图;(d)不同分光比条件下系统误码率

Fig. 8. System eye diagram and bit error rate under different splitting ratios. (a) System eye diagram when k=0.5; (b) system eye diagram when k=0.25; (c) system eye diagram when k=0.06; (d) system bit error rate for different splitting ratios

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表 1. 弱光条件时不同分光比下的系统误码率

Table 1. System bit error rate under different splitting ratios in weak light condition

Angle ofWave plate /(°)	0	-2.5	-5	-7.5	-10	-12.5	-15	-17.5
k	0.50	0.41	0.33	0.25	0.18	0.12	0.07	0.03
BER	2.86×10^-3	1.36×10^-3	6.63×10^-4	3.40×10^-4	1.87×10^-4	1.11×10^-4	7.34×10^-5	5.41×10^-5

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由表1可知,在信号光为-49 dBm的弱光条件下,通过旋转半波片改变信号光Q路的分光比,使k由0.50降低至0.03时,系统误码率由2.86×10^-3降低至5.41×10^-5,这表明在弱光条件下调节分光比依然可以提高系统的通信性能。

为了进一步验证仿真结果,搭建了相干通信系统误码率测试平台,如图9所示,其中,NRZ为非归零码。利用伪随机码(PRBS)测量系统误码率。得到不同分光下5 Gbit/s通信速率的BPSK零差相干激光通信系统误码率的变化曲线,如图10所示。可以发现,随分光比由0.5减小至0.2,系统误码率由3.53×10^-9下降至4.25×10^-10,这表明优化分光比可以改善相干光通信系统的通信性能。

图 9. 不同分光比下误码率测试实验结构图

Fig. 9. Experimental structure diagram of bit error rate test under different splitting ratios

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图 10. 误码率与分光比的关系

Fig. 10. Relationship between the bit error rate and splitting ratio

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4.3 锁相性能分析

通过Simulink搭建了锁相环路模型,如图11所示,仿真了环路锁相过程,研究分光比对环路锁相性能影响。

当Q路信号光的分光比为0.5时,锁相环能在一个周期内完成锁定的频率捕获范围为133 MHz,如图12(a)所示。当频率差超出133 MHz时,振荡控制电压如图12(b)所示。可以发现,控制电压有个向下的尖峰,代表环路发生相位周跳,此时信号光与本振光之间频率差超出快捕带范围。

不同分光比条件下环路的频率快捕范围以及锁相时间如图13所示。可以发现,环路在Q路信号光的分光比为0.5时,锁相时间最短,锁相范围最大,可在3.59×10^-6 s内实现133 MHz频差的锁定,当分光比降为0.01时,采用无源比例积分滤波器的锁相环失锁,无法完成锁相,振荡控制电压的输出如图14所示。而有源比例积分环路滤波器的锁相环始终能完成锁相,分光比0.01时快捕范围为29 MHz,多次周跳完成133 MHz锁频范围的锁相时间为1.18×10^-5 s,对10 Gbit/s的传输速率意味着0.1 Mbit/s的数据损失。

图 11. 锁相环Simulink仿真模型

Fig. 11. Simulink simulation model of phase-locked loop

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图 12. 压控振荡器输出电压波形图。(a)频差在锁频范围内输出电压波形图;(b)频差超出锁频范围时输出电压波形图

Fig. 12. Output voltage waveform of voltage controlled oscillator. (a) Output voltage waveform when the frequency difference is within the frequency-locked range; (b) output voltage waveform when the frequency difference is outside the frequency-locked range

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图 13. 不同分光比条件下环路锁频范围和锁相时间

Fig. 13. Loop frequency-locked range and frequency-locked time for different splitting ratios

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图 14. k=0.01时无源比例积分滤波器环路失锁时控制电压波形图

Fig. 14. Control voltage waveform when the passive proportional-integral filter loop loses lock when k=0.01

