相干解调是一种适用于所有线性调制信号的解调方法，其核心在于接收端恢复出一个与调制载波严格同步的相干载波。这种解调方式利用乘法器，将一路与载频相干(同频同相)的参考信号与载频进行相乘，从而实现信号的解调。
具体来说，相干解调的过程包括以下几个步骤：
- 接收机首先接收到包含目标信号和干扰信号的混合信号。
- 利用本地振荡器产生一个与接收到的信号相位相同但振幅不同的参考信号。这一步是为了确保参考信号能够有效地与接收到的信号进行比较和处理。
- 将混合信号与参考信号进行乘法运算，这一步骤可以通过使用带限的低通滤波器来去除高频干扰和噪声，从而得到一个较为清晰的中频信号，该信号包含了原始信号和干扰信号的差异。
- 相干解调的一个重要特点是它依赖于已知的相位信息，这使得它在抗干扰性方面通常优于非相干解调方法。然而，由于需要精确的相位同步和高质量的参考信号，相干解调的系统设计和实现可能比非相干解调更为复杂和要求严格。
相干解调是一种高效且灵敏的解调技术，特别适用于那些对信号质量有较高要求的应用场景，如高速数据传输和精密通信系统。
一、 相干解调与非相干解调在性能上的具体比较是什么?
相干解调与非相干解调在性能上的具体比较主要体现在以下几个方面：
- 信号处理复杂度：非相干解调的优点之一是其较低的处理复杂度。由于非相干解调不需要提取载波信息，因此可以简化电路设计和减少信号处理步骤，这使得非相干解调在实现上更为简单。
- 性能损失：尽管非相干解调在实现上具有优势，但它通常会导致性能上的损失。相比于相干解调，非相干解调可能会有更高的误码率和较差的信噪比。这是因为非相干解调无法利用载波信号来辅助信号恢复，从而在一定程度上降低了系统的抗干扰能力。
- 适用场景：由于非相干解调的低复杂度和简单实现，它特别适用于一些特定的通信场景，如大动态环境下的遥测信号接收，其中对实时性和处理速度的要求较高。然而，对于需要高频谱效率和强抗噪声性能的应用场景，如高速数据传输和长距离通信，相干解调则更为适合。
- 成本和功耗：非相干解调因其结构简单和成本低廉，在经济性方面具有一定的优势。然而，这种类型的解调器可能会浪费更多的功率，即使没有信号也会消耗电力。
相干解调与非相干解调各有优劣，选择哪种解调方式取决于具体的应用需求、成本考虑以及所需的性能指标。
二、 如何实现相干解调中的精确相位同步?
实现相干解调中的精确相位同步，可以通过以下几种方法：
- 使用数字锁相环(DPLL)：数字锁相环是一种常用的技术，用于在接收端对信号进行相位同步。通过设计快速捕获带宽的数字锁相环，可以保证频率粗估计后直接工作在快捕状态，从而提供满足解调性能的精确同步载波信号。
- 基于FPGA的相位同步算法：利用FPGA(现场可编程门阵列)的灵活性和高速度处理能力，可以实现快速且高精度的相位同步。这种方法通常包括实时测量恒温晶振频率并矫正，以提供系统时钟，然后通过滑动平均滤波法进一步降低误差。
- 离散Fourier变换(DFT)与数字锁相环(DPLL)的结合：这种方法结合了DFT的频率估计功能和DPLL的相位同步能力，通过平方运算和DFT对信号进行频率粗估计，然后通过设计的数字锁相环进行精确的相位同步。
- 使用校频的恒温晶振提供系统时钟信号：在某些设计中，可以通过剔除误差产生的伪信号，并使用校频的恒温晶振来提供系统时钟信号，这样可以在鉴相器中测量相位差，并通过相位调整器调整初始相位，以实现高精度的相位同步。
- 通道间共享单个LO(Local Oscillator)：在多通道系统中，实现精确的相位和振幅同步的一个有效方法是从单个PLL导出所有通道共享的单个LO。这样可以减少每个下变频器之间的相位噪声，从而提高整体系统的同步精度。
通过上述方法中的任何一种或组合，都可以实现相干解调中的精确相位同步。
三、 相干解调技术在高速数据传输中的应用案例有哪些?
