CN107888281B - 一种高动态光通信多普勒频移模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高动态光通信多普勒频移模拟系统，包括：多普勒频谱变换模块、多普勒频移模块和调制器；其中，所述多普勒频谱变换模块对光信号进行频谱变换；所述多普勒频移模块对光载波进行频移变换；经多普勒频谱变换模块处理的光信号和经所述多普勒频移模块处理的光载波通过所述调制器模拟卫星通信的多普勒频移。本发明提供了一种高动态光通信多普勒频移模拟系统，模拟卫星通信中的多普勒现象，不仅解决相干通信系统中误码率升高的问题，而且提高了相干探测的性能以及系统的可靠性。

Description

一种高动态光通信多普勒频移模拟系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更具体的说是涉及一种高动态光通信多普勒频移模拟器。

背景技术

卫星空间运行的轨道可以按其高度分为3种：低轨道(LEO，距地面数百公里至5000KM，运行周期为2—4小时)；中轨道(MEO，距地面5000—20000KM，运行周期4一12小时)；高(同步)轨道(GEO，又称为静止轨道，距地面35800KM，运行周期24小时)。同轨道卫星相对静止，不存在多普勒效应；不同的轨道通信终端处于相对运动之间，光载波的多普勒效应不可避免。

卫星的相对速率最高可达6000m/s，最低约为2000m/s。当两颗卫星逐渐靠近时，相对速率越来越高，此时产生的多普勒频移会愈来愈大；当两颗卫星背离运动时，相对速率会逐渐减小，此时产生的多普勒频移也会逐渐减小。设f＝l×1014Hz；c＝3×108m/s；当光的传播时间为2×105s时，光传输过程中由于多普勒效应产生的载波频率在±1×109Hz之间呈周期性变化，调制信号被多普勒展宽。

不同轨道之间，卫星与地面之间由于多普勒效应会附加在接收光中，引起信号和本振的频率差不再是一个固定的值，而会随机的不确定变化，也就是频差随机。那么当接收机进行相干解调时，就会产生一定的相位偏差，从而影响系统的性能，使误码率增大。

多普勒频移产生的频移大并且变化非常的迅速。在相干系统中，实际处理的是本振光和信号光经过处理的中频信号，而多普勒频移恰恰是对中频信号产生巨大漂移的因素，这样会非常影响相干通信系统的解调，最终导致误码率的升高，影响相干探测的性能以及系统的可靠性。

因此，如何提供一种高动态光通信多普勒频移模拟系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高动态光通信多普勒频移模拟系统，模拟卫星通信中的多普勒现象，不仅解决相干通信系统中误码率升高的问题，而且提高了相干探测的性能以及系统的可靠性。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高动态光通信多普勒频移模拟系统，包括：多普勒频谱变换模块、多普勒频移模块和调制器；其中，所述多普勒频谱变换模块对光信号进行频谱变换；所述多普勒频移模块对光载波进行频移变换；经多普勒频谱变换模块处理的信号光和经所述多普勒频移模块处理的光载波通过所述调制器模拟卫星通信的多普勒频移。

本发明提供的高动态光通信多普勒频移模拟系统，用于卫星激光通信终端及激光链路系统测试，采用分别对信号光的多普勒频谱变化以及光载波的多普勒频移来实现对多普勒现象的模拟，对具有多普勒效应的通信模型进行仿真。

11、优选的，在上述的一种高动态光通信多普勒频移模拟系统中，所述多普勒频谱变换模块包括：1550nm光源稳定性监控单元、多普勒频移控制及反馈单元、信息码多普勒展宽单元、和相对速度频移显示单元；所述1550nm光源稳定性监控单元监控信号光的稳定性；所述多普勒频移控制及反馈单元对信号光进行多普勒频谱变换，并对其频移量进行频移反馈；所述信息码多普勒展宽单元用于对信息码进行多普勒展宽；所述相对速度频移显示单元显示不同的相对速度所造成的不同频移显示。

本发明提供的高动态光通信多普勒频移模拟系统中，多普勒频谱变换模块对信号光进行处理不同频率的信号光不是均匀展宽变化的，其高低频进行不同程度的频移，其中高频的频移量要高于低频的频移量，实现不同程度的精细的频谱变化；将信号光进行两次变换形成新信息码并对其频移量进行反馈，用于检查经频移控制得到的频移量是否满足多普勒频移的要求，如果不满足将其反馈给频移控制系统进行多普勒频移变换；频移反馈能够使信号光得到较为精确的多普勒频移变换。

