CN104320201B - 一种空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路，该载波捕获跟踪环路包括双锁频环路和锁相环路，采用双锁频环路将CPAFC跟踪算法与ODAFC跟踪算法有效相结合，进行频率捕获跟踪处理，其中CPAFC跟踪算法可以对渐变频偏进行捕获跟踪，ODAFC跟踪算法可以进行较大频偏的粗捕获，并根据锁定状态控制两个锁频环路的工作状态，在稳定锁定状态下，只采用CPAFC跟踪算法对渐变频率进行捕获跟踪，在失锁状态和进入失锁状态时，采用两个锁频环路共同进行频率捕获跟踪，可以实现较大频偏范围的捕获跟踪，本发明结合了两种算法的优点可以实现满足不同工作阶段载波捕获跟踪处理的需求，实现高动态条件下的载波稳定捕获跟踪。

Description

一种空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路

技术领域

本发明涉及相干光通信数字解调领域，特别是涉及一种空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路。

背景技术

在空间相干光通信中，不同轨道的卫星间通信存在多普勒频移，并且多普勒频偏达数GHz，对整个通信链路产生严重影响。由于在相干光通信系统中本振光波长是恒定的，当存在多普勒频移时，会使信号光频率发生变化且是不稳定的，也就导致了相干检测输出的中频信号产生漂移，使得实现本振光对信号光的频率跟踪难度加大。相干光通信过程中多普勒效应导致信号光与本振光的频率差是一个随机值，严重影响相干解调系统的性能，使得误码率上升，因此必须对多普勒效应引起的频移进行补偿。

目前，多普勒频移补偿方案大多采用自动频率控制(AFC)环路，当多普勒频移达到GHz时，一般AFC环路难以有效的工作。通常载波捕获有两种结构方式：一种是锁相环路PLL，接收机需要产生同频同相的相干载波；另一种是锁频环路(FLL)，接收机需要产生与输入载波同频的但不要求同相的载波。在静态或低动态接收机中，通常采用锁相环来实现载波的跟踪。PLL具有较好的噪声性能，但它的动态容忍能力较差。高动态环境下，接收到的信号会存在较大的多普勒频偏。为了满足高动态性，PLL必须具有相对宽的带宽，环路带宽的增加又会使宽带噪声加入，当噪声电平增大到超过环路门限时就会导致载波跟踪环失锁。若不增加载波锁相环的环路带宽，则载波多普勒频移常常会超过锁相环的捕获带和同步带，这样也不能保证对载波的可靠捕获和跟踪。

目前采用单独锁频环和锁相环进行载波捕获跟踪，存在着捕获带宽、捕获速度与较高的跟踪精度和稳定性间矛盾，若环路捕获带宽较宽，捕获速度快，跟踪精度会相对较低，环路的稳定性能也会较差，动态环境下容易造成动态环路失锁，很难同时满足动态性能、跟踪精度与稳定性能的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路，该捕获跟踪环路采用了双锁频环路和锁相环实现载波捕获跟踪，可以实现高动态条件下的载波捕获跟踪，双锁频环路将CPAFC跟踪算法与ODAFC跟踪算法有效相结合，并根据实时检测捕获跟踪结果控制两个锁频环路的连通状态，实现高动态范围载波稳定捕获跟踪。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路，其特征在于包括双锁频环路和锁相环路，所述双锁频环路包括第一锁频环路、第二锁频环路和切换控制单元，其中:

切换控制单元：接收锁相环路输出载波锁定指示信号L(k)，并根据所述载波锁定指示信号L(k)确定第一锁频环路和第二锁频环路连通状态，以及第二锁频环路中环路滤波器的增益；

第一锁频环路和第二锁频环路：根据切换控制单元确定所述锁频环路的连通状态和第二锁频环路的环路滤波器增益，由处于连通状态的锁频环路接收外部输入信号，并对所述外部输入信号进行信号频率捕获跟踪处理，输出经频率校正后的解调信号x_f(k)到锁相环路；其中第一锁频环路采用CPAFC跟踪算法实现鉴频处理得到鉴频控制量e₁(k)；第二锁频环路采用ODAFC跟踪算法实现鉴频处理得到鉴频控制量e₂(k)；

锁相环路：接收锁频环路输出的经频率校正后的解调信号x_f(k)，进行相位捕获跟踪处理，输出经相位补偿后的信号x_fa(k)，并利用信号x_fa(k)计算载波锁定指示信号L(k)，然后输出所述载波锁定指示信号L(k)到切换控制单元。

上述的空间相干光通信高动态载波捕获环路，在双锁频环路中，第一锁频环路包括解调单元、第一鉴频器、第一环路滤波器；第二锁频环路包括解调单元、第二鉴频器、第二环路滤波器，其中：

第一锁频环路与第二锁频环路共用解调单元，第一环路滤波器的输出频偏估计量Δf₁和第二环路滤波器的输出频偏估计量Δf₂通过加法器相加后输出频偏估计量Δf＝Δf₁+Δf₂到解调单元；