相干解调技术在高速数据传输中的应用案例主要体现在以下几个方面：
- 800G光传输网络：相干调制技术与PAM4(四电平脉冲幅度调制)技术结合使用，在800G光传输网络中实现了高达400Gbps甚至更高的带宽数据传输。这种技术通过精密操控光载波的频率、相位和振幅来编码信息，有效提高了信号的传输速度和远距离传输能力。
- 大规模并行数据传输系统：基于锁模光学频率梳的高速数据传输技术，利用波分复用技术构建的大规模并行数据传输系统。该系统通过多个光学模式提供多个信息传输通道，每个通道携带不同的编码信息，并通过复用器合束后由掺饵光纤放大，最终通过90º混频器进行相干解调，以实现高速数据传输。
- 数字相干光通信：相干光通信技术基于高级调制格式和数字信号处理，具有频谱效率高、数据传输容量大的优势。这项技术在过去十年中推动了光传输网络的演进，其中相干光接收机作为核心关键器件之一，能够同时探测高速信号上携带的相位和幅度信息，从而提高数据传输的效率和可靠性。
- 长距离传输骨干网：相干光通信因其能减少长距离传输的光纤架设成本，简化光路放大和补偿设计，在长距离传输网上成为主要的应用技术。这种技术特别适用于400G和100G传输，在数据中心及网络基础设施中实现高速、大容量的数据传输。
四、 在相干解调过程中，如何选择和优化本地振荡器以提高信号质量?
在相干解调过程中，选择和优化本地振荡器(Local Oscillator, LO)是提高信号质量的关键步骤。以下是一些具体的方法和建议：
- 同步本地振荡器与载波：首先，确保本地振荡器的频率与发送端的载波频率完全同步。这是实现高效、准确解调的基础。
- 选择合适的本地振荡器类型：根据应用需求选择合适的本地振荡器类型，如压控振荡器(VCO)、晶体管振荡器等。VCO因其稳定性和可调性而被广泛使用于需要精确控制频率的场合。
- 优化本地振荡器的相位误差：正确的相位选择对于误差信号的优化至关重要。在实际应用中，应通过调整或优化本地振荡器的相位来减少相位噪声，从而提高信号的质量。
- 使用分布式PLL系统：在复杂的系统中，如数字波束成形相控阵，可以采用分布式锁相环(PLL)系统来生成和分配本地振荡器，这有助于更精确地控制每个接收单元中的振荡器频率，进一步提高系统的整体性能。
- 考虑天线和接收链路的优化：虽然本地振荡器主要负责频率的生成，但整个接收链路的优化也非常重要。例如，使用定向天线和MIMO技术可以有效减少多径效应引起的信号衰减，从而间接提高本地振荡器的性能。
五、 相干解调技术的最新研究进展和未来趋势是什么?
相干解调技术的最新研究进展主要集中在提高数据传输速率和信号质量方面。我们可以看到几个关键的发展趋势：
- 高速率传输技术的发展：随着400G和800G光模块的商业化，相干光通信技术正在向更高的数据速率迈进。例如，2022年全球市场上64GBd相干光器件约有20多万只，而预计未来五年内400G模块的年复合增长率约为50% 。此外，有报道称128GBd相干光模块已经开始现网试验 。
- 短距离传输的应用增加：随着行业对更高数据速率的需求，相干光通讯技术被用于更短距离的接口，这增加了部署在可插拔的相干光端口的份额 。例如，400ZR规范的目标是80-120公里的传输距离 。
- 新型相干结构的研究：新型相干结构光场的理论构建与实验合成显示出在复杂环境中的鲁棒传输特性及其在光学加密、成像、鲁棒信息传输及光束整形中的应用潜力 。
- 技术整合与创新：例如，飞秒光纤激光相干合成技术的研究进展表明，该技术在填充孔径相干合成与平铺孔径相干合成方面取得了显著进展 。此外，多调制指数CPM信号的新分解方式及其准相干解调也显示了在资源受限的无线通信系统中的应用潜力 。
- 产业化与成本效益：尽管相干方案所需的光学器件更加精密复杂，但随着制造良品率的提升及成本降低，业界先驱如飞速(FS)公司等已通过实验证明这些技术路径的有效性 。
