CN103117803A - 星载微波与激光通信链路的集成系统及应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了星载微波与激光通信链路的集成系统及应用方法。集成系统由激光器、光放大器、会聚透镜、光束控制器、光学天线、光电探测器、微波/光解调器、光/微波解调器、多功器、电放大器、射频天线组成，方法为：数据信号通过激光器调制到光域；光信号通过光束耦合到光学天线发射；光学天线接收到光信号耦合到光电探测器；当光学天线接收到光信号，经光束控制器处理，耦合到光/微波解调模块，转换为微波信号，微波信号经过电放大器放大后，耦合到射频天线发送；射频天线接收微波信号经电放大输入到多工器实现微波信号合路，经微波/光调制器调制到光域；通过光束控制耦合到光学天线发射。体积小、功耗低，广泛用于军用和民用星载通信行业。
Description
技术领域
本发明涉及卫星通信，具体涉及星载微波与激光通信链路的集成系统及应用方法。
背景技术
卫星通信技术在军用和民用领域得到广泛应用。随着军用通信和民用通信技术的发展，对微波通信的带宽和容量提出了越来越高的要求，需要拓展电磁频谱的范围，发展卫星激光通信技术。
卫星激光通信技术数据传输速率高，可实现超高速数据传输，在高分辨率对地高速数传系统、星间高速骨干链路以及天基宽带骨干网中具有重要应用。此外，卫星激光通信终端还具有体积小、重量轻和功耗低的特点，在功耗速率比和重量速率比等方面具有很好的技术优势，在军事和民用领域具有重要的应用价值，近年来发展迅速快。目前美国、日本和德国等国家成功建立了星间、星地激光通信试验链路，并在构建基于激光通信链路的卫星宽带通信系统。随着我国对外交流的发展，对卫星通信系统的覆盖范围提出了越来越高的要求，需采用中继链路建立全球覆盖的宽带通信系统。采用激光链路建立天基宽带骨干链路成为卫星通信技术发展的趋势。如何实现微波通信链路和激光通信链路的统一成为需要解决的关键问题。
在微波激光混合通信系统中，一方面可以采用全数字激光链路，实现宽带数据传输；另一方面可以采用RoFSO（Radio on Free Space Optical ）技术将微波信号解调到光域，实现微波信号的光域透明传输，这样既可以充分利用激光通信系统的带宽，又可以对有微波通信系统具有很好的继承性。这需要一个中继卫星通信终端可以同时实现激光数字通信和激光模拟通信两种功能。充分考虑到通信终端的小型化需求，给出卫星激光/RoFSO集成通信终端设计方法。
目前国内外研究分析了激光通信和RoFSO通信系统设计方案，对两种通信系统分别输行设计，存在没有将两种通信终端输行集成化的缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种体积小、重量轻、功耗低，一个终端实现两种功能的星载微波与激光通信链路的集成系统。
本发明的另一目的是提供一种集成系统的应用方法。
为了克服现有技术的不足，本发明的技术方案是这样解决的：一种星载微波与激光通信链路的集成系统，该集成系统由激光器、光放大器、会聚透镜、光束控制器、光学天线、光电探测器、微波/光调制器、光/微波解调器、多功器、电放大器、射频天线组成，其特征在于所述激光器1通过光信号通路同第一光放大器2相连接，所述第一光放大器2的输出光路通道上设置有第一会聚透镜19，第一会聚透镜19的输出平行光通道上设置有第二光束控制器3，所述第二光束控制器3一端连接有第一光束控制器4，所述第一光束控制器4的光路通道上依次设置有副镜14和主镜5，所述第二光束控制器3另一端的输出平行光通道上设置有第二会聚透镜18，第二会聚透镜18的输出平行光通道上设置有光电探测器6，射频天线7同电放大器8相连接，电放大器8与多工器9相连接，多工器9与微波/光调制模块相通信连接，所述微波/光调制器10通过光信号通路同第二光放大器11相连接，所述第二光放大器11的输出光路通道上设置有第三会聚透镜15，第三会聚透镜15的输出平行光通道上设置有第三光束控制器12，所述第三光束控制器12一端的平行光输入到第一光束控制器4，所述第三光束控制器12一端的输出平行光通道上设置有第四会聚透镜17，第四会聚透镜17的会聚光通道上设置有光/微波解调器13，所述光/微波解调器13的光信号输入到多功器9。
所述的激光器为DFB半导体激光器，