此外，需要说明的是：当两颗卫星逐渐靠近时，相对速率越来越高，此时产生的多普勒频移会愈来愈大；当两颗卫星背离运动时，相对速率会逐渐减小，此时产生的多普勒频移也会逐渐减小。不同的相对速度会有不同的多普勒频移，所以相对速度频移显示软件用于显示不同的相对速度所造成的不同的多普勒频移量。

优选的，在上述的一种高动态光通信多普勒频移模拟系统中，所述多普勒频移模块包括：激光器、双并联马赫-曾德尔调制器、射频源、射频放大及信号处理单元、偏压控制单元、和偏置控制器；其中，所述激光器发射所述双并联马赫-曾德尔调制器上的光载波，所述光载波通过所述光纤耦合器一部分到达所述双并联马赫-曾德尔调制器进行调制，另一部分通过所述光电检测器对所述光载波进行功率及其频率稳定性的检测；通过所述双并联马赫-曾德尔调制器的光载波在射频信号与直流电压的作用下经所述双并联马赫-曾德尔调制器后经所述光纤耦合器，一部分直接输出，另一部分进入另一所述光电检测器对其功率与频率稳定性的监控。

优选的，在上述的一种高动态光通信多普勒频移模拟系统中，所述直流电压在偏压控制单元和偏置控制器的作用下产生。

本发明提供的高动态光通信多普勒频移模拟系统中，偏压控制单元用于补偿双并联马赫-曾德尔调制器工作点的固有漂移，以锁定马赫-曾德尔调制器的工作点，保证系统以最优性能稳定工作，并可与稳定性监控PD(光电检测器photod i ode) 集成以实现自动优化调节工作点；偏置控制器用于控制加载在双并联马赫-曾德尔调制器上的直流电，以提供不同的偏置电压，为调制器以实现不同边带的调制。

优选的，在上述的一种高动态光通信多普勒频移模拟系统中，所述射频信号由射频源发射。

本发明提供的高动态光通信多普勒频移模拟系统中，射频信号用于产生高抑制比单边带(CS-SSB，单边带抑制>30dB，)信号光。

优选的，在上述的一种高动态光通信多普勒频移模拟系统中，所述射频源经射频信号处理单元和延迟线单元进行处理后作用到所述双并联马赫-曾德尔调制器的光载波上。

本发明提供的高动态光通信多普勒频移模拟系统中，射频信号在射频信号处理单元和延迟线的配合下优化双并联马赫-曾德尔调制器性能，以保证双并联马赫 -曾德尔调制器在最优的状态下运行；其中射频信号处理单元对射频信号进行放大，有利于产生高抑制比单边带信号光。

优选的，在上述的一种高动态光通信多普勒频移模拟系统中，所述信息码经傅里叶变换和逆傅里叶变化形成新的信息码。

优选的，在上述的一种高动态光通信多普勒频移模拟系统中，所述信息码为时域信息码，时域信息码经傅里叶变换为频域信息码，所述频域信息码进行多普勒展宽。

本发明提供的高动态光通信多普勒频移模拟系统中，实现不同程度的精细的谱变化。

优选的，在上述的一种高动态光通信多普勒频移模拟系统中，所述信息码多普勒展宽单元，不同频率的信号光做非均匀展宽变化。

优选的，在上述的一种高动态光通信多普勒频移模拟系统中，所述激光器为线宽小于10KHz、低噪音激光器。

本发明提供的高动态光通信多普勒频移模拟系统中，激光器的选择既可大大降低AM和FM噪声，又可以确保功率及频率的稳定性。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种高动态光通信多普勒频移模拟系统，用于卫星激光通信终端及激光链路系统测试，采用分别对信号光的多普勒频谱变化以及光载波的多普勒频移来实现对多普勒现象的模拟，对具有多普勒效应的通信模型进行仿真；一方面，多普勒频谱变换模块对信号光进行处理不同频率的信号光不是均匀展宽变化的，其高低频进行不同程度的频移，其中高频的频移量要高于低频的频移量，实现不同程度的精细的频谱变化；另一方面，偏压控制单元用于补偿双并联马赫-曾德尔调制器工作点的固有漂移，以锁定马赫-曾德尔调制器的工作点，保证系统以最优性能稳定工作，并可与稳定性监控PD(光电检测器photodiode)集成以实现自动优化调节工作点，偏置控制器用于控制加载在双并联马赫-曾德尔调制器上的直流电，以提供不同的偏置电压，为调制器以实现不同边带的调制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明的整体方案的示意图；