解调单元接收外部输入信号，并接收频偏估计量Δf对所述输入信号进行频偏纠正，输出经频偏纠正后的解调信号x_f(k)到第一鉴频器、第二鉴频器和锁相环路，其中经频偏纠正后的解调信号x_f(k)的同相支路信号为S_I(k)、正交支路信号S_Q(k)；

第一鉴频器接收解调单元输出的所述同相支路信号S_I(k)和正交支路信号S_Q(k)，采用CPAFC跟踪算法进行频偏捕获跟踪，得到鉴频控制量e₁(k)；

第二鉴频器接收解调单元输出的所述同相支路信号S_I(k)和正交支路信号S_Q(k)，采用ODAFC跟踪算法进行频偏捕获跟踪，得到鉴频控制量e₂(k)；

第一环路滤波器在第一锁频环路连通状态下，接收第一鉴频器输出的鉴频控制量e₁(k)，并进行环路滤波得到频偏估计量Δf₁；在第一锁频环路未连通状态下，接收“0”信号，经环路处理后输出的鉴频控制量e₁(k)＝0，得到频偏估计量Δf₁＝0；并在第一锁频环路连通状态或未连通状态下输出频偏估计量Δf₁到所述加法器；

第二环路滤波器在第二锁频环路连通状态下，接收第二鉴频器输出的鉴频控制量e₂(k)，根据切换控制单元的判断结果确定第二环路滤波器增益K₂，并进行环路滤波得到频偏估计量Δf₂；在第二锁频环路未连通状态下，接收“0”信号，经环路处理后输出的鉴频控制量e₂(k)＝0，得到频偏估计量Δf₂＝0；并在第二锁频环路连通状态或未连通状态下输出频偏估计量Δf₂到所述加法器；

在上述的空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路中，锁相环路利用经相位补偿后的信号x_fa(k)通过如下公式计算载波锁定指示信号L(k)：

L(k)＝I_fa(k)²-Q_fa(k)²

其中，I_fa(k)为所述信号x_fa(k)的同相支路信号，Q_fa(k)为所述信号x_fa(k)的正交支路信号。

在上述的空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路中，切换控制单元接收锁相环路输出载波锁定指示信号L(k)，并根据所述载波锁定指示信号L(k)确定第一锁频环路和第二锁频环路的连通状态，以及第二锁频环路中环路滤波器的增益，所述第二锁频环路中环路滤波器即为第二环路滤波器，具体实现方法如下：

(1)、将接收到的载波锁定指示信号L(k)划分为N个数据块，其中每个数据块包括M点数据，然后根据对所述每个数据块数据求平均值得到切换控制状态信号E(n)：

$E\left(n\right)=\frac{1}{M}\underset{m=(n-1)M+1}{\overset{m=\mathrm{nM}}{\mathrm{\Σ}}}L\left(m\right),n=\mathrm{1,2},...,N$

其中，M、N为正整数；

(2)、根据步骤(1)得到的切换控制状态信号E(n)计算开关控制量S₁和S₂：

S₁＝|E(n)|

S₂＝|E(n+1)|

其中，|·|代表取绝对值运算；

(3)、将步骤(2)得到的开关控制量S₁、S₂与切换控制阈值Th进行比较，确定第一锁频环路和第二锁频环路的的连通状态和第二锁频环路中环路滤波器增益K₂，其中K₂取值为K_min或K_max，K_max>K_min；经过比较后进行如下处理：

(3a)、如果S₁>Th且S₂>Th，则只连通第一锁频环路，即将第一鉴频器得到的鉴频控制量e₁(k)输出到第一环路滤波器，进行环路滤波得到频偏估计量Δf₁，且第二锁频环路的环路滤波器输出的频偏估计量Δf₂＝0，则进行信号频偏纠正的频偏估计量Δf＝Δf₁；

(3b)、如果S₁<Th且S₂>Th，则将第一锁频环路和第二锁频环路都连通，即将第一鉴频器得到的鉴频控制量e₁(k)输出到第一环路滤波器，进行环路滤波得到频偏估计量Δf₁，且将第二鉴频器得到的鉴频控制量e₂(k)输出到第二环路滤波器，第二环路滤波器的环路滤波增益K₂＝K_min，进行环路滤波得到频偏估计量Δf₂；则进行信号频偏纠正的频偏估计量Δf＝Δf₁+Δf₂；

(3c)、如果S₂<Th，则将第一锁频环路和第二锁频环路都连通，即将第一鉴频器得到的鉴频控制量e₁(k)输出到第一环路滤波器，进行环路滤波得到频偏估计量Δf₁，且将第二鉴频器得到的鉴频控制量e₂(k)输出到第二环路滤波器，第二环路滤波器的环路滤波增益K₂＝K_max，进行环路滤波得到频偏估计量Δf₂；则进行信号频偏纠正的频偏估计量Δf＝Δf₁+Δf₂。