所述的光放大器为OFA光纤放大器。
所述的光/微波解调器为APD探测器或PIN探测器。
所述的微波/光调制器为铌酸锂强度调制器。
一种星载微波与激光通信链路的集成系统的应用方法，按下述步骤进行：
1、光信号的发送/接收过程
（1）、数据信号通过激光器1,以直接调制的方式调制到光域；
（2）、将调制后的光信号输入到第一光放大器2进行放大；
（3）、放大后的光信号经过第二光束控制器3和第一光束控制器4的处理，耦合到由副镜14和主镜5组成的光学天线；
（4）、通过由副镜14和主镜5组成的光学天线发射出去；
（5）、接收到的光学信号耦合到由主镜5和副镜14组成的光学天线；
（6）、经过第一光束控制器4和第二光束控制器3处理后，耦合到APD探测器6；
（7）、APD光电探测器接收到光信号后，经过光电检测，恢复出数据信号；
2、微波信号的发送/接收过程
（1）、射频天线7接收到的微波信号经过电放大器8后，输入到多工器9，实现微波信号的合路；
（2）、射频天线的信号通过多工器输入到微波/光调制器10；
（3）、调制后的光载微波信号输入到第二光放大器11进行放大；
（4）、放大后的光信号经过第三光束控制器12和第一光束控制器4的处理，耦合到由副镜4和主镜5组成的光学天线；
（5）、调制后的微波信号通过由副镜4和主镜5组成的光学天线发射出去；
（6）、接收到的光学信号耦合到由主镜5和副镜14组成的光学天线；
（7）、经过第一光束控制器4和第三光束控制器12处理后，耦合到光/微波解调器13；
（8）、经光/微波解调器13检测后的电信号，通过多工器9后实现分路，送入电放大器8；
（9）、经放大后的信号，通过射频天线7发送；
3、光路共用过程
（1）、为激光通信链路分配波长 
和
，其中
为发送通信波长，
为接收通信波长，激光通信链路包括激光器1、第一光放大器2、第二光束控制器3、第一光束控制器4、副镜14、主镜5、光电探测器6、第二会聚透镜18和第一会聚透镜19；
（2）、为RoFSO链路分配波长
和
，其中为发输信号波长，
为接收信号波长，RoFSO链路包括；射频天线7、电放大器8、多工器9、微波/光调制器10、第二光放大器11、第三光束控制器12、光/微波解调器13、副镜14、第三会聚透镜15、主镜5和第四会聚透镜17；
（3）、根据系统链路确定距离、数据速率和光电器件水平完成由副镜4和主镜5组成的光学天线口径、发输功率、放大器放大倍率参数；
4、射频信号光域传输
（1）、星载微波与激光通信链路的集成系统接收到的射频信号经低噪放放大后首先由RoFSO解调器将射频信号调制到光域，经光放大器放大后由光学天线发送出去；
（2）、其中调制器为铌酸锂强度器，调制能力为30GHz；激光器为DFB半导体激光器，波长为1550nm波段，输出连续波；
（3）、星载微波与激光通信链路的集成系统接收到的RoFSO信号经光学接收天线和中继光路送入光/微波解调器13，由光/微波解调器13实现微波信号的解调，恢复出射频信号，送入微波信号发输通道由射频天线发输出去，其中光/微波解调器13采用30GHz PIN光电探测器。
本发明与现有技术相比，具有体积小、重量轻、功耗低，既可以用于激光通信系统，也可以用于ROFSO通信系统，一个终端实现了两种功能，采用激光/RoFSO集成通信终端建立中继转发系统，对微波通信系统输行透明转发，具有很好的技术继承性，在不改变微波通信体制的条件下实现激光通信和微波通信的统一。为未来微波通信/激光通信混合组网提供一种有效解决方案。广泛用于军用和民用星载通信行业。
附图说明
图1为本发明的集成系统结构示意框图；
图2为图1的经APD探测器6前端的光信号频谱图；
图3为图1的经APD探测器6后端的光信号频谱图；
图4为图1的经PIN解调器13前端的光信号频谱图；
图5为图1的经APD解调器13后端光信号频谱图。
具体实施方式
附图为本发明的实施例。
下面结合附图和实施例对发明内容作进一步说明：