图2附图为本发明信号光进行频谱变化的示意图；

图3附图为本发明多普勒频谱变换模块示意图；

图4附图为本发明多普勒频移模块示意图；

图5附图为本发明载波单边带抑制效果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种高动态光通信多普勒频移模拟系统，包括：多普勒频谱变换模块、多普勒频移模块和调制器；其中，所述多普勒频谱变换模块对信号光进行频谱变换；所述多普勒频移模块对光载波进行频移变换；经多普勒频谱变换模块处理的光信号和经所述多普勒频移模块处理的光载波通过所述调制器模拟卫星通信的多普勒频移。

为了进一步优化上述技术方案，所述多普勒频谱变换模块包括：1550nm光源稳定性监控单元、多普勒频移控制及反馈单元、信息码多普勒展宽单元、和相对速度频移显示单元；所述1550nm光源稳定性监控单元监控信号光的稳定性；所述多普勒频移控制及反馈单元将所述信号光进行两次变换形成新信息码，并对其频移量进行频移反馈；所述信息码多普勒展宽单元用于对信息码进行多普勒展宽；所述相对速度频移显示单元显示不同的相对速度所造成的不同频移显示。

为了进一步优化上述技术方案，所述多普勒频移模块包括：激光器、双并联马赫-曾德尔调制器、射频源、射频信号处理单元、偏压控制单元、和偏置控制器；其中，所述激光器发射所述双并联马赫-曾德尔调制器上的光载波，所述光载波通过所述光纤耦合器一部分到达所述双并联马赫-曾德尔调制器进行调制，另一部分通过所述光电检测器对所述光载波进行功率及其频率稳定性的检测；通过所述双并联马赫-曾德尔调制器的光载波在射频信号与直流电压的作用下经双所述并联马赫-曾德尔调制器后经所述光纤耦合器，一部分直接输出，另一部分进入另一所述光电检测器对其功率与频率稳定性的监控。

为了进一步优化上述技术方案，所述射频信号由射频源发射。

为了进一步优化上述技术方案，所述射频源经射频信号处理单元和延迟线单元进行处理后作用到所述双并联马赫-曾德尔调制器的光载波上。

为了进一步优化上述技术方案，所述直流电压在偏压控制单元和偏置控制器的作用下产生。

为了进一步优化上述技术方案，所述信息码经傅里叶变换和逆傅里叶变化形成新的信息码。

为了进一步优化上述技术方案，所述信息码为时域信息码，时域信息码经傅里叶变换为频域信息码，所述频域信息码进行多普勒展宽。

为了进一步优化上述技术方案，所述信息码多普勒展宽单元，不同频率的信号光做非均匀展宽变化。

为了进一步优化上述技术方案，所述激光器为线宽小于10KHz、低噪音激光器。

请参阅附图1，基于将信号光进行多普勒频谱变化与光载波进行多普勒频谱变化后进行调制实现对多普勒现象模拟的多普勒模拟器，是此次设计的整体方案。

请参阅附图图2，当信号光的中心频率fc得到了fs的多普勒频移后，且不同频率不是均匀变化的，其高低频进行的不同程度的频移，其中高频的频移量要高于低频的，实现不同程度的精细的谱变化。相对速度ΔV＝0时，谱宽Δ＝f₂-f₁；相对速度为V时，谱宽

则频谱增宽

可至百MHz。

请参阅附图3，多普勒频谱变换模块，包括1550nm光源稳定性监控单元、多普勒频移控制及反馈单元、信息码多普勒频移展宽单元、和相对速度频移显示单元,其中，1550nm光源稳定性监控单元，用于监控提供的信号光光源的稳定性；多普勒频移控制软件及反馈单元，用于将信号进行频谱变换并对其变换进行反馈；信息码多普勒展宽单元，用于对信息码进行精细的谱变换；相对速度频移显示单元，用于显示不同的相对速度所造成的不同频移显示。