在上述的空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路中，切换控制阈值Th根据以下方法确定：

(1)、在载波捕获跟踪环路开始工作后，切换控制阈值Th取值为设定的初始切换控制阈值Th₀，即Th＝Th₀；

(2)、当开关控制量S₁、S₂与切换控制阈值Th相比，比较处理结果为S₁>Th且S₂>Th时，则记录E_p＝E(n)；如果所述比较处理结果为S₁<Th且S₂<Th时，则记录E_q＝E(n)；其中，n＝1～N；

(3)、经过步骤(2)得到E_p和E_q后，更新切换控制阈值

(4)、重复步骤(2)～(3)，保持对切换控制阈值Th进行实时更新。

在上述的空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路中，第一锁频环路采用CPAFC跟踪算法实现鉴频处理得到鉴频控制量e₁(k)，具体鉴频处理方法如下：

(1)、接收经频率校正后的解调信号x_f(k)，其中所述解调信号x_f(k)的同相支路信号为S_I(k)、正交支路信号为S_Q(k)；

(2)、根据步骤(1)接收得到的同相支路信号S_I(k)、正交支路信号S_Q(k)计算叉积分量f_cross(k)和点积分量f_dot(k)，其中：

f_cross(k)＝S_I(k-1)S_Q(k)-S_I(k)S_Q(k-1)

f_dot(k)＝S_I(k-1)S_I(k)+S_Q(k-1)S_Q(k)

(3)、根据步骤(2)计算得到的叉积分量f_cross(k)和点积分量f_dot(k)计算鉴频控制量e₁(k)：

e₁(k)＝f_cross(k)·sign[f_dot(k)]

其中，sign[·]代表取符号运算。

在上述的空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路中，第二锁频环路采用ODAFC跟踪算法实现鉴频处理得到鉴频控制量e₂(k)，具体鉴频处理方法如下：

(1)、接收经频率校正后的解调信号x_f(k)，其中所述解调信号x_f(k)的同相支路信号为S_I(k)、正交支路信号为S_Q(k)；

(2)、计算鉴频控制量e₂(k)：

$e_2\left(k\right)={\left(\frac{1}{\mathrm{Ns}}\right)}^2\underset{m=k-(\mathrm{Ns}-1)}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{n=k-(\mathrm{Ns}-1)}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}2(S_I\left(n\right)S_Q\left(m\right)-S_Q\left(n\right)S_I\left(m\right)\sin \frac{\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{Ns}}(m-n)$

其中，Ns为正整数，当Ns＝2时，e₂(k)＝S_I(k-1)S_Q(k)-S_Q(k-1)S_I(k)；当Ns＝4时，鉴频控制量e₂(k)简化为：

$\begin{array}{c}{e}_2\left(k\right)=4\sin \frac{\mathrm{\&pi;}}{4}((S_I(k-3)S_Q(k-2)-S_Q(k-3)S_I(k-2)+S_I(k-2)S_Q(k-1)-S_Q(k-2)S_I(k-1))\\ +S_I(k-1)S_Q\left(k\right)-S_Q(k-1)S_I\left(k\right)\end{array}.$

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)、本发明的载波捕获跟踪环路，采用双锁频环路将CPAFC跟踪算法与ODAFC跟踪算法有效相结合，进行频率捕获跟踪处理，其中CPAFC跟踪算法可以对渐变频偏进行捕获跟踪，ODAFC跟踪算法可以进行较大频偏的粗捕获；本发明结合了两种算法的优点可以实现满足不同工作阶段载波捕获跟踪处理的需求，实现高动态条件下的载波稳定捕获跟踪；

(2)、本发明的载波捕获跟踪环路，对环路的锁定状态进行实时检测，并根据锁定状态控制两个锁频环路的连通状态，在稳定锁定状态下，采用CPAFC算法进行鉴频处理，即只连通第一锁频环路对渐变频率进行捕获跟踪，在失锁状态和进入失锁状态时，采用两个锁频环路共同进行频率捕获跟踪，可以实现较大频偏范围的载波捕获跟踪，即可以满足高动态条件下的载波捕获跟踪，又可以减少处理计算量；

(3)、本发明的载波捕获跟踪环路，根据环路的工作状态控制采用ODAFC跟踪算法的锁频环路中的环路滤波器增益，在环路趋于锁定时，通过减小该锁频环路中环路滤波器增益，使环路波动减小，提高了跟踪环路的稳定性；环路趋于失锁时，通过增大该锁频环路中环路滤波器增益，使环路较快的实现捕获跟踪，减小了环路的捕获时间。

