通信技术
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42 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering
【关键词】空间卫星 光通信链路技术 方案
光通信能够有效突破低轨卫星与定点卫星间高码率通信瓶颈，但高频调制速率和大功率光源技术是目前空间卫星光通信链路中的关键技术和难点，为有效实现空间卫星间的光通信，应当提高光源的发射功率大和调制码速率，并采用灵敏度相对高接收机。

1 空间卫星光通信链路关键技术
捕获、对准与跟踪子系统、通信子系统以及辅助功能子系统是激光通信终端的重要组成部分。

在建立空间激光卫星通信链路中，信号光束的发散角非常小，大约在10~20μrad 之本文间，故对准与跟踪技术是空间卫星光通信链路的关键技术，对准与跟踪技术的跟瞄精度直接影响着光通信系统的通信质量。

距离远、码速率高以及误码率低是空间卫星之间的通信的主要特点，这也使得空间卫星光通信子系统对光通信光源的功率要求相对较高。

加上受到对准与跟踪技术跟瞄精度限制以及系统对体积、质量和功耗的限制，信号光的波束宽度太小无法满足通信需要，同时接收天线增益的限制和光源功率需求的增加也是空间卫星通信链路的关键技术。

出于对光学系统的制造、装校产生的偏差、准直能力的约束以及最佳光束发散角的限制的考虑，实际光学系统仍然与理想衍射极限光学系统在性能方面存在一些差异。

通过构建和分析光通信发射激光传输模型，可以将接收端机探测器上接收到的功率P d 用以下公式表示：
P d =ηt ηr P t [D r /(θL)]2 其中，D r 表示接收天线孔径，P t 表示激光光源发射功率，θ表示发射光束发散角，L 表示卫星间的通信距离，
ηt 表示发射天线效率，ηr 表示接收天线效率。

由以上公式可以得出，接收功率P d 与激光发散角平方成反比，同时与激光发射功率成正比，并P d 也与接收天线孔径平方成正比。

LEO-GEO 的通信距离为 4.5×104km ，若
空间卫星光通信关键技术的分析探讨
文/何川
通信码速率为1Gb/s ，且通信误码率为10-7，
出于对卫星上质量和体积限制的考虑，为有效实现卫星间的通信应当选择孔径为250mm 的天线。

当发射天线效率、接收天线效率、对准与跟踪指向偏差损失、链路储备以及接收机灵敏度分别为-3dB 、-7dB 、-2dB 、1dB 以及-40dBm 时，根据以上接收功率公式P d 可以算出，当发射光束发散角θ为10μrad 时，激光光源发射功率的需求应当达到5.9W ；当发射光束发散角θ为20μrad 时，激光光源发射功率的需求应当达到23W 。

在空间卫星通信过程中，采用减小光束发散角的方式能够可降低对光源发射功率的需求，然而衍射极限、光束准直能力以及对准与跟踪跟瞄精度等因素直接限制着光束发散角的减小，对此，高码率的大功率光源也是空间卫星光通信关键技术。

2 空间卫星光通信链路关键技术解决方案
卫星间激光通信的波长通常800nm 、1060nm 以及1550nm 三个波段中选择，由于卫星受到质量、体积以及功耗的限制，卫星间通信的激光光源通常会选择800nm 和1500nm 波段的半导体激光器。

目前，对于1550nm 波段，由于光放大器技术日趋成熟为光功率的放大奠定了坚实基础，在对小功率输出的激光器进行调制时，可以采用调制高码速率方式实现；在对1Gb/s 的码速率进行调制时，可以通过直接调制的方式进行调制；对于更高码速率调制时，可以通过间接调制的方式实现。

在完成调制后，再利用掺铒光纤放大器将调制得到的信号进行放大，以获得高码率、大功率的发射光源。

对于800nm 波段的卫星间激光通信波长，目前相应的光放大器不完善，需采用大功率的激光器，结合直接调制和间接调制实现调制。

然而，随着激光功率大，对调制带宽和调制深度提出了更高要求，同时也对调制电压需求提出了更高要求。

与1500nm 的波段激光器相比，800nm 波段激光器在单纵模和单横模方面特性相对较差，对采用直接调制的方式进行调制，会产生较大的啁啾，对此，对于800nm 波段的调制最好采用间接调制方式。

目前，由于受技术和设备的限制，难以获得高于1Gb/s 码速率高功率激光光源，可以采用波分复用技术来降低激光的调制速率。

当前，为更好地实现空间卫星光通信，仅单纯通过增加系统发射端的发射功率难以实现，可以采用提高接收机灵敏度的方式，将接收机灵敏度改善3dB 。

然而，高接收灵敏度接
收机在设计方面和制造方面均存在较大难度，因此，在目前探测器灵敏度有限的情况下，提高接收机的灵敏度依然是采用空间卫星光通信链路的一些关键技术。

采用高灵敏度探测器能够有效提升接受灵敏度，但是探测器灵敏度是受技术水平和器件水平的限制。

为了进一步提升接收端机灵敏度，可以采用光学窄带滤波技术降低背景光的影响，提升空间卫星光通信系统信噪比。

同时，也可以采用对不同分光片参数和干涉滤光片进行科学设计来实现信道收发隔离度的提升。

对于1550nm 波段接收灵敏度的提升，可以采用低噪声前置掺铒光纤放大器的方式实现。

3 结束语
在进行空间卫星之间的空间激光通信时，通信距离相对较远，码速率相对较高，同时通常还会受到光束发散角受衍射极限以及跟瞄精度的限制，使得空间卫星间的通信受到影响。

对此，空间卫星通信系统应当具备较大的光源发射功率和较高的调制码速率，同时通信系统的接收机必须具备较高的灵敏度，并克服克服背景光的干扰，确保空间卫星间的通信质量。

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作者简介
何川（1968-），男，四川省江油市人。

大学本科学历。

现为重庆电子工程职业学院通信工程学院讲师。

主要研究方向为通信技术、电子技术。

作者单位
重庆电子工程职业学院通信工程学院　重庆市　401331。