请参阅附图4，多普勒移频器的示意图，包括：内置调试光源、双并联马赫- 曾德尔调制器、射频源、射频放大及信号处理单元、偏压控制单元、偏置控制器，其中内置调试光源，用于双并联马赫-曾德尔产生加在调制器上的光载波，产生的光载波通过光纤耦合器，一部分进入双并联马赫-曾德尔调制器，用于产生载波抑制单边带光信号，来实现载波频移，一部分通过光电探测器PD1对载波进行功率及其频率稳定性的检测；进入调制器的光载波在射频信号与直流电压的控制下实现载波频移；其中，射频源，用于产生加在双并联马赫-曾德尔调制器上的射频信号，并在射频放大及信号处理单元和延迟线的配合下优化双并联马赫-曾德尔调制器性能，以保证调制器在最优的状态下运行；而直流电压的产生则在偏压控制单元及偏置控制器作用下产生的；其中偏压控制单元，用于补偿铌酸锂强度调制器工作点的固有漂移，以锁定马赫-曾德尔调制器的工作点，保证系统以最优性能稳定工作，并可与稳定性监控PD集成以实现自动优化调节工作点；偏置控制器，用于控制加载在双并联马赫-曾德尔调制器上的直流电，以提供不同的偏置电压，为调制器以实现不同边带的调制；载波得到频移从调制器射出，经过光纤耦合器一部分直接射出，一部分进入光电探测器PD2进行频率与功率稳定性的检测。

请参阅附图5，研发用于从连续激光源和RF电信号产生载波抑制单边带 (CS-SSB，单边带抑制>30dB，)光信号，对于实现载波衰减和边带衰减取决于几个因素，包括驱动到调制器的RF功率，两个子Mach-Zehnders之间的RF功率平衡，光信号的波长稳定性，RF调制信号的频率和I/Q相移(使用DC3电压设定)。研究优化调节器偏置调节，可调延时控制和RF输入电平，以实现高光载波抑制。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种高动态光通信多普勒频移模拟系统，其特征在于，包括：多普勒频谱变换模块、多普勒频移模块和调制器；其中，所述多普勒频谱变换模块对光信号进行频谱变换；所述多普勒频移模块对光载波进行频移变换；经所述多普勒频谱变换模块处理的信号光和经所述多普勒频移模块处理的光载波通过所述调制器模拟卫星通信的多普勒频移；所述多普勒频谱变换模块包括：

1550nm光源稳定性监控单元、多普勒频移控制及反馈单元、信息码多普勒展宽单元、和相对速度频移显示单元；所述1550nm光源稳定性监控单元监控信号光的稳定性；所述多普勒频移控制及反馈单元将所述信号光进行两次变换形成新信息码，并对其频移量进行频移反馈；所述信息码多普勒展宽单元用于对信息码进行多普勒展宽；所述相对速度频移显示单元显示不同的相对速度所造成的不同频移显示。

2.根据权利要求1所述的一种高动态光通信多普勒频移模拟系统，其特征在于，所述多普勒频移模块包括：激光器、双并联马赫-曾德尔调制器、射频源、射频信号处理单元、偏压控制单元、和偏置控制器；其中，所述激光器用于产生加在所述双并联马赫-曾德尔调制器上的光载波，所述光载波通过光纤耦合器一部分到达所述双并联马赫-曾德尔调制器进行调制，另一部分通过光电检测器对所述光载波进行功率及其频率稳定性的检测；通过所述双并联马赫-曾德尔调制器的光载波在射频信号与直流电压的作用下依次经所述双并联马赫-曾德尔调制器、所述光纤耦合器，一部分直接输出，另一部分进入另一所述光电检测器对光载波的功率与频率稳定性的监控。

3.根据权利要求2所述的一种高动态光通信多普勒频移模拟系统，其特征在于，所述射频信号由所述射频源发射。

4.根据权利要求3所述的一种高动态光通信多普勒频移模拟系统，其特征在于，所述射频源发射的射频信号经所述射频信号处理单元和延迟线单元进行处理后作用到所述双并联马赫-曾德尔调制器的光载波上。

5.根据权利要求2所述的一种高动态光通信多普勒频移模拟系统，其特征在于，所述直流电压在所述偏压控制单元和所述偏置控制器的作用下产生。

6.根据权利要求1所述的一种高动态光通信多普勒频移模拟系统，其特征在于，所述信号光经傅里叶变换和逆傅里叶变换形成所述新信息码。

7.根据权利要求6所述的一种高动态光通信多普勒频移模拟系统，其特征在于，所述信号光为时域信息码，所述时域信息码经傅里叶变换为频域信息码，所述频域信息码进行多普勒展宽。

8.根据权利要求1所述的一种高动态光通信多普勒频移模拟系统，其特征在于，所述信息码多普勒展宽单元对不同频率的信号光做非均匀展宽变化。

9.根据权利要求2所述的一种高动态光通信多普勒频移模拟系统，其特征在于，所述激光器为线宽小于10KHz的激光器。

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