附图说明

图1为本发明的空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路组成框图；

图2为实施例中对本发明载波捕获跟踪环路仿真模块图；

图3为实施例中对正频偏情况进行仿真的仿真结果，具体为第二锁频环路中第二鉴频器输出的鉴频控制量e₂(k)的时域波形图；

图4为实施例中对正频偏情况进行仿真的仿真结果，具体为第二锁频环路中第二环路滤波器输出给NCO的控制电压值；

图5为实施例中对正频偏情况进行仿真的仿真结果，具体为第一锁频环路中第一鉴频器输出的鉴频控制量e₁(k)的时域波形图；

图6为实施例中对正频偏情况进行仿真的仿真结果，具体为第一锁频环路中第一环路滤波器输出给NCO的控制电压值；

图7为实施例中对正频偏情况进行仿真的仿真结果，具体为载波捕获跟踪环路锁定前得到星座图；

图8为实施例中对正频偏情况进行仿真的仿真结果，具体为载波捕获跟踪环路锁定后得到星座图；

图9为实施例中对负频偏情况进行仿真的仿真结果，具体为第二锁频环路中第二鉴频器输出的鉴频控制量e₂(k)的时域波形图；

图10为实施例中对负频偏情况进行仿真的仿真结果，具体为第二锁频环路中第二环路滤波器输出给NCO的控制电压值；

图11为实施例中对负频偏情况进行仿真的仿真结果，具体为第一锁频环路中第一鉴频器输出的鉴频控制量e₁(k)的时域波形图；

图12为实施例中对负频偏情况进行仿真的仿真结果，具体为第一锁频环路中第一环路滤波器输出给NCO的控制电压值；

图13为实施例中对负频偏情况进行仿真的仿真结果，具体为载波捕获跟踪环路锁定前得到星座图；

图14为实施例中对负频偏情况进行仿真的仿真结果，具体为载波捕获跟踪环路锁定后得到星座图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

如图1所示的空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路组成框图，由图中可以看出，本发明的空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路包括双锁频环路和锁相环路，该双锁频环路包括第一锁频环路、第二锁频环路和切换控制单元，其中：

第一锁频环路包括解调单元、第一鉴频器、第一环路滤波器；第二锁频环路包括解调单元、第二鉴频器、第一环路滤波器，且第一锁频环路与第二锁频环路共用解调单元，该解调单元可以由数控振荡器NCO、两个乘法器和两个低通滤波器组成。

第一环路滤波器的输出频偏估计量Δf₁和第二环路滤波器的输出频偏估计量Δf₂通过加法器相加后输出频偏估计量Δf＝Δf₁+Δf₂到解调单元；解调单元接收外部输入信号，并接收上述加法器输出的频偏估计量Δf，利用该频偏估计量Δf控制数控振荡器NCO生成正弦本振信号和余弦本振信号，并将上述的外部输入信号与这两个本振信号相乘，输出两个混频信号，并分别经过两个低通滤波器滤波处理后输出经频偏纠正后的解调信号x_f(k)的同相支路信号为S_I(k)、正交支路信号S_Q(k)；通过解调单元对外部输入信号进行频偏纠正后输出经频偏纠正后的解调信号x_f(k)到第一鉴频器、第二鉴频器和锁相环路。

第一鉴频器接收解调单元输出的同相支路信号S_I(k)和正交支路信号S_Q(k)，采用CPAFC跟踪算法进行频偏捕获跟踪，得到鉴频控制量e₁(k)。

第二鉴频器接收解调单元输出的同相支路信号S_I(k)和正交支路信号S_Q(k)，采用ODAFC跟踪算法进行频偏捕获跟踪，得到鉴频控制量e₂(k)。

第一环路滤波器在第一锁频环路连通状态下，接收第一鉴频器输出的鉴频控制量e₁(k)，并进行环路滤波得到频偏估计量Δf₁；在第一锁频环路未连通状态下，接收“0”信号，经环路处理后输出的鉴频控制量e₁(k)＝0，得到频偏估计量Δf₁＝0；并在第一锁频环路连通状态或未连通状态下输出频偏估计量Δf₁到加法器；

第二环路滤波器在第二锁频环路连通状态下，接收第二鉴频器输出的鉴频控制量e₂(k)，并根据切换控制单元设定的环路滤波增益器K₂进行环路滤波得到频偏估计量Δf₂；在第二锁频环路未连通状态下，接收“0”信号，经环路处理后输出的鉴频控制量e₂(k)＝0，得到频偏估计量Δf₂＝0；并在第二锁频环路连通状态或未连通状态下输出频偏估计量Δf₂到加法器；

切换控制单元：接收锁相环路输出载波锁定指示信号L(k)，并根据所述载波锁定指示信号L(k)确定第一锁频环路和第二锁频环路连通状态，以及第二锁频环路中第二环路滤波器的增益，具体实现方法如下：

(1)、将接收到的载波锁定指示信号L(k)划分为N个数据块，其中每个数据块包括M点数据，然后根据对所述每个数据块数据求平均值得到切换控制状态信号E(n)：

$E\left(n\right)=\frac{1}{M}\underset{m=(n-1)M+1}{\overset{m=\mathrm{nM}}{\mathrm{\&Sigma;}}}L\left(m\right),n=\mathrm{1,2},...,N$