参照图1所示，一种星载微波与激光通信链路的集成系统，该集成系统由激光器、光放大器、会聚透镜、光束控制器、光学天线、光电探测器、微波/光调制器、光/微波解调器、多功器、电放大器、射频天线组成，其特征在于所述激光器1通过光信号通路同第一光放大器2相连接，所述第一光放大器2的输出光路通道上设置有第一会聚透镜19，第一会聚透镜19的输出平行光通道上设置有第二光束控制器3，所述第二光束控制器3一端连接有第一光束控制器4，所述第一光束控制器4的光路通道上依次设置有副镜14和主镜5，所述第二光束控制器3另一端的输出平行光通道上设置有第二会聚透镜18，第二会聚透镜18的输出平行光通道上设置有光电探测器6，射频天线7同电放大器8相连接，电放大器8与多工器9相连接，多工器9与微波/光调制模块相通信连接，所述微波/光调制器10通过光信号通路同第二光放大器11相连接，所述第二光放大器11的输出光路通道上设置有第三会聚透镜15，第三会聚透镜15的输出平行光通道上设置有第三光束控制器12，所述第三光束控制器12一端的平行光输入到第一光束控制器4，所述第三光束控制器12一端的输出平行光通道上设置有第四会聚透镜17，第四会聚透镜17的会聚光通道上设置有光/微波解调器13，所述光/微波解调器13的光信号输入到多功器9。
所述的激光器为DFB半导体激光器，
所述的光放大器为OFA光纤放大器。
所述的光/微波解调器为APD探测器或PIN探测器。
所述的微波/光调制器为铌酸锂强度调制器。
一种星载微波与激光通信链路的集成系统的应用方法，按下述步骤进行：
1、光信号的发送/接收过程
（1）、数据信号通过激光器1,以直接调制的方式调制到光域；
（2）、将调制后的光信号输入到第一光放大器2进行放大；
（3）、放大后的光信号经过第二光束控制器3和第一光束控制器4的处理，耦合到由副镜14和主镜5组成的光学天线；
（4）、通过由副镜14和主镜5组成的光学天线发射出去；
（5）、接收到的光学信号耦合到由主镜5和副镜14组成的光学天线；
（6）、经过第一光束控制器4和第二光束控制器3处理后，耦合到APD探测器6；
（7）、APD光电探测器接收到光信号后，经过光电检测，恢复出数据信号；
2、微波信号的发送/接收过程
（1）、射频天线7接收到的微波信号经过电放大器8后，输入到多工器9，实现微波信号的合路；
（2）、射频天线的信号通过多工器输入到微波/光调制器10；
（3）、调制后的光载微波信号输入到第二光放大器11进行放大；
（4）、放大后的光信号经过第三光束控制器12和第一光束控制器4的处理，耦合到由副镜4和主镜5组成的光学天线；
（5）、调制后的微波信号通过由副镜4和主镜5组成的光学天线发射出去；
（6）、接收到的光学信号耦合到由主镜5和副镜14组成的光学天线；
（7）、经过第一光束控制器4和第三光束控制器12处理后，耦合到光/微波解调器13；
（8）、经光/微波解调器13检测后的电信号，通过多工器9后实现分路，送入电放大器8；
（9）、经放大后的信号，通过射频天线7发送；
3、光路共用过程
（1）、为激光通信链路分配波长
和
，其中
为发送通信波长，为接收通信波长，激光通信链路包括激光器1、第一光放大器2、第二光束控制器3、第一光束控制器4、副镜14、主镜5、光电探测器6、第二会聚透镜18和第一会聚透镜19；
（2）、为RoFSO链路分配波长
和
，其中
为发输信号波长，
为接收信号波长，RoFSO链路包括；射频天线7、电放大器8、多工器9、微波/光调制器10、第二光放大器11、第三光束控制器12、光/微波解调器13、副镜14、第三会聚透镜15、主镜5和第四会聚透镜17；
（3）、根据系统链路确定距离、数据速率和光电器件水平完成由副镜4和主镜5组成的光学天线口径、发输功率、放大器放大倍率参数；
4、射频信号光域传输
（1）、星载微波与激光通信链路的集成系统接收到的射频信号经低噪放放大后首先由RoFSO解调器将射频信号调制到光域，经光放大器放大后由光学天线发送出去；
（2）、其中调制器为铌酸锂强度器，调制能力为30GHz；激光器为DFB半导体激光器，波长为1550nm波段，输出连续波；
（3）、星载微波与激光通信链路的集成系统接收到的RoFSO信号经光学接收天线和中继光路送入光/微波解调器13，由光/微波解调器13实现微波信号的解调，恢复出射频信号，送入微波信号发输通道由射频天线发输出去，其中光/微波解调器13采用30GHz PIN光电探测器。
综上所述，星载微波与激光通信链路的集成系统的特点为：
（1）、实现射频信号光域宽带传输。
（2）、星载微波与激光通信链路的集成系统设计方法充分利用了空间激光通信链路的宽带宽和高抗干扰能力特点，将射频信号解调到光域，实现射频信号的光域宽带传输；