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5 结论

通过数学建模和软件仿真,分析了混频器信号光I、Q路分光比对环路不同工作状态下锁相性能和通信性能的影响。实验结果表明,分光比为0.5时,环路锁相时间最短,锁频范围最大,信号光Q路分光比小于0.5时,分配到I路的光功率增大,通信性能提高,探测灵敏度增加,但锁相残余误差增大;分光比大于0.5时,分光比存在使锁相残余相位误差最小的最优值。在激光波长为1550 nm,线宽为5 kHz,通信速率为10 Gbit/s的仿真条件下,通过旋转半波片将Q路分光比控制在0.1到0.6之间,可以改变系统锁相性能和探测灵敏度。在分光比为0.1时通信接收灵敏度提高了2.56 dB,分光比为0.5时,锁相支路可实现133 MHz的锁频范围。分析了分光比对系统误码率的影响,验证了分光比调控的优势,设计了一种基于可旋转半波片的信号光分光比自适应调整系统,在不同的工作条件优化分光比以提高性能,为空间相干激光通信提供了参考。

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1 引言

2 理论模型

3 仿真分析

图 1. 锁频范围、锁相时间与分光比关系曲线

Fig. 1. Relation curve of frequency-locked range, phase-locked time and splitting ratio

图 2. 分光比对环路残余相位误差的影响

Fig. 2. Influence of splitting ratio on residual phase error of loop

图 3. 不同激光器线宽下的分光比对环路残余相位误差的影响

Fig. 3. Influence of splitting ratio under different laser linewidths on loop residual phase error

图 4. k=0.02时环路开环传递函数的伯德图。(a)幅频特性;(b)相频特性

Fig. 4. Bode diagram of loop open-loop transfer function when the k=0.02. (a) Amplitude frequency characteristic; (b) phase frequency characteristic

4 分光比自适应调整系统研究

4.1 分光比自适应调整系统设计

图 5. 分光比自适应调整系统示意图

Fig. 5. Schematic diagram of the splitting ratio adaptive adjustment system

图 6. BPSK零差相干光通信系统仿真模型

Fig. 6. Simulation model of BPSK homodyne coherent optical communication system

图 7. 半波片旋转角度与分光比曲线

Fig. 7. Curve of splitting ratio with half-wave plate rotation angle

4.2 通信性能分析

图 8. 不同分光比条件下系统眼图和误码率。(a) k=0.5时系统眼图;(b) k=0.25时系统眼图;(c) k=0.06时系统眼图;(d)不同分光比条件下系统误码率

Fig. 8. System eye diagram and bit error rate under different splitting ratios. (a) System eye diagram when k=0.5; (b) system eye diagram when k=0.25; (c) system eye diagram when k=0.06; (d) system bit error rate for different splitting ratios

表 1. 弱光条件时不同分光比下的系统误码率

Table 1. System bit error rate under different splitting ratios in weak light condition

图 9. 不同分光比下误码率测试实验结构图

Fig. 9. Experimental structure diagram of bit error rate test under different splitting ratios

图 10. 误码率与分光比的关系

Fig. 10. Relationship between the bit error rate and splitting ratio

4.3 锁相性能分析

图 11. 锁相环Simulink仿真模型

Fig. 11. Simulink simulation model of phase-locked loop

图 12. 压控振荡器输出电压波形图。(a)频差在锁频范围内输出电压波形图;(b)频差超出锁频范围时输出电压波形图

Fig. 12. Output voltage waveform of voltage controlled oscillator. (a) Output voltage waveform when the frequency difference is within the frequency-locked range; (b) output voltage waveform when the frequency difference is outside the frequency-locked range

图 13. 不同分光比条件下环路锁频范围和锁相时间

Fig. 13. Loop frequency-locked range and frequency-locked time for different splitting ratios

图 14. k=0.01时无源比例积分滤波器环路失锁时控制电压波形图

Fig. 14. Control voltage waveform when the passive proportional-integral filter loop loses lock when k=0.01

5 结论

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