其中，M、N为正整数。

(2)、根据步骤(1)得到的切换控制状态信号E(n)计算开关控制量S₁和S₂：

S₁＝|E(n)|

S₂＝|E(n+1)|

其中，|·|代表取绝对值运算。

(3)、将步骤(2)得到的开关控制量S₁、S₂与切换控制阈值Th进行比较，确定第一锁频环路和第二锁频环路的的连通状态和第二锁频环路中环路滤波器增益K₂，其中K₂取值为K_min或K_max，K_max>K_min；经过比较后进行如下处理：

(3a)、如果S₁>Th且S₂>Th，则表明载波捕获跟踪环路已锁定，则只连通第一锁频环路，即将第一鉴频器得到的鉴频控制量e₁(k)输出到第一环路滤波器，进行环路滤波得到频偏估计量Δf₁，且第二锁频环路的环路滤波器输出的频偏估计量Δf₂＝0，则进行信号频偏纠正的频偏估计量Δf＝Δf₁；

(3b)、如果S₁<Th且S₂>Th，则表明载波捕获跟踪环路趋于锁定，则将第一锁频环路和第二锁频环路都连通，即将第一鉴频器得到的鉴频控制量e₁(k)输出到第一环路滤波器，进行环路滤波得到频偏估计量Δf₁，且将第二鉴频器得到的鉴频控制量e₂(k)输出到第二环路滤波器，第二环路滤波器的环路滤波增益K₂＝K_min，进行环路滤波得到频偏估计量Δf₂；则进行信号频偏纠正的频偏估计量Δf＝Δf₁+Δf₂；在以上处理中，将第二环路滤波器的环路滤波增益K₂设定为K_min，即在环路趋于锁定时通过减小该锁频环路中环路滤波器增益，使环路波动减小，提高跟踪环路的稳定性；

(3c)、如果S₂<Th，则表明锁频已失锁(S₁<Th)或趋于失锁(S₁>Th)，则将第一锁频环路和第二锁频环路都连通，即将第一鉴频器得到的鉴频控制量e₁(k)输出到第一环路滤波器，进行环路滤波得到频偏估计量Δf₁，且将第二鉴频器得到的鉴频控制量e₂(k)输出到第二环路滤波器，第二环路滤波器的环路滤波增益K₂＝K_max，进行环路滤波得到频偏估计量Δf₂；则进行信号频偏纠正的频偏估计量Δf＝Δf₁+Δf₂；在以上处理中，将第二环路滤波器的环路滤波增益K₂设定为K_max，即在环路趋于失锁或已经失锁时，通过增大该锁频环路中环路滤波器增益，使环路较快的实现捕获跟踪，减小了环路的捕获时间。

在以上的判断过程中，切换控制单元的切换控制阈值Th根据以下方法确定：

(1)、在载波捕获跟踪环路开始工作后，切换控制阈值Th取值为设定的初始切换控制阈值Th₀，即Th＝Th₀；

(2)、当开关控制量S₁、S₂与初始切换控制阈值Th相比，比较处理结果为S₁>Th且S₂>Th时，则记录E_p＝E(n)；如果所述比较处理结果为S₁<Th且S₂<Th时，则记录E_q＝E(n)；其中，n＝1～N；

(3)、经过步骤(2)得到E_p和E_q后，更新切换控制阈值

(4)、重复步骤(2)～(3)，保持对切换控制阈值Th进行实时更新。

在本发明中，锁相环路包括相位旋转单元、鉴相单元、锁相环路滤波器和锁相环路NCO，该锁相环路接收锁频环路输出的经频率校正后的解调信号x_f(k)，进行相位捕获跟踪处理，输出经相位补偿后的信号x_fa(k)，并利用信号x_fa(k)计算载波锁定指示信号L(k)，然后输出所述载波锁定指示信号L(k)到切换控制单元，具体计算公式如下：

L(k)＝I_fa(k)²-Q_fa(k)²

其中，I_fa(k)为信号x_fa(k)的同相支路信号，Q_fa(k)为信号x_fa(k)的正交支路信号。

本发明中第一锁频环路采用CPAFC跟踪算法实现鉴频处理得到鉴频控制量e₁(k)，具体鉴频处理方法如下：

(1)、接收经频率校正后的解调信号x_f(k)，其中所述解调信号x_f(k)的同相支路信号为S_I(k)、正交支路信号为S_Q(k)；

(2)、根据步骤(1)接收得到的同相支路信号S_I(k)、正交支路信号S_Q(k)计算叉积分量f_cross(k)和点积分量f_dot(k)，其中：

f_cross(k)＝S_I(k-1)S_Q(k)-S_I(k)S_Q(k-1)

f_dot(k)＝S_I(k-1)S_I(k)+S_Q(k-1)S_Q(k)

(3)、根据步骤(2)计算得到的叉积分量f_cross(k)和点积分量f_dot(k)计算鉴频控制量e₁(k)：

e₁(k)＝f_cross(k)·sign[f_dot(k)]