（3）、实现激光通信和射频通信的一体化设计
星载微波与激光通信链路的集成系统设计方法采用光路共用技术和一体化设计，该通信终端既可以实现激光链路高速数据传输，也可以实现射频信号的光域传输，将激光通信技术和射频通信技术有效结合在一起，提高星载有效载荷的功能。
解调方式采用内解调方式，单路最高解调速率达到2.5Gbps;
RoFSO通信链路微波信号解调方式为模拟解调;
射频信号光域传输
射频信号光域传输技术充分利用激光链路的宽带宽和高抗干扰能力，将输入射频频信号调制到光域实现射频信号的光域模拟传输，采用这种方法一方面提高了射频信号的传输能力，另一方面对微波通信系统具有很好的继承性。
星载微波与激光通信链路的集成系统接收到的射频信号经低噪放放大后首先由RoFSO解调器将射频信号解调到光域，经光放大器放大后由光学天线发输出去。其中调制器采用强度解调器，调制能力为30GHz；激光器为DFB半导体激光器，波长为1550nm波段，输出连续波。
星载微波与激光通信链路的集成系统接收到的RoFSO信号经光学接收天线和中继光路送入RoFSO解调器，由光电解调器实现微波信号的解调，恢复出射频信号，送入微波信号发送通道由射频天线发输出去。其中RoFSO解调器采用30GHz的 PIN探测器。
实施例1：
为了验证星载微波与激光通信链路的集成系统及应用方法，进行了如下的实施例：
附图1基带数据速率为2.5 Gbit/s，采用直接调制方式经过激光器（1）的调制，调制光波长为1552.52 nm，激光器（1）输出端光信号功率为30 dBm，经过激光器（1）调制制后的光信号通过第一光放大器（2）实现光信号的放大，经过第一光放大器（2）放大的信号通过第二光束控制器（3）和第一光束控制器（4），通过光学天线发送出去。光学天线发射的光信号经过2 km传输后，经光学接收天线、第一光束控制器（4）和第二光束控制器（3）和透镜（18）输入到APD探测器，APD探测器增益为3 dB，响应度为1A/w，在APD探测器前端接收光信号的光域频谱如图2所示，载波峰值功率为-3d Bm；图3为APD探测器后端的信号频谱图，信号峰值功率为-15 dBm，噪声平均功率为-90 dBm。因此，通过该星载微波与激光通信链路的集成系统可以实现2.5Gbps激光信号的发送和接收。
实施例2：
当射频天线（7）接收到信号在C频段时，将接收到的C波段微波信号经过电放大器（8）放大，在微波/光调制模块（10）采用外调制方式，将放大的微波信号调制到光域，调制激光器功率为35dBm，将调制后的光载微波信号通过第二光放大器（11）、第三光束控制器（12）、第一光放大器（4）以及光学天线发射，经过2km传输后，通过光学天线接收，经过第三光束控制器（12）、第一光放大器（4）耦合到光/微波解调模块（13），该模块采用的探测器为PIN探测器，其响应度为1A/w，在PIN探测器前端通过光谱分析仪可测得光载微波信号的光域频谱图，中心频率为193.2THz，峰值光功率为-5dBm，经过PIN探测器后的微波信号在电域的频谱如图5所示，数据信号的中心频率为C波段，数据信号的功率为-24dBm。因此，通过该星载微波与激光通信链路的集成系统可实现微波/光信号的发送和接收。
Claims (6)
1.一种星载微波与激光通信链路的集成系统，该集成系统由激光器、光放大器、会聚透镜、光束控制器、光学天线、光电探测器、微波/光调制器、光/微波解调器、多功器、电放大器、射频天线组成，其特征在于所述激光器（1）通过光信号通路同第一光放大器（2）相连接，所述第一光放大器（2）的输出光路通道上设置有第一会聚透镜（19），第一会聚透镜（19）的输出平行光通道上设置有第二光束控制器（3），所述第二光束控制器（3）一端连接有第一光束控制器（4），所述第一光束控制器（4）的光路通道上依次设置有副镜（14）和主镜（5），所述第二光束控制器（3）另一端的输出平行光通道上设置有第二会聚透镜（18），第二会聚透镜（18）的输出平行光通道上设置有光电探测器（6），射频天线（7）同电放大器（8）相连接，电放大器（8）与多工器（9）相连接，多工器（9）与微波/光调制模块相通信连接，所述微波/光调制器（10）通过光信号通路同第二光放大器（11）相连接，所述第二光放大器（11）的输出光路通道上设置有第三会聚透镜（15），第三会聚透镜（15）的输出平行光通道上设置有第三光束控制器（12），所述第三光束控制器（12）一端的平行光输入到第一光束控制器（4），所述第三光束控制器（12）一端的输出平行光通道上设置有第四会聚透镜（17），第四会聚透镜（17）的会聚光通道上设置有光/微波解调器（13），所述光/微波解调器（13）的光信号输入到多功器（9）。
