Architecture de récepteur cohérent pour les liens optiques satellite-sol avec optique adaptative

Architecture of a coherent receiver for satellite-to-ground links with adaptive optics

• Auteur / Autrice : Laurie Paillier
• Direction : Yves Jaouën, Raphaël Le Bidan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et optoélectronique
• Date : Soutenance le 14/10/2020
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Télécom Paris (Palaiseau, Essonne ; 1878-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Traitement et communication de l'information (Paris ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Eleni Diamanti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Jaouën, Raphaël Le Bidan, Christelle Aupetit-Berthelemot, Aniceto Belmonte, Angélique Rissons, Géraldine Artaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christelle Aupetit-Berthelemot, Aniceto Belmonte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stations terrestres (télécommunications par satellites)

Systèmes de télécommunications

Mots clés libres

Turbulence atmosphérique

Détection cohérente

Traitement numérique du signal

Optique adaptative

Atmospheric turbulence

Coherent detection

Digital signal processing

Adaptive optics

Résumé

L’émergence et la multiplication de moyens d’observation du sol de résolution croissante et de réseaux de télécommunication spatiaux à très haut débit pour l’internet globalisé rendent nécessaire d’accroître la capacité de transmission de données entre l’espace et le sol de plusieurs ordres de grandeur. Les liens optiques, avec des débits de plusieurs dizaines de Gbps par canal, constituent une solution à très fort potentiel si les techniques de modulation de phase exploitées dans les réseaux fibrés peuvent y être appliquées. L’enjeu de cette thèse est d’investiguer le recours à des méthodes de modulation de phase pour des liens optiques satellite-sol en prenant en compte les spécificités propres à l’application : bruits de phase des lasers, effet Doppler, et impact de la propagation à travers l’atmosphère turbulente corrigé par optique adaptative pour maximiser l’efficacité de la détection cohérente. Dans ce but, j’ai développé un outil de simulation complète d’une transmission cohérente BPSK incluant les étapes de propagation à travers l’atmosphère, de détection et de démodulation. En s’appuyant sur cet outil, nous avons proposé deux architectures de récepteur numérique : l’une exploitant une boucle à verrouillage de phase, l’autre reposant sur une synchronisation en boucle ouverte. La méthodologie de conception développée à cette occasion permet de réduire l’impact du bruit de phase des lasers sur la précision de synchronisation, ce terme restant néanmoins prépondérant. L’étude menée montre que les deux architectures présentent des performances comparables en termes de précision de synchronisation, de seuil de convergence et de taux d’erreur dans différentes conditions de turbulence. Les performances en taux d’erreur obtenues soulignent l’importance de la qualité de la correction par optique adaptative. Une confirmation par modélisation du faible impact du bruit de phase turbulent sur la performance est apportée. Ces travaux laissent envisager la possibilité d’un accroissement très significatif du débit atteignable pour des liens de télémesure cohérents dans le cas de l’emploi de constellations d’ordre supérieur (QPSK et au-delà) au prix d’une correction par optique adaptative de bonne qualité.

Both the increasing imaging resolution of earth observation satellites and the advent of a space-based globalized internet are currently urging for very high data rate transmissions between space and ground.With the promise to provide tens of Gbps per channel, optical links may become a major breakthrough technology, assuming that the technological assets developed for the fibered networks can be exploited. Especially, phase modulation techniques have demonstrated their tremendous efficiency for fibered networks. The aim of this thesis was to investigate the feasibility of their transposition to the case of satellite-to-ground optical links, accounting for their specificities: laser phase noise, Doppler effect, and the impact of propagation through the turbulent atmosphere and its correction by adaptive optics to maximize coherent detection efficiency. To investigate the main limitations of such a BPSK modulated coherent link, I developed a tool performing a detailed simulation of the data transmission process. It includes the beam propagation through the atmosphere, the atmospheric disturbances correction by adaptive optics, and the synchronization step necessary to recover the modulated phase. We investigated two architectures of digital receiver: one based on a phase-locked loop, and the other one based an open loop approach. We formalized a design methodology to reduce the impact of laser phase noise on the accuracy of synchronization. Laser phase noise remains however the main contributor to the residual phase error. The two architectures achieve comparable performance in terms of residual phase error, convergence threshold and error rate. The impact of atmospheric turbulence and its correction by adaptive optics was investigated for different turbulence conditions. As expected, the importance of the quality of the adaptive optics correction is highlighted. We confirm by modeling the limited impact of turbulent phase noise on the performance.This work opens prospects for a strong increase in the achievable bit rate for coherent telemetry links when using higher-order constellations (QPSK and beyond).