其中，sign[·]代表取符号运算。

本发明中第二锁频环路采用ODAFC跟踪算法实现鉴频处理得到鉴频

控制量e₂(k)，具体鉴频处理方法如下：

(1)、接收经频率校正后的解调信号x_f(k)，其中所述解调信号x_f(k)的同相支路信号为S_I(k)、正交支路信号为S_Q(k)；

(2)、计算鉴频控制量e₂(k)：

$e_2\left(k\right)={\left(\frac{1}{\mathrm{Ns}}\right)}^2\underset{m=k-(\mathrm{Ns}-1)}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{n=k-(\mathrm{Ns}-1)}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}2(S_I\left(n\right)S_Q\left(m\right)-S_Q\left(n\right)S_I\left(m\right)\sin \frac{\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{Ns}}(m-n)$

其中，Ns为正整数，当Ns＝2时，e₂(k)＝S_I(k-1)S_Q(k)-S_Q(k-1)S_I(k)；当Ns＝4时，鉴频控制量e₂(k)简化为：

$\begin{array}{c}{e}_2\left(k\right)=4\sin \frac{\mathrm{\&pi;}}{4}((S_I(k-3)S_Q(k-2)-S_Q(k-3)S_I(k-2)+S_I(k-2)S_Q(k-1)-S_Q(k-2)S_I(k-1))\\ +S_I(k-1)S_Q\left(k\right)-S_Q(k-1)S_I\left(k\right)\end{array}.$

实施例：

在空间相干光通信系统中，载波捕获跟踪环路的输入信号采用BPSK调制方式，其中，信号码速率为2.5Gbps，由多普勒效应产生的载波频偏为1GHz，多普勒频移变化率为10MHz/s。

采用Matlab/Simulink软件本发明提供的载波捕获跟踪环路进行仿真验证，其中建立的高动态载波捕获跟踪环路的仿真模型如图2所示，包括输入信号仿真和载波捕获跟踪。

切换控制单元在计算切换控制状态信号E(n)时，数据块的长度选取为M＝1024，切换控制阈值初值值Th₀＝2000；以下分别对正频偏捕获跟踪和负频偏捕获跟踪进行仿真分析和仿真结果统计；锁相环路采用传统的数字Costas环，其中：

(1)、正频偏捕获跟踪仿真

在仿真条件中，将输入信号的固定频偏设置为1GHz，多普勒频移变化率设置为+10MHz/s；采用本发明的载波捕获跟踪环路进行捕获跟踪处理，仿真结果如下：

第二锁频环路中第二鉴频器输出的鉴频控制量e₂(k)和第二锁频环路中第二环路滤波器输出给NCO的控制电压值分别如图3、图4所示，由图中可以看出，第二锁频环路在完成固定大频偏捕获后，切换控制单元将第二锁频环路断开，其鉴频器输出为零，第二环路滤波器输出NCO控制电压值保持锁定后的恒定值不变。

第一锁频环路中第一鉴频器输出的鉴频控制量e₁(k)和第一锁频环路中第一环路滤波器输出给NCO的控制电压值分别如图5、图6所示，由图中可以看出，第一锁频环路在完成固定大频偏捕获后，第一锁频环路完成正频偏的跟踪，第一环路滤波器输出恒定斜率的NCO控制电压值。

载波捕获跟踪环路锁定前、后的星座图分别如图7、图8所示，由图中可以看出环路锁定前，星座点呈发散状态，环路锁定后，星座点稳定收敛于坐标轴左右对称的两点，表明实现了固定大频偏和正频偏的BPSK信号的捕获跟踪。

(2)、负频偏捕获跟踪仿真

在仿真条件中，将输入信号的固定频偏设置为1GHz，多普勒频移变化率设置为-10MHz/s；采用本发明的载波捕获跟踪环路进行捕获跟踪处理，仿真结果如下：

第二锁频环路中第二鉴频器输出的鉴频控制量e₂(k)和第二锁频环路中第二环路滤波器输出给NCO的控制电压值分别如图9、图10所示，由图中可以看出，第二锁频环路在完成固定大频偏捕获后，切换控制单元将第二锁频环路断开，其鉴频器输出为零，第二环路滤波器输出NCO控制电压值保持锁定后的恒定值不变。

第一锁频环路中第一鉴频器输出的鉴频控制量e₁(k)和第一锁频环路中第一环路滤波器输出给NCO的控制电压值分别如图11、图12所示，由图中可以看出，第一锁频环路在完成固定大频偏捕获后，第一锁频环路完成负频偏的跟踪，第一环路滤波器输出恒定斜率的NCO控制电压值。

载波捕获跟踪环路锁定前、后的星座图分别如图13、图14所示，由图中可以看出环路锁定前，星座点环绕坐标轴呈发散状态，环路锁定后，星座点稳定收敛于坐标轴左右对称的两点，实现了固定大频偏和负频偏的BPSK信号的捕获跟踪。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路，其特征在于包括双锁频环路和锁相环路，所述双锁频环路包括第一锁频环路、第二锁频环路和切换控制单元，其中:

