相干检测（Coherent Detection）知识介绍

相干检测是一种利用信号的相位和频率信息进行解调的技术，广泛应用于通信、雷达、光学测量等领域。其是通过本地参考信号（本振信号）与接收信号的相干混频，提取幅度、相位和频率信息，从而实现高灵敏度和高精度的信号检测。

   1. 相干检测的基本原理

相干检测的关键在于信号与本地振荡器（LO, Local Oscillator）的相干性（即频率和相位同步）。基本流程如下：

1. 信号接收：接收带有信息的信号（通常为高频载波调制信号）。

2. 本地振荡器：生成一个与载波频率相同（或固定关系）、相位同步的参考信号。

3. 混频（乘法）：将接收信号与本振信号相乘，通过频谱搬移得到基带信号。

4. 滤波与解调：提取低频分量（差频信号），恢复原始信息（如数字数据或模拟波形）。

   数学表达：
设接收信号 s(t)=Acos?(ωct+?(t))s(t)=Acos(ωct+?(t))，本振信号 LO(t)=cos?(ωct)LO(t)=cos(ωct)，混频后输出：

通过低通滤波器（LPF）滤除高频分量 2ωc2ωc，得到基带信号：

    2. 相干检测的特点

   3. 相干检测 vs. 非相干检测

   4. 相干检测的实现方式

(1) 同步解调（Homodyne Detection）

• 原理：本振频率 = 载波频率（ωLO=ωcωLO=ωc），直接输出基带信号。

• 优点：无镜像频率干扰，结构简单。

• 缺点：需严格的载波同步（易受相位噪声影响）。

• 应用：相干光通信、零差雷达。

(2) 外差解调（Heterodyne Detection）

• 原理：本振频率 ≠ 载波频率（ωLO≈ωcωLO≈ωc），生成中频信号（IF）后再解调。

• 优点：降低对相位同步的要求。

• 缺点：需额外中频处理电路。

• 应用：超外差收音机、毫米波雷达。

(3) 数字相干检测（现代通信主流）

• 原理：通过ADC采样后，在数字域完成混频、载波恢复和相位补偿。

• 优点：灵活性强，支持高阶调制（如64-QAM）。

• 应用：5G、光纤通信（如DP-QPSK）。

   5. 关键技术挑战

(1) 载波同步

• 问题：接收端需估计载波频率和相位（尤其在多普勒频移场景）。

• 解决方案：

  • 锁相环（PLL）：实时跟踪载波相位。

  • 导频信号：插入已知符号辅助同步（如OFDM系统）。

(2) 相位噪声抑制

• 问题：本振信号的相位抖动会导致解调误差。

• 解决方案：

  • 使用低相位噪声振荡器（如晶体振荡器）。

  • 数字相位补偿算法（如Costas环）。

(3) 偏振对齐（光通信）

• 问题：光纤中偏振态随机变化，影响检测。

• 解决方案：偏振分集接收或动态偏振控制器。

    6. 典型应用场景