2.根据权利要求1所述的一种星载微波与激光通信链路的集成系统，其特征在于所述的激光器为DFB半导体激光器。
3.根据权利要求2所述的一种星载微波与激光通信链路的集成系统，其特征在于所述的光放大器为OFA光纤放大器。
4.根据权利要求3所述的一种星载微波与激光通信链路的集成系统，其特征在于所述的光/微波解调器为APD探测器或PIN探测器。
5.根据权利要求4所述的一种星载微波与激光通信链路的集成系统，其特征在于所述的微波/光调制器为铌酸锂强度调制器。
6.一种采用如权利要求5所述的星载微波与激光通信链路的集成系统的应用方法，按下述步骤进行：
1、光信号的发送/接收过程
（1）、数据信号通过激光器（1）,以直接调制的方式调制到光域；
（2）、将调制后的光信号输入到第一光放大器（2）进行放大；
（3）、放大后的光信号经过第二光束控制器（3）和第一光束控制器（4）的处理，耦合到由副镜（14）和主镜（5）组成的光学天线；
（4）、通过由副镜（14）和主镜（5）组成的光学天线发射出去；
（5）、接收到的光学信号耦合到由主镜（5）和副镜（14）组成的光学天线；
（6）、经过第一光束控制器（4）和第二光束控制器（3）处理后，耦合到APD探测器（6）；
（7）、APD光电探测器接收到光信号后，经过光电检测，恢复出数据信号；
2、微波信号的发送/接收过程
（1）、射频天线（7）接收到的微波信号经过电放大器（8）后，输入到多工器（9），实现微波信号的合路；
（2）、射频天线的信号通过多工器输入到微波/光调制器（10）；
（3）、调制后的光载微波信号输入到第二光放大器（11）进行放大；
（4）、放大后的光信号经过第三光束控制器（12）和第一光束控制器（4）的处理，耦合到由副镜（4）和主镜（5）组成的光学天线；
（5）、调制后的微波信号通过由副镜（4）和主镜（5）组成的光学天线发射出去；
（6）、接收到的光学信号耦合到由主镜（5）和副镜（14）组成的光学天线；
（7）、经过第一光束控制器（4）和第三光束控制器（12）处理后，耦合到光/微波解调器（13）；
（8）、经光/微波解调器（13）检测后的电信号，通过多工器（9）后实现分路，送入电放大器（8）；
（9）、经放大后的信号，通过射频天线（7）发送；
3、光路共用过程
（1）、为激光通信链路分配波长 
和，其中为发送通信波长，
为接收通信波长，激光通信链路包括激光器（1）、第一光放大器（2）、第二光束控制器（3）、第一光束控制器（4）、副镜（14）、主镜（5）、光电探测器（6）、第二会聚透镜（18）和第一会聚透镜（19）；
（2）、为RoFSO链路分配波长
和
，其中为发输信号波长，
为接收信号波长，RoFSO链路包括；射频天线（7）、电放大器（8）、多工器（9）、微波/光调制器（10）、第二光放大器（11）、第三光束控制器（12）、光/微波解调器（13）、副镜（14）、第三会聚透镜（15）、主镜（5）和第四会聚透镜（17）；
（3）、根据系统链路确定距离、数据速率和光电器件水平完成由副镜（4）和主镜（5）组成的光学天线口径、发输功率、放大器放大倍率参数；
4、射频信号光域传输
（1）、星载微波与激光通信链路的集成系统接收到的射频信号经低噪放放大后首先由RoFSO解调器将射频信号调制到光域，经光放大器放大后由光学天线发送出去；
（2）、其中调制器为铌酸锂强度器，调制能力为30GHz；激光器为DFB半导体激光器，波长为1550nm波段，输出连续波；
（3）、星载微波与激光通信链路的集成系统接收到的RoFSO信号经光学接收天线和中继光路送入光/微波解调器（13），由光/微波解调器（13）实现微波信号的解调，恢复出射频信号，送入微波信号发输通道由射频天线发输出去，其中光/微波解调器（13）采用30GHz PIN光电探测器。
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