切换控制单元：接收锁相环路输出载波锁定指示信号L(k)，并根据所述载波锁定指示信号L(k)确定第一锁频环路和第二锁频环路连通状态，以及第二锁频环路中环路滤波器的增益；

第一锁频环路和第二锁频环路：根据切换控制单元确定第一锁频环路和第二锁频环路的连通状态，以及第二锁频环路的环路滤波器增益，由处于连通状态的锁频环路接收外部输入信号，并对所述外部输入信号进行信号频率捕获跟踪处理，输出经频率校正后的解调信号x_f(k)到锁相环路；其中第一锁频环路采用CPAFC跟踪算法实现鉴频处理得到鉴频控制量e₁(k)；第二锁频环路采用ODAFC跟踪算法实现鉴频处理得到鉴频控制量e₂(k)；

锁相环路：接收锁频环路输出的经频率校正后的解调信号x_f(k)，进行相位捕获跟踪处理，输出经相位补偿后的信号x_fa(k)，并利用信号x_fa(k)计算载波锁定指示信号L(k)，然后输出所述载波锁定指示信号L(k)到切换控制单元；其中，利用经相位补偿后的信号x_fa(k)通过如下公式计算载波锁定指示信号L(k)：

L(k)＝I_fa(k)²-Q_fa(k)²

其中，I_fa(k)为所述信号x_fa(k)的同相支路信号，Q_fa(k)为所述信号x_fa(k)的正交支路信号。

2.根据权利要求1所述的一种空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路，其特征在于，在双锁频环路中，第一锁频环路包括解调单元、第一鉴频器、第一环路滤波器；第二锁频环路包括解调单元、第二鉴频器、第二环路滤波器，其中：

第一锁频环路与第二锁频环路共用解调单元，第一环路滤波器的输出频偏估计量Δf₁和第二环路滤波器的输出频偏估计量Δf₂通过加法器相加后输出频偏估计量Δf＝Δf₁+Δf₂到解调单元；

解调单元接收外部输入信号，并接收频偏估计量Δf对所述外部输入信号进行频偏纠正，输出经频偏纠正后的解调信号x_f(k)到第一鉴频器、第二鉴频器和锁相环路，其中经频偏纠正后的解调信号x_f(k)的同相支路信号为S_I(k)、正交支路信号S_Q(k)；

第一鉴频器接收解调单元输出的所述同相支路信号S_I(k)和正交支路信号S_Q(k)，采用CPAFC跟踪算法进行频偏捕获跟踪，得到鉴频控制量e₁(k)；

第二鉴频器接收解调单元输出的所述同相支路信号S_I(k)和正交支路信号S_Q(k)，采用ODAFC跟踪算法进行频偏捕获跟踪，得到鉴频控制量e₂(k)；

第一环路滤波器在第一锁频环路连通状态下，接收第一鉴频器输出的鉴频控制量e₁(k)，并进行环路滤波得到频偏估计量Δf₁；在第一锁频环路未连通状态下，接收“0”信号，经环路处理后输出的鉴频控制量e₁(k)＝0，得到频偏估计量Δf₁＝0；并在第一锁频环路连通状态或未连通状态下输出频偏估计量Δf₁到所述加法器；

第二环路滤波器在第二锁频环路连通状态下，接收第二鉴频器输出的鉴频控制量e₂(k)，根据切换控制单元的判断结果确定第二环路滤波器增益K₂，并进行环路滤波得到频偏估计量Δf₂；在第二锁频环路未连通状态下，接收“0”信号，经环路处理后输出的鉴频控制量e₂(k)＝0，得到频偏估计量Δf₂＝0；并在第二锁频环路连通状态或未连通状态下输出频偏估计量Δf₂到所述加法器。

3.根据权利要求1或2所述的一种空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路，其特征在于，切换控制单元接收锁相环路输出载波锁定指示信号L(k)，并根据所述载波锁定指示信号L(k)确定第一锁频环路和第二锁频环路的连通状态，以及第二锁频环路中环路滤波器的增益，所述第二锁频环路中环路滤波器即为第二环路滤波器，具体实现方法如下：

(1)将接收到的载波锁定指示信号L(k)划分为N个数据块，其中每个数据块包括M点数据，然后根据对所述每个数据块数据求平均值得到切换控制状态信号E(n)：

$E\left(n\right)=\frac{1}{M}\underset{m=(n-1)M+1}{\overset{m=nM}{\&Sigma;}}L\left(m\right),n=1,2,...,N$

其中，M、N为正整数；

(2)根据步骤(1)得到的切换控制状态信号E(n)计算开关控制量S₁和S₂：

S₁＝|E(n)|

S₂＝|E(n+1)|

其中，|·|代表取绝对值运算；

(3)将步骤(2)得到的开关控制量S₁、S₂与切换控制阈值Th进行比较，确定第一锁频环路和第二锁频环路的的连通状态和第二锁频环路中环路滤波器增益K₂，其中K₂取值为K_min或K_max，K_max>K_min；经过比较后进行如下处理：

(3a)如果S₁>Th且S₂>Th，则只连通第一锁频环路，即将第一鉴频器得到的鉴频控制量e₁(k)输出到第一环路滤波器，进行环路滤波得到频偏估计量Δf₁，且第二锁频环路的环路滤波器输出的频偏估计量Δf₂＝0，则进行信号频偏纠正的频偏估计量Δf＝Δf₁；

(3b)如果S₁<Th且S₂>Th，则将第一锁频环路和第二锁频环路都连通，即将第一鉴频器得到的鉴频控制量e₁(k)输出到第一环路滤波器，进行环路滤波得到频偏估计量Δf₁，且将第二鉴频器得到的鉴频控制量e₂(k)输出到第二环路滤波器，第二环路滤波器的环路滤波增益K₂＝K_min，进行环路滤波得到频偏估计量Δf₂；则进行信号频偏纠正的频偏估计量Δf＝Δf₁+Δf₂；

(3c)如果S₂<Th，则将第一锁频环路和第二锁频环路都连通，即将第一鉴频器得到的鉴频控制量e₁(k)输出到第一环路滤波器，进行环路滤波得到频偏估计量Δf₁，且将第二鉴频器得到的鉴频控制量e₂(k)输出到第二环路滤波器，第二环路滤波器的环路滤波增益K₂＝K_max，进行环路滤波得到频偏估计量Δf₂；则进行信号频偏纠正的频偏估计量Δf＝Δf₁+Δf₂。

4.根据权利要求3所述的一种空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路，其特征在于，切换控制阈值Th根据以下方法确定：

(1)在载波捕获跟踪环路开始工作后，切换控制阈值Th取值为设定的初始切换控制阈值Th₀，即Th＝Th₀；

(2)当开关控制量S₁、S₂与切换控制阈值Th相比，比较处理结果为S₁>Th且S₂>Th时，则记录E_p＝E(n)；如果所述比较处理结果为S₁<Th且S₂<Th时，则记录E_q＝E(n)；其中，n＝1～N；

(3)经过步骤(2)得到E_p和E_q后，更新切换控制阈值

(4)重复步骤(2)～(3)，保持对切换控制阈值Th进行实时更新。

5.根据权利要求1或2所述的一种空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路，其特征在于，第一锁频环路采用CPAFC跟踪算法实现鉴频处理得到鉴频控制量e₁(k)，具体鉴频处理方法如下：

(1)接收经频率校正后的解调信号x_f(k)，其中所述解调信号x_f(k)的同相支路信号为S_I(k)、正交支路信号为S_Q(k)；

(2)根据步骤(1)接收得到的同相支路信号S_I(k)、正交支路信号S_Q(k)计算叉积分量f_cross(k)和点积分量f_dot(k)，其中：

f_cross(k)＝S_I(k-1)S_Q(k)-S_I(k)S_Q(k-1)

f_dot(k)＝S_I(k-1)S_I(k)+S_Q(k-1)S_Q(k)

(3)根据步骤(2)计算得到的叉积分量f_cross(k)和点积分量f_dot(k)计算鉴频控制量e₁(k)：

e₁(k)＝f_cross(k)·sign[f_dot(k)]

其中，sign[·]代表取符号运算。

6.根据权利要求1或2所述的一种空间相干光通信高动态载波捕获跟踪环路，其特征在于，第二锁频环路采用ODAFC跟踪算法实现鉴频处理得到鉴频控制量e₂(k)，具体鉴频处理方法如下：

(1)接收经频率校正后的解调信号x_f(k)，其中所述解调信号x_f(k)的同相支路信号为S_I(k)、正交支路信号为S_Q(k)；

(2)计算鉴频控制量e₂(k)：

$e_2\left(k\right)={\left(\frac{1}{Na}\right)}^2\underset{m=k-(Ns-1)}{\overset{k}{\&Sigma;}}\underset{n=k-(Ns-1)}{\overset{k}{\&Sigma;}}2\left(S_I\right(n)S_Q\left(m\right)-S_Q\left(n\right)S_I\left(m\right)sin\frac{\mathrm{\&pi;}}{Ns}(m-n)$

其中，Ns为正整数，当Ns＝2时，e₂(k)＝S_I(k-1)S_Q(k)-S_Q(k-1)S_I(k)；当Ns＝4时，鉴频控制量e₂(k)简化为：

$\begin{array}{c}{e}_2\left(k\right)=4sin\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}\left(\right(S_I\left(k-3\right)S_Q\left(k-2\right)-S_Q\left(k-3\right)S_I\left(k-2\right)+S_I\left(k-2\right)S_Q\left(k-1\right)-S_Q\left(k-2\right)S_I\left(k-1\right))\\ {\mathrm{+S}}_I(k-1)S_Q\left(k\right)-S_Q(k-1)S_I\left(k\right)\